SM -Curs - Tratamente Termice

9. Tratamente termice 117

9.6 Tratamente termice aplicate oţelurilor

9.6.1 Recoacerea de tip I (cu sau fără recristalizare fazică) Se aplică oţelurilor care prezintă instabilităţi structurale de tipul neomogenităţi chimice, stare de

ecruisare sau tensiuni interne. Temperatura de încălzire este temperatura la care instabilitatea structurală este înlăturată, independent de temperatura de transformare în stare solidă a oţelului. De aceea, încălzirea la recoacerea de tip I se poate face la temperaturi superioare sau inferioare temperaturii de transformare în stare solidă. Răcirea lentă asigură obţinerea unei stări cât mai apropiate de echilibru.

După starea iniţială a oţelului, recoacerea de tip I este de trei tipuri (figura 9.21): de omogenizare, recristalizare şi de detensionare.

1. Recoacerea de omogenizare (de difuzie) se aplică lingourilor şi pieselor masive turnate din oţeluri aliate, în scopul diminuării microsegregaţiei dendritice şi intercristaline. În lingouri, neomogeniţăţile chimice crează anizotropia proprietăţilor mecanice şi măresc susceptibilitatea oţelului la rupere fragilă în timpul deformării plastice ulterioare. În piesele turnate, segregaţia dendritică micşorează ductilitatea şi tenacitatea oţelului.

Încălzirea se face la temperaturi ridicate 1100-1200˚C, timp îndelungat 8-20 ore, care să asigure omogenizarea chimică prin difuzie. Durata totală a tratamentului termic (încălzire, menţinere, răcire) poate

ajunge la 50-100 ore. Rezultă o granulaţie grosieră de supraîncălzire, cu slabe caracteristici mecanice. Acest defect se remediază în timpul laminării lingoului, iar la piesele turnate prin aplicarea unei recoacerii complete sau a normalizării.

2. Recoacerea de recristalizare se aplică oţelurilor deformate plastic la rece, pentru eliminarea stării de ecruisare, caracterizată prin rezistenţă la deformare plastică mărită şi plasticitate redusă.

Tratamentul constă din încălzirea oţelului la o temperatură superioară temperaturii de recristalizare şi inferioară punctului critic Ac1, în general în intervalul 660-700˚C. Este urmată de o menţinere izotermă de 0,5-1,5 ore, pentru desfăşurarea recristalizării feritei, eventual coalescenţa şi globulizarea cementitei.

Temperatura de încălzire depinde de compoziţia chimică a oţelului. Creşterea conţinutului de carbon şi elemente de aliere, ridică temperatura de recristalizare. În cazul oţelurilor carbon cu 0,08-0,2%C, cele mai utilizate pentru deformarea la rece (prin laminare, trefilare, extrudare, ambutisare), temperatura de încălzire este 680-700˚C. La oţelurile aliate cu Cr, Cr-Si cu conţinut înalt de carbon, recoacerea se efectuează la 730˚C.

Acest tratament urmăreşte refacerea proprietăţilor de plasticitate ale oţelului şi se aplică fie ca tratament termic preliminar înaintea deformării plastice la rece, fie ca tratament termic intermediar în procesul de deformare la rece.

3. Recoacerea de detensionare se aplică pieselor turnate, produselor sudate, prelucrate prin aşchiere etc., care conţin tensiuni reziduale datorate răcirii sau deformaţiei plastice neuniforme.

Tratamentul constă în încălzire sub Ac1, în intervalul 200-700˚C, (cel mai adesea între 350-600˚C), timp de 1-3 ore (în funcţie de grosimea de încălzire) şi răcire lentă.

Tensiunile reziduale descresc progresiv în funcţie de temperatura şi timpul de menţinere. La creşterea temperaturii, limita de elasticitate a oţelului scade, iar tensiunile interne se relaxează prin deformare plastică locală. Detensionarea completă are loc la atingerea temperaturii de recristalizare a feritei.

Tensiunile reziduale sunt eliminate de asemenea şi la alte tratamente termice, cum sunt: recoacerea de recristalizare a feritei, recoaceri de tipul II cu recristalizare fazică sau revenirea înaltă a oţelului călit.

9.6.2 Recoacerea de tipul II (cu recristalizare fazică)

Constă într-o încălzire supracritică a oţelului, urmată de menţinere şi răcire lentă, pentru obţinerea stării de echilibru conforme cu diagrama de echilibru. Tratamentul asigură recristalizarea fazică a oţelului, cu efect de înmuiere şi detensionare.

Fig.9.21 Domeniile de încălzire pentru recoacerea de tip I: 1- omogenizare;2 – recristalizare; 3 - detensionare

Fα

A

A+Fe3CIIA+Fα

Fe → C[%]

3

2

1

Fα+P+Fe3CIII

P+Fe3CII

118 Studiul materialelor

După temperatura de încălzire şi procedeul de tratament termic recoacerea de tipul II poate fi: completă, izotermă, incompletă, de înmuiere, de normalizare.

1. Recoacerea completă realizează recristalizarea întregii structuri. Se aplică oţelului hipoeutectoid, care se încălzeşte la Ac3+ 30…50˚C (fig. 9.22), se menţine pentru încălzirea în miez a piesei şi desfăşurarea

transformărilor de fază în volumul piesei, apoi se răceşte lent cu cuptorul, în nisip sau cenuşă fierbinte.

Încălzirea la aceste temperaturi asigură obţinerea unei austenite cu granulaţie fină, care la răcirea lentă, se transformă într-o structură secundară ferito-perlitică fină cu plasticitate ridicată, rezistenţă şi duritate

reduse. Dacă se depăşeşte temperatura prescrisă, se manifestă creşterea grăuntelui de austenită, cu deteriorarea proprietăţilor oţelului. Timpul de menţinere la temperatura de încălzire depinde tipul cuptorului de încălzire, modul de aşezare a pieselor în cuptor, tipul şi dimensiunile semifabicatului, compoziţia chimică a oţelului etc. În general, încălzirea se realizează cu o viteză de cca 100˚C/oră, iar menţinerea variază între 0,5…1 oră la 1 tonă de metal încălzit.

Viteza de răcire trebuie să realizeze descompunerea austenitei cu grade reduse de subrăcire, pentru a se evita formarea unui amestec ferito-perlitic foarte dispers dur. Viteza de răcire depinde de compoziţia chimică a oţelului, care determină stabilitatea austenitei subrăcite. Astfel viteza de răcire trebuie să fie cu atât mai lentă, cu cât austenita subrăcită este mai aliată. De aceea, la oţelurile carbon, răcirea se face cu o viteza de 150-200˚C/oră, în timp ce la oţelurile aliate, viteza de răcire trebuie să fie 10-100˚C/oră.

Recoacerea completă se aplică pieselor turnate în forme de nisip, produselor sudate sau forjate, pentru eliminarea structurii Widmanstatten de supraîncălzire. Se aplică deasemeni semifabricatelor forjate care prezintă stare parţială de ecruisare.

2. Recoacerea izotermă constă din încălzirea pentru austenitizare ca şi la recoacerea completă, la Ac3+30…50˚C (figura 9.22), apoi piesa este transferată într-un alt cuptor la o temperatură Ar 1-100…150˚C, în general 630-700˚C (figura 9.23), unde se menţine izoterm, pentru descompunerea completă a austenitei, urmată de răcire în aer.

Avantajul recoacerii izoterme constă în micşorarea duratei de tratament, în special în cazul oţelurilor aliate, la care reducerea durităţii ar necesita la recoacerea completă viteze foarte lente de răcire. Se obţine o structură mai omogenă pe secţiunea piesei, deoarece menţinerea izotermă asigură descompunerea austenitei la acelaşi grad de subrăcire în întreg volumul piesei. Se obţine o prelucrabilitate mai bună, calitatea suprafeţei şi se micşorează deformaţiile la călirea ulterioară.

Recoacerea izotermă se poate aplica numai pieselor forjate sau degroşate de dimensiuni mici. Sarjele mari (peste 20-30t) nu se pot recoace izoterm, deoarece nu se poate realiza o răcire rapidă şi uniformă în volumul şarjei până la temperatura menţinerii izoterme, ceea ce determină transformări structurale la temperaturi diferite, cu neuniformităţi structurale şi de duritate.

3. Recoacerea incompletă asigură recristalizarea parţială a structurii prin încălzire la temperaturi peste Ac1.

În cazul oţelurilor hipoeutectoide (fig. 9.22), încălzirea la Ac1+50…70˚C (770-800˚C) asigură recristalizarea perlitei, parţial a feritei proeutectoide şi detensionarea. Se îmbunătăţeşte prelucrabilitatea oţelului prin reducerea durităţii şi a susceptibilităţii la fisurare în timpul deformării plastice la rece. Se aplică numai oţelurilor deformate la cald corect care nu prezintă structuri de supraîncălzire, cu granulaţie grosieră.

La oţelurile eutectoide şi hipereutectoide încălzirea la temperaturi Ac1+10…30˚C (figura 9.22), urmată de răcire foarte lentă până la 620-680˚C, apoi aer, asigură recristalizarea perlitei şi transformarea perlitei lamelare în perlită globulară (fig. 9.25b). De aceea, acest tip de recoacere se mai numeşte recoacere de globulizare sau coalescenţă.

Fig.9.22 Domeniile de încălzire pentru recoacerea de tip II: 1- completă; 2 –

izotermă; 3 – incompletă; 4-de înmuiere; 5 - normalizare

Fα

A

A+Fe3CIIA+Fα

Fe → C[%]

5

4

3

1,2

P+Fe3CIIFα+P+Fe3CIII

1

5

2

→ log t

Ac1

Ac3

↑T

[˚C]

Ms

Mf A→M

A→F

A→P

Fig. 9.23 Condiţiile de răcire la recoacerea de tip II: 1- completă;

2 - izotermă; 5 - normalizare


Se îmbunătăţeşte prelucrabilitatea prin aşchiere a oţelurilor eutectoide şi hipereutectoide, care permit astfel viteze mari de aşchiere, cu o calitate bună a suprafeţei şi o uzură mai redusă a sculei aşchietoare.

Tabel 9.2 Proprietăţile mecanice ale perlitei lamelare şi globulare

Constituentul structural

Rm [N/mm2]

HB [daN/mm2]

A[%]

Perlita lamelară 820 228 15Perlita globulară 630 163 20

4. Recoacerea de înmuiere înlocuieşte recoacerea completă a oţelurilor aliate, la care în urma deformării plastice la cald sau tratamentului termic de normalizare rezultă cu o structură în afară de echilibru dură, cum este perlita sorbitică, troostita, bainita sau chiar martensita. Tratamentul constă din încălzire puţin sub Ac1 (650-680˚C) - figura 10.24, pentru descompunerea martensitei, bainitei şi coalescenţa carburilor. Valoarea durităţii este mai mare decât la recoacerea completă, dar se Încadrează în valorile prescrise de standarde.

5. Recoacerea de normalizare (normalizarea) constă din încălzirea oţelului hipoeutectoid la temperatura Ac3+30…50˚C şi a oţelului hipereutectoid la Accem+30…50˚C (figura 10.24), scurtă menţinere pentru austenitizare şi răcire în aer, cu o viteză de răcire v < v ci (figura 9.23) pentru obţinerea unei structuri de tip perlitic fină şi cu grăunţi cristalini uniform repartizaţi.

Normalizarea realizează recristalizarea întregii structuri. Răcirea accelerată în aer conduce la descompunerea austenitei la temperaturi mai scăzute, însoţită de finisarea granulaţiei, creşterea dispersiei amestecului ferito-carburic şi a cantităţii de perlită din oţel comparativ cu starea recoaptă (figura 9.24). Se

obţin cvasieutectoizi de tipul perlitei sorbitice sau troostitei. Normalizarea măreşte rezistenţa şi duritatea oţelurilor cu conţinut mediu şi înalt de carbon cu 10-15%, comparativ cu starea recoaptă complet. Finisarea de granulaţie determină coborârea temperaturii de tranziţie ductil-fragil şi creşterea tenacităţii oţelului (exprimată prin energia de rupere KV).

Scopul normalizării depinde de conţinutul de carbon al oţelului. La oţelurile cu conţinut redus de carbon, sub 0,3%C, structura de normalizare conţine perlită şi ferită. În acest caz, normalizarea este un tratament mai simplu,

Fig. 9.24 Microstructura oţelului OLC45după recoacere completă (a) şi normalizare (b); Atac nital 2%; x 400

a. b.

Fig. 9.25 Microstructura oţelului OSC12 în stare de recoacere completă (a), recoacere pentru globulizare (b), normalizare (c). Atac nital 2%; x 400

a. b.

c.


care poate înlocui recoacerea completă, obţinându-se o duritate puţin superioară, dar o calitate mai bună a suprafeţei.

La oţelurile cu conţinut mediu de carbon, 0,3-0,65%C, normalizarea conduce la o structură formată din perlită sorbitică şi ferită. În acest caz, normalizarea poate înlocui îmbunătăţirea (călirea urmată de revenire înaltă). Proprietăţile mecanice sunt mai slabe, dar se produc deformaţii plastice mai reduse ca la călire, iar probabilitatea de fisurare la tratament termic dispare.

În cazul oţelurilor hipereutectoide normalizarea elimină reţeaua de cementită secundară din structura de recoacere completă (figura 10.25c).

La oţelurile aliate, normalizarea urmată de o recoacere de înmuiere la 600-650˚C, poate înlocui recoacerea completă.

9.6.3 Călirea oţelului

9.6.3.1. Temperatura de încălzire la călire

Călirea constă din încălzirea oţelului hipoeutectoid la Ac3+30…50˚C şi a oţelului hipereutectoid la Ac1 +50…70˚C (figura 9.26), urmată de menţinere pentru austenitizare şi o răcire cu o viteză rapidă, superioară vitezei critice superioară (v>vcs).

La oţelul hipoeutectoid cu structura iniţială ferito-perlitică, încălzirea se face în domeniul austenitic, iar la răcire se obţine o structură în afară de echilibru, alcătuită din martensită şi o cantitate

redusă de austenită reziduală (fig. 9.27a). Călirea oţelului hipoeutectoid este completă. Călirea incompletă nu se practică, deoarece la temperaturi inferioare punctului Ac3, încălzirea în domeniul A+Fα conduce la prezenţa în structura de călire a unor insule moi de ferită - defectul pete moi (figura 9.27b). Dacă încălzirea se produce la temperaturi superioare intervalului indicat, oţelul se supracăleşte. Apare creşterea grăunţilor de

austenită, care determină la răcire o martensită grosieră cu duritate şi tenacitate scăzute.La oţelul hipereutectoid călirea este incompletă. Încălzirea se face în domeniul bifazic A+Fe3CII,

astfel încât după călire, matricea martensitică va conţine particule nedizolvate de Fe3CII (figura 9.27c). Aceste carburi asigură o duritate şi o rezistenţă la uzură crescute. Dacă se măreşte temperatura de încălzire, oţelul se supracăleşte. Austenita dizolvă o cantitate mai mare de carburi şi creşte granulaţia austenitică. La răcire se obţine o martensită grosieră sub formă de pene cu o cantitate mărită de austenită reziduală şi mai redusă de carburi (figura 9.27d). Se reduc duritatea, rezistenţa la tracţiune şi tenacitatea oelului. Dacă se coboară temperatura sub Ac1, oţelul rezultă necălit, din lipsa de austenitizare.

La oţelurile aliate cu elemente carburigene, temperatura de încălzire pentru călire este mai înaltă, pentru a se asigura gradul de aliere al austenitei prin dizolvarea carburilor. De exemplu, pentru oţelurile inoxidabile înalt aliat cu Cr (11-14%Cr), călirea pentru creşterea rezistenţei la coroziune necesită dizolvarea carburilor de tip M23C6 prin încălzire la temperaturi Ac3+150-250˚C.

Fig.9.26 Domeniile de încălzire pentru călire

Fα

A

A+Fe3CIIA+Fα

Fe → C[%]

Fα +P+Fe3CIII

P+Fe3CII

Fig.9.27 Microstructura oţelului OLC45 călit corect (a) şi cu defectul pete moi (b); Microstructura oţelului OSC12 călit correct (c) şi supracălit (d). Atac nital 2%; x400

a.

d.c.

b.


La oţelurile de scule, aliate cu elemente carburigene, temperatura de austenitizare sau o menţinere insuficiente, conduc la o austenită cu conţinut redus de carbon şi elemente de aliere, puţin stabilă la răcire şi cu duritate scăzută. Micşorarea stabilităţii austenitei subrăcite, conduce la mărirea vitezei critice de călire şi scăderea adâncimii de călire (a călibilităţii oţelului). Menţinerea de carburi grosiere într-o matrice alcătuită din martensită cu duritate redusă, micşorează rezistenţa la cald a oţelului.

Creşterea temperaturii de încălzire, antrenează dizolvarea carburilor, alierea austenitei, omogenizarea chimică a austenitei. Se stabilizează austenita subrăcită, se reduce viteza critică de călire şi se îmbunătăţeşte călibilitatea oţelului. Totuşi alegerea temperaturii de încălzire este un compromis, deoarece creşterea temperaturii de călire, măreşte granulaţia austenitică şi cantitatea de austenită reziduală, deformaţiile la călire, cu consecinţe negative asupra durităţii, rezistenţεi la uzură şi tenacităţii oţelului călit.

9.6.3.5. Călibilitatea

În anumite condiţii dimensionale şi de compoziţie chimică s-a constatat că piesele se călesc parţial la martensită în limitele unui strat superficial cu atât mai redus cu cât grosimea piesei este mai mare. Astfel un oţel carbon cu 0,45%C cu diametrul 16mm se căleşte în apă pe o adâncime de 5mm.

Călirea nepătrunsă se datorează gradientului de temperatură pe secţiunea piesei. Se consideră o probă masivă cilindrică din oţel eutectoid care se căleşte (fig. 9.29). Conform diagramei TTT, la suprafaţa piesei viteza de răcire maximă este supracritică (v1>vcs), ceea ce asigură o structură formată din martensită şi austenită reziduală. La jumătatea razei viteza de răcire mai mică devine intercritică (vci< v2<vcs) şi conduce la

o structură formată din troostită, martensită şi austenită reziduală. În miez, viteza de răcire este minimă şi subcritică (v3<vci), astfel încât autenita se descompune într-un amestec ferito-carburic, de tip perlitic (troostită, perlită fină sau grosieră).

Călibilitatea se defineşte ca fiind capacitatea oţelului de a se căli la structura martensitică sau troostito-martensitică, în limitele unui strat superficial de a anumită duritate şi adâncime.

Duritatea stratului călit depinde de compoziţia chimică a oţelului. Ea creşte cu conţinutul de carbon şi elemente de aliere.

Adâncimea de călire se consideră prin convenţie distanţa de la suprafaţă la zona cu structură semimartensitică (50% martensită + 50% troostită).

Diametrul critic indică dimensiunea maximă a secţiunii călite în volum, cu duritate maximă pe întreaga secţiune.

Duritatea structurii semimartensitice HRC50M depinde de conţinutul de carbon al oţelului: 0,13-0,22%C prezintă 25-30 HRC; 0,28 –0,32%C, 35-40HRC; 0,43-0,52%C, 45-50HRC; 0,53-0,62%C, 50-55HRC, valorile minime pentru oţelul carbon, cele maxime pentru oţelul aliat.

Adâncimea de pătrundere a călirii este dată de viteza critică de călire (v cs). Cu cât stabilitatea austenitei subrăcite este mai mare, cu atât viteza critică de călire scade şi se măreşte adâncimea de călire.

Factorii care influenţează adâncimea de călire sunt:- elementele de aliere dizolvate în austenită care îi măresc stabilitatea; adâncimea de călire creşte

puternic la slaba aliere cu Mn, Cr, Mo şi mici adaosuri de 0,003-0,005%B, mai ales la alierea simultană cu mai multe elemente de aliere; singurul element de aliere care micşorează adâncimea de călire este Co.

- particulele insolubile în austenită (carburi, oxizi, compuşi intermetalici) favorizează germinarea eterogenă a perlitei, micşorând stabilitatea austenitei subrăcite. De aceea carburile de Ti, Nb, W nedizolvate în austenită reduc adâncimea de călire;

v1

v2

v3

0 1 10 102 103 104

→ log tFig.9.29 Diagrama TTT- cauzele

călirii nepătrunse

800[˚C]600

400

200

0

Ac1

A→ M

A→ B

A→ P

Ms

vcsv1

Mf

vci

v3

v2


- neomogenitatea chimică a austenitei, mareşte capacitatea de germinare a perlitei şi scade stabilitatea austenitei subrăcite; de aceea vitezele rapide de încălzire micşorează adâncimea de călire;

- mărimea grăunţilor cristalini de austenită; granulaţia mare reduce capacitatea de germinare a perlitei şi măreşte stabilitatea austenitei subrăcite; modificarea granulaţiei austenitice de la punctajul de granulaţie 8 la punctajul 1 sau 2, măreşte de 2 sau 3 ori adâncimea de călire.

Adâncimea de călire se poate determina fractografic prin analiza aspectului suprafeţei de rupere a unor epruvete călite, metalografic prin analiza microstructurii sau mai precis prin determinarea distribuţiei durităţii pe secţiune. In acest ultim caz se trasează curba în U, care indică scăderea durităţii de la suprafaţă spre miez. Cunoscând duritatea structurii semimartensitice a oţelului analizat, se poate determina adâncimea de călire. Dacă se analizează variaţia durităţii pe un set de epruvete de dimensiuni diferite se poate determina diametrul critic. În figura 9.30 se prezintă distribuţia durităţii pe secţiunea unor epruvete din oţelul carbon cu 0,4%C, la care diametrul critic este 25mm. Această metodă se recomandă pentru piese de dimensiuni mici (15-25mm). iar adâncimea de pătrundere a călirii depinde de dimensiunea piesei şi mediul de călire.

Pentru piesele de dimensiuni mari se determină diametrul critic prin metoda călirii frontale sau proba Jominy.

O probă de formă şi dimensiuni standardizate, încălzită la temperatura de călire, este aşezată într-un suport vertical şi răcită la capătul inferior cu apă curentă în condiţii impuse de presiune, temperatură şi debit, până la răcirea completă. Se rectifică proba în lungul unei generatoare şi se măsoară duritatea în lungul acesteia. Se trasează graficul de variaţie a durităţii cu distanţa de la capătul frontal. Cunoscând duritatea structurii semimartensitice a oţelului, se stabileşte distanţa a de la capătul frontal până la structura semimartensitică (fig. 9.31).

Cu ajutorul unor nomograme (diagrama Blanter) se poate determina diametrul critic diametrul critic real, care ţine cont de de mediul real de răcire.

Astfel pentru oţelul considerat în figura 9.31, distanţa de la capătul frontal la stratul semimartensitic este a = 10mm. Aceasta corespunde unui diametru critic ideal D0=50mm, respectiv diametrul critic la călirea în apă Dc=40mm, sau la călirea în ulei Dc=27mm.

Deoarece pătrunderea la călire variază în limite largi în funcţie de compoziţia chimică, mărimea de grăunte, forma piesei, etc., fiecare marcă de oţel este definită printr-o bandă de călibilitate.

Indicatorul de călibilitate se notează J a/b(c), unde a-distanţa de la capătul frontal la structura semimartensitică; b- duritatea HRC a structurii semimartensitice; c- duritatea HRC a suprafeţei.

9.6.4 Revenirea oţelului

Revenirea constă din încălzirea oţelului călit la o temperatură inferioară punctului critic Ac1, menţinere şi răcire în general în aer. Este un tratament termic final care fixează proprietăţile de utilizare.

Suprimă total sau parţial tensiunile interne apărute la călire. Diminuarea tensiunilor interne este mai intensă la temperaturi de revenire mai ridicate, durate de menţinere mai mari şi viteze de răcire mai lente. Răcirea în apă de la 600˚C introduce noi tensiuni interne. Răcirea în aer generează tensiuni de compresiune în stratul superficial de 7 ori mai mici, iar în ulei de 2,5 ori mai mici decât răcirea în apă. De aceea răcirea la revenire se face în aer, cu excepţia oţelurilor aliate susceptibile la fragilitate la revenire, care de la temperaturile 550-650˚C se răcesc rapid în apă.

Proprietăţile mecanice ale oţelurilor revenite depind de temperatura de revenire. Din acest punct de vedere, revenirea oţelurilor este de trei tipuri: joasă, medie şi înaltă.

Revenirea joasă constă în încălzire la 150-250˚C, timp de 1-2,5 ore. Are loc în condiţii de difuzie parţiala, descompunerea martensitei de călire într-un amestec mecanic de particule fine de carbura ε (Fe xC) şi o martensită cu cu un conţinut mai redus în carbon, numit martensită de revenire. Are loc cu diminuarea

HRC

50

HRC50M 40

30

202550

10075

125

Fig. 9.30 Variaţia durităţii HRC pe secţiunea unor bare

din oţel cu 0,4%C

Fig. 9.31 Determinarea adâncimii de călire prin proba Jominy

0 10 15 20 [mm]

HRC5040302010 0

HRC50M

Ø30Ø25

100 5


tensiunilor interne. Creşte rezistenţa, se îmbunătăţesc tenacitatea şi ductilitatea, fără o reducere sensibilă a durităţii. După călire şi revenire joasă un oţel cu 0,6-1,3%C păstrează o duritate de 58-63HRC şi rezistenţă la uzură. Dacă miezul piesei nu este ductil, piesa nu suportă sarcini dinamice importante.

Se aplică sculelor aşchietoare şi instrumentelor de măsură şi control din oţeluri carbon şi slab aliate, pieselor carburate sau călite superficial.

Revenirea medie constă în încălzire la 350-450˚C. Structura rezultată este alcătuită din troostită de revenire ( amestec mechanic alcatuit din ferita si cementita globulară) sau troostită şi martensită de revenire, cu duritatea variind de la 40 la 50HRC şi limită de elasticitate ridicată. Răcirea de la 400-450˚C se face în apă, pentru a se forma în stratul superficial tensiuni de compresiune, care ridică rezistenţa la oboseală. Se aplică arcurilor şi matriţelor de deformare la cald.

Revenirea înaltă constă în încălzire la 550-650˚C, timp de 1-2ore. Oţelul capătă structura sorbitică ( amestec ferito-carburic cu un grad decdispersie mai redus decat al perlitei), care asigură cel mai bun raport între rezistenţă, ductilitate şi tenacitate.

Tratamentul termic alcătuit din călire urmată de revenire înaltă poartă denumirea de îmbunătăţire. Se aplică oţelurilor de construcţie cu conţinut mediu de carbon (0,3-0,6%C), care necesită limită de elasticitate ridicată, rezistenţă la oboseală şi tenacitate. Îmbunătăţirea suprimă complet tensiunile reziduale de la călire. Comparativ cu starea recoaptă (tabelul 9.6), se îmbunătăţesc rezistenţa la tracţiune Rm, limita de elasticitate R0.002, alungirea, stricţiunea la rupere A şi Z, cât şi rezilienţa KCU.

Tabel 9.6 Proprietăţile mecanice ale oţelului carbon cu 0,42%C, cu diferite tratamente termiceTratamentul termic Rm

[N/mm2]R0,002

[N/mm2]A

[%]Z

[%]KCU

[J/cm2}Recoacere, 880˚C 550 350 20 52 90Călire, 880˚C + revenire 300˚C 1300 1100 12 35 30Călire, 880˚C + revenire 600˚C 620 430 22 55 140

9.7 Tratamente termochimice

Tratamentul termochimic constă în îmbogăţirea superficială a oţelului prin difuzia unui element adus în stare atomică, dintr-un mediu adecvat încălzit la temperaturi ridicate. Scopul acestui tratament este realizarea unei distribuţii a compoziţiei chimice, structurii şi proprietăţilor pe secţiunea piesei.

In funcţie de natura elementului de difuzie, tratamentele termochimice sunt de mai multe tipuri: C - carburare sau cementare; N- nitrurare; C+N-carbonitrurare sau cianizare; B-borizare; Ti-titanizare; Al-alitare; Si-silicizare; Cr-cromizare; Zn-sherardizare; S-sulfizare, etc.

Proprietăţile urmărite sunt:- durificarea superficială şi rezistenţă la uzură abrazivă sau de adeziune asociate cu un miez tenace:

C, N, C+N, B, Ti, Cr- rezistenţă la coroziune: Cr, Si, Ti, Zn,- rezistenţă la oxidare: Al, Si, Cr- rezistenţa la gripare: S

9.7.1 Carburarea oţelului

Carburarea sau cementarea este o metodă de durificare superficială a pieselor din oţel cu conţinut redus de carbon 0,08-0,25%C, spre deosebire de piesele din oţel cu conţinut mediu în carbon care se durifică prin călire superficială.

Este un proces de îmbogăţire în carbon a straturilor superficiale ale pieselor din oţel, urmată de călire martensitică şi revenire joasă. Piesele carburate au un strat superficial dur, rezistent la uzură şi oboseală asociată cu un miez ductil şi tenace. Se aplică la arbori cu came, roţi dinţate, scule pneumatice, pene, bolţuri de piston etc.

Carburarea se execută prin încălzirea piesei într-un mediu carburant la temperaturi 920-950˚C, când oţelul este adus în stare austenitică, capabilă să dizolve o cantitate mare de carbon (fig. 9.37, punct 1). La temperatura de carburare, oţelul dizolvă superficial o cantitate de carbon inferioară limitei de solubilitate a


carbonului în austenită (cmax), în general maxim 1,2%C (punct 2). Conţinutul de carbon scade în austenită monoton de la suprafaţa spre miez. La răcire lentă austenita suferă transformări conform diagramei Fe-Fe 3C. La temperatura ambiantă în stratul de difuziune se disting trei substraturi:

- substratul hipereutectoid care conţine perlită şi cementită secundară;- substratul eutectoid care conţine numai perlită - substratul hipoeutectoid de tranziţie la materialul de bază, care conţine perlită şi ferită, cantitatea de

perlită scăzând continuu până la structura miezului.Grosimea stratului carburat se defineşte ca sumă între grosimea substratului hpereutectoid, eutectoid

şi jumătate din cel de tranziţie hipoeutectoid.Grosimea stratului carburat variază în general între 0,5-2mm. In practică la oţelurile cu<0,17%C este

luată 15% din diametrul secţiunii cementate. La conţinuturi de C>0,17% stratul se micşorează la 5-9% pentru piese supuse la uzură, iar dacă sarcini de contact nesemnificative poate ajunge la 3-4%.

Conţinutul de carbon din strat variază în general între 0,8 şi 1%C. Pentru a obţine rezistenţa maximă la oboseala de contact conţinutul de carbon din strat se ridică la 1,1-1,2%C.

Elementele de aliere din oţel influenţează structura, viteza de difuzie a carbonului şi adâncimea de

carburare. Elementele carburigene (Cr, Ti, Mn, Mo, W, V) favorizează apariţia de carburi globulare, grăunte ereditar fin, durificarea suplimentară a stratului carburat. În acest caz conţinutul de carbon în strat poate ajunge la 1,8-2%.

Carburarea se poate executa în mediu solid, lichid sau gazos. 1. Carburarea solidă se face in cutii de cementare din oţel sudat în care se aşează distanţat (10 -

15mm) piesele decapate prealabil în mediul de saturare.Agentul de carburare este format din granule de diametru 3,5-10mm din lemn de mangal de lemn de

mesteacăn sau stejar, rezistent la compresiune şi pur din punct de vedere al P şi S ca şi semi-cocs de huilă sau

A

A

A

A

A

A

A

A

920-950[˚C]

920-950[˚C]

920-950[˚C]

920-950[˚C]

920-950[˚C]

920-950[˚C]

920-950[˚C]

920-950[˚C]

Fα

Fα

Fα

Fα

Fα

Fα

Fα

Fα

↓x

↓x

↓x

↓x

↓x

↓x

↓x

↓x

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

1

1

1

1

1

1

Fα+P

Fα+P

Fα+P

Fα+P

Fα+P

Fα+P

Fα+P

Fα+P

P+Fe3CII

P+Fe3CII

P+Fe3CII

P+Fe3CII

P+Fe3CII

P+Fe3CII

P+Fe3CII

P+Fe3CII

cmax

cmax

cmax

cmax

cmax

cmax

cmax

cmax

Fe 0,15 1,1 → C[%]

Fe 0,15 1,1 → C[%]

Fe 0,15 1,1 → C[%]

Fe 0,15 1,1 → C[%]

Fe 0,15 1,1 → C[%]

Fe 0,15 1,1 → C[%]

Fe 0,15 1,1 → C[%]

Fe 0,15 1,1 → C[%]

P

P

P

P

P

P

P

P

P+Fe3CII

P+Fe3CII

P+Fe3CII

P+Fe3CII

P+Fe3CII

P+Fe3CII

P+Fe3CII

P+Fe3CII

20˚C

20˚C

20˚C

20˚C

20˚C

20˚C

20˚C

20˚C

P+Fα

P+Fα

P+Fα

P+Fα

P+Fα

P+Fα

P+Fα

P+Fα

Fα+P

Fα+P

Fα+P

Fα+P

Fα+P

Fα+P

Fα+P

Fα+P

A

A

A

A

A

A

A

A

Fig.9.37 Structura stratului de difuziune la carburare








Atac nital 2%; x100

Atac nital 2%; x100

Atac nital 2%; x100

Atac nital 2%; x100

Atac nital 2%; x100

Atac nital 2%; x100

Atac nital 2%; x100

Atac nital 2%; x100


cocs de turbă. Pentru accelerarea carburării se adaugă 20-25%BaCo3 şi până la 3,5%CaCo3 pentru a preveni sinterizarea. Cutiile se închid etanş cu un capac lipit cu argilă refractară.

La temperatura de încălzire 910-930˚C, cărbunele incandescent reacţionează chimic cu oxigenul intragranular, formănd dioxidul de carbon, care apoi este redus de cărbunele incandescent la monoxidul de carbon capabil de disociere.

C + O2 → CO2

CO2 + C → 2CO2CO → CO2 + Catomic Substanţa de activare este redusă de cărbunele incandescent la oxidul de bariu şi monoxid de carbon.

După disocierea monoxidului, dioxidul de carbon format reacţioinează chimic cu oxidul de bariu şi reface carbonatul de bariu, care reintră în circuit.

BaCO3 + C → BaO + 2CO2CO → CO2 + Catomic

CO2 +BaO → BaCO3

Timpul de menţinere la temperatura de carburare variază în funcţie de dimensiunile cutiei de cementare şi adâncimea de carburare dorită. Pentru o cutie cu dimensiunea minimă 150mm, pentru un strat gros de 1mm este necesară o menţinere de 8-10 ore. Este un procedeu cu productivitate mică, recomandat oţelurilor cu grăunte ereditar fin.

Carburarea gazoasă, se execută prin încălzirea pieselor în cuptoare închise etanş într-un mediu carburant gazos: gaz natural (CH4), amestecuri de butan şi propan, hidrocarburi lichide (benzen, kerose, syntol), atmosfere endoterme (20%CO, 40%H2, 40%N2) la care se adaugă 5-8% CH4.

Procedeul permite obţinerea unei concentraţii exacte de carbon în strat, micşorează durata de menţinere, permite mecanizarea şi automatizare procesului de cementare; se simplifică tratamentul termic ulterior, permiţând călirea de la temperatura de cementare. La 930˚C pentru realizarea unui strat cementat de 0,7-1mm este necesară o durata de menţinere în cuptoarele continue 6-12 ore şi de 3-10 ore în cuptoarele cu cuvă. Se poate accelera procesul prin circularea gazului şi creşterea temperaturii de carburare la 1000-1050˚C, dacă oţelul este cu grăuinte ereditar fin. Este procedeul industrial de cementare a pieselor de serie mare.

3. Carburarea lichidă se execută în băi desăruri topite care conţin 78-85%Na2CO3, 10-15%NaCl, 6-8%SiC. Are cea cea redusă durată de carburare: 0,15-0,20mm grosime de strat în 30min, iar 1mm în 4-5 ore. Se pretează la piese mici şi prezintă dificultatea menţinerii constante a capacităţii de carburare a băii.

Tratamentul termic aplicat pieselor carburate are ca scop:- corijarea structurii de supraîncălzire din stratul cementat şi miez, rezultată în urma menţinerii

îndelungate la temperatura de tratament; - durificarea stratului superficial şi tenacitate în miez;- eliminarea reţelei de cementită secundară apărută în stratul superficial, ca urmare al suprasaturării

cu carbon. Se aplică urmatoarele variante de tratament termic (figura 9.38):

Călirea directă

de la

900-950800-850

850-900

150-200

800-850

150-200 150-200

Ac3

Ac1

t → t → t →

↑[˚C]

a.

b.

c.Fig. 9.38 Tratamentul termic al pieselor carburate: a. călire directă;

b. călire simplă; c. călire dublă


temperatura de cementare, urmată eventual de călire la temperaturi negative pentru reducerea cantităţii de austenită reziduală din strat şi revenirea joasă. Nu corijează structura de supraîncălzire din miez şi strat şi de aceea se recomandă la oţelurilor cu grăunte ereditar fin. Călirea directă se aplică frecvent la carburarea gazoasă, după ieşirea piesei din cuptor şi răcire în aer până la 840-860˚C.

Călirea simplă constă dintr-o normalizare prin răcirea în aer a piesei ieşite de la cementare în scopul finisării granulaţiei şi a anulării reţelei de cementită secundară, urmată de călirea martensitică a stratului superficial de la temperaturi >Ac1 şi revenire joasă. Se aplică pieselor cu grăunte ereditar mare.

Călirea dublă constă într-o primă călire martensitică de la temperatura de călire a miezului (peste Ac 3

al miezului), care elimină reţeaua de cementită secundară. A doua călire se efectuează de la temperatura de călire a stratului superficial (peste Ac1), care îi asigură duritatea ridicată. Tratamentul final este revenirea joasă pentru obţinerea în stratul superficial a martensitei de revenire şi pentru detensionare. Se aplică pieselor din oţel cu grăunte ereditar mare. Inconvenientul acestui tratament este complexitatea lui, deformarea crescută a pieselor cu forme complexe, oxidarea şi decarburarea suprafeţei.

Proprietăţile pieselor cementate sunt:- duritatea stratului cementat 60-64HRC pentru oţelul carbon şi 58-61HRC la oţelul aliat cu o

cantitate mărită de austenită reziduală. Durificarea superficială măreşte rezistenţa la uzură şi la sarcini de contact.

- rezistenţă la şoc mecanic datorată ductilităţii şi tenacitatea miezului, a cărui duritate variază între 20-40HRC;

- se măreşte rezistenţa la oboseală ca urmare a formării în stratul superficial a tensiunilor reziduale de compresiune (400-500 N/mm2). La un oţel Cr-Ni (0,12%c; 1,3%Cr; 3,5%Ni) rezistenţa la oboseală a epruvetelor fără concentratori de tensiune creşte de la 560 la 750N/mm2, iar în prezenţa unei crestături de la 220 la 560N/mm2; scade sensibilitatea la crestături.

Aplicaţii: arbori, pene, came, bucşe de uzură, roţi dinţate, bolţuri pentru piston, melci, etc.Oţelurile pentru cementare sunt oţeluri pentru construcţii de maşini care conţin sub 0,25%C: oţeluri

carbon de calitate (OLC10, OLC15, OLC20) şi oţeluri slab aliate (15Cr08, 13CrNi30, 18MnCr10, 18MoCrNi13, 18MoCrNi35, 20MoNi35, 21TiMnCr12,etc).

SM -Curs - Tratamente Termice

Documents

Transcript of SM -Curs - Tratamente Termice