UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV FACULTATEA DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Ing. Paul Popa

STUDII I CERCETRI EXPERIMENTALE PRIVIND MBUNTIREA PERFORMANELOR OELURILOR DE SCULE PENTRU DEFORMARE PLASTIC PRIN TRATAMENTE TERMICE I TERMOCHIMICE STUDIES AND EXPERIMENTAL RESEARCHES REGARDING IMPROVING PERFORMANCE OF TOOL STEELS FOR PLASTIC DEFORMATION THROUGH THERMOCHEMICAL AND HEAT TREATMENT PROCESSES

REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT ABSTRACT OF THE PH.D. THESIS

Conductor tiinific :Membru Corespondent al Academiei de tiine Tehnice din Romnia

Prof.univ.dr.ing. Ioan Giacomelli

BRAOV, 2011

MINISTERUL EDUCAIEI, CERCETRII, TINERETULUI I SPORTULUI UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV

BRAOV, B-dul EROILOR, Nr. 29, 500036 Tel. 0268413000, Fax.+40-0268410525

D-nei/lui.

COMPONENA Comisiei de doctorat Numit prin Ordinul Rectorului Universitii Transilvania din Braov 4586/16.05.2011PREEDINTE: - Prof. univ. dr. ing. Mircea Horia IEREAN DECAN - Facultatea de tiina i Ingineria Materialelor Universitatea Transilvania din Braov - Prof. univ. dr. ing. Ioan GIACOMELLI Universitatea Transilvania din Braov - Prof.univ. dr. ing. Rami ABAN Universitatea Politehnica din Bucureti - Cercet. t. gr. I, dr. ing. Leontin DRUG Institutul National de Tehnologii la Cald- Bucureti - Prof. univ. dr. ing. Daniel MUNTEANU Universitatea Transilvania din Braov

CONDUCTOR TIINIFIC: REFERENI:

Data, ora i locul susinerii publice a tezei de doctorat: 14 iulie 2011, ora 11:00, sala W III 4, Catedra UTSM, Str. Universitii nr. 4

Eventualele aprecieri i observaii asupra lucrrii v rugm s le transmitei n timp util pe adresa de e-mail: paul.popa@yahoo.com

1

PrefataDezvoltarea industrial, ofer oportuniti de inovare cercetare n domeniul tratamentelor termice i moderne i al tratamentelor termochimice aplicate sculelor de deformare plastic, necesare n majoritatea aplicaiilor ce produc bunuri de larg consum i unicate, ce privesc aproape toate domeniile: industria auto, chimic, alimentar, energetic, nuclear, farmaceutic, aeronautic, tehnic militar, transporturi etc. Studiile i cercetrile realizate n domeniul tratamentelor termice i termochimice, aplicate oelurilor i sculelor de deformare plastic, din prezenta lucrare, se adreseaz n egal msur att specialitilor metalurgi care i desfoar activitatea de producie n fabricile, respectiv seciile de profil, studenilor, doctoranzilor i cercettorilor din domeniul sectoarelor calde, precum i specialitilor sculeri. Lucrarea este rezultatul a peste 4 ani de studii i cercetri desfurate n paralel att la coala Doctoral, din cadrul Universitii Transilvania Braov, Centre de Cercetare, cumulat cu perioada de studiu individual i cercetare practic industrial n departamentele de Producie ale seciilor, respectiv fabricilor de tratamente termice unde autorul -i desfoar activitatea profesional. O mare parte din cercetri au fost puse n practic, n activitatea de producie. Aceste studii cercetri se regsesc n cele 3 i referate din cadrul pregtirii individuale prin doctorantr, respectiv ntr-o serie de articole publicate la revistele de specialitate. Prezenta tez este structurat pe 8 capitole n cadrul crora sunt prezentate o serie de cercetri specifice tratamentelor termice i termochimice aplicate pe epruvete i scule de deformare plastic, fabricate din oeluri nalt aliate, cu aplicaii practice avantajoase din punct de vedere tehnologic i economic. Aceste cercetri aduc rspunsuri legate de problemele actuale, ntmpinate de speciali tratamentiti n tii fabricile (seciile) de profil dar care vin n ajutorul beneficiarilo r serviciilor de tratamente termice i i termochimice, adic productorii de scule. n capitolul 1 se face o prezentare a stadiului actual al teorieipracticii tratamentelor termice ale i oelurilor aliate pentru scule de deformare plastic. Pe parcursul capitolului 2 sunt prezentate o parte din tehnologiile neconvenionale de tratament termic care aplicate oelurilor i sculelor de deformare plastic pot aduce mbuntirea performanelor acestor produse. Capitolul 3 realizeaz o prezentare a probelor i sculelor confecionate din oeluri nalt aliate autoclibile, precumi a utilajelor, instalaiilor i a aparaturii de msur i analiz metalografic ce fac obiectul prezentelor studii i cercetri. Pentru faptul c din totdeauna au existat controverse ntre specialitii sculeri i specialitii tratamentiti, s-a ivit necesitatea permanent, n cadrul fabricii Hrtha Tratamente Termice Sibiu s se cerceteze una din problemele ce prezint poate cel mai mare interes la ora actual n domeniu, pentru a se oferi soluii reale, simple i economice productorilor de scule, n prevenirea i reducerea deformaiilor (inevitabile) la tratamentul termic final executat la presiuni sczute, al sculelor de deformare plastic (capitolul 4). De asemenea n lucrare, (capitolul 4) se pun n eviden cercetri ce relev importana includerii n fluxul de fabricaie al tratamentelor termice criogenice executate asupra oelurilor pentru deformare plastic ce se transpun n creterea proprietilor mecanice i a clibilitii. Ca alternativ la creterea productivitii n fabricile de profil, n capitolul 5 se propun studii i cercetri cu privire la managementul arjelor n aplicarea nitrurrii, respectiv nitrocarburrii multiple, precum i efectele acestor procedee asupra suprafeelor miezului oelurilor de scule pentru deformare i plastic, desfurate n cadrul unei specializri de dou luni la fabrica Hrtha enburg Wei -Germania, n colaborare cu firma concernului german Daimler AG , Star Transmission Cugiri firma IG Watteeuw Romnia Iai. n lucrare sunt prezentate (capitolul 5) teste de durabilitate realizate direct pe scule de deformare plastic la cald, la firma Styria Arcuri Sibiu, confecionate din diferite oeluri nalt aliate autoclibile, la care s-au aplicat diferite variante de tratamente termice finale i tratamente termochimice de mbogire a straturilor superficiale ale sculelor n azot sau n azot i carbon, cu scopul creterii rezistenei la uzare i de a nlocui oeluri mai scumpe cu alte oeluri mai ieftine, cu rezultate cel puin egale sau mai mari. Pe parcursul capitolului 6 se prezint o alt direcie de cercetare realizat n colaborare cu, colectivul de cercetare din cadrul Institutului de Cercetare-Dezvoltare pentru Sectoare Calde Bucure ce prezint ti influena unor tratamente termice moderne a unor combinaii a acestora asupra rezistenei la uzare i abraziv a oelurilor de scule pentru deformare plastic, prin ncercarea la uzare folosind tribosistemul tift / disc . n ultima parte a lucrrii (capitolul 7) sunt evideniate aspecte ale modelrii matematice cu aplicaii practice n determinarea rapid a grosimii straturilor oelurilor de scule tratate termochimic prin metode nedistructive, cu efecte n reducerea costurilor i ca alternativ periodic la determinarea grosimii straturilor nitrocarburate, oxinitrocarburate, prin metoda clasic a microduritii. Lucrarea se ncheie cu prezentarea concluziilor generale i a contribuiilor proprii aduse de autor (capitolul 8).2

*** Pentru sprijinul acordat de-a lungul ntregii perioade de realizare a tezei, pentru ndrumarea competent i recomandrile fcute cu nalt profesionalism, adresez cu deosebit respect i consideraie cele mai sincere mulumiri Domnului Prof.univ.dr.ing Ioan Giacomelli, con tient fiind de privilegiul de a -l avea conductor tiinific. Cu deosebit consideraie i stim, doresc s mulumesc tuturor profesorilor mei din facultate precum i ntregului colectiv profesoral al Catedrei de Utilaj Tehnologic i tiina Materialelor din cadrul Facultii de tiina i Ingineria Materialelor din Braov, pentru sfaturile i observaiile fcute pe parcursul studiilor doctorale. De asemenea, aduc mulumiri colegilor doctoranzi, alturi de care am lucrat n cadrul Facultii de tiina i Ingineria Materialelor. De asemenea in s mulumesc domnului Prof.dr.ing. Leontin Drug pentru, sfaturile i ideile mprtite de-a lungul a peste 15 ani de colaborare n domeniul tratamentelor termice i termochimice. Am avut ansa de a colabora n cadrul Institutului de Cercetare-Dezvoltare pentru Sectoare Calde Bucure cu ti domnul ing. Nicolae Dumitru i pe aceast cale doresc s-i mulumesc pentru profesionalismul i colaborarea la studiile fcute, ce au contribuit n mod esenial la finalizarea lucrrii. Sfaturile oferite de ctre domnul Prof.dr.ing. Zoltan Koloszvary, din cadrul firmei Plasmaterm SA Tg.-Mure pe parcursul ntregii mele formri doctorale au fost de un deosebit ajutori pe aceast doresc s -i aduc sincere mulumiri. Mulumiri doresc s aduc bunului meu prieten Adrian Coconel, Business Unit Manager n cadrul firmei IG Watteeuw Romnia pentru sprijinul acordat n realizarea unor tratamente termochimice i lucrri de laborator pe epruvete i scule. Mulumesc foarte mult prietenului meu, ing. Claudiu Srcu, administrator la firma SC ISO98 SRL Sibiu pentru ajutorul i interesul deosebit acordat studiilor prezentei lucrri ct i n ajutorul acordat pentru prelucrarea prin chiere a epruvetelor i sculelor de perforare la cald. Mulumesc foarte a mult pentru interesul acordati colaborarea n cercetrile realizate firmelor: Brandl RO Sibiu SRL, CIE Matricon SA Tg. Mure , Oerlikon Balzers Coating SRL, Plasmaterm SA Tg. Mure Styria Arcuri Sibiu, , Struers SRL Sibiu, Hidrotehnic SRL Sibiu, Compa SA Sibiu, Star Transmission Cugir, Uzina Mecanica Cugir, SC Sculria SRL Cugir, care au contribuit ntr-o mare msur la realizarea prezentei lucrri. Cu aceeai consideraie i stim autorul aduce mulumiri colegilor din cadrul firmei Hrtha Tratamente Termice Sibiu care au fost alturi de minei m -au sprijinit i suportat n munca de cercetare practic industrial desfurat permanent att n prezent ct i pe viitor. n final, dar nu n ultimul rnd, mulumesc soiei mele Marianai fiului meu tefan Radu, familiei i prietenilor mei, pentru ncrederea i sprijinul acordat, fr de care nu a fi reuit s mi ndeplinesc v isul de a-mi desvri cunotinele prin prezentele studii doctorale.

3

CUPRINSPag. tez Pag. rezumat

PREFATA...CAPITOLUL 1 STADIUL ACTUAL AL TEORIEI I PRACTICII TRATAMENTELOR TERMICE ALE OELURILOR ALIATE DE SCULE PENTRU DEFORMARE PLASTIC.. DEFORMARE PLASTIC............................................................................................... 1.1.1. Natura fazelor i a constituenilor n oeluri aliate............................................................ 1.1.2. Criterii de alegere a unui oel pentru scule de deformare plastic.................................... 1.1.3. Oeluri pentru scule de deformare plastic la cald............................................................ 1.1.4. Oeluri pentru scule de deformare plastic la rece............................................................ 1.1.5. Simbolizare. Utilizri........................................................................................................ 1.1.6. Proprietile oelurilor de scule pentru deformare plastic............................................... 1.1.7. Influena elementelor de aliere.......................................................................................... 1.2. TRATAMENTE TERMICE SPECIFICE OTELURILOR ALIATE PENTRU SCULE DE DEFORMARE PLASTIC.......................................................................... 1.2.1. Tratamente termice preliminare aplicate oelurilor de scule pentru deformare plastic... 1.2.2. Tratamente termice finale aplicate oelurile de scule pentru deformare plastic.............. 1.2.3. Defecte de prelucrare termic a matrielor....................................................................... 1.2.4. Concluzii privind performanele oelurilor aliate pentru scule de deformare plastic n condiiile actuale de tratament termic i exploatare........................................ CAPITOLUL 2 TRATAMENTE TERMICE NECONVENIONALE APLICATE SCULELOR DE DEFORMARE PLASTIC 2.1. TRATAMENTE TERMOMECANICE. 2.1.1. Tratamente termomecanice de temperatur nalt ( TTMI )............................................. 2.1.2. Tratamente termomecanice de temperatur joas ( TTMJ)............................................... 2.2. TRATAMENTE TERMICE LA PRESIUNI SCZUTE................................................. 2.2.1. Vidul ca mediu de tratament termic.................................................................................. 2.2.2. Degazarea la presiuni sczute........................................................................................... 2.2.3. Recoacerea in vid la presiuni sczute............................................................................... 2.2.4. Clirea i revenirea la presiuni sczute............................................................................. 2.2.5. Avantajele tratamentelor termice la presiuni sczute ....................................................... 2.2.6. Limitri i incoveniente ale tratamentelor termice la presiuni sczute.............................. 2.3. TRATAMENTE TERMOCHIMICE................................................................................. 2.3.1. Procese fizico-chimice care au loc la tratamentele termochimice..................................... 2.3.2. Carburarea la presiuni sczute........................................................................................... 2.3.3. Nitrurarea........................................................................................................................... 2.3.4. Nitrocarburarea.................................................................................................................. 2.3.5. Oxinitrocarburarea............................................................................................................. 2.4. PROCEDEE TERMICE DE TRATAMENT DE SUPRAFAACOPERIRI CU STRATURI DURE................................................................................ 2.4.1. Tehnologii asociate metodei de depunere tip Depunere Fizic dinVapori (PVD)............ CAPITOLUL 3 ASPECTE SPECIFICE PROGRAMULUI EXPERIMENTAL......... 3.1. OBIECTIVELE PROGRAMULUI EXPERIMENTAL ................................................. 3.2. MATERIALE I PROBE EXPERIMENTALE ... 3.3. INSTALAII I UTILAJE DE TRATAMENT TERMIC I TERMOCHIMIC UTILIZATE N PROGRAMUL EXPERIMENTAL .......4

2

7

7

1.1. OELURI ALIATE DESTINATE FABRICRII SCULELOR PENTRU

8 9 10 11 12 14 16 19 23 29 29 37 39

7 8

10

11

40 40 40 43 45 45 46 46 47 47 48 49 50 52 55 58 60 61 63

12

12

12

13

67 67 68 70

14 14 15 16

3.3.1. Cuptor camer de tratament termic la presiuni sczute tip SCHMETZ IU 225............... 3.3.2. Instalaie de clire criogenic............................................................................................ 3.3.3. Cuptoare de revenire tip camer.... 3.3.4. Cuptor nitrurare / nitrocarburare IVA tip RH 966 Rv/g 3.3.5. Cuptor nitrurare n plasm tip Nitrion... 3.3.6. Instalaie pentru tratamente termice de suprafa-acoperiri cu straturi dure PVD 3.4. ECHIPAMENTE DE TESTARE I CONTROL . 3.4.1. ncercarea la ncovoiere .... 3.4.2. Determinarea compoziiei chimice............ 3.4.3. Determinarea duritii........ 3.4.4. Analiza metalografic.... 3.4.5. ncercarea la uzare. 3.4.6. Controlul deformaiilor..................................................................................................... CAPITOLUL 4 STUDII I CERCETRI EXPERIMENTALE PRIVIND INFLUENTA UNOR TRATAMENTE TERMICE FINALE ASUPRA PROPRIETILOR DE EXPLOATARE SPECIFICE SCULELOR DE DEFORMARE PLASTICA

70 72 73 73 74 75 75 75 76 76 77 79 79

18

80

18

4.1. CERCETRI EXPERIMENTALE PRIVIND REDUCEREA DEFORMAIILORSCULELOR DE DEFORMARE PLASTICA ............................................................... 80 4.1.1. Cercetri experimentale pe epruvete de tip French........................................................... 83 4.1.2. Cercetri experimentale executate pe scule de deformare plastic la rece ....................... 89 4.1.3. Cercetri experimentale la presiuni sczute executate pe cuite de debitare ................... 90 4.1.4. Cercetri experimentale la presiuni sczute executate pe piese cu configuraii complexe i cu seciuni diferite ........................................................................................ 96 4.1.5. Microstructuri obinute pe epruvetele tip French.......................................................... 96 4.1.6. Concluzii .......................................................................................................................... 93 4.2. CERCETRI PRIVIND REDUCEREA CANTITATII DE AUSTENITA REZIDUAL PRIN APLICAREA TRATAMENTELOR CRIOGENICE..................................................................................................................... 96 4.2.1. Experimentarea unor variante de tratament termic final.................................................. 96 4.2.2. Rezultate obinute i discuii............................................................................................. 98 4.2.3. Concluzii............................................................................................................................ 102 CAPITOLUL 5 STUDII I CERCETRI EXPERIMENTALE PRIVIND APLICAREA UNOR TRATAMENTE TERMOCHIMICE ASUPRA OELURILOR I SCULELOR DE DEFORMARE PLASTIC. 103 5.1. CERCETRI PRIVIND EFECTELE APLICRII NITRURRII I NITROCARBURRII MULTIPLE LA OELURILE PENTRU SCULE DE DEFORMARE PLASTIC.......................................................................................... 5.1.1. Managementul arjelor la nitrurarea / nitrocarburarea multipl........................................ 5.1.2. Influena temperaturii asupra caracteristicilor suprafeelor i a miezului la diferite oeluri de deformare plastic la nitrurarea, respectiv nitrocarburarea multipl................. 5.1.3. Microstructuri ale epruvetelor dup nitrurarea multipl..................................................... 5.1.4. Concluzii............................................................................................................................ 5.2. CERCETRI EXPERIMENTALE PRIVIND CRETEREA DURABILITII SCULELOR DE PERFORARE LA CALD PRIN APLICAREA TRATAMENTELOR TERMOCHIMICE...................................................................... 5.2.1. Consideraii generale......................................................................................................... 5.2.2. Rezultate obinute i discuii............................................................................................. 5.2.3. Concluzii........................................................................................................................... 18 18 19 21

21

24 24 25 29

29

103 103 107 109 114

29 29 30 31

113 113 113 122

31 31 34

5

CAPITOLUL 6 CERCETRI EXPERIMENTALE PRIVIND INFLUENA UNOR TRATAMENTE TERMICE MODERNE ASUPRA REZISTENEI LA UZARE ABRAZIVA A OELURILOR DE SCULE PENTRU DEFORMARE PLASTIC. 123 6.1. Consideraii generale........................................................................................................... 123 6.2. Rezultate experimentale i discuii....................................................................................... 125 6.3. Concluzii... 140 CAPITOLUL 7 STUDII I CERCETRI EXPERIMENTALE PRIVIND POSIBILITATEA MODELRII MATEMATICE (ASISTATE DE CALCULATOR) A EVOLUIEI GROSIMII DE STRAT N CAZUL PROCESELOR DE NITROCARBURARE ............................................................................................ 145 7.1. Consideraii generale 7.2. Determinarea grosimii stratului nitrocarburat prin Metoda de Ajustare a Datelor.. 7.3. Determinarea grosimii stratului nitrocarburat cu ajutorul Curbelor Bezir. 7.3.1. Aplicaie practic pentru determinarea grosimii de strat nitrocarburat prin metode nedistructive utiliznd Curbele Bzier............................................................................ 7.4. Analiza i interpretarea rezultatelor. Concluzii................................................................... 145 145 153 159 163

34

34 42

44

44

46 47

CAPITOLUL 8 CONCLUZII GENERALE I CONTRIBUII PROPRII...................................................... 164 BIBLIOGRAFIE SELECTIV.................................................................................................. 172 CURRICULUM VITAE

47 51

6

CAPITOLUL 1 STADIUL ACTUAL AL TEORIEI I PRACTICII TRATAMENTELOR TERMICE ALE OELURILOR ALIATE DE SCULE PENTRU DEFORMARE PLASTIC1.1.2. CRITERII DE ALEGERE A UNUI OEL PENTRU SCULE DE DEFORMARE PLASTIC

Caracteristica de baz a oelurilor pentru scule de deformare plastic este compoziia chimic. La aplicarea tratamentele termice se ine cont de compoziia chimic pentru a se asigura proprietile de utilizare a sculelor de deformare plastica i anume: duritatea, stabilitatea la temperaturi ridicate, rezistena la uzare, rezistena la lovire, clibilitatea, tendina redus la decarburare, capacitate bun de lefuire, stabilitate dimensional i rezisten relativ bun la coroziune. Criteriul principal de alegere a oelului pentru scule deriv din scopul condiiile de utilizare ale i acestora. Oelurile de scule pentru deformare plastic se aleg dup unul urmtoarele criterii: duritate, clibilitate, stabilitate la cald, tenacitate, rezisten la uzare, stabilitate dimensional. De asemenea se vor avea n vedere proprietaile tehnologice : deformabilitate, a chiabilitate, susceptibilitate la supranclzire. La proiectare, se va avea n vedere economisirea de materiale scumpe i deficitare, fie prin folosirea unor metode de tratament care s mbunteasc caracteristicile de exploatare ale unor materiale mai ieftine i uor de procurat , fie prin nlocuirea construciilor monobloc a sculelor, cu scule care au doar partea activ din materiale speciale i scumpe. Factorii care determin alegerea optim a unui aliaj metalic pentru executarea unei scule de deformare plastic sunt: - factori care determin durabilitatea corelat cu productivitatea; - factori care determin tehnologicitatea (capacitatea de a fi prelucrat prin turnare, deformare plastic, achiere, tratamente termice i termochimice, etc) - factori de ordin economic care se refer la costurile pentru materii prime, materiale pentru prelucrri termice i mecanice de obinere a sculelor . Criteriile de alegere ale aliajelor metalice pentru scule de deformare plastic la rece i tiere sunt: - rezistena la uzare asigurat de o duritate ct mai mare (peste 58 HRC); - rezistena la deformaii plastice mici pentru pstrarea geometriei sculei; - rezistena la rupere prin ncovoiere , ntindere, compresiune pentru a pstra integritatea sculei; - tenacitate dat de rezistena la oc i rezistena pn la 350 0C; Ca urmare aliajele metalice din care se fabric aceste scule pot avea o clibilitate mai redus. Se folosesc cu preponderen oelurile aliate i nalt aliate Cr-Mn-Si-W, Cr-Mn-Si-W-V, sau Cr-Mn-Si-W-V-Mo, cu 1,0 ... 1,5% C. Sculele de deformare plastic la rece i tiere puternic solicitate la uzare (poansoane, filierei dornuri de tragere, role i valuri pentru laminare la rece , matrie, etc. ) se realizeaz din oeluri ledeburitice cu 12% Cr sau hipereutectoide cu 6 % Cr, ambele aliate suplimentar cu W , Mo, V, titan (sub 1%) i coninut mare de carbon peste 9 %. Sculele de deformare plastica la rece, solicitate preponderent la ocuri mecanice (dli, ciocane pneumatice, sape de foraj, matrie, foarfece, etc) se executa din oeluri cu tenacitate mare cum sunt oelurile aliate cu Cr, Si,W, Ni, Mo, cu puin carbon (0,4 ... 0,6%). Criteriile de alegere ale aliajelor metalice din care se fabric sculele pentru deformare plastic la cald sunt urmtoarele: tenacitatea (rezistena laocuri mecanice ) mare la cald, duritatea (asig ur rezistena la uzare) i rezistena mare la cald (ocuri termice). Oelurile pentru aceast categorie de scule sunt din categoria celor aliate cu molibden, crom, nichel, vanadiu, siliciu i wolfram (peste 1 %), cu puin carbon (0,3 % ... 0,6 %). Deoarece sculele pentru deformare plastic la cald sunt cele mai scumpe, la alegerea oelurilor se va avea n vedere c acestea sunt caracterizate prin indicatori care exprim nivelul caracteristicilor tehnologice (clibilitatea, susceptibilitatea la deformare, la fisurare, tendina de decarburare); caracteristici de exploatare (rezistena la uzare, tenacitatea, duritatea la cald, rezistena la rupere); date de ordin economic (costuri de producie i dificultate n aprovizionare); tipul sculei i complexitatea produsului realizat. 1.1.3. OELURI PENTRU SCULE DE DEFORMARE PLASTIC LA CALD

Sculele pentru prelucrri prin deformare plastic la cald sunt supuse n exploatare unor condiii de solicitare extrem de complexe i de rigide caracterizate prin: - tensiuni de lucru foarte nalte a cror valoare se apropie de limita de curgere a oelului din care s-a executat matria;7

- temperaturi mari de nclzire, superioare sau apropiate celor critice de transformare n stare solid a oelului folosit la execuia sculei; - aciunile ciclice ale tensiunilor generate de forele mecanice de deformare, ale tensiunilor termice determinate de conditiile n care s-a fcut nclzirea i rcirea matrielor si ale tensiunilor structurale cauzate de transformarile fazice; n condiiile menionate, matriele pentru deformare plastic la cald se deterioreaz din urmtoarele motive: 1. ca rezultat al deformaiilor plastice, sau a ruperii fragile n funcie de mrimea, sensul i caracteristicile tensiunilor care acioneaz i de temperatura la care are loc deformarea; 2. ca urmare a formrii unei reele de fisuri pe suprafaa de lucru a matriei; 3. ca rezultat al uzrii puternice declanat prin interaciunea chimic la matriarea lichid (semilichid) i la presarea metalelor i aliajelor neferoase, sau a oxizilor din materiale de construcie care sunt mai puin active la deformare; Oelurile folosite la execuia matrielor pentru deformare la cald trebuie s aib urmtoarele proprietai: - stabilitate mare la cald care se definete prin rezistena oelului la deformaii plastice, la strivire n cursul nclzirii i se apreciaz prin limita de curgere a oelului, la temperatura de deformare; cel mai frecvent, stabilitatea la cald se exprim prin temperatura de revenire cu durata de meninere de 4 h dupa care duritatea oelului este de 45 HRC; - tenacitate ridicat care s asigure o rezisten mare a oelului la ruperea fragil ; - rezisten mare la oxidare, decarburare si coroziune sub tensiune; - sensibilitate sczut la deformare i coroziune sub tensiune; - un interval larg al temperaturilor de clire; - clibilitate ct mai ridicat; - prelucrabilitate satisfctoare prin deformare plastic i achiere. Clasificarea oelurilor pentru sculele de deformare plastic la cald, are la baz modalitile de durificare. Cele mai des utilizate oeluri pentru confecionarea sculelor de deformare plastic la cald, pretabile la clirea la presiuni sczute sunt urmatoarele:

Tabelul 1.1.StandardNo.(EN ISO 4957)W 1.2083 W 1.2343 W 1.2344 W 1.2714 W 1.2767

Simbol - DIN C [%]X 40 Cr 14 X 38 CrMoV 5-1 X 40 CrMoV 5-1 55 NiCrMoV 7 X 45 NiCrMo 4 0,360,42 0,360,42 0,370,43 0,500,60 0,320,40

Compoziia chimic Si [%] 1,0 0,901,20 0,901,20 0,100,40 0,901,20

Mn [%] 1,0 0,300,50 0,300,50 0,600,90 0,300,60

P,S [%]0,030 0,030 0,030 0,030 0,030

Ni [%]1,501,80 3,804,30

Cr [%]12,513,5 4,805,50 4,805,50 0,801,20 5,005,60

Mo [%]1,101,40 1,201,50 0,350,55 1,301,60

V [%]0,250,50 0,901,10 0,050,15 0,150,40

W [%]1,21,4

1.1.4. OELURI PENTRU SCULE DE DEFORMARE PLASTIC LA RECE Cerintele de baza impuse otelurilor din care se executa asemenea scule sunt: - duritate ridicat i rezisten mare la uzare ; - rezisten ridicat la apariia unor deformaii plastice mici asociat unei tenaciti corespunztoare; - stabilitate termic suficient la condiiile rigide de matriare; De aceea, oelurile pentru scule de deformare la rece au urmatoarele proprieti: - duritate ridicat (peste 55- 60 HRC), necesar realizrii procesului de deformare la rece i asigurrii unei rezistene mari la aparitia deformaiilor plastice; o asociaie corespunztoare ntre rezisten, tenacitate i duritate care s evite ruperea fragil i prin oboseal; o asociaie corespunztoare ntre rezisten, tenacitate i duritate care s evite ruperea fragil i prin oboseal; - o bun stabilitate termic la peste 400-500 0C , care s asigure o rezisten mare la strivire i la apariia deformaiilor plastice n condiiile grele ale matririi. n funcie de tipul operaiei , de proprietaile materialului de prelucrat, starea utilajului si ali factori, rolul fiecreia din proprietile menionate se poate8

schimba. Astfel, pentru sculele de debitat si perforat, caracteristicile de baz sunt tenacitatea, rezistena mecanic i la uzare, iar pentru sculele de presare la rece (poansoane) principalele proprieti sunt rezistena la apariia unor deformaii plastice mici, rezistena la uzare i la cald . Tabelul 1.2 Compoziia chimic Standard- Simbol No. DIN C Si Mn P , S Ni Co Cr Mo V W (EN ISO [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] 4957)W 1.2080 W 1.2083 W 1.2363 W 1.2379 W 1.2767 X 210Cr 12 X 40 Cr 14 X 100 CrMo 5 X155CrVMo 12-1 45 NiCrMo 16 1,902,20 0,360,42 0,901,05 1,501,60 0,400,50 0,100,80 1,0 0,200,40 0,100,40 0,100,40 0,200,60 1,0 0,400,70 0,150,45 0,150,45 0.03 0,03 0,03 0.03 0,03 3,804,30 11,013,0 12,513,5 -

11,012,0

0,600,80

0,901,10

1.1.6.2. Proprietile tehnologice ale oelurilor de scule pentru deformare plastic Deformabilitatea la cald se poate defini ca fiind capacitatea oelurilor de scule de a se deforma cu anumite grade de reducere sau la anumite viteze de deformare. Clibilitatea . Clibilitatea , exprimat prin valoarea maxim a duritii martensitei, rezultat prin clire i prin adncimea de ptrundere a clirii (diametrul critic sau viteza critic de clire ) depinde de coninutul de carbon i de elementele de aliere dizolvate n austenit.

30 2 1 3 5 6 4 3 25Fig 1.2. Instalaie pentru determinarea clibilitii prin metoda rcirii frontale 1- epruvet standardizat ; 2 - rezervor ap; 3- diuz ; 4 - cuv metalic pentru recuperarea apei; 5 conduct pentru reglarea nivelului apei n rezervor ; Oelurile nalt aliate pentru scule de deformare plastic, autoclibile au un interval foarte larg de transformare i admit timpi foarte mari pentru rcirea n medii (azot, argon), care au o intensitate de rcire mult mai mic, ca a apei. Astfel se obin duriti semimartensitice la grosimi foarte mari de material ( fig1.3.)9

100

250

200

H [mm]

150

100

50

0W 1.2080 W 1.2842 W 1.2379 W 1.2714 W 1.2343 W 1.2344 W 1.2767

oteluri inalt aliate pentru scule FFF Fig. 1.3. Clibilitatea oelurilor nalt aliate autoclibile pentru scule de deformare plastic ( p = 6 bar- rcire cu azot) [139] Susceptibilitatea la supranclzire. Pentru asigurarea unei clibilitti si stabiliti la cald ct mai mari la cald este necesar ca nclzirea la austenitizare n vedereea clirii s se fac la temperaturi ct mai nalte, cu menineri ct mai ndelungate. Susceptibilitatea la deformare i la fisurare . Prevenirea deformrii i fisurrii sculelor de deformare plastic n timpul clirii martensitice constituie o problem primordial a crei rezolvare implic alegerea unui oel cu caracteristici tehnologice de tratament termic corespunzatoare, stabilirea unor parametri raionali de tratament termic i asigurarea realizrii acestora prin mecanizarea i automatizarea operaiilor de nclzire i rcire. 1.2.2. TRATAMENTELE TERMICE FINALE APLICATE OELURILOR DE SCULE PENTRU DEFORMARE PLASTIC 1.2.2.1. Clirea i revenirea oelurilor de scule pentru prelucrarea la rece a materialelor metalice prin deformare plastic i tiere Tratamentul termic pentru durificare secundar. Oelurile aliate cu 12 % Cr, coninnd n jur de 1,5 % Ci aliate suplimentar cu Mo i V prezint particularitatea c pe masur ce crete temperatura de nclzire pentru clire crete proporia de austenit rezidual, duritatea rezultat dup clire variind dup o curb cu maximum ( fig. 1.13. curbele 3 respectiv 4). Datorit prezenei alturi de Cr, a Mo a V, n i martensit i n austenita rezidual se modific cinetica i morfologia proceselor care au loc n timpul nclzirii la diferite temperaturi pentru revenire. Anume, la temperaturi relativ joase, n jur de 100 0C se produce transformarea n martensit a unei mici proporii de austenit rezidual, determinnd o u oar cretere a duritii (fig 1.15.).Pe msura cre terii temperaturii de revenire se produce transformarea (descompunerea) martensitei nsoit de o micorare a duritii,austenita rezidual rmnnd netransformat.

10

X 2 rev.

64 Duritatea HRC

62 60 58 56 54 52

1025 C 1050 0C 1000 0C

0

Duritatea HRC

64

60 58 52X 3 rev. X 1 rev.

48 44

40 36100 200 300 400 1080

Dupa clire

Temperatura de revenire [ 0C ]

Temperatura de clire [ 0C ]

1125

1150

1200

a)

b)

Fig 1.15. Duritatea oelului aliat cu 12, 5% Cr i 0,8 % V n funcie de temperatura de clire i de revenire: a revenire la 100 400 0C ; b revenire repetat la 520 0C [5] Din fig 1.15., b rezult c pe masur ce cre temperatura de nclzire pentru clire (deci proporia te de austenit rmas netransformat rezidual) numrul de reveniri la care se obine valoarea maxim a duritii crete de la unu la trei. Clirea sub zero grade se aplic, n locul revenirii repetate, pentru transformarea austenitei reziduale i stabilizarea dimensional a sculelor. Dup clirea anterioar, sculele sunt supuse operaiei de ndreptare i apoi (la un interval de timp ct mai mic dup clire) rcirii sub zero grade (la 75 0C), cu meninere suficient pentru egalizarea temperaturii pe seciune. Transformarea austenitei reziduale determin apariia unor tensiuni structurale. De aceea, clirea sub zero grade nu se recomand pentru scule cu configuraie complex, pentru scule care au fost nclzite pentru austenitizare la temperaturi situate n partea superioar a intervalului prescris. 1.2.4. CONCLUZII PRIVIND PERFORMANELE N CONDIIILE ACTUALE DE TRATAMENT TERMIC I EXPLOATARE

n primul capitol sunt prezentate aspecte teoreticei practice privind tratamentele termice clasice care se aplic n prezent oelurilor de scule . Deasemenea se evideniaz importana obinerii unor proprieti de exploatare i tehno logice, coroborate cu obinerea unor microstructuri corespunztoare. Astfel se pot evidentia urmtoarele concluzii: - caracteristicile tehnologice de tratament termic (temperatura de nclzire, clibilitatea, susceptibilitatea la supranclzire, la deformare i la fisurare, precum i tendina de decarburare), avnd anumite valori pentru una i aceeai marc de oel, trebuie luate n consideraie n mod difereniat pentru fiecare tipo-dimensiune de scul, potrivit destinaiei acesteia. - obinerea proprietilor tehnologice (forjabilitatea, uzinabilitatea, susceptibilitatea la nclzire n cazul acestor oeluri, este condiionat att de proporia constituenilor (perlita, carburi liberei eutectice) ct i de morfologia acestora (forma, dimensiunile i distribuia cristalelor) ; - rezultatele tratamentului termic final (clire urmat de 1 pn la 4 reveniri) depinde n mare msur de gradul de aliere i de omogenitatea chimic a austenitei i de forma, dimensiunile i distribuia carburilor rmase nedizolvate n structura de clire i de revenire. - sculele au configuraii complexe, cu muchii ascuite i treceri brute de seciune, uneori fr racordri, fiind de aceea susceptibile la deformare i fisurare. Tot datorit coninutului mare de carbon i a elementelor de aliere, oelurile sunt susceptibile la deformare i fisurare. - o cerin foarte important este reducerea deformaiilor la tratamentul termic final avnd n vedere precizia dimensional a sculelor de deformare plastic i faptul c se dorete din partea prelucrtorilor a se lasa un adaos de rectificare ct mai mic mai ales datorit duritilor ridicate care se obin precum i pericolului apariiei fisurilor de rectificare.

11

CAPITOLUL 2 TRATAMENTE TERMICE NECONVENIONALE APLICATE SCULELOR DE DEFORMARE PLASTIC2.2.3. CLIREA SI REVENIREA LA PRESIUNI SCZUTE

Clirea i revenirea la presiuni sczute tind s devin cele mai utilizate operaii de tratamente termic neconvenional, din momentul n care a fost posibil rcirea sub vid. Aceste aplicaii sunt destinate unei game foarte largi de oeluri aliate i nalt aliate, nu numai autoclibile, la care vitezele critice de clire pot fi realizate cu ajutorul gazelor inerte, la presiuni din incint de pn la 20 bar recirculate cu ajutorul ventilatoarelor. Se clesc astfel sculele de deformare plastica la rece cald din gama 5 i la - 12 % Cr, elementele matrielor de deformare plastica si de turnare sub presiune, elementele de turnare ale maselor plastice, sculele confecionate din oeluri rapide. Se menine o presiune n limitele 1... 15 Pa, pentru a se evita vaporizarea unor elemente ca Mn, Cr. Uneori se recomand ca la temperaturi mai mari de 950 0C pentru oeluri aliate cu Cr s se faca o inundare a incintei cu gaz inert (N2, Ar) pentru a se evita evaporarea cromului. Clirea pieselor sculelor se poate i realiza numai n cuptoare de vid cu perei reci, prevzute cu antecamer cu rcire n gaze ventilate (H2, He, N2, Ar). Revenirea n vid se face pentru pstrarea curat a suprafeei de la clire. Pentru c la temperaturile revenirilor (sub 700 0C) schimbul de cldura prin radiaie este foarte slab, dup vidare se face o inundare a incintei cu gaz inert, la presiuni de de 1,2-1,5 bar, care se recircul transfernd cldura prin convecie. Prin tratamentele termice de clire revenire n vid al sculelor scad deformaiile iar ductilitatea i crete cu 10...50 %. 2.3 . TRATAMENTE TERMOCHIMICE 2.3.3.2. Nitrocarburarea n amestecuri de amoniac i endogaz (procedeul Nitemper , Nikotrier) Acest tratament termochimic se desfoar la temperaturi de (550 580) C, timp de (0,5 ... 5 ) h n amestecuri gazoase ce conin 50 % endogaz cu punct de roui0 50 % amoniac. C Potenialul de carbon al atmosferei nu se controleaz, controlndu-se numai gradul de disociere al amoniacului, care trebuie s fie cuprins ntre (30 60) %. Reaciile chimice care se produc sunt urmtoarele : CH4 Cgrafit + 2 H2 prin reacia gazului de ap : CO + H2O H2 + CO2 ctre valori mai mari ale presiunii pariale ale CH4 i CO. 2.3.6. Oxinitrocarburarea Prin aplicarea tratamentului de mbogire n C, N i O aplicat sculelor de deformare plastic se urmre creterea duratei de via n exploatare, cre te terea rezistentei la uzare, gripare, coroziune, eroziune uoar. Deasemenea se urmarete scderea consumurilor tehnologice i se pot nlocui bile de sruri, i chiar bile galvanice. n cazul nitrurrii, nitrocarburrii sculelor de deformare plastic, datorit temperaturilor foarte sczute (sub A1) la care se deruleaz aceste procese , tensiunile de natur termic structural sunt foarte i mici, de unde rezult deformaii nesemnificative (< 0,02 mm), comparativ cu tratamentele termochimice de carburare i carbonitrurare (850 1050) C , urmate obligatoriu de clire, unde deformatiile sunt mari (0,02 0,15) mm, datorit transformrilor structurale din miez, fiind necesare operaii ulterioare de rectificare, pentru corecia cotelor. Proprietile optime de rezisten la uzare, gripare i coroziune, consumurile tehnologice minime i durata procesului foarte redus (3 6 ore), recomand oxinitrocarburarea n locul nitrurrii obinuite n gaz natural. La temperaturi de 570 600) C n cazul oxinitrocarburrii (sistem Fe N C ) domeniul fazei (care confer rezisten la coroziune ) este mai larg dect n cazul nitrurrii obinuite (sistem Fe N ), fiind posibil obinerea acestei faze n conditii de temperatur i de concentraie de azot mai sczute , comparativ cu sistemul Fe N (fig. 2.10) , stratul obinut putnd fi alctuit din una sau mai multe faze, n funcie de de concentraiile de N i , temperatur, compoziia chimic a oelului.

12

T[0 C Fe N 900 + 800 + 700 + ` `+ 0 1 2 3 4 5 6 uniti masice N2 Fe N C

600

Fig. 2.10. Diagrama de faze pentru sistemele Fe N i Fe N C, la concentraie constant de carbon (ac = 1,2 ) 2.4. PROCEDEE TERMICE DE TRATAMENT DE SUPRAFA - ACOPERIRI CU STRATURI DURE

2.4.1. Tehnologii asociate metodei de depunere tip Depunere Fizic din Vapori (PVD)Filament

Argon

scule

Anod auxiliar

Generator

Fig. 2.12. Tehnologia de acoperire cu straturi dure de tip PVD [111]

Procesul de descarcare n arc (Vaporizare cu arc electric)Cu ajutorul unui arc electric se evapor material de pe sursa arc ( numita int) i se ionizeaz aproape 100% la fel ca argonul i azotul.13

6 5 4

8

-

+3 2 1

-

+

+ +

-

1.Perete instalaie 2.Izolator 3.Sistem Magnet 4.Plac de Cu rcit cu ap 5.int 6. Filament 7. Arc 8. Vapori de metale, ionizai

7

Gaz de reacie

Fig 2.14. Vaporizarea cu arc electric [111] Fig. 2.15. Ionii pozitivi ai metalelor vaporizate se deplaseaz ctre scule

CAPITOLUL 3 ASPECTE SPECIFICE PROGRAMULUI EXPERIMENTAL3.1. OBIECTIVELE PROGRAMULUI EXPERIMENTAL Cerinele actuale ale clienilor ce beneficiaz de servicii de tratamente termochimice din partea i fabricilor de tratamente termice, aplicate sculelor de deformare plastic impun speciali tilor care -i desfaoar activitatea direct n producie, dar n acelai timp i n cercetare s aplice tehnologii care acum nc se numesc neconvenionale, dar care sunt foarte prietenoase cu mediul nconjurtor. Dintre acestea, tot mai mult se extind aplicaiile ce prevd tratamente termice la presiuni sczute, prin care se asigur deformaii mult mai mici fa de tehnologiile conventionale, care asigur productorilor de scule un cost sczut pentru operaiile de prelucrare la tare executate prin procedee de rectificare sau frezare. O alt cerin foarte important este obinerea unor durabilitti foarte mari pentru sculele de deformare plastic care pot fi obinute prin aplicarea obligatorie a unor procedee moderne de tratament termochimic cum ar fi de exemplu nitrocarburarea, oxinitrocarburarea sau acoperirea cu straturi dure de tip PVD sau CVD. n contextul celor prezentate, studiile teoretice i ncercrile experimentale realizate att pe epruvete dar i pe diferite scule de deformare plastic la cald i la rece au avut drept int urmtoarele obiective: Realizarea unui studiu teoretic i a unui program experimental pe epruvete i scule de deformare plastic cu scopul de a reduce deformaiile, prin aplicarea unor tehnologii optime de tratament termic final la presiuni sczute; Realizarea unui studiu teoretic i a unui program experimental care s evidenieze importana aplicrii unor tratamente termice la presiuni sczute combinate cu tratamente termice criogenice asupra celor mai utilizate oeluri de scule pentru aplicaii de deformare plastic la rece, cu scopul de a reduce cantitatea de austenit rezidual prin transformarea acesteia n martensit; Realizarea unui studiu teoretic, dar i prezentarea ca aplicaie industrial, privind mrirea productivitii la aplicarea tratamentelor termochimice de nitrurare respectiv nitrocarburare multipl cu efectele aplicrii acestei tehnologii asupra oelurilor destinate fabricrii sculelor de deformare plastic la rece i la cald; Realizarea unui studiu teoretic, dari prezentarea ca aplicaie practic industrial privind creterea durabilitii sculelor de perforare la cald, prin aplicarea unor tratamente termochimice; Realizarea unui studiu experimental i teoretic privind influena unor tratamente termice moderne

asupra rezistenei la uzare abraziva a oelurilor de scule pentru deformare plastic;

Realizarea unui studiu experimental privind aplicaii practice ale modelrii matematice asistate de calculator pentru determinarea grosimii de strat nitrocarburat prin metode nedistructive, ca alternativ la varianta clasic de laborator.14

3.2. MATERIALE I PROBE EXPERIMENTALE

Tabelul 4.1.Nr. crt.1

Tipuri de scule de deformare plastic i epruvete utilizate la partea experimental2

Material utilizat/ Destinaie general

3

1 Epruvete i scule de deformare W 1.2379 (X 155 CrVMo 12-1 ) (EN ISO 4957) plastic la rece : C= 1,55 %; Cr= 12%; Mo= 0,70%; V= 1,0% ; - scule de deformare plastic la Oel de scule pentru lucru la rece, cu coninut ridicat de carbon (ledeburitic) i de crom. Tenacitate mare i rece ; rezisten ridicat la uzur. Foarte potrivit pentru debitare i deformare. Se utilizeaz pentru role de filetare, scule de deformare la rece, matrie de ambutisare , scule de debitare table pn la 6 mm grosime, scule de extruziune la rece, matrie de ambutisare de precizie pn la 12 mm grosime, perforatori la rece, scule de tras la rece, matrie cu - epruvete standardizate (cu cresttur) utilizate la determinarea rezisten mare la uzur pentru plastic. KCU; - epruvete de tip C ,pentru studiul deformaiilor ;

- disc pentru ncercri la uzare ;

- tift (12,7 x 4,8) mm

W 1.3343 (EN ISO 4957) : C= 0,9%; Cr=4%; Mo= 5%; V= 1,9%; W= 6,4% .Oel rapid de scule, cu coninut de wolfram, molibden i vanadiu, cu rezisten mare la uzare. Are tenacitate i duritate mare. Poate fi utilizat pentru toate tipurile de scule de tiat ca: burghie, freze, broe, scule de tanat, scule de formare, scule pentru prelucrat lemn, scule pentru extruziune la rece. W 1.2080(C 120) ( 205 Cr 115) (EN ISO 4957) C= 2,2 %; Cr= 12%; Mn= 0,40%; - fabricarea de scule nedeformabile, cu, clibilitate redus, rezistente la uzare, care nu lucreaza la ocuri sau lovituri puternice, cu tenacitate ridicata : matrie, poansoane, dornuri de tragere, scule de laminare la rece, si forjare la cald, scule de extrudare.

2 Cuite de tiere

15

1 2 3. epruvete de tip C ,pentru studiul deformaiilor ;

3 W 1.2344 (X 40 CrMoV 5-1) (EN ISO 4957) C= 0,4%; Cr= 5,3%; Mo= 1,4%; V= 1% ; Datorit rezistenei mecanice mari la temperaturi ridicate, poate fi utilizat la matrie de turnare sub presiune, matrie de extruziune, matrie de forjare, cuite de debitare la cald, matrie cu nalt rezisten la uzur pentru plastic. Poate fi rcit n ap n limite restrnse. n stare REZ (rafinat electric sub zgur) prezint proprieti mult mbuntite.

4. - scule de deformare plastica la cald W 1.2343 (X 40 CrMoV 5-1) (EN ISO 4957) ; ( perforare la cald) C= 0,38%; Cr= 5,3%; Mo= 1,3%; V= 0,4% Oel universal de scule pentru lucru la cald cu utilizare universal. Rezisten mecanic nalt la temperaturi ridicate i tenacitate. Se utilizeaz pentru matrie de turnare sub presiune, matrie pentru extruziune, matrie de forjare la cald, cuite de debitare la cald. Deoarece are o bun conductivitate termic, fisureaz - discuri pentru ncercri foarte greu la lucru la cald. n stare REZ (rafinat la uzare ; electric sub zgur) prezint proprieti mult mbuntite.

- scule de deformare plastica la cald ( perforare la cald)

W 3242 (EMo5Co5); C= 0,92%; Cr= 4,1%; Mo= 5%; V= 1,9%; W= 6,4%; Co= 4,8% ; Oel rapid pentru scule la cald. Datorit coninutului de 5% Co este foarte bun pentru scule de achiere cu vitez mare ca: laminoare de filetare, filiere, broe, burghie, foarfece, cuite profilate, dar i pentru anumite aplicaii ce vizeaza deformarea plastic la cald.

3.3. INSTALAII I UTILAJE DE TRATAMENT TERMIC I TERMOCHIMIC

Fig 3.1. Cuptor camera de tratament termic la presiuni sczute tip Schmetz IU 225

Fig. 3.2. Instalaie de clire criogenic

16

Fig. 3.3. Cuptoare electrice utilizate la operaiile de revenire

Fig. 3.4. Cuptor nitrurare (nitrocarburare) utilizat la partea experimentala IVA tip RH 966 Rv/g

i

Fig 3.5. Instalaie de nitrurare n plasm 60 kW DC 600

Fig. 3.6. Instalaia de tratament de suprafa- acoperire cu straturi dure(PVD) BAI 1200 [109]

17

3.4. ECHIPAMENTE DE TESTARE I CONTROL

Fig 3.6. Schema de principiu a ciocanului Charpy

Fig. 3.8. Spectrometru mobil tip Belec utilizat la partea experimental pentru determinarea compoziiei chimice a oelurilor tip Mobilspektrometer

Fig.3.11. Microscop optic Olympus Fig. 3.16.Maina pentru ncercarea Fig. 3.17. Maina de msurarela uzare tip MMW1A

utilizat la controlul deformaiilor

3D ZettMess CAPITOLUL 4 STUDII I CERCETRI EXPERIMENTALE PRIVIND INFLUENA UNOR TRATAMENTE TERMICE FINALE ASUPRA PROPRIETILOR DE EXPLOATARE SPECIFICE SCULELOR DE DEFORMARE PLASTICA4.1. CERCETRI EXPERIMENTALE PRIVIND REDUCEREA DEFORMAIILOR SCULELOR DE DEFORMARE PLASTICA Analiza lucrrilor de specialitate din domeniul tratamentelor termice aplicate oelurilor de scule pentru deformare plastic relev faptul c, pn n prezent, nu exist o abordare sistematic a problemelor referitoare la cauzele deformaiilor sculelor de deformare plastica n timpul procesului de fabricaie. Aceste cauze s-au cutat ntotdeauna n procesul de tratament termic care are o influen doar parial asupra comportrii materialului la deformare n timpul nclzirii sau n faza de clire. Trebuie s se neleag clar c deformaiile componentelor sunt cauzate de lanul total de prelucrare al materialului. Aceste probleme apar datorit tratamentului termic primar, continu cu prelucrarea materialului n stare recoapt cu scopul de a aduce materialul ntr-o form definit, are anumite efecte n timpul tratamentului termic final i n final depinde de prelucrarea final prin rectificare sau frezare. 4.1.1. Cercetri experimentale pe epruvete de tip French

Cercetrile experimentale realizate cu scopul obinerii unor deformaii minime prin aplicarea unor tratamente termice finale s-au realizat la firmele HRTHA TRATAMENTE TERMICE din Sibiu ( unde sau realizat tratamentele termice la presiuni sczute) i la firma SC SCULRIA SRL din Cugir, (und s -a e realizat clirea n ulei). Prima etap a cuprins tratamente termice finale aplicate pe epruvete tip C prelucrate din dou oeluri diferite pentru deformare plastic la cald W 1.2344 (EN ISO 4957), respectiv la rece W 1.2379 (EN ISO 4957) . n a doua etap tratamentele termice finale s-au executat direct pe scule fabricate din aceleai oeluri, cu una sau dou dimensiuni mult mai mari dect cealalt (L, l >>H, sau L >> l,H),18

Fig. 4.3. Epruvet potcoav tip French7.200 azot 3,5 bar inainte de t.t.

Fig. 4.4. Cartografierea epruvetelor potcoav tip French pentru studiul deformatiilor6.600 azot 3,5 bar inainte de t.t.

Cota epruveta [mm]

7.000

Cota epruveta [mm]

ulei 80 grd. C

ulei 80 grd. C 6.400

6.800

6.200

6.600 0 1 2 3 4 5 6

6.000 0 1 2 3 4 5 6

W 1.2344 (X 40 CrMoV 5-1) Trat. termic final: Calire 1020 0C + 2 rev. 500 0C

W 1.2379 (X 155 CrMoV 12-1) Trat. termic final:Calire 1080 0C + 2 rev. 510 0 C

Fig. 4.5. Valori deformaii ale epruvetelor French4.1.2. Cercetri experimentale executate pe scule de deformare plastic la rece

Fig. 4.7. arjarea pieselor pe dispozitive din oel refractar pentru varianta A Plcile au fost supuse variantelor de tratament termic, conform fig. 4.8 i 4.9. Duritatea reprezint o caracteristic ce ne d indicaii imediate, dar nu cele mai complete asupra reu itei unui tratament termic. Deformaiile au fost msurate att nainte cti dup tratamentul termic, la beneficiar, cu ajutorul unui aparat 3- D tip Zett - Mess.

19

T[0C]1020

nclzire n vid la p = 5 10-2 Pa nclzire n azot recirculat la p=1,5 bar

10 min.

racire N2 p =4 bar v = 3000 rot/min

800

500

c50 min 50 min

s70 0 C / 30 min 90 min timp[min]

500 C / 3h aer

0

500 C / 3h aer

0

timp[h]

Fig.4.8. Varianta A de tratament termic final aplicat pentru PT 1 si PT 2

Rcire lent cu 40 0C / h

T[ 0 C ]

6250C / 2,5 h4000C - aer Recoacere de detensionare

T[0 C ] 1030 820

nclzire n vid la p = 5 10-2 Pa nclzire n azot recirculat la p=1,5 bar800 0C 500 0C0

10 min

520

1020 C

rcire N2 4 bar 1500 rot/min 70 0C/ 30 min

c

s60 min timp[min]

T [0C]

500 0C / 3h

10 min

10 min

500 0C / 3h aer

aer

timp[h]

Fig . 4.9. Varianta B de tratament termic final aplicat pentru PT 320

4.1.3. Cercetri experimentale la presiuni sczute executate pe cuite de debitare Material: W 1.2080 (205 Cr 115) (C 120) (EN ISO 4957); Duritatea cerut: 52 55 HRC Varianta C de tratament termic final aplicat: Clire la presiuni scazute (980 0C / p = 4 bar/ n azot / vagitator = 3000 rot/min. + revenire la 500 0C / 2h) Rezultate obinute : 65 - 66 HRC (dup clire) ; 53 55 HRC (dup revenire ). Varianta D de tratament termic final aplicat: Recoacere de detensionare 630 0C/ 2h; Clire la presiuni scazute (980 0C / p =4 bar /n azot / vagitator = 3000 rot/min, + revenire la 500 0C / 2h ; Rezultate obinute : 65 66 HRC (dup clire) ; 53 55 HRC (dup revenire ).

Fig 4.14. arjarea cuitelor de ghilotin pe dispozitivele din otel refractarVarianta C 1.120 inainte de t.t. 0.920 0.720 0.520 0.320 0.1201.120 Varianta D 0.920 0.720 0.520 0.320 0.120 inainte de t.t.

S0, Sf [mm]

S0, Sf [mm]

Fig. 4.15.Valori deformatii (C1=1; C2=2; C3=3 )

0

1

2

3

4

0

1

2

3

4

Fig 4.16. Valori deformatii - (D1=1; D2=2; D3=3 )

Microstructuri obinute pe epruvetele tip French

Fig 4.18. - Microstructur a oelului W 1.2379( X 155 CrVMo 12 -1) - stare de livrare Atac soluie (HNO3+HCl, 1:3), 200 :1

Fig.4. 19. Microstructur a otelului W 1.2379( X 155 CrVMo 12 -1) dupa Clire n vid(1030 0C) si 2 x rev. 500 0C Atac soluie (HNO3+HCl, 1:3), 200 :1

4.1.4. Concluzii Cercetrile efectuate evideniaz faptul c prin aplicarea unei tehnologii de tratament termic la presiuni sczute, adecvate scopului propus se pot micora ntr -o anumit msur deformaiile n urma tratamentului termic final aplicat sculelor de deformare plastica. Din cercetrile realizate se poate deduce c un cumul de cauze (inevitabile) existente pe parcursul ntregului lan de prelucrare (deformare plastic tratament termic primar prelucrare mecanic tratament termic final prelucrare la tare) este responsabil pentru apariia deformaiilor care n urma aplicrii tratamentului termic final au valorile cele mai mari.21

n cazul cercetrilor executate pe epruvete de tip French se constat c valorile deformaiilor scad, pe msur ce temperatura de clire este mai mic datorit scderii nivelului contraciilor ce au loc la rcire. Totui nu se poate face o similitudine ntre epruvetele foarte subiri i piese de tipul matrielor foarte masive deoarece n primul caz diferena de temperatur dintre suprafa i miez este foarte mic i deci tensiunile de natur structural predomin n detrimentul tensiunilor de natur termic care sunt neglijabile. Scopul acestor cercetri pe epruvete de tip French, a fost de a gsi acele zone din spaiul util al cuptorului unde se obin cele mai mici deformaii, n vederea a ulterioare a sculelor i pieselor ezrii complexe predispuse la obinerea unor deformaii mari. Timpii foarte scuri de prenclzire aplicai n cazul sculelor de deformare plastic la rece varianta A (fig 4.8.), conduc la mrirea diferenei de temperatur ntre suprafaa sculei miez. Astfel, tensiunile de i natur termic, la nclzirea pieselor spre palierul de austenitizare sunt mai mari n varianta A fa de B. n mod analog la rcirea n azot, n cazul variantei B (fig. 4.9.), viteza de rcire mai ncetinit , comparativ cu rcirea mai rapid de la varianta A, conduce la separarea tensiunilor termice de cele structurale si reducerea la maximum a acestora din urm. Superioritatea variantei B de tratament termic final fa de varianta A se datoreaz urmatoarelor msuri: aplicarea unei recoaceri de detensionare nainte de t.t. final, cu rolul de a reduce tensiunile rezultate n urma procesului de prelucrare; realizarea de paliere de prenclzire suficiente ca timp pentru egalizarea temperaturii pe seciunea piesei; aplicarea unei raciri mai lente la operaia de calire in cazul variantei B comparativ cu varianta A; Avantajele aplicrii variantei B la sculele de deformare plastic: 1. Micorarea preului de cost al produsului finit prin micorarea adaosului de rectificare; 2. Reducerea consumului de produse abrazive , la productor; 3. Reducerea consumului de energie electric la prestatorul de servicii de tratament termic, datorita folosirii palierelor de egalizare rapid i a vitezei minime de rcire permise de cuptorul de tratament termic la presiuni sczute; Cile de realizare practic a micorrii deformaiilor de rcire n urma modificrii raportului dintre tensiunile termice i cele structurale prin modificarea vitezei de rcire n intervalul transformrii martensitice sunt urmtoarele: folosirea la clire a unor medii de rcire a caror capacitate de rcire n diferite intervale de temperatur s asigure o rcire ct mai apropiat de curba ideal de rcire la clire; adoptarea unor scheme tehnologice de rcire cu ajutorul crora s se realizeze pe ct posibil o uniformizare a temperaturii n seciunea piesei naintea transformrii martensitice. rcirea ideal la clire n cazul oelurilor nalt aliate, autoclibile se consider cu vitez mare n intervalul de temperaturi ntre 700 400 C, pentru evitarea descompunerii austenitei subrcite n domeniul perlitic sau bainitic i rcirea cu vitez mic n intervalul transformrii martensitice pentru a se asigura separarea tensiunilor termice de cele structurale i reducerea la maximum a acestora din urm. De asemenea efectele acestor tensiuni pot fi reduse prin : proiectare simpl i simetric; utilizarea unor materiale refractare compresibile sub form de vat refractar (izolator termic) care se muleaz pe zonele subiri;

Pentru micorarea vitezei de nclzire, respectiv pentru micorarea vitezei de rcire se protejeaz zonele subiri cu materiale izolatoare refractare compresibile sub de vat refractar (izolator termic) si piese cilindrice care preiau caldura, respectiv frneaz rcirea, avnd n vedere c oelurile utilizate la clirea n vid sunt autoclibile(fig.4.19).

Fig 4.20. arjarea i pregtirea pieselor cu configuraie complex pe dispozitivele din oel refractar22

eliminarea tensiunilor de la prelucrare prin recoacere de detensionare; realizarea a cel putin 2 prenclziri astfel nct la fiecare palier s se produc egalizarea temperaturii pe seciunea pieselor. realizarea clirii n azot de la temperaturi ct mai mici posibile pentru micorarea nivelului contraciilor pe parcursul rcirii; clirea sculelor ct mai lent posibil. De asemenea se va pune o importan deosebit pe operaiile secundare ale tratamentului termic final: controlul periodic al liniaritii reazemelor de sprijin pe care este a ezat platoul de baz; controlul prealabil nainte de fiecare arj al liniaritii platoului de arjare , ntoarcerea acestuia ori de cte ori este nevoie precum i rectificarea acestuia dac este necesar; utilizarea pieselor mai mici care compun arja respectiv pentru compensarea lipsei de material din zonele mai subiri ale sculelor ; aceste compensri se vor executa numai pentru oeluri nalt aliate autoclibile;

utilizarea pieselor mai mici care compun arja respectiv pentru compensarea lipsei de material din zonele mai subiri ale sculelor; aceste compensri se vor executa numai pentru oeluri nalt aliate autoclibile (fig. 4.21.). Datorit clibilitii foarte ridicate a acestor oeluri n zonele de contact dintre piese, dup clire valorile de duritate sunt identice cu cele obinute n zonele libere care sunt n contact direct cu agentul de rcire (azot recirculat la o presiune de 4 bar).

Fig. 4.21. Mod de arjare pentru scule cu diferene mari de seciune utilizarea unor grtare confecionate din grafit pentru aezarea pieselor foarte subiri. ecranarea pieselor susceptibile la deformare (aezate n centrul arjei) cu piesele mai masive, ce se aeaz pe marginile platoului de baz din oel refractar (fig. 4.22.)

Fig. 4.22. Mod de arjare pentru piese cu L,l, >>H, n centrul arjei

23

4.2. REDUCEREA CANTITII DE AUSTENIT REZIDUAL PRIN APLICAREA TRATAMENTELOR CRIOGENICE 4.2.1. ncercri experimentale de variante de tratament termic final Cercetrile s-au facut pe epruvete de forma cilindrici epruvete standardizate cu cresttur, prelucrate prin strunjire i frezare din oelul W 1.2379 (EN ISO 4957) i din oelul W 1.2767(EN ISO 4957) (oeluri utilizate pentru scule de deformare plastic la rece).T[0C ]

nclzire n vid la p = 5 10-2 Pa nclzire n azot recirculat la p=1,5 bar10 min.

10 min

1040 920 10 min 720 10 min 420 700 0C 400 0C 5000C / 2 h 900 0C rcire N2 p = 4 bar vagit. = 1500 rot/min. 70 0C/ 30 min. 55 min. 500 0C / 2h

1020 C

0

c

s

4900C / 2 h aer Rev. III timp[min] aer

Rev. I

aer

Rev. II

Fig. 4.20. Varianta E de tratament termic (W 1.2379) (EN ISO 4957) - pentru epruveta nr 5.

T[0C ]

10 min

1040 10 min. 920 10 min 720 10 min 420 700 0C 400 0C T[0C ] 55 min. 500 0C / 2h - 75 0C / 2h aer Rev. I timp[h] 900 0C 1020 0C rcire N2 p = 4 bar vagit. = 1500 rot/min. 70 0C/ 30 min. timp[h]

c

s

Fig. 4.21. Varianta F de tratament termic oel W 1.2379 (EN ISO 4957) - pentru epruveta nr 6.

24

nclzire n vid la p = 5 10-2 Pa nclzire n azot recirculat la p=1,5 barT[0C ] 10 min rcire N2 p = 4 bar vagit. = 1500 rot/min. 70 0C/ 30 min. timp[h] 40min.

880 10 min 720 10 min 420 700 0C 400 0C T[0C ] 860 0C

c

saer timp[h]

240 0C / 2h

Fig. 4.22. Varianta G de tratament termic W 1.2767 (EN ISO 4957)- pentru epruveta nr. 4.

T[0C ]

10 min rcire N2 p = 4 bar vagit. = 1500 rot/min. 70 0C/ 30 min.

880 720 10 min 420

10 min 860 0C 700 0C 400 0C 40min.

timp[h]

T[0C ]

c

s240 0C / 2h aer timp[h]

- 75 0C / 2h

Fig. 4.23. Varianta H de tratament termic (W 1.2767) (EN ISO 4957)- pentru epruveta nr. 3 4.2.2. Rezultate obinute i discuii

Rezultatele obinute pe epruvete fabricate din W 1.2379 ( X 155 Cr MoV 12-1 ) (EN ISO 4957) sunt sintetizate n tabelul 4.6.

25

Tabelul 4.6. Tratament termicEpruv. Nr. Clire n vid[TA =10200C]

Analiza de laboratorControl duritate [HRC] 63,2 63,5 64,3 64,7 59,1 59,7 Micros copie optic x x x x ncercarea de rezilien KCU Determi-nare % austenit rezidual 20 -25 % < 15 % 20 25 %

T.T . criogenic [-75 0C] x

Revenire [ 0C ]

0* 1 2. 3.

x x x

1rev. x 525

5.

x

Nota: 0 * - oel W 1.2379(EN ISO 4957) n stare recoapt; 7 **(6 buc. ); 8**(6 buc.) - Epruvete pentru ncercarea de rezilien. Rezultatele obinute pe epruvete fabricate din W 1.2767(EN ISO 4957)(EN ISO 4957) sunt sintetizate n tabelul 4.8. Tabelul 4.8. Tratament termic Analiza de laborator Clire T.T . Control MicroDeterminare % Revenire Epruv. n vid criogenic duritate scopie Austenita [TA =8600C] -75 0C [ 0C ] Nr. [HRC] optica reziduala9* 10 11. 12. 13. x x x x x x 1rev. x 240 1rev. x 240 53,3 54,1 53,7 54,9 49,1 49,7 48,9 49,4 x x x x x 5 10 %