O introducere cuprinzătoare în tratamentul termic: Cunoștințe esențiale și aplicații

Tratamentul termic este un proces fundamental de fabricație în industria prelucrării metalelor, care optimizează performanța materialelor pentru a satisface cerințele variate ale ingineriei. Acest articol rezumă cunoștințele de bază despre tratamentul termic, acoperind teorii fundamentale, parametrii procesului, relația dintre microstructură și performanță, aplicații tipice, controlul defectelor, tehnologii avansate, precum și securitatea și protecția mediului, pe baza expertizei specifice industriei.

1. Teorii fundamentale: Concepte esențiale și clasificare

În esență, tratamentul termic modifică microstructura internă a materialelor metalice prin cicluri de încălzire, menținere și răcire, adaptând astfel proprietăți precum duritatea, rezistența și tenacitatea.

Tratamentul termic al oțelului este împărțit în principal în trei tipuri:

Tratament Termic General: Include recoacerea, normalizarea, călirea și revenirea — patru procese de bază care modifică microstructura întregii piese.

Tratament Termic de Suprafață: Se concentrează pe proprietățile suprafeței fără a modifica compoziția de bază (de exemplu, călirea superficială) sau modifică chimia suprafeței (de exemplu, tratamente termochimice precum cementarea, nitrurarea și carbonitrurarea).

Procese Speciale: Cum ar fi tratamentul termomecanic și tratamentul termic în vid, concepute pentru nevoi specifice de performanță.

O distincție importantă se face între călirea cu revenire și normalizarea: călirea utilizează o răcire lentă (răcire în cuptor sau în cenușă) pentru a reduce duritatea și a elimina tensiunile interne, în timp ce normalizarea folosește răcirea în aer pentru a obține microstructuri mai fine și mai uniforme, precum și o rezistență ușor mai mare. Critic, călirea - utilizată pentru a obține structuri martensitice dure - trebuie urmată de revenire pentru a reduce fragilitatea și pentru a echilibra duritatea și tenacitatea prin eliminarea tensiunilor reziduale (150–650°C).

2. Parametrii procesului: Factori critici pentru calitate

Tratamentul termic reușit depinde de controlul precis a trei parametri principali:

2.1 Temperaturi critice (Ac₁, Ac₃, Acm)

Aceste temperaturi ghidează ciclurile de încălzire:

Ac₁: Temperatura de început a transformării perlită-austenită.

Ac₃: Temperatura la care ferita se transformă complet în austenită în oțelurile hipoeutectoide.

Acm: Temperatura la care cementita secundară se dizolvă complet în oțelurile hipereutectoide.

2.2 Temperatura de încălzire și timpul de menținere

Temperatura de încălzire: Oțelul hipoeutectoid este încălzit la 30–50°C peste Ac₃ (austenitizare completă), în timp ce oțelul hipereutectoid este încălzit la 30–50°C peste Ac₁ (păstrând unele carburi pentru rezistența la uzură). Aliajele necesită temperaturi mai mari sau timpi de menținere mai lungi din cauza difuziei mai lente a elementelor de aliere.

Timpul de menținere: Se calculează ca grosimea efectivă a semifabricatului (mm) × coeficientul de încălzire (K) — K=1–1,5 pentru oțel carbon și 1,5–2,5 pentru oțel aliat.

2.3 Viteza de răcire și mediile de călire

Viteza de răcire determină microstructura:

Răcire rapidă (>viteza critică): Formează martensită.

Răcire moderată: Produce bainită.

Răcire lentă: Rezultă perlită sau amestecuri de ferită-cementită.

Mediile ideale de călire echilibrează "răcire rapidă pentru a evita înmuierea" și "răcire lentă pentru a preveni crăparea". Apa/saramura este potrivită pentru nevoi de duritate ridicată (dar prezintă riscul de crăpare), în timp ce uleiul/soluțiile pe bază de polimer sunt preferate pentru piese cu forme complexe (reducând deformarea).

3. Microstructura vs. Performanță: Relația esențială

Proprietățile materialelor sunt determinate direct de microstructură, iar principalele relații includ:

3.1 Martensita

Dură, dar fragilă, cu o structură de tip ac sau lamelar. O cantitate mai mare de carbon crește fragilitatea, în timp ce austenita reținută reduce duritatea, însă îmbunătățește tenacitatea.

3.2 Microstructuri temperate

Temperatura de călire definește performanța:

Temperatură joasă (150–250°C): Martensită temperată (58–62 HRC) pentru scule/matrițe.

Temperatură medie (350–500°C): Troostită temperată (limită elastică ridicată) pentru arcuri.

Temperatură înaltă (500–650°C): Sorbită temperată (proprietăți mecanice complexe excelente) pentru arbori/roți dințate.

3.3 Fenomene speciale

Îndurire secundară: Aliajele (de exemplu, oțel rapid) își redobândesc duritatea în timpul călirii la 500–600°C datorită precipitării carbidelor fine (VC, Mo₂C).

Fragilitatea la temperatură: Tipul I (250–400°C, ireversibilă) se evită prin răcire rapidă; Tipul II (450–650°C, reversibilă) se reduce prin adăugarea de W/Mo.

4. Aplicații tipice: Procese adaptate pentru componentele esențiale

Procesele de tratament termic sunt personalizate pentru a corespunde cerințelor de performanță ale componentelor și materialelor specifice:

Pentru roți dințate auto realizate din aliaje precum 20CrMnTi, procesul standard este cementarea (920–950°C), urmată de călire în ulei și revenire la temperatură joasă (180°C), obținând astfel o duritate superficială de 58–62 HRC, păstrând în același timp un miez tenace.

Pentru oțel de scule cum este H13, fluxul de lucru include normalizare, călire (1020–1050°C, răcire cu ulei) și dublă revenire (560–680°C). Această succesiune elimină tensiunile interne și ajustează duritatea la circa 54–56 HRC.

Oțelul rapid precum W18Cr4V necesită călire la temperatură înaltă (1270–1280°C) pentru a forma martensită și carbură, urmată de trei cicluri de revenire la 560°C pentru a transforma austenita reținută în martensită, obținând astfel o duritate de 63–66 HRC și o excelentă rezistență la uzură.

Fonta ductilă poate fi tratată prin austemperare la 300–400°C pentru a obține o microstructură de bainită și austenită reținută, echilibrând astfel rezistența și tenacitatea.

Pentru oțelul inoxidabil austenitic de tip 18-8, tratamentul de soluționare (1050–1100°C, răcire în apă) este esențial pentru a preveni coroziunea intercristalină. În plus, tratamentul de stabilizare (adăugare de Ti sau Nb) ajută la evitarea precipitării carburilor atunci când materialul este expus la temperaturi între 450–850°C.

5. Controlul Defectelor: Prevenire și Mitigare

Defectele comune ale tratamentului termic și măsurile lor corective sunt următoarele:

Fisurare prin călire: Cauzată de stres termic/organizatoric sau procese incorecte (de exemplu, încălzire rapidă, răcire excesivă). Măsurile de prevenire includ preîncălzirea, utilizarea călirii în trepte sau izoterme și revenirea imediată după călire.

Deformare: Poate fi corectată prin presare la rece, îndreptare la cald (încălzire locală deasupra temperaturii de revenire) sau relaxare prin vibrații. Tratamente preliminare precum normalizarea sau recristalizarea, pentru eliminarea stresului de forjare, reduc și deformarea.

Arderi: Apar atunci când temperatura de încălzire depășește linia solidus, ducând la topirea limitelor de grăunte și la fragilitate. Monitorizarea strictă a temperaturii (mai ales pentru oțelurile aliate) cu termometre este metoda principală de prevenire.

Decarburizare: Rezultă din reacțiile dintre suprafața semifabricatului și oxigen/CO₂ în timpul încălzirii, reducând duritatea suprafeței și durata de viață în regim de oboseală. Poate fi controlată utilizând atmosfere protectoare (de exemplu, azot, argon) sau cuptoare cu baie de sare.

6. Tehnologii avansate: Motor al inovației

Tehnologiile emergente de tratament termic sunt în curs de a redefini industria prin îmbunătățirea performanței și eficienței:

TMCP (Thermomechanical Control Process): Combină laminarea controlată și răcirea controlată pentru a înlocui tratamentul termic tradițional, finisând structura cristalină și formând bainită – utilizată pe scară largă în producția oțelului pentru construcții navale.

Calire cu laser: Permite durificarea localizată cu precizie de până la 0,1 mm (ideal pentru suprafețele dinților roților dințate). Folosește răcirea proprie pentru calire (nu este necesar mediu de răcire), reducând deformarea și crescând duritatea cu 10–15%.

QP (Quenching-Partitioning): Presupune menținerea sub temperatura Ms pentru a permite difuzia carbonului din martensită către austenita reținută, stabilizând ultima și îmbunătățind tenacitatea. Acest proces este esențial pentru fabricarea oțelului TRIP pentru autovehicule din a treia generație.

Tratamentul termic al oțelului nanobainitic: Austemperarea la 200–300°C produce bainită la scară nanometrică și austenită reținută, obținând o rezistență de 2000MPa cu o tenacitate mai bună decât cea a oțelului martensitic tradițional.

7. Siguranță și protecția mediului

Tratamentul termic reprezintă aproximativ 30% din consumul total de energie în industria mecanică, făcând siguranța și durabilitatea priorități critice:

Reducerea riscurilor de siguranță: Se aplică protocoale stricte de operare pentru a preveni arsurile produse de temperaturi înalte (din echipamente de încălzire sau piese), expunerea la gaze toxice (de exemplu, CN⁻, CO provenit din cuptoare cu baie de sare), incendii (datorate scurgerilor de ulei de călire) și leziuni mecanice (în timpul ridicării sau fixării).

Reducerea emisiilor: Măsurile includ utilizarea de cuptoare în vid (pentru a evita arderea oxidativă), etanșarea băilor de călire (reducând volatilizarea ceții de ulei) și instalarea de dispozitive de purificare a gazelor de eșapament (pentru adsorbție sau descompunere catalitică a substanțelor nocive).

Tratamentul apelor uzate: apele uzate care conțin crom necesită un tratament de reducere și precipitare, iar apele uzate care conțin cianură necesită detoxificare. Apele uzate complexe sunt supuse unui tratament biochimic pentru a îndeplini standardele de evacuare înainte de eliberare.

Concluzie

Tratamentul termic este un element esențial în ingineria materialelor, fiind legătura dintre materiile prime și componentele de înaltă performanță. Cunoașterea principiilor, parametrilor și inovațiilor acestuia este esențială pentru îmbunătățirea fiabilității produselor, reducerea costurilor și promovarea fabricației sustenabile în industria auto, aerospațială și în mecanică.