Sia che siate alle prime armi con il trattamento termico o che vogliate ampliare le vostre conoscenze tecniche, questa risorsa educativa fornisce una chiara panoramica degli eutettici e del loro ruolo nel trattamento termico.
Cosa imparerete:
- Cosa sono gli eutettici e perché sono importanti
- Come leggere e interpretare i diagrammi di fase
- In che modo le reazioni eutettiche possono sia supportare che disturbare le prestazioni del forno
Dai fondamenti della brasatura ai suggerimenti per prevenire costose rotture di materiali, questa guida è destinata agli operatori dei forni, agli ingegneri e a chiunque sia coinvolto o stia esplorando una carriera nel settore dei trattamenti termici.
Capire le basi
All'Università di Scienze della Salute e Farmacia di Saint Louis, spicca la mascotte sportiva: Mortarmer "Morty" McPestle, il Fighting Eutectic. Sebbene rappresenti il connubio tra il rigore accademico e la competitività sportiva della scuola, il termine eutettico ha un significato molto diverso, e più scientifico, per gli studenti del laboratorio di chimica.
In chimica, eutettica si riferisce al modo in cui due sostanze possono interagire per creare un punto di fusione inferiore a quello che una delle due avrebbe da sola. Il termine eutettico deriva da radici greche che significano "ben fuso" ed è stato coniato nel 1884 dal fisico e chimico britannico Frederick Guthrie.
Le reazioni eutettiche sono ovunque intorno a noi. Un esempio comune è l'aggiunta di sale all'acqua, che ne abbassa il punto di congelamento, utile per preparare il gelato o per liberare le strade ghiacciate. Le stampanti a getto d'inchiostro si affidano a materiali eutettici per funzionare a temperature più basse e alcuni anestetici topici utilizzano una miscela eutettica di lidocaina e prilocaina che si trasforma in un liquido a temperatura ambiente.
Il ruolo dell'eutettica nella metallurgia
Se combinate correttamente a determinate temperature, le reazioni chimiche eutettiche creano importanti leghe metalliche. I metallurgisti possono ottimizzare queste leghe in termini di resistenza, durezza, duttilità, pulizia, densità e una serie di altre importanti qualità attraverso una serie di fasi di lavorazione termica. Ma le reazioni eutettiche devono essere gestite con attenzione.
Quando si verifica un evento eutettico inaspettato in un forno a vuoto, Il processo può deformare i pezzi, creare fragilità o durezza inaspettata, fondere i pezzi e le attrezzature in una pozzanghera sul fondo della zona calda o causare una serie di altri problemi che vanno dal lieve inconveniente alla catastrofe.
Ecco perché la comprensione di un diagramma di fase è essenziale.
Lettura di un diagramma di fase di base
Le trasformazioni di fase sono una parte fondamentale del processo di trattamento termico. Una conoscenza di base delle reazioni eutettiche e dei diagrammi di fase aiuta gli operatori del forno a capire cosa succede dietro le pareti sigillate e raffreddate ad acqua di un forno a vuoto. (per coloro che hanno già familiarità con i diagrammi di fase, è possibile passare alla sezione successiva.)
Per capire meglio l'eutettica, rivediamo lo scenario del sale e del ghiaccio e diamo un'occhiata a come funziona il diagramma di fase.
In questo esempio del Dipartimento dei Trasporti degli Stati Uniti, vengono messi a confronto due diversi sali che possono essere utilizzati per sghiacciare le strade innevate d'inverno: NaCl (sale da cucina) e CaCl₂ (sale di cloruro di calcio). Si noti che sia il sale da cucina che il cloruro di calcio sono solidi a temperatura ambiente (70 °F/20 °C).
In entrambe le situazioni, la reazione e i risultati documentati possono avvenire sia quando l'acqua si presenta come liquido che come solido. Ecco perché il sale è uno strumento efficace per sciogliere il ghiaccio su strade, vialetti, marciapiedi e piste ciclabili.
Mentre la temperatura di congelamento dell'acqua pura è ben nota (32 °F/0 °C), possiamo notare che sciogliere del sale da cucina in acqua abbassa notevolmente il punto di fusione dell'acqua, fino a una concentrazione di circa il 23% di sale. In una soluzione ideale a tale concentrazione, il punto di congelamento scende (-4 °F/-21 C). L'aggiunta di altro sale a quella concentrazione non abbasserà ulteriormente il punto di congelamento, ma lascerà solo residui di sale non disciolto. I sali di cloruro di calcio, tuttavia, possono essere disciolti in acqua a una concentrazione molto più alta, creando una soluzione che ha fino al 29% di CaCl₂ disciolto. Di conseguenza, questa soluzione ha un punto di congelamento ancora più basso (-60 °F/52 °C).
Leggendo il diagramma di fase, il grafico di ogni sale rivela una forma a V che separa lo stato della soluzione. All'interno della V si trova una soluzione completamente liquida di sale e acqua: a queste concentrazioni percentuali e a queste temperature la soluzione è completamente sciolta e dissolta. A sinistra della V si trova una miscela di ghiaccio e soluzione: ghiaccio parzialmente sciolto. A destra della V si trovano i sali non disciolti e una soluzione liquida, come il residuo di sale lasciato quando il ghiaccio ormai sciolto scorre lungo il marciapiede e finisce nel tombino. Al di sotto della linea tratteggiata si trovano sale solido e ghiaccio solido: il sistema è troppo freddo perché il sale si dissolva nel ghiaccio.
La V, quindi, riflette la zona eutettica - la parte del sistema in cui la combinazione di due sostanze crea un cambiamento di fase da solido a liquido a una determinata temperatura che nessuna delle due sostanze sperimenterebbe senza la presenza dell'altra.
I diagrammi di fase possono anche includere dati di reazione aggiuntivi; ad esempio, alcuni grafici mostrano come la pressione atmosferica influisce sui cambiamenti di fase. Queste informazioni sono particolarmente importanti quando si valutano le reazioni in un forno a vuoto.
Cosa c'entra questo con la metallurgia?
Quando i metalli vengono riscaldati a temperature sufficientemente elevate, si fondono in forma liquida. La temperatura alla quale un metallo fonde senza che rimangano solidi in sospensione nel liquido fuso è detta temperatura di liquidità.
Le immagini del metallo fuso che viene versato negli stampi - sia per la fusione di spade che per la produzione di componenti - spesso raffigurano una miscela di ferro e carbonio. Questa combinazione forma una reazione eutettica che produce ghisa o acciaio con proprietà specifiche e desiderabili.
Dai coltelli in acciaio inossidabile alle padelle in ghisa, i metalli forgiati e fusi dipendono tutti da queste interazioni eutettiche per determinare il loro punto di fusione e la qualità del metallo una volta che il pezzo è stato raffreddato a temperatura ambiente. Le differenze principali nelle loro caratteristiche sono determinate dalla concentrazione di carbonio nel ferro e dalla velocità con cui l'oggetto è stato temprato (o raffreddato).
Eutettica e brasatura
Nel mondo dei forni a vuoto, un ottimo esempio di eutettica intesa è dato dalla brasatura. Come le tipiche saldature da banco, le leghe d'apporto per la brasatura sono progettate per avere un punto di fusione inferiore a quello dei pezzi da lavorare, anche se condividono un elemento metallico primario.
Fondendo la lega d'apporto, il materiale scorre per capillarità nelle giunture e negli avvallamenti delle parti metalliche, creando un collegamento o una guarnizione pulita, completa ed esteticamente gradevole.
I forni a vuoto sono eccezionali per i processi di brasatura che coinvolgono materiali altamente suscettibili all'ossidazione, come l'alluminio e il titanio. I controlli di precisione della temperatura e i sistemi di monitoraggio all'interno di un forno sottovuoto assicurano che il processo fonda il materiale di brasatura, lasciando inalterati i materiali del pezzo.
Si consideri che brasatura dell'alluminio spesso prevede l'utilizzo di una lega di alluminio e silicio. Questo diagramma di fase mostra che l'alluminio e il silicio, quando sono legati in una soluzione all'incirca dell'88% di Al e del 12% di Si, hanno un punto di fusione eutettico di 1070 °F/577 °C, quasi 100 °C più freddo del punto di fusione dell'alluminio puro.
L'utilizzo di materiale per la brasatura di alluminio e silicio su un pezzo di alluminio puro assicura la costanza delle qualità metalliche per ulteriori scopi di produzione e operativi. Il processo di brasatura produce un legame di media resistenza alla corrosione. La regolazione della concentrazione di silicio all'interno della soluzione può creare una serie di vantaggi e limitazioni, a seconda dell'uso finale previsto per il prodotto.
Controllo delle reazioni eutettiche in un forno industriale
In questa sezione esaminiamo più da vicino il motivo per cui gli operatori dei forni sono così attenti alle interazioni eutettiche indesiderate durante un processo di trattamento termico e come prevenirle.
Reazioni eutettiche sbagliate
Parliamo di due metalli comuni che vengono spesso utilizzati nei trattamenti termici: il nichel e il titanio.
All'interno di un forno a vuoto, è abbastanza comune vedere gli operatori utilizzare un dispositivo in nichel o in lega di nichel. I cestelli e i rack a base di nichel sono durevoli, possono resistere a temperature dell'ordine di 2500 °F/1400 °C e sono relativamente economici rispetto ai dispositivi realizzati con altri materiali resistenti alle alte temperature.
È abbastanza comune trovare operatori di forni a vuoto che lavorano il titanio. La tendenza del titanio a creare ossidi stabili significa che il trattamento termico del titanio in un forno a vuoto è ottimale per evitare la creazione di ossidi durante una ricetta.
Come si può vedere nel diagramma di fase qui sopra, il nichel e il titanio hanno molti punti eutettici, tutti in grado di produrre una fase liquida improvvisa e indesiderata. I trasformatori termici che hanno avuto a che fare con nuovi operatori che hanno inserito un pezzo in titanio in un cestello in lega di nichel spesso raccontano storie terribili di metalli fusi che si sono accumulati sul fondo della zona calda.
Non ci vuole molto per innescare una reazione eutettica. Basta che due parti si tocchino alla giusta temperatura per innescare una reazione che si protrarrà fino a quando i metalli non si saranno fusi insieme o avranno raggiunto l'equilibrio chimico. Nel caso del diagramma eutettico nichel-titanio, esistono diversi stati di equilibrio eutettico, tanto che il diagramma assomiglia un po' a una palla che rimbalza. Questi diversi punti eutettici ci ricordano che la volatilità chimica riguarda anche i solidi, proprio come quando il sale viene sparso sul ghiaccio.
La reazione nichel-titanio non è l'unica a creare problemi imprevisti agli operatori dei forni a vuoto. Altri metalli che devono essere trattati con attenzione quando sono adiacenti in un forno a vuoto sono: nichel e carbonio, ferro e titanio, carbonio e titanio e ferro e carbonio. Utilizzo di barriere eutettiche e facendo riferimento al Tabella delle temperature dei materiali compatibili nei casi che coinvolgono questi materiali.
Molte aziende di lavorazione termica si rivolgono a metallurgisti che esaminano la composizione di tutto, dai pezzi agli impianti, selezionando le impostazioni corrette del forno e il design della zona calda per ottimizzare i pezzi che lavorano più frequentemente. Consultano i diagrammi di fase e cercano risorse come le barriere eutettiche per proteggere l'investimento fatto al momento dell'acquisto del forno.
Gli operatori dei forni devono essere formati per comprendere le conseguenze di una mancata osservanza dei protocolli. Inoltre, i team di manutenzione del sistema del forno devono essere in grado di monitorare e segnalare i segnali di una reazione chimica indesiderata all'interno della camera.
Barriere eutettiche
Gli operatori del trattamento termico non devono necessariamente saper leggere un diagramma di fase per sapere che i pezzi si attaccano alle attrezzature. Sia che utilizzino i comuni cestelli in lega di nichel o le attrezzature in grafite, a volte gli operatori devono trovare una risposta rapida al problema e passare oltre. La soluzione più comune al problema è la ceramica.
Ecco tre prodotti utili da conoscere quando si cerca una soluzione ceramica a un problema eutettico.
- Rivestimenti ceramici antieutettici - Creando un cuscinetto tra i componenti da trattare e le loro attrezzature, i rivestimenti ceramici possono sopravvivere a temperature molto elevate e creare una barriera completamente inerte tra i due. Sebbene un rivestimento ceramico possa creare una barriera completa per qualsiasi punto in cui un pezzo possa toccare l'attrezzatura, il costo del rivestimento delle attrezzature in carbonio-carbonio (C/C) potrebbe essere elevato e l'attrezzatura dovrebbe essere ispezionata periodicamente per verificare la presenza di schegge o crepe dovute al carico e allo scarico dei pezzi.
- Piastre in ceramica di allumina - L'impilamento dei pezzi su un vassoio o un cestello in composito di fibra di carbonio (CFC) può creare infiltrazioni indesiderate di carbonio in alcune leghe. Le piastre di allumina ceramica possono creare una barriera piatta e piacevole tra i pezzi e il cestello, particolarmente utile per i pezzi in polvere di metallo.
- Panno in fibra di ceramica - Un tessuto monouso economico che può essere tagliato da un rotolo come un gigantesco foglio di carta, il tessuto in fibra ceramica può essere prodotto con uno spessore di 1/16.th spessore in pollici. Flessibile per l'uso in una varietà di impianti in diverse operazioni, è un prodotto monouso che deve essere sempre rifornito con largo anticipo rispetto al consumo dell'ultimo rotolo. Durante le operazioni di carico/scarico dell'attrezzatura, l'operatore deve assicurarsi che la coperta copra tutte le aree in cui le parti possono incontrare l'attrezzatura, anche se si spostano durante il caricamento nel forno.
Se si è verificata una reazione eutettica inaspettata nella zona calda e avete bisogno di assistenza per il vostro forno, contattate 1-844-GO-IPSEN per programmare un intervento di assistenza sul campo.