Tratamentul termic al turnărilor din oțel și font: Ghid tehnic complet privind procesele, parametrii și controlul calității

Meta Descriere: Un ghid de inginerie complet privind tratamentul termic al turnărilor metalice. Învățați despre recoacere, normalizare, călire și revenire, recoacere în soluție, relaxare a tensiunilor și austemperare — cu domenii de temperatură, timpi de menținere, viteze de răcire și evoluția structurii microscopice pentru oțeluri carbon, oțeluri inoxidabile, fonte ductile și multe altele.

Tratamentul termic este diferențiatorul invizibil în turnarea metalelor. Două piese turnate din aceeași topitură de metal, cu aceeași compoziție chimică și aceeași geometrie imediat după turnare, pot avea proprietăți mecanice complet diferite — una fragilă și predispusă la fisurare, cealaltă tenace și rezistentă la oboseală — în funcție exclusiv de ceea ce se întâmplă în interiorul cuptorului de tratament termic.

Pentru inginerii care specifică componente turnate, înțelegerea tratamentului termic nu este opțională. Specificația de tratament termic indicată pe desen determină direct rezistența, ductilitatea, tenacitatea la impact, prelucrabilitatea și stabilitatea dimensională a piesei. O specificație incorectă sau o execuție defectuoasă a tratamentului termic reprezintă una dintre cauzele cele mai frecvente ale eșecului turnărilor în exploatare — și totodată una dintre cele mai ușor de prevenit.

Această ghid acoperă procesele principale de tratament termic aplicate turnărilor din oțel și font, cu parametri practici, explicații metalurgice și cerințe privind controlul calității.

Partea 1: De ce piesele turnate necesită tratament termic

Spre deosebire de produsele deformate (plăci, bare, forjări) care suferă prelucrare termomecanică în timpul formării, piesele turnate se solidifică într-o formă statică. Microstructura imediat după turnare este determinată în întregime de viteza de răcire de la temperatura de turnare — care variază semnificativ între secțiunile groase și cele subțiri ale aceleiași piese turnate.

Ce realizează tratamentul termic

O turnătorie profesională cu capacitate integrată de tratament termic — precum Dandong City Pengxin Machinery Co., Ltd. , care operează cu furnale interne de normalizare, călire și revenire, dotate cu control calibrat al temperaturii și înregistrare grafică — asigură faptul că fiecare turnare părăsește turnătoria în starea specificată de tratament termic, cu trazabilitate completă.

Partea 2: Procese de tratament termic pentru turnări din oțel

2.1 Recoacere de detensionare (detensionare)

Scop : Reduce stresurile reziduale provenite din solidificare și răcire, fără a modifica semnificativ microstructura sau proprietățile mecanice.

Cum funcționează : Turnarea este încălzită la o temperatură sub intervalul de transformare (de obicei 550–650 °C pentru oțelurile carbon și cele cu aliaje scăzute), se menține la această temperatură pentru a permite relaxarea termică a stresurilor elastice și apoi se răcește lent. Nu are loc nicio transformare de fază — procesul este pur termomecanic.

Când se specifică relaxarea tensiunilor :

• Turnături mari cu variații semnificative ale grosimii secțiunii
• Turnături care vor fi supuse unei prelucrări mecanice extinse (relaxarea tensiunilor înainte de prelucrare previne deformarea în timpul îndepărtării materialului)
• Turnături supuse unor cerințe de stabilitate dimensională în exploatare
• Turnături care vor fi sudate (relaxarea tensiunilor după sudură sau reparație prin sudură)

Controlul calității verificați uniformitatea temperaturii în cuptor (±15 °C în zona de lucru). Viteza de răcire este la fel de importantă ca și ciclul de încălzire — răcirea prea rapidă reintroduce tensiuni termice, anulând astfel scopul operației.

2.2 Anelarea completă

Scop : Produce o microstructură moale, prelucrabilă, cu ductilitate maximă. Rețeaua de fier se transformă în structură de turnare în perlit și ferit grosol (pentru oțelurile hipoeutectoide).

Cum funcționează : Găsirea este încălzită peste temperatura critică superioară (Ac3) de obicei 850950 °C pentru oțelurile cu carbon ținută pentru a austenitiza complet structura, apoi răcită foarte încet (răcire în cuptor) pentru a produce ferit-perlit de echilibru.

Structura microscopica rezultantă : Ferrită grosolană + perlita (oțeluri hipoeutectoide); perlita grosolană + cementită (oțeluri hipereutectoide).

Duritatea rezultată : Oțelul carbon WCB are de obicei 130–170 HB după recoacere completă.

Când se specifică recoacerea completă :

• Turnări care necesită prelucrare extensivă — structura moale și uniformă minimizează uzura sculelor
• Turnări care vor suferi deformare la rece sau formare după turnare (rar pentru turnări, dar aplicabil pentru componente turnate și forjate)
• Cerința maximă de ductilitate pentru fabricarea ulterioară

Notă practică : Recocerea completă este tratamentul termic cel mai consumator de timp și energie. Pentru majoritatea turnărilor industriale, normalizarea (vezi 2.3) oferă o prelucrabilitate adecvată, cu un timp de ciclu mai scurt și un cost mai mic. Recocerea completă este rezervată cazurilor în care este esențială o duritate minimă.

2.3 Normalizarea

Scop : Rafinarea structurii granulare grosolane obținute direct din turnare, omogenizarea structurii microscopice și obținerea unei rezistențe moderate, împreună cu o tenacitate bună. Normalizarea este tratamentul termic cel mai frecvent aplicat turnărilor din oțel carbon și oțeluri cu aliaje joase.

Cum funcționează : Turnarea este încălzită peste temperatura critică superioară (Ac₃), menținută la această temperatură pentru a asigura austenitizarea completă, apoi răcită în aer staționar. Viteza mai mare de răcire (comparativ cu recocerea) produce o structură microscopica fină de ferită-perlită, cu o dimensiune mai mică a grăunților.

Structura microscopica rezultantă ferrită fină + perlite fină. Mărimea granulelor este de obicei ASTM 5–8 (comparativ cu ASTM 1–3 pentru materialul turnat nefinisat).

Proprietățile rezultate pentru WCB (tipice) :

Notă privind oțelul Hadfield cu mangan : Oțelul austenitic de mangan (11–14 % Mn) este recopt în soluție prin încălzire la 1050–1100 °C și răcire bruscă cu apă — nu prin normalizare. Răcirea în aer determină precipitarea carbidelor la limitele de grăunț, ceea ce duce la fragilizarea oțelului. Răcirea bruscă cu apă menține carbonul în soluție solidă, generând microstructura complet austenitică, tenace și capabilă de ecruisare prin deformare, care face din oțelul Hadfield un material unic.

Când se specifică normalizarea :

• Turnături din oțel structural pentru uz general
• Turnături care necesită o tenacitate îmbunătățită față de starea lor după turnare
• Ca tratament preliminar înainte de călire și revenire (refinarea grăunțului înainte de întărire)
• Turnături rezistente la presiune (starea normalizată este standard pentru multe specificații ale vaselor sub presiune)

2.4 Călire și revenire (Q&T)

Scop : Se obțin rezistență și duritate ridicate, cu tenacitate controlată, prin formarea martensitului și ulterioara revenire a acestuia. Călirea și revenirea produc cele mai mari niveluri de rezistență realizabile în turnăturile din oțel.

Cum funcționează turnarea este austenizată, apoi răcită rapid (întreruptă) în apă, ulei sau polimer pentru a forma martensită — o fază metastabilă dură, dar fragilă. Apoi este reîncălzită (revenită) la o temperatură sub Ac₁ pentru a reduce fragilitatea, păstrând în același timp cea mai mare parte a creșterii rezistenței.

Pasul 1: Austenizare și întrerupere

Intensitatea călirii rata de răcire trebuie să depășească rata critică de răcire a oțelului pentru a evita formarea perlitei sau a bainitei. Răcirea cu apă este cea mai severă și produce duritatea cea mai ridicată, dar și cel mai mare risc de deformare și fisurare. Soluțiile de răcire cu ulei și polimer oferă un răcire mai lentă și mai uniformă — preferate pentru geometrii complexe și oțeluri aliate.

Pasul 2: Revenirea

Avertisment privind fragilizarea prin revenire : Unele oțeluri aliate (în special cele care conțin Mn, Cr, Ni) sunt sensibile la fragilizarea prin revenire atunci când sunt răcite lent în intervalul 375–575 °C sau când sunt menținute pentru perioade îndelungate în acest interval. Mecanismul constă în segregarea elementelor impure (P, Sb, Sn, As) la granițele anterioare ale austenitei. Prevenție: revenire la temperaturi peste 575 °C și răcire rapidă de la temperatura de revenire, sau utilizarea unor oțeluri cu conținut scăzut de elemente nedorite.

La Dandong City Pengxin Machinery Co., Ltd. , atelierul de tratamente termice operează cu cuptoare etalonate dotate cu control multi-zonal al temperaturii și înregistrare continuă pe diagramă, asigurând executarea fiecărui ciclu de călire și revenire conform parametrilor specificați, cu trazabilitate completă — de la diagramele de încărcare a cuptoarelor până la rezultatele finale ale testelor de duritate.

2.5 Recoacere de solubilizare (turnături din oțel inoxidabil)

Scop : Dizolvă carburi de crom care s-au precipitat în timpul solidificării sau răcirii, restabilind microstructura austenitică omogenă și rezistența completă la coroziune. Aceasta este tratamentul termic esențial pentru turnăturile din oțel inoxidabil austenitic.

Cum funcționează : Turnătura este încălzită la o temperatură la care se dizolvă carburi de crom (de obicei 1040–1120 °C), menținută la această temperatură pentru a omogeniza austenita, apoi răcită rapid (cu apă) pentru a păstra carbonul și cromul în soluție solidă. Răcirea lentă în intervalul 425–870 °C determină precipitarea carburiilor de crom la limitele de grăunțe (sensibilizare), epuizând matricea adiacentă de crom și distrugând rezistența la coroziune.

Cerință critică timpul dintre ieșirea din cuptor și imersia în baia de răcire trebuie minimizat — ideal, sub 60 de secunde pentru secțiunile subțiri și nu mai mult de 2–3 minute pentru orice secțiune. Orice întârziere permite suprafeței turnării să coboare în intervalul de temperatură de sensibilizare înainte de răcire.

Considerente privind oțelurile inoxidabile duplex în afară de dizolvarea carburiilor, recoacerea de soluționare stabilește echilibrul corect între fazele ferită-austenită (de obicei 40–60 % ferită). Viteza de răcire de la temperatura de soluționare trebuie să fie suficient de mare pentru a inhiba formarea fazei sigma și a altor compuși intermetalici — aceștia împiedică ductilitatea aliajului și distrug rezistența la coroziune. Temperatura de recoacere de soluționare și viteza de răcire pentru calitățile duplex trebuie controlate cu precizie.

Verificare după recoacerea de soluționare, verificați:

• Duritatea (trebuie să fie ≤200 HB pentru calitățile austenitice complet recoase)
• Rezistența la coroziune (ASTM A262, Metoda A sau E pentru sensibilizare; ASTM G48 pentru rezistența la pitting a calităților duplex)
• Microstructură (fără rețele continue de carbură la limitele de granule)

Partea 3: Procese de tratament termic pentru fonte turnate

Fontele răspund tratamentului termic în mod diferit față de oțeluri datorită prezenței grafitului — care nu se transformă — și a conținutului mai ridicat de carbon și siliciu, care modifică temperaturile și cinetica transformărilor.

3.1 Eliminarea tensiunilor (fontă cenușie și fontă ductilă)

Notă : Descărcarea de tensiuni la temperaturi peste 600 °C pentru fonta cenușie poate determina creșterea lameselor de grafit și modificări dimensionale permanente. Mențineți temperaturile sub 600 °C pentru fonta cenușie, cu excepția cazului în care este specificat un ciclu deliberat de recoacere (cu modificări dimensionale anticipate).

3.2 Recoacerea fontei ductile (recoacere ferritizantă)

Scop : Obținerea unei matrice complet ferritice pentru ductilitate maximă și tenacitate la impact (necesară pentru calitățile QT400-18 / 60-40-18).

Proces : Încălzire la 900–950 °C, menținere pentru austenitizare (carbonul din matrice se dizolvă în austenită), apoi răcire lentă în cuptor prin domeniul eutectoid (700–760 °C) pentru a permite difuzia carbonului din austenită către nodulii existenți de grafit. Rezultatul este o matrice ferritică cu noduli de grafit — ductilitate maximă, rezistență minimă.

Rezultat : Proprietățile QT400-18: rezistență la tracțiune ≥400 MPa, limită de curgere ≥250 MPa, alungire ≥18 %, duritate 130–180 HB, impact Charpy ≥14 J (temperatură ambiantă).

3.3 Normalizarea fontei ductile

Scop : Obținerea unei matrice predominant perlite pentru o rezistență și o rezistență la uzură superioare (calitățile QT600-3 și QT700-2).

Proces : Austenitizare la 870–930 °C, apoi răcire în aer. Viteza mai mare de răcire (comparativ cu recoacerea) inhibă difuzia carbonului către nodulii de grafit, forțând precipitarea carbonului sub formă de perlita în timpul transformării eutectoide.

3.4 Tratament termic austemperat (fontă ductilă austemperată — ADI)

Scop produce o microstructură ausferritică (ferrită aciculară + austenită stabilizată cu carbon) care combină rezistență extrem de ridicată cu ductilitate utilă — cea mai performantă categorie de fontă ductilă.

Cum funcționează turnarea este austenizată (850–930 °C), apoi răcită brusc într-o baie de sare topită menținută la 230–450 °C (deasupra temperaturii de început a transformării în martensită). Se menține la această temperatură (austemperare) până la finalizarea transformării în ausferrită, după care se răcește la temperatura camerei. Rezultatul este o structură formată din ferrită aciculară fină dispersată într-o matrice de austenită stabilă, îmbogățită cu carbon — fără martensită, fără perlită.

Austemperarea permite ADI să înlocuiască oțelul forjat și tratat termic în multe aplicații — la un cost mai scăzut și cu beneficiile suplimentare ale turnării aproape de formă finală, reducerea prelucrării mecanice și amortizarea superioară. Este segmentul cu cea mai rapidă creștere al pieței fontei ductile.

Partea 4: Controlul calității tratamentului termic

4.1 Cerințe privind cuptoarele

4.2 Testare de verificare după tratamentul termic

4.3 Defecte comune ale tratamentului termic

Partea 5: Specificarea tratamentului termic pe desenele de execuție și pe comenzile de achiziție

O specificație completă de tratament termic nu lasă loc interpretărilor. Următoarele elemente trebuie să apară pe desenul piesei turnate sau în specificația procedurii de tratament termic asociată:

Șablon de specificații

HEAT TREATMENT REQUIREMENT:

Process: Normalize + Temper
Material: ASTM A216 Grade WCB
Normalizing temperature: 900 ± 15 °C
Holding time at temperature: 1 hour per 25 mm of maximum section thickness, minimum 2 hours
Cooling: Still air cool to ambient temperature
Tempering temperature: 620 ± 15 °C
Holding time at temperature: 1 hour per 25 mm, minimum 2 hours
Cooling after tempering: Still air cool

Required properties after heat treatment:
- Hardness: 140–170 HB
- Tensile strength: 485–620 MPa
- Yield strength: 250 MPa minimum
- Elongation: 22% minimum

Documentation:
- Furnace chart recorder trace for each cycle, identified with casting heat number
- Hardness test results for each casting or representative sample
- Tensile test results from test bar cast from same heat and heat-treated with castings

Concluzie

Tratamentul termic este locul unde metalurgia întâlnește fabricarea. Este singura etapă de proces care poate multiplica valoarea unei piese turnate — sau poate distruge această valoare. Diferența dintre o piesă turnată care îndeplinește specificațiile și una care eșuează în exploatare este adesea determinată de doar 20 °C în temperatura cuptoarelor, 30 de minute de timp de menținere sau 10 secunde între ieșirea din cuptor și imersia în baia de răcire.

Principii cheie pentru un tratament termic de succes al pieselor turnate:

1. Specificați complet — temperatură, timp, metodă de răcire și proprietăți necesare. «Tratați termic la 150 HB» nu este o specificație.
2. Verificați riguros — diagramele cuptoarelor, testele de duritate și testele mecanice sunt obligatorii.
3. Adaptați procesul la material — un ciclu de tratament termic conceput pentru oțelul carbon nu funcționează pentru oțelul inoxidabil sau fonta ductilă.
4. Luați în considerare întreaga succesiune de fabricație — reduceți stresul înainte de prelucrare, aplicați tratamentul termic după prelucrarea grosolană dacă toleranțele sunt strânse și verificați întotdeauna proprietățile piesei finale sau ale unei bare de test reprezentative.
5. Colaborați cu o turnătorie care deține procesul de tratament termic — tratarea termică externă introduce lacune în urmărirea, responsabilitatea și controlul procesului, care sunt dificil de acoperit.

La Dandong City Pengxin Machinery Co., Ltd. , tratamentul termic este o parte integrantă a fluxului nostru de lucru de la turnare până la piesa finită. Cu cuptoare calibrate, înregistrare continuă pe diagrame, încercări mecanice interne și un sistem de calitate documentat, certificat conform ISO 9001, livrăm piese turnate exact în starea de tratament termic specificată de dumneavoastră — susținută de documentație completă a procesului.

Aveți nevoie de turnări din oțel sau font cu tratament termic certificat? Dandong City Pengxin Machinery Co., Ltd. oferă servicii integrate de turnare, tratament termic, prelucrare CNC și asigurare a calității din instalația noastră de 80.000 m² din provincia Liaoning, China. Contactați-ne cu specificațiile materialelor și cerințele privind tratamentul termic pentru a primi o ofertă tehnică.