Tratamente Termice Curs 1
1. Obiectul şi importanța Tratamentelor Termice 2. Sistemul Fe-C (proprietățile constituenților structurali rezultați în urma tratamentelor termice)
Obiectul și importanța Tratamentelor Termice
Tratamentul Termic
• succesiune de operaţii •
încălziri, mențineri și răciri efectuate în anumite medii,
• cu respectarea unor condiții de: •
temperatură, durată, viteză de încălzire și răcire,
• aplicate produselor (semifabricate, piese și scule)
pentru a produce modificări în structura materialului acestora
T. T.
• la schimbarea proprietăților tehnologice, • •
fizico-chimice și mecanice ale produselor. ! scopul tratamentelor termice este obținerea unor anumite structuri, care să dea produsului proprietățile dorite, fără a schimba
• •
forma piesei starea de agregare a materialului.
Tratamentele termice, procese tehnologice în urma cărora produsele obțin proprietăți noi
Schema generală a ciclului tehnologic de fabricare a pieselor din oĹŁel.
• TT incorecte •
rebutarea produselor € ($) >>T.T.
Cunoașterea și executarea corectă a Tratamentelor Termice
Sistemul Fe-C
• Fe •
trei forme polimorfe:
Fe α, Fe γ şi Fe δ.
Cubic cu Volum Centrat
Cubic cu Fețe Centrate
Fierul α: rețea CVC, parametrul rețelei: ✦ 2,86 Å la 20°C ✦ 2,895 Å la 800°C.
Fierul γ rețea CFC, parametrul rețelei: ✦ 3,638 Å la 912°C ✦ 3,645 Å la 1000°C.
<
• Fierul δ aceeași rețea cristalină ca Fe α, • •
distanţa reticulară mărită. fierul δ este un fier α stabil la temperaturi înalte
• fierul are numai două forme polimorfe (α şi γ).
• Sistemul Fe-C • •
2 forme:
sistemul fier-grafit (sistemul stabil) sistemul fier-cementită (sistemul metastabil)
Punctul critic
Semnificaţia
A0
Punctul Curie al cementitei, 210-215°C
A1
Temperatura transformării eutectoidei corespunzătoare izotermei PSK, 727°C
A2
Puntul Curie al feritei, 770°C (linia MO)
A3
Temperaturile corespunzătoate liniei GOS
A4
Temperatura corespunzătoare transformării δ → γ
Acem
Temperatura corespunzătoare liniei SE
Ac1
Temperatura la care începe transformarea perlitei în austenită, la încălzire; la oţelurile hipoeutectoide începe şi transformarea (dizolvarea) feritei în austenită, iar în oţelurile hipereutectoide a cementitei secundare în austenită.
Ar1
Temperatura de transformare a austenitei în perlită, la răcire; în oţelurile hipoeutectoide se termină separarea feritei, iar la cele hipereutectoide a cementitei secundare din austenită
Ac2
Temperatura transformării magnetice a feritei la încălzire
Ar2
Temperatura transformării magnetice a feritei la răcire
Ac3
Temperaturile la care se termină transformarea (dizolvarea) feritei în austenită la încălzirea oţelurilor hipoeutectoide
Ar3
Temperaturile la care începe separarea feritei din austenită, la răcirea oţelurilor hipoeutectoide
Accem
Temperaturile la care se termină dizolvarea cementitei în austenită, la încălzirea oţelurilor hipoeutectoide
Arcem
Temperaturile la care începe separarea cementitei secundare din austenită, la răcirea oţelurilor hipereutectoide
• diagrama Fe-Fe C este caracterizată prin două 3
tipuri de transformări:
a) transformarea eutectică: ✦
1148°C
lichid(4,3%C) ↔ Fe3C + γ(2,11%C) ledeburită
b) transformarea eutectoidă: ✦
727°C
γ(0,77%C) ↔ Fe3C + α(0,02%C) perlită
c) transformarea peritectică: ✦
1487°C
lichid(0,51%C) + δ(0,1%C) ↔ γ(0,16%C)
Constituenții structurali rezultați în urma TT
• Constituent structural •
un element component al structurii, format din una sau mai multe faze.
•
faza este o parte omogenă dintr-un sistem (aliaj) care are aceeași compoziție chimică, un tip de rețea cristalină, proprietăți determinate și care este delimitată de alte părți din sistem printr-o suprafață de separație bine conturată.
• Constituenții alcătuiesc arhitectura internă a materialelor metalice:
• • • •
metalul pur, soluția solidă,
cristale perfect omogene, cu aceeași compoziție chimică
compusul chimic, amestecul mecanic.
constituent eterogen format din cel puțin două faze, care pot fi oricare din fazele precedente
Diagrama Fe-Fe3C ❖
faze sau constituenți omogeni: ❖
❖
austenita, ferita, cementita și grafitul,
constituenți eterogeni: ❖
perlita (lamelară sau globulară) și ledeburita.
În diagramele TTT ❖
constituenți și faze diferite de echilibru: ❖
martensita de călire,
❖
martensita de revenire,
❖
bainita superioară și inferioară,
❖
troostita
❖
sorbita.
Ferita Soluție solidă de carbon în fierul α, cu o rețea CVC. Rețeaua CVC are locuri interstițiale octaedrice și tetraedrice. !
solubilitatea maximă este de 0,0218%C la 727º C
Austenita Soluție solidă de carbon în Fe γ, rețeaua cristalină CFC. Locul liber din centrul celulei elementare (1,02÷3,68Å) creează posibilitatea dizolvării unor cantități relativ mari de carbon în această celulă.
!
solubilitatea maximă este de 2,11%C la 1148º C
Cementita Conține 6,67%C => compusul chimic al carbonului cu fierul α (Fe3C), numită și carbură de fier. ✤ Rețea ortorombică, nu prezintă transformări alotropice, este cel mai dur constituent al aliajelor Fe-C (peste 800 HV), nu este plastic, este casant și fragil. ✤ Este stabilă la temperaturi < de 727 ℃, în anumite condiții se poate descompune sub 727 ℃ în ferită și grafit. ✤
Cementita
primară
eutectoidă
lamelară
în benzi
eutectică
terțiară
globulară
în plăci sau în insule
aciculară
în rețea
secundară După domeniul și condițiile în care se formează
După aspectul microscopic
Perlita Amestec mecanic de ferită și cementită. Cele două faze se separă simultan, în condiții de echilibru, la temperatură constantă (727℃) din austenita de concentrație eutectoidă (0.77% C) la răcire lentă. După aspectul microscopic Lamelară ✦ lamele de cementită prinse într-o masă de bază de ferită, ✦ la răcirea lentă de la temperaturi mai înalte decât temperatura punctului, prin transformarea eutectoidă a austenitei ✦ are aspectul unei amprente digitale
Globulară ✦ sub formă de globule într-o masă metalică, ✦ se poate obține printr-o recoacere de globulizare (de înmuiere) a perlitei lamelare ✦ are cea mai bună prelucrabilitate prin așchiere
În rozetă ✦ perlită fină cu aspect radial, ✦ apare în oțelurile încălzite la temperaturi ridicate, temperaturi de la care ulterior sunt răcite în aer
Bainita Ferită suprasaturată în carbon α’ și carburi globulare fine FexC. Bainită superioară ✦
formată în apropierea maximului cinetic (stabilitatea minimă a austenitei, tmin)
Bainită inferioară ✦
✦
formată la temperaturi joase deasupra punctului Ms, are o structură aciculară asemănătoare martensitei
Rezistenţa ridicată a bainitei se datorează dimensiunilor mici ale cristalelor de ferită, dispersiei precipitatelor de carburi, densității mari a dislocațiilor și distorsiunii rețelei feritei datorită suprasaturării cu carbon.
Martensita Soluție solidă de carbon în fierul α, suprasaturată și metastabilă.
Principala caracteristică: duritatea ridicată, care depinde practic numai de conținutul în carbon
!
Alte structuri Troostita de călire ✦ amestec de ferită și cementită, extrem de fin ✦ călire moderată, cu o viteză de răcire mai mică decât cea critică ✦ la microscop: sub formă de pete negre, sferoidale sau rozete, situate la marginea grăunților (foști austenitici). ✦ duritate de 35÷40 HRC, tenacitate și plasticitate mai ridicată decât a bainitei. Troostita de revenire ✦ din martensita de revenire sau călire în urma revenirii medii (300÷500℃) ✦ amestec de ferită nerecristalizată și cementită parțial sferoidizată
Sorbita de călire ✦ la o răcire continuă mai lentă decât ce a troostitei ✦ un amestec de ferită şi cementită mai puţin fin decât troostita ✦ duritate sub 300 HB, plasticitatea și tenacitate > troostită. Sorbita de revenire ✦ din martensita sau troostita de revenire în urma revenirii înalte (500÷650℃) ✦ îmbină în modul cel mai favorabil caracteristicile de rezistenţă mecanică cu cele de plasticitate.
Martensita de revenire ✦ din martensita de călire în urma revenirii joase (100÷250℃) și asigură oțelurilor carbon rezistenţă la tracțiune și duritate mari, în dauna tenacității ✦ valorile alungirii și gâtuirii sunt mici.
• Gradul de fineţe a structurilor de tip perlitic
• •
distanţa dintre lamelele de cementită şi ferită, Δ0, suma grosimii lamelei de cementită şi ferită. Valoarea lui Δ0 se poate calcula cu relaţia:
✦ ✦
TE este temperatura de echilibru (Ac); T temperatura la care are loc transformarea în urma răcirii cu anumite viteze.
Temperatura de subrăcire
Structura
Valoarea lui Δ0, µm
Duritatea HB
700°C
Perlită
0,5-0,8
180
650°C
Sorbită
0,3…0,4
250
600°C
Trostită
0,1…0,2
400
Reprezentare
Gradul de fineţe a structurilor de tip perlitic (schemă)
Influenţa elementelor de aliere • Dacă în sistemul Fe-C mai intervine un element de aliere (X), ternar Fe-C-X (15Cr9; 42Cr4 ş.a.).
• Carbonul în oțelurile aliate formează carburi cu elementele de aliere. • Afinitatea termodinamică (-ΔG) a diverselor elemente pentru carbon:
Si-Al-Cu-Ni-Co-Fe-Mn-Cr-Mo-W-V-Ti-Nb nu formează carburi (nu sunt carburigene)
formează carburi (sunt carburigene)
• Carburile formate sunt de două tipuri, în funcţie de natura elementului şi de conţinutul său:
• •
cementite aliate: (Fe, X)3C, cu structură ortorombică; carburi speciale: (Fe, X)mCn; tipurile principale sunt: M23C6; M6C; M2C; M7C3; MC.
M reprezintă unul sau mai multe elemente metalice, carburigene
Modificarea domeniului γ de către Ni, Mn, Si, Mo, Cr
• Ni şi Mn sunt •
elemente gamagene, măresc domeniul γ Si, Mo şi Cr sunt elemente alfagene reduc domeniul γ
sfârșitul primului curs
TRATAMENTE TERMICE Curs 2: Operațiile de bază ale TT
1
CUPRINS •
Operațiile de bază ale T.T.
•
Operația de încălzire •
Transformarea α → γ în cursul încălzirilor rapide, fără menținere
•
Transformarea α → γ în cursul încălzirilor cu menținere izotermă
•
Operația de menținere
•
Operația de răcire •
Transformări structurale la răcire, CCT; TTT
•
Principiul construirii diagramelor CCT; TTT
•
Aplicații practice ale diagramelor CCT; TTT 2
OPERAȚIILE DE BAZĂ ALE T.T. Tratamentul Termic ca proces tehnologic de prelucrare la cald a produselor metalice, este constituit dintr-o serie de op. care se execută într-o anumită succesiune și care sunt definite și caracterizate prin valoarea unor param. => parametrii tehnologici • Operațiile de bază: • Principale (înc.; menţ; răcire); • Auxiliare anterioare (curăţire, protejare, spălare, ş.a.) • Auxiliare ulterioare (curăţire, îndreptare, control, ş.a.) •
3
OPERAȚIA DE ÎNCĂLZIRE 40-80% din durata totală a unui ciclu termic
determină productivitatea Parametrii:
✦
✦
Stabilirea Temperaturii de Încălzire tf reprezintă temperatura după care începe operaţia de menţinere se stabileşte în fc. de temp. pc. critice (AC1, AC3, ACcem) şi de tipul TT (recoarece, normalizare,
călire, revenire). Stabilirea Vitezei de Încălzire În fc. de legile transmiterii căldurii în piesele metalice, tensiunile remanente, utilajele de înc. ✦ v. teoretică → l.t.c. ✦ v. admisibilă → t.r. ✦ v. posibilă → u.î., mediul î. mărimea încărcăturii 4
TRANSFORMAREA α → γ ÎN CURSUL ÎNCĂLZIRILOR RAPIDE, FĂRĂ MENȚINERE •
Influenţa vit. de încălzire asupra formării γ poate fi studiată cu ajutorul diagramelor de transf. la încălzire continuă, obținute cu ajutorul analizei dilatometrice.
•
Trasate în sist. de coordonate temp. - timp (lg).
•
Curbele reprezintă, pentru fiecare viteză de încălzire indicată în partea de sus a diagramei, diferitele etape ale formării austenitei în cursul încălzirii. 5
Diagrama de transformare la încălzire continuă a oţelului 34 CrMo 4 (0,34 % C; 1,07% Cr şi 0,17 % Mo): Ac1, Ac3 – temp. de început, respectiv de sfârșit a transformării. 6
TRANSFORMAREA α → γ ÎN CURSUL ÎNCĂLZIRILOR CU MENȚINERE IZOTERMĂ •
În practică, austenitizarea se realizează printr-o încălzire, până la o temperatură determinată, urmată de o menţinere la această temperatură
•
cond. optime de austenitizare (t, τmenţ), => compromis între o γ omogenă şi o γ cu un grăunte fin,
•
cinetica de transformare a feritei și carburilor în austenită, în cursul menținerii izoterme.
•
Epruvetele sunt încălzite la o temperatură determinată, unde sunt menținute durate diferite; apoi ele sunt răcite rapid și examinate la microscop => diagrame care descriu cinetica transformării. 7
Temperatura, °C
2
3
4
Diagrama de transformare în condiții izoterme a unui oţel eutectoid normalizat în prealabil la 875°C
1
8
Timpul, s
CURBELE DE AUSTENITIZARE ALE UNUI OŢEL EUTECTOID •
C. 1, 2, → începutul, respectiv sfârşitul transformării perlitei;
•
C. 3 sfârșitul transformării carburilor,
•
C. 4 → limita dintre austenita neomogenă şi cea omogenă.
•
Se observă că formarea austenitei continuă pe parcursul menținerii şi se termină cu atât mai repede cu cât temperatura este mai ridicată. 9
OPERAȚIA DE MENȚINERE are ca scop egalizarea temperaturii (durata de egalizare termică ) şi desăvârşirea proceselor de transformare structurală (durata de transformare ) • Parametrii op. de menţinere sunt: • temperatura de menținere tf •
durata de menținere • gradul de egalizare (în practică 0,01÷0,5) •
Durata de egalizare termică pentru piese cu grosimi mai mici decât 100mm, încălzite în cuptoare cu gaz sau electrice și pentru piese subțiri încălzite băi de săruri este aprox. ¼ din durata de încălzire
10
OPERAȚIA DE RĂCIRE •
De modul cum se execută depinde structura care va rezulta (proprietățile produselor)
•
Parametrii: •
temperatura inițială tir
•
durata de răcire τr
•
viteza de răcire vr tir → temperatura la începutul răcirii (~tf) tfr → temperatura la sfârșitul răcirii tmed → temperatura mediului de răcire 11
RĂCIREA ÎN MEDII CARE ÎŞI SCHIMBĂ STAREA DE AGREGARE
Reprezentarea schematică a fazelor principale de răcire A. Calefacția B. Fierberea C. Răcire lentă 12
Curba de răcire în medii care își schimbă starea de agregare
TRANSFORMĂRI STRUCTURALE LA RĂCIRE Diagramele TTT la răcire în condiţii izoterme •
diagramele de echilibru => structurile de echilibru ale aliajelor, •
apar în urma unor răciri foarte lente
•
sunt construite în coordonate temp. – conc. => nu pot da informaţii asupra structurilor în afară de echilibru, => răciri mai rapide
•
2 metalurgişti americani Davenport şi Bain •
Isothermal transformation diagrams
•
Time-Temperature-Transformation
diagramele Timp – Temperatură – Transformare 13
PRINCIPIUL CONSTRUIRII DIAGRAMELOR TTT continuous cooling transformation (CCT)
14
Reprezentarea schematică a transformării austenitei la răcire izotermă (temperatura constantă tb) •
D. austenitizare " răcire cât mai rapidă " temp. de transformare stabilită, ti (sub AR1)
•
ol. eutectoid (0,77 % C ), austenitic (tf = ta=AC1+ (30÷50)°C = 775÷800°C
•
tb1 (sub AR1) " menţ. τ1, " răcire în apă (tm = 20°C)
•
duritatea HV şi structura un alt lot de probe din acelaşi ol. eutectoid se răcesc de la ta la tb1 " menţ. timp mai lung τ2 (τ2<τ1), " răcire în apă. se reperă la temp. tb1:
•
•
•
15
τ3, τ4, τ5, …, τn
Duritatea HV
Construirea diagramelor TTT (CCT)
2146357
Punctul A1
Austenită Martensită Perlită
C. început de transf. C. sf. de transf.
16
Curba TTT la răcire izotermă a unui ol. eutectoid
17
Influența elementelor de aliere asupra diagramelor TTT
Diagrama Timp-TemperaturăTransformare (TTT) pentru două oțeluri: linia roșie pt. un oțel cu 0,4% C în greutate; linia verde pt. un oțel cu 0,4% C în greutate și 2% Mn în greutate. P = perlită, B = bainită M = martensită.
18
Diagrama TTT izotermă a oţelului 41Cr4 (42C4) (atlas IRSID, Institut de Recherches de la Sidérurgie Française)
19
Diagrama TTT la răcirea continuă a oţelului cu 0,25% C; 1,4% Cr; 0,5% Mo; şi 0,25% V
20
Diagrama TTT la răcire continuă a oţelului 42 MnV 7
21
APLICAȚIILE PRACTICE ALE DIAGRAMELOR TTT s-au stabilit noi cicluri de tratamente termice, comportând mențineri izoterme la temperaturi convenabil alese; • s-au putut efectua transformări care să ducă la obținerea unor structuri uniforme în toată masa piesei, => str. perlitice sau bainitice. • uniformizarea temperaturii în tot volumul piesei, pentru a se evita deformările și fisurile în timpul transformării martensitice. • Recoacerea izotermă (perlitică) asigură obținerea de structuri uniforme în tot volumul produselor, cu o durată a ciclului scurtă => bună prelucrabilitate, la produsele forjate. • se pot stabili intervale de temperaturi optime, pentru ca durata ciclului să fie minimă. •
22
RECAPITULARE 1. Care sunt operațiile de bază ale T.T.?
Principale (înc.; menţ; răcire); Auxiliare anterioare (curățire, protejare, spălare, ş.a.) Auxiliare ulterioare (curățire, îndreptare, control, ş.a.)
2. Operația de încălzire Transformarea α → γ în cursul încălzirilor rapide, fără menținere
Diagr. de Transf. la Înc. Cont.
Transformarea α → γ în cursul încălzirilor cu menținere izotermă
Diagr. de Transf. la Înc. Izotermă
3. Operația de menținere
Durata de egalizare termică Durata de transformare
4. Operația de răcire Transformări structurale la răcire, CCT; TTT Principiul construirii diagramelor TTT
Aplicații practice ale diagramelor CCT; TTT 23
Recoacerea
1
Curs 3
Recoaceri
•Omogenizare
Se aplică rar
•Normalizare •Înmuiere (globulizare)
Se aplică frecvent
•Detensionare •Recristalizare 2
Se aplică foarte rar
RECOACEREA DE OMOGENIZARE
•
Uniformizarea prin difuzie a neomogenităţilor chimice, fizice şi structurale, rezultate în urma solidificării în condiţii reale a oţelurilor. Neomogenitatea chimică provocată în procesul de cristalizare a aliajului este cunoscută sub denumirea de segregaţie
3
Diagrama recoacerii de omogenizare Temperatura de omogenizare (tf) se determină, orientativ:
tf = (0,7…0,9)×ts ts este temperatura solidusului real al oţelului
4
Temperatura
Valorile superioare ale temperaturii •pentru aliaje cu tendinţă redusă de segregare interdendritrică •cu puncte de topire coborâte sau medii
Valorile inferioare ale temperaturii •pentru aliaje cu puncte de topire ridicate (cazul oţelurilor aliate).
Domeniul de temperaturi pentru recoacerea de omogenizare la oţeluri
5
RECOACEREA DE NORMALIZARE
•
Scopurile
•obținerea unei granulații fine, •uniformizarea structurii, •anularea structurilor de turnare, deformare plastică la cald, sudare sau provenite de la tratamentele termice incorect aplicate anterior.
•
De obicei, se urmărește ameliorarea caracteristicilor mecanice.
•
R.N. ➜ T.T. primar sau final. Suprafețele pieselor prelucrate prin așchiere, în cazul oțelurilor sărace în carbon, sunt, după normalizare, de calitate mai bună.
6
7
Deformarea elastică ➽ plastică
8
9
10
Modificarea structurii după recoacerea de normalizare
structuri de laminare sau turnare înainte de normalizare și după aplicarea normalizării Structura unui oţel cu 0,25%C după laminare
înainte de normalizare
după normalizare
11
după laminare
după turnare
după normalizare
după normalizare
Parametrii tehnologici DiagramÄ&#x192; de normalizare
12
Temperatura
• R.N. (tf) se alege cu 20 – 60°C peste pct. critice ale oțelurilor.
• Ol. hipereutectoide cu rețea de Fe3C încălzirea se face cu 20 – 50°C peste Accem, ⇒ răcire rapidă în apă sau ulei (călire) ⇒ R.N. obișnuită. Temperaturi mai mari decât cele indicate în figură nu sunt recomandate deoarece apare pericolul supraîncălzirii materialului
13
Efectul supraîncălzirii materialului la normalizare
•
În general temperatura de normalizare pentru majoritatea oțelurilor aliate este cuprinsă între 870 – 900°C.
•
Pentru produse cu secțiuni mai mari se recomandă ca recoacerea de normalizare să se facă la temperaturi mai mari decât la produsele cu secțiuni mai mici
14
Viteza de răcire
•Să se obțină structuri normale (apropiate de echilibru). •Răcirea se poate executa în două moduri: odată cu cuptorul sau în aer liniștit sau ventilat
continuă sau în trepte
Răcirea continuă se execută cu cuptorul până la circa 600°C, apoi în aer (recoacere clasică) sau direct în aer (normalizarea propriu-zisă). 15
Aplicații • RN la piese turnate din oțeluri carbon şi slab aliate, la piesele forjate, matrițate și extrudate din oțeluri hipoeutectoide și la unele piese sau construcții sudate
• Oțelurile aliate pentru carburare - de tipul CrNi sau CrNiMo, normalizate la temperaturi mai înalte decât temperatura de carburare.
• Se reduc deformațiile și se îmbunătățește prelucrabilitatea. • La unele oțeluri de carburare CrNi se recomandă chiar două recoaceri de normalizare pentru a reduce deformațiile.
• Piese cu secțiuni mari sau susceptibile de a avea tensiuni interne: răcirea până sub A1 în aer, iar apoi se continuă răcirea în cuptor sau în gropi de răcire.
• După prelucrarea la rece a produselor care au fost ecruisate la grade critice. 16
RECOACEREA DE ÎNMUIERE (GLOBULIZARE)
•
Îmbunatățirea prelucrabilității prin așchiere (așchiabilitatea);
•
Îmbunatățirea prelucrabilități prin deformare plastică la rece (deformabilităţii)
•
Obținerea unor structuri corespunzătoare pentru tratamentele termice ulterioare. 50% dintre piesele componente ale mașinilor și utilajelor se supun prelucrării prin așchiere sau prin deformare plastică la rece.
17
• Scoaterea din uz a sculelor așchietoare • deformare și uzare progresivă • adeziune • abraziune. 1. Uzarea prin difuzie: la viteze mari de așchiere (temperaturi ridicate), 2. Uzarea adeziune la viteze mici (în special în prezenţa depunerii pe tăiș și a contactului discontinuu așchie-sculă), fiind accentuată de întreruperile de așchiere și de vibrații, 3. Uzarea abraziune: particulele dure de pe suprafața produsului sau din structura sa (compuși definiți duri și cu muchii ascuțite) 18
Prelucrabilitatea diferitelor structuri metalografice
19
Structura globulizată poate fi caracterizată prin gradul de globulizare (e) raportul între cantitatea de perlită globulizată și perlita totală.
pl - este cantitatea de perlită lamelară; pg - cantitatea de perlită globulară; ptot - cantitatea totală de perlită.
e = 1, ➾ întreaga cantitate de perlită s-a globulizat 20
• Structura de perlită globulară are cea mai bună prelucrabilitate prin așchiere, întrucât tăișurile sculei nu trebuie să taie decât ferita, globulele de cementită sunt împinse la o parte sau smulse în cursul aşchierii, fără să fie tăiate de sculă ca la perlita lamelară.
• Perlita globulară poate fi prelucrată mult mai bine şi prin deformare plastică la rece, întrucât curgerea materialului este realizată de masa de bază feritică.
• Structura de perlită lamelară este necorespunzătoare pentru prelucrarea prin deformare plastică la rece (îndoire, ambutisare, bordurare, presare, răsucire) deoarece prin deformare, lamelele de cementită se rup şi produsele pot să se fisureze.
• R.G. este necesar să fie aplicată la toate oţelurile înaintea deformării la rece: a tablelor, benzilor şi sârmelor. 21
• Cementita globulară în masa de bază feritică este structura cu cea mai mică energie internă din sistemul Fe-Fe3C.
• O astfel de structură se poate obține din toate celelalte structuri – perlită, bainită, martensită – prin menţinere suficientă la o temperatură aflată imediat sub Ac1
• Trecerea pe această cale a structurilor cu energie internă mai mare în structură globulară de energie internă minimă, se realizează prin intermediul mecanismelor de precipitare – coagulare dizolvare – reprecipitare 22
austenitizat la 800℃ menținut la 710℃
austenitizat la 777℃ și menținut la 660℃. 23
austenitizat la 850℃ și menținut la 685℃
austenitizat la 830℃ și menținut la 660℃
Metode de globulizare încălzirea (640…680°C), menţinere lungă (6…12 ore) răcirea recoacere sub-critică
înc. puţin peste Ac1, 20 – 70°C menţinere 1…5 ore răcire f. lentă (vr = 15 – 30°C/h) până sub Ar1 (cca. 650°C); răcire în aer
Înlocuire răcirii lente cu mai multe pendulări de scurtă durată în jurul intervalului critic Ac1 – Ar1. recoacere pendulară
îmbunătăţire călire la martensită + revenire înaltă la perlită 24
➡ Lamelele de cementită se transformă,
treptat, sub influenţa tensiunii superficiale existente la limita ferităcementită, în globule; ➡ Cementita globulară în masa de bază feritică are cel mei mic potenţial energetic. ➡ În timpul încălzirii până la A1 are loc o îmbogăţire în carbon a feritei şi a capacităţii de dizolvare a carbonului, de la 10-6% C la temperatura ambiantă, la 0,021%C la 727°C.
25
lamelă de perlită
începutul globalizării
ferită în perlită
cementită în perlită
Procesul de fragmentare a lamelelor de cementită 26
se foloseşte temperatura de la prelucrarea la cald, piesele menţinându-se la temperatura de 600 – 700°C până la terminarea transformării (50 – 80 minute).
2 1
se face austenitizarea → piesele se răcesc brusc într-o baie de sare cu temperatura de 600 – 700°C, se menţin 50 – 80 minute, apoi se răcesc în aer.
27
Relația între prelucrabilitate și forma perlitei
28
RECOACEREA DE DETENSIONARE
Scopul
reducerea tensiunilor remanente din produs, fără ai modifica sensibil proprietățile
tensiunilor remanente reducerea la minim a deformațiilor din timpul tratamentelor termice ulterioare • după prelucrările prin așchiere •
Se elimină apariția fisurilor (în cazurile extreme) 29
deformare plastică la cald
turnare sudare
Tensiunile Remanente se formează
menţinerea în medii corozive 30
tratamente termice încălziri şi răciri neuniforme prelucrări mecanice cu îndepărtări masive de material
Tensiunile Remanente
Tensiunile Funcționale
deformarea sau chiar ruperea pieselor în care acţionează Este indicat să se procedeze la reducerea lor imediat după ce apar 31
Tensiunile remanente tensiuni termice
prin dilatarea sau contracţia neuniformă, ➙ diferenţelor de temperatură pe secţiunea sau volumul produsului;
tensiuni structurale
prin modificările de volum specific în urma transformărilor structurale;
tensiuni mecanice
prin acţiunea mecanică a procedeelor de prelucrare
32
În funcţie de domeniul de extindere tensiuni de ordinul sau gradul
σR 33
I
σR
II
σR
III
•
Tensiunile interne de gradul I, (tensiuni macroscopice), acţionează în volumul întregului produs sau în porţiuni macroscopice ale acestuia (mai mulţi grăunţi): • tensiunile termice, structurale şi mecanice.
•
La o intervenţie din afară în echilibrul forţelor şi momentelor apar întotdeauna modificări dimensionale macroscopice.
Variaţia tensiunilor termice la răcirea unui material
34
Deformare plastică: a) deformarea propriu zisă; b) distribuţia tensiunilor mecanice
•
Tensiunile termice într-un material bifazic, cauzate de diferenţa coeficienţilor de dilatare ale celor două faze
35
Tensiunile interne de gradul II: tensiunile termice care apar în materiale bifazice ca urmare a diferenţei dintre coeficienţii de dilatare a celor două faze
După răcire la temperatura T1 < T0, grăunţii de tip A se vor contracta mai mult decât cei de tip B. Deoarece trebuie să se păstreze coeziunea la limita dintre grăunţi, în direcţia longitudinală apar tensiuni de întindere în grăunţii A şi de compresiune în grăunţii B.
•
Tensiunile de ordinul III (microtensiuni) apar la nivelul reţelei cristaline şi cuprind tensiunile create de:
• • • • •
36
atomii de substituţie (Si, Mn, Ni, Cr, Fe); atomii de interstiţie (C, N, B), dislocaţii, limite de grăunţi particule precipitate într-o soluţie solidă.
37
Cauzele apariţiei tensiunilor de ordinul III: 1-vacanţe, 2-atomi proprii interstiţiali, 3-atomii de substituţie străini, 4-atomi străini interstiţiali, dislocaţie 1-strat de atomi străini monoatomic, 2-limită de grăunte cu unghi mare 38
Recoacerea de detensionare
39
Parametrii recoacerii de detensionare
•
Temperatura de încălzire este de 400÷650°C ⇒, R.D. este un tratament subcritic, ⇒ reducerea la minim a tensiunilor interne, fără să producă modificări de structură bazate pe transformarea polimorfă α→γ.
•
Temperatura maximă de detensionare a produselor de oţel este, teoretic, punctul A1.
•
Temperatura minimă de detensionare se alege în funcție de gradul de detensionare dorit, depășind, de regulă, valoarea de 400°C.
40
•
Durata de menținere este de 1…3 ore.
•Durata de egalizare termică se alege în funcție de dimensiunea caracteristică a produsului (τm = 2⋅g; g – grosimea maximă de perete a piesei, mm).
•
Viteza de încălzire: cu viteză mică pentru a se asigura scăderea limitei de curgere uniform pe toată secțiunea produsului. vî ~ 10…100°C/h, în funcție de calitatea oțelului, de forma și dimensiunile produsului.
•Vitezele reduse de încălzire ⇒, până la 200 – 250°C, când produsele sunt fragile.
•Se recomandă regimul de încălzire odată cu cuptorul în special la piese cu sensibilitate mare la fisurare. 41
•
Viteza de răcire: cu viteză redusă
• Nerespectarea regimului de răcire ⇒ creșterea tensiunilor, cu toate că ceilalți parametrii tehnologici au fost corecți.
• vr 50 – 100°C/h asigură o micșorare corespunzătoare a tensiunilor interne
• Pentru țevi, table și piese cu secțiunea transversală uniformă, răcirea se poate face în aer
• Pentru piese cu forme complexe se recomandă răcirea în cuptor
42
Prelucrarea anterioară Turnare
Sudare
Forjare
Condiţiile recoacerii de detensionare Încălzire Menţinere Răcire Încălzire lentă până la 550-650°C Încălzire lentă până 1h/25 mm de la 600-800℃ grosime maximă a Încălzire lentă sau secţiunii, dar nu mai puţin rapidă până la de 1h. 650-700℃.
Degroşare prin aşchiere
400 – 550℃
Finisare prin aşchiere
120 – 200℃
Deformare plastică la rece cu necesitatea păstrării parţiale a 350 – 400℃ ecruisării Călire la martensită cu necesitatea păstrării durităţii 150 – 200℃ ridicate Revenire cu răcire rapidă pentru evitarea fragilizării de 400 – 450℃ revenire înaltă 43
2 – 48 h
Cu cuptorul până la 200-300ºC, apoi în aer.
Aer
Prelucrarea ulterioară Prelucrări mecanice de degroşare ----
Prelucrări de degroşare Prelucrări de prefinisare sau finisare Finisare sau superfinisare
10 – 30 min. Aer
----
1–2h
Prelucrări de finisare
Aer
1h/25 mm de Prelucrări de Aer sau cuptor grosime finisare
Intervalele de temperaturi pentru principalele recoaceri aplicate oČ&#x203A;elurilor carbon
44
CĂLIREA ÎN VOLUM
CĂLIREA martensitică (durificare) se aplică la majoritatea oţelurilor; unele aliaje neferoase (bronzuri cu aluminiu, aliaje pe bază de titan, etc.)
de punere în soluţie se aplică în gen. al. neferoase (Cu, Mg etc.) oțeluri austenitice, feritice, etc.
•
Călirea în volum constă în •
încălzirea şi menţinerea produselor la temperaturi superioare punctelor critice ale oţelului, •
•
în aşa fel încât să se producă transformarea polimorfă α→γ a fierului şi să se obţină austenită,
austenita ➥ răcită cu viteză suficient de mare pentru ca transformarea inversă γ→α să se producă fără difuzia fierului şi a carbonului, cel puţin parţial.
•
După călire structura rezultată va fi: •
martensita – în cazul absenţei totale a difuziei;
•
bainita când difuzia are loc parţial.
În cele mai multe cazuri se urmăreşte obţinerea structurii martensitice
Călirea martensitică în volum (vr > vcr) ➠ aduce piesele într-o stare structurală caracterizată prin prezenţa unui constituent dur şi în afară de echilibru – martensita – pe o adâncime cât mai mare şi a unor tensiuni interne astfel distribuite încât să evite fisurarea şi deformarea excesivă.
CĂLIRE se urmăreşte obţinerea unei structuri martensitice în tot volumul produsului, călire pătrunsă sau în volum, se urmăreşte numai călirea straturilor superficiale călire superficială
PARAMETRII TEHNOLOGICI •
Temperatura finală (tf)
•
Duratele de încălzire (τî) şi • Viteza de răcire (mediul de răcire) de egalizare (τeg)
•
Durata de transformare (τtr)
•
Mediul de încălzire
Temperatura finală în funcție de calitatea oțelului oțel carbon hipoeutectoide 20ºC peste Ac3; hipereutectoide 20ºC peste Ac1; oțeluri aliate depinde de temp. de dizolvare a carburilor
temperatura optimă de călire
duritatea după călire
cantitatea de austenită reziduală Influenţa conţinutului de carbon asupra temperaturii şi rezultatelor călirii oţelurilor carbon.
•
τ
•
•
τeg )
Duratele de încălzire ( î) şi de egalizare (
depind, în primul rând, de grosimea produselor (∼ 1 min. / mm grosime a piesei )
τtr)
Durata de transformare ( •
trebuie să asigure ca o cantitate suficientă de carbon să treacă în austenită.
•
numai carbonul dizolvat în austenită determină duritatea martensitei, nu şi carbonul care se găseşte în carburile nedizolvate.
•
La încălzirea unui oţel carbon eutectoid, dizolvarea carburilor se termină •
la 740°C, după circa 5 ore,
•
la 760°C – după 15 minute,
•
la 780°C – după 5 minute
•
la 820°C – după un minut fără însă ca repartizarea carbonului în austenită să fie uniformă
•
Duratele de menţinere prea mici ➜ •
•
dizolvare incompletă a carburilor, •
transformarea în treapta perlitică,
•
martensita nu ajunge la duritatea maximă, datorită cantităţii mici de carbon dizolvate.
Durate de menţinere prea lungi ➜ martensită grosolană ➟ rămâne o cantitate mare de austenită reziduală.
Mediul de încălzire Trebuie să asigure protecţia împotriva oxidării decarburării Pentru încălzirea pieselor în vederea călirii se utilizează:
atmosfere controlate (endoterme, exoterme)
cuptoare încălzite electric sau cu gaz; băi de săruri; strat (pat) fluidizat vidul (presiunea 10-2 torr).
Atmosferele controlate se aleg în funcţie de compoziţia chimică şi în primul rând în funcţie de conţinutul de carbon al oţelurilor călite
Viteza de răcire Trebuie să: asigure obținerea unei structuri cu proporţie maximă de martensită evite apariţia unor tensiuni interne prea mari, care ar provoca deformarea sau chiar fisurarea pieselor. Pentru obţinerea structurii martensitice este necesar ca: în intervalul de stabilitate minimă a austenitei (650 – 400°C) ➠ viteză de răcire mare; în intervalul MS – MF răcirea să se facă cu viteza minim posibilă ➟ pentru a evita apariţia tensiunilor interne.
MEDII DE CĂLIRE în funcţie de călibilitatea oţelului: •
apa, soluţii apoase,
•
mediile sintetice
•
uleiul mineral,
•
recent mediile gazoase (azot, argon, hidrogen ş.a.).
•
sărurile şi metalele topite,
•
aerul (în cazul oţelurilor bogat aliate),
•
stratul (pat) fluidizat,
Mediile de răcire lichide: medii care îşi modifică starea de agregare în timpul răcirii piesei; medii care nu îşi modifică starea de agregare în timpul răcirii piesei.
METODE DE CĂLIRE •
După condiţiile de răcire: a) călire obişnuită, b) călire întreruptă, c) călire în trepte, d) călire izotermă e) călire sub 0°C.
CĂLIREA SIMPLĂ călirea într-un singur mediu de răcire
Modul de realizare
Structura obţinută
Aplicaţii
Martensită sau martensită + troostită la oţelurile hipoeutectoide. Martensită + carburi + austenită reziduală la oţelurile hipereutectoide.
Cea mai răspândită metodă de călire.
Înc. peste AC3 (ol. hipoeutectoide) Înc. peste AC1 (ol. hipereutectoide) menţinere răcire rapidă.
CĂLIREA ÎNTRERUPTĂ (călire în două medii)
Modul de realizare Încălzire ca la călirea simplă; Răcirea în două medii de răcire: primul cu o viteză mai mare decât cea critică (apa), al doilea cu o viteză mai mică (ulei).
Structura obţinută
Aplicaţii
Martensită
Piese şi scule din oţeluri cu conţinut ridicat de carbon susceptibile la fisurare sau deformare.
CĂLIREA ÎN TREPTE (martempering)
Modul de realizare Încălzire ca la călirea simplă; Răcirea de la temperatura de austenitizare într-o baie având temperatura uşor superioară punctului MS sau între MS şi MF; Menţinere pentru egalizarea temperaturii în toată masa piesei, fără să înceapă transformarea martensitei; Răcirea până la temperatura ambiantă, când are loc transformarea martensitică în toată masa.
Structura obţinută
Aplicaţii
Martensită sau martensită + carburi + austenită reziduală.
Piese şi scule susceptibile la deformare sau fisurare la călire
CĂLIREA IZOTERMĂ Modul de realizare Încălzire ca la călirea simplă; Răcirea în medii cu temperatura corespunzătoare domeniului bainitic, Menţinerea până la terminarea transformării izoterme a austenitei Răcire în aer.
Structura obţinută
Aplicaţii
Bainită superioară sau inferioară.
Piese şi scule cu secţiuni subţiri, din oţeluri aliate.
CĂLIREA SUB 0°C (tratament termic sub 0°C, tratament criogenic) Modul de realizare Răcirea pieselor sau sculelor la temperaturi sub 0°C (-20°C ... 190°C).
Structura obţinută
Aplicaţii
Martensită
Piese şi scule din oţeluri rapide, oţeluri pentru matriţe, oţeluri de cementare, oţeluri inoxidabile, martensitice, oţeluri maraging.
austenită reziduală
CĂLIREA SUPERFICIALĂ prin inducție
Durificarea prin călire după încălzire
Călirea după încălzirea prin inducţie
CĂLIBILITATEA Călibilitatea este o caracteristică tehnologică a materialului şi cuprinde două aspecte: adâncimea de pătrundere a călirii; duritatea maximă a structurii de călire alcătuită numai din martensită.
DURITATEA MAXIMĂ •
•
sau capacitatea de călire, depinde în primul rând de conţinutul de carbon şi mai ales de cantitatea de carbon pusă realmente în soluţie la austenitizare şi reţinută în martensită în cursul răcirii. Elementele de aliere intervin foarte puţin în modificarea durităţii maxime după călire. Ele influenţează asupra acestei durităţi maxime în toate cazurile când au tendinţa de a forma carburi (Cr, W, V, Mo, etc.) mai dure decât cementita oţelurilor hipereutectoide.
ADÂNCIMEA DE PĂTRUNDERE A CĂLIRII •
•
•
Corespunde grosimii stratului călit, măsurată de la suprafaţa piesei spre miez până la o anumită valoare a durităţii. La oţelurile de scule se consideră ca zonă călită, zona martensitică (cu o anumită cantitate de austenită reziduală). În cazul oţelurilor de îmbunătăţire adâncimea de pătrundere se consideră până la duritatea zonei semimartensitice, adică formată din 50 % martensită şi 50 % troostită.
Duritatea, HRC
HRCcrit.100% HRCcrit.50%
Adâncimea de călire de la suprafaţă, mm Repartizarea durităţii şi structurii într-o piesă cilindrică: ➡ h – adâncimea de călire; ➡ D – diametrul piesei; ➡ Dm – diametrul miezului necălit.
Relaţia dintre adâncimea de călire şi viteza critică de călire: ➡ a, a' - adâncimi de călire; ➡ vc’, vc’’, vc’’’ - diferite valori ale vitezei critice de călire.
FACTORI CARE INFLUENŢEAZĂ CĂLIBILITATEA • • • •
Compoziţia chimică Mărimea grăuntelui austenitic Temperatura de austenitizare Parametrii şi particularităţile proceselor tehnologice de elaborare, deformare plastică şi tratament termic
• •
Forma şi dimensiunile piesei Structura iniţială (structurile lamelare dau o adâncime de călire mai mare decât structurile globulare), mediul de răcire, mişcarea relativă dintre mediul de răcire şi piesă
METODE PENTRU DETERMINAREA CĂLIBILITĂŢII • • • •
Metoda determinării directe Metoda rupturii Metoda diametrului critic. Metoda răcirii frontale (metoda Jominy)
Indicele de călibilitate J şi două grupe de cifre: Jd – HRC sau Jd – HV, în care d este distanţa de la capătul răcit, în mm.
EXEMPLE: duritatea oţelului va fi de 45 HRC într-un punct cuprins între 6…8 mm de la capătul răcit: J6/8 – 45; • duritatea oţelului va fi de 35 HRC într-un punct situat la 10 mm de la capătul răcit: J10 – 35; • la distanţa de 5 mm de la capătul răcit duritatea are valori cuprinse între 47…56 HRC: J5 – 47/56. •
Metoda rﾄツirii frontale (metoda Jominy)
Viteza de răcire în diferite medii de călire Mediul de răcire
Viteza de răcire (0C/s)
Apă curentă la 200C Apă curentă la 400C
360 200
Apă curentă la 500C
60
Apă curentă la 600C
50
Apă curentă la 800C
40
Soluţie NaCl 10%
235
Soluţie NaCl 15%
270
Soluţie NaOH 5%
250
Soluţie Na2CO3 10%
800
Ulei de fusuri 2
60
Ulei de cilindru 24
170
Ulei de in
260 – 280
Emulsii de ulei
70
Topituri de săruri
50
Topituri de plumb
5
Plăci de cupru
60
Plăci de oţel
35
Amestec apă – aer cu debit de 20 l/h
1,0
APLICAŢII PRACTICE ALE CĂLIBILITĂŢII •
Pe baza indicelui de călibilitate se poate determina diametrul critic real D0 al oţelului în urma răcirii în apă sau ulei
•
Determinarea diametrul critic ideal D∞.
•
Determinarea vitezei de răcire în orice punct al unei piese călite. • se măsoară duritatea în aceste puncte şi pe baza curbei de călibilitate se află distanţa de la capătul răcit la care se obţine aceeaşi duritate
Determinarea vitezei critice de cÄ&#x192;lire
NomogramÄ&#x192; pentru determinarea vitezei critice de cÄ&#x192;lire.
(a) •
Determinarea variaţiei durităţii şi structurii pe secţiunea pieselor călite
Utilizarea corelaţiei dintre curba de călibilitate şi dimensiunile piesei pentru determinarea durităţii în secţiunea piesei (a) sau pentru alegerea oţelului pe bază de călibilitate (b).
(b)
Corelaţia dintre proba de călibilitate şi capacitatea relativă de răcire a mediilor uzuale (a) şi epruveta pentru determinarea capacităţii de răcire a unui bazin dat (b).
DEFECTE DE CĂLIRE
•
Principalele defecte care apar la călire sunt: •
oxidarea şi decarburarea,
•
duritatea scăzută,
•
deformaţiile şi fisurile.
•
Oxidarea şi decarburarea apar în cazul încălzirii în cuptoare fără atmosferă de protecţie.
•
Decarburarea ➾ defecte cum sunt: duritate scăzută, pete moi, fisuri.
•
Pentru evitarea lor se recomandă încălzirea în cuptoare cu atmosferă controlată, băi de săruri sau cel mai bine în cuptoare cu vid.
•
Duritatea scăzută poate fi locală (pete moi) sau în toată masa piesei.
•
Poate apare din cauza regimului de tratament termic incorect (subîncălziri, medii de răcire necorespunzătoare etc.).
•
Alegerea necorespunzătoare a materialului şi structura iniţială pot duce la duritate scăzută
Deformarea Tipuri de epruvete (a, b) pentru determinarea tendinţei de deformare la călire şi modul de prelevare pentru stabilirea influenţei fibrajului asupra gradului de deformare ( c ).
•
Tendinţa de deformare se determină în funcţie de variaţia dimensiunilor epruvetelor măsurate înainte şi după călire, cu o precizie de ± 0,01 mm.
deformaţiile sunt mai mari atunci când piesa se introduce incorect în bazinul de călire şi când pe anumite suprafeţe se formează pungi de vapori, care reduc schimbul de căldură cu mediul de călire
Exemple de introducere corectă a unor piese şi scule în mediul de călire
piesă răcită uniform
dilatare
comprimare
răcire neuniformă în partea de jos
compresiune
alungire
deformațiile apărute după ce piesa s-a răcit compet
canelură
Deformații datorate canelurilor fisură după tratament termic
rază de racordare pentru a evita fisurarea
Canelură
Deformație datorită canelurii
fisuri Răcire rapidă
Revenirea
Considerații generale • •
Revenirea se aplică întotdeauna după călire.
•
Scopul aplicării revenirii este de a atenua nivelul tensiunilor interioare, de a reduce din duritate și a mări tenacitatea.
Încălzirea produselor călite la temperaturi mai mari de 100°C, dar inferioare punctului AC1, menținere la aceste temperaturi și răcire în anumite condiții.
•
În cursul revenirii are loc difuzia atomică a carbonului (şi azotului), a fierului şi a elementelor de aliere.
•
În urma acestor procese au loc modificări structurale care determină modificări ale proprietăților şi a stării de tensiuni.
•
Structura de călire, care se află în afara echilibrului, va fi înlocuită, în funcție de temperatura de încălzire şi durata de menținere, cu o structură mai apropiată de echilibru.
•
Revenirea este un tratament termic final şi în funcție de proprietățile mecanice necesare în exploatarea produselor, se stabilesc parametrii tehnologici.
OLC45 călit
KCU/HRC 3/60
Temperatura de revenire = 200°C; 350°C; 500°C; 690°C
KCU/HRC 6,2/56; 6,3/49; 22/39; 65/20
Stadiile revenirii •
După călire, structura este formată din martensită şi austenită reziduală
•
sunt structuri înafara echilibrului, în urma încălzirii şi menținerii în structuri mai apropiate de echilibru.
În fc. de temp. ⇒ patru stadii: 1.
80…160°C, precipitarea unei faze bogate în carbon: M → M’ + ε, η
2.
230…280°C, descompunerea austenitei reziduale: A → B’
3.
160…400°C, formarea și creșterea cristalelor de cementită: η, ε →F3C
4.
400…700°C, coagularea și sferoidizarea cristalelor de cementită.
Primul stadiu • •
100÷150°C, C are tendința de a părăsi locurile pe care le ocupă în rețeaua de martensită. C se așează pe dislocațiile rețelei cristaline.
• 130°C → 250÷300°C, precipitarea carburilor de
tranziție η (Fe2C) şi ε (Fe2,4C) la marginea maclelor de martensită deformarea rețelei cristaline
•
Carbura ε
formă de plăcuțe subțiri cu grosimea
de ordinul a câtorva straturi de atomi și sunt coerent legate de rețeaua soluției α’ a martensitei.
Curba dilatometrică a revenirii
Datorită separării (precipitării) carburilor are loc o reducere treptată a gradului de tetragonalitate a martensitei, iar pe curba dilatometrică se înregistrează o contracție.
austenită CFC
2 celule de austenită
martensită
atomi de Fe atomi de C interstiții octaedrice
martensită
cfc
tvc
Parametrul rețelei (Å)
cfc
Atomi de carbon “prinși” pe axa “c” a rețelei tvc
axa “c”
axa “a”
% Carbon în austenită (a) Celula elementară a martensitei (tvc) se dezvoltă din celula elementară a austenitei (cfc) fără difuzie. (b) Influenta conținutului de carbon asupra gradului de tetragonalitate (c/a) al martensitei.
Stadiul al doilea •
230 şi 280°C și este caracterizat în principal de descompunerea austenitei reziduale la oțelurile carbon cu peste 0,5% C și la cele aliate cu peste 0,4% C.
•
Austenita reziduală se poate transforma izoterm, cu formarea de bainită inferioară, sau se poate transforma în martensită de revenire.
Stadiul al treilea •
280 – 400°C este caracterizat de formarea și creșterea cristalelor de cementită.
•
Se continuă separarea treptată a carbonului din soluția solidă, cresc particulele de carburi, are loc un început de coagulare a acestora prin dizolvarea celor de dimensiuni mai mici şi creșterea celor de dimensiuni mai mari.
•
Se micșorează gradul de tetragonalitate a martensitei şi se micșorează volumul
•
Carburile intermediare de tranziție FexC, (Fe2C, Fe2,4C, etc.) se transformă în cementită.
Stadiul al patrulea •
400…700°C se caracterizează prin continuarea coalescenței şi sferoidizării cristalelor de cementită, proces ce începe în al doilea stadiu dar se desfășoară cu viteză maximă în acest ultim stadiu.
•
Dimensiunile particulelor de carburi ajung la aproximativ 3 µm, iar în ferită se produce o recristalizare specifică ce duce la formarea unor grăunți mici echiaxiali.
Parametrii tehnologici ai revenirii •
Temperatura de revenire se alege în funcție de caracteristicile mecanice impuse piesei, știind că duritatea piesei călite scade o dată cu creșterea acestei temperaturi, iar tenacitatea crește.
•
În funcție de temperatură se deosebesc trei tipuri de reveniri
• • •
Revenirea joasă între 100 şi 250°C.
•
Exemple: piese de uzare carburate sau carbonitrurate şi călite, piese de uzare călite superficial, scule așchietoare şi de tăiere la rece din oțeluri carbon (OSC-uri ) şi slab aliate, scule de măsurare şi verificare, ş.a.
Duritatea scade cu 1…3 unităţi HRC. Se aplică pieselor şi sculelor din oțeluri cu conținut ridicat de carbon în scopul păstrării durităţii ridicate, avantajoasă pentru rezistența la compresiune, încovoiere şi uzare.
• •
Revenirea medie: 300 şi 450°C Se aplică pieselor cu rezistență la uzare medie (de exemplu pentru mașini agricole) şi a componentelor elastice (arcuri, discuri elastice, segmenți de reglare a uleiului, bucşe elastice pentru dispozitive de strângere, ş.a.).
• •
Revenirea înaltă: 450…650°C
•
Exemple: osii, axe, arbori drepți şi cotiţi, roţi dințate, fuzete, biele, etc.
Se aplică la numeroase piese de răspundere (organe de mașini în mişcare) care trebuie să întrunească atât caracteristici de rezistență statică şi la oboseală cât şi caracteristici de plasticitate şi tenacitate ridicate
•
Călirea urmată de revenire înaltă poartă denumirea de ÎMBUNĂTĂȚIRE
•
Îmbunătățirea este un tratament aplicat, în general, oțelurilor de construcție cu un conținut mediu de carbon (0,3 – 0,5 %C) care asigură proprietăți specifice.
•
În urma îmbunătățirii cresc foarte mult proprietățile la solicitări dinamice (reziliența).
•
Îmbunătățirea poate fi atât un tratament final cât şi unul primar.
•
Se folosește ca tratament final, înainte de prelucrările mecanice, în cazurile când piesele de formă complicată trebuie să aibă o reziliență ridicată şi după prelucrările mecanice, în cazurile când nu se poate aplica călirea din cauza deformațiilor posibile şi a pericolului apariției fisurilor.
•
Ca tratament termic primar se utilizează înaintea unor tratamente de suprafață (călirea superficială, nitrurarea).
•
În anumite cazuri acest tratament se utilizează şi pentru îmbunătățirea prelucrabilității oțelurilor hipoeutectoide preponderent feritice.
•
deformarea la rece
călirea + revenire la
680-700°C
•
prelucrare prin așchiere a unui oțel de carburare, călire + revenire la 550-590°C asigură o bună prelucrabilitate.
Durata de revenire
•
Tratament subcritic, a cărui temperatură nu depășește, de regulă, 650°C, regimul de încălzire este cel cu temperatură constantă a cuptorului, fixată cu circa 10°C peste temperatura de revenire aleasă sau calculată.
Răcirea •
se poate face teoretic oricum, deoarece procesele urmărite se desfășoară în cursul încălzirii şi menținerii, de aceea se preferă răcirea cea mai comodă şi mai economică, în aer liniștit, cu unele excepții legate de răcire care se vor prezenta la fenomenul de fragilitate.
Fragilitatea la revenire •
În practică se constată că la unele oțeluri, în anumite intervale de temperatură, după o răcire lentă apare o scădere marcantă a tenacității şi în special a rezilienței
•
Fenomenul poartă numele de
fragilitate la revenire
•
fragilitate ireversibilă sau fragilitate la temperatură joasă (200 – 400°C) fragilitate la albastru sau la 350°C
•
fragilitate reversibilă sau la temperaturi înalte (450 – 550°C) ⇒ “boala lui Krupp ”
Modificarea rezilienței oțelurilor în funcție de temperatura de revenire şi de viteza de răcire ulterioară:
• • •
I - răcire lentă,
•
IV- fragilitate reversibilă
Tenacitate, KCU
•
II - răcire rapidă, III – fragilitate ireversibilă,
Temperatura °C
albastru deschis 310 albastru “albăstrea” 300 albastru închis 290
violet 280
roșu purpuriu 270
maro roșiatic 260 maro gălbui 250 galben pai 240 galben 230 galben deschis 220 alb gălbui 210
Culorile de revenire
gri 330 gri-albastru 320
1200 alb
1100 galben deschis 1050 galben 980 portocaliu deschis 930 portocaliu 870 roșu deschis
810 vișiniu deschis 760 vișiniu
700 vișiniu închis 650 roșu sângeriu 600 roșu maroniu
Energia de rupere la 20°C (Charpy – V)
•
Temperatura de revenire, °C
Variația rezilienței în funcție de temperatura de revenire, pentru un oțel cu 0,3%C, 3,5% Ni, 1,7%Cr austenitizat la 850°C
Previziunea prin calcul a durităţii după călire şi revenire
•
Datele experimentale referitoare la călibilitatea oțelurilor programe de calcul pentru a prevedea proprietățile mecanice după călire şi revenire.
•
Pe baza analizei sistematice a diagramelor TTT stabilit curbe care permit să se prevadă comportarea oțelurilor la călire şi revenire în funcție de compoziția chimică şi de condițiile de austenitizare.
Schema de calcul în vederea prevederii proprietăților mecanice
•
Pentru caracterizarea oțelului se apelează la vitezele critice, oțelul putând fi caracterizat prin trei viteze critice:
• • •
v1- viteza critică de răcire martensitică; v2- viteza critică de răcire bainitică; v3- viteza de răcire critică corespunzătoare unei recoaceri.
Valorile vitezelor critice se pot calcula în funcție de compoziția chimică şi parametrul de austenitizare Pa (°C·h)
•
lg v1 = 9,81- (4,62 %C + 1,05 %Mn + 0,54 %Ni + 0,50 %Cr + 0,66 %Mo + 0,00183 Pa);
•
lg v2 = 10,17 – (3,80 %C + 1,07 %Mn + 0,70 %Ni + 0,57 %Cr + 1,58 %Mo + 0,0032 Pa)
TRATAMENTE TERMICE Tratamente Termochimice
Principii generale
• TTCH
pe lângă modificările de structură urmăresc și modificări ale compoziției chimice în straturile superficiale.
• În
urma TTCH se schimbă starea de tensiuni și proprietățile straturilor superficiale și miezul produselor.
TTCH se aplică în scopul: • creșterii
durității superficiale;
• creșterii
rezistenței la uzare;
• creșterii
rezistenței la oboseală
• prevenirii
acțiunii mediilor înconjurătoare la temperatură obișnuită și înaltă (rezistență la coroziune);
• menținerii
la valori ridicate a caracteristicilor de plasticitate și de tenacitate ale miezului produselor
TTCH:
• se
aplică: metalelor (Ti, Mo, W, Nb, Ta, şa), oțelurilor, fontelor, aliajelor neferoase (cupru-aluminiu)
• elementele • adâncimea
care difuzează pot fi: metale, nemetale
stratului tratat este în funcție de: durată, concentrația mediului, temperatură și calitatea oțelului
TTCH
• •
Carburarea
•
Cromarea de difuzie
Nitrurarea
•
Silicierea
Carbonitrurarea, Nitrocarburarea
•
Zincarea de difuzie
•
Titanarea
Sulfizarea şi sulfocarbonitrurarea
•
Borurarea
•
Aluminizarea
•
•
Carburarea
• Mărirea
concentrației de C la suprafața unei piese printr-un complex de fenomene fizico-chimice.
• Încălzire
peste punctul A3 (870-950°C), într-un mediu (solid, lichid sau gazos) capabil să cedeze carbon atomic, menținerea în fc. de adâncimea dorită (DC) și răcirea în anumite condiții.
• După
carburare se aplică în mod obligatoriu Tratamente Termice, în general CĂLIRE şi REVENIRE JOASĂ în funcție de proprietățile impuse pieselor.
Fenomene fizico-chimice •Reacții
între componenții mediului de carburare
•Transportul
spre suprafața metalică a componenților care eliberează carbon
•Transferul
de carbon la interfața mediu piesă (adsorbție/
desorbție) •Difuzia
carbonului în matricea metalică
•Interacțiunea
carbonului cu componenții materialului
Medii de carburare ✦ carbonul
SOLID LICHID
(mangal, cocs, cărbune de proveniență animală) și activatori (carbonații metalelor alcalino-pământoase sau alcaline, cloruri)
✦ Compoziția
mediului: 75-85% Na2CO3; 10-15% NaCl și 5-10% SiC.
✦ medii
GAZOS
naturale, introduse direct în spațiul de carburare gaz de sondă etc); ✦ medii produse prin piroliza (disocierea termică, cracarea) unor hidrocarburi lichide, picurate în spațiul de lucru al cuptorului; ✦ medii gazoase formate din endogaz (ca şi gaz suport sau gaz de transport) cu adaosuri de gaz natural sau propan, drept gaze active.
Instalație industrială de carburare ionică (plasmă) Schema unei instalații de carburare ionică (plasmă)
Nitrurarea •TTCH
prin care se mărește concentrația de azot la suprafața pieselor la temperaturi cuprinse între 500 ÷ 550°C.
•Rezistentă
la coroziune bună în: atmosferă umedă, apa de rețeaua industrială, aburi supraîncălziți, soluții alcaline slabe
•Reduce
foarte mult efectul la crestătură (zgârieturile suprafețelor și a rizurilor provocate sculele așchietoare)
Diagrama de echilibru FeN
Proprietăți •Duritatea
superficială (600÷1200 HV, fc. de compoziția chimică a oțelului),
•Crește
rezistența la uzare prin frecare și a rezistenței la oboseală la solicitări de încovoiere și torsiune (25÷35%).
Nitrurarea ĂŽn gaz:
Nitrurarea ionicÄ&#x192;
Caracteristici ale descărcărilor luminescente SAs spațiul întunecos Aston LC lumina catodică SC Spațiul întunecos catodic Hittorf Crookes
LN lumina negativă SF spațiul întunecos Faraday SA Spațiul întunecos anodic LA lumina anodică
Schema de principiu a mecanismului nitrurării ionice (în plasmă) propriu-zise Anod (carcasa) +
Catod (piesa) -
Carbonitrurarea C+N • mărește
duritatea; rezistența la uzură, la oboseală, şi la presiunea de contact etc.
• în
fc. de temperatură,
• CN
la temperaturi înalte (800÷900°C);
• CN
la temperaturi medii (700÷720°C);
• CN
la temperaturi joase (550÷580°C).
• în
fc. de transformările care au loc în miez
• CN
cu transformare α→γ în miez (727÷900°C);
• CN
fără transformare α→γ în miez (< 727°C).
Sulfizarea și sulfocarbonitrurarea • se
aplică după călirea și revenirea pieselor ⇒ avantaje:
• crește
considerabil rezistența la gripare şi la uzare a pieselor din oțeluri şi fonte;
• se
elimină posibilitățile de gripare a suprafețelor la frecarea semiuscată sau chiar uscată și în cazul în care piesele în contact funcționează într-un mediu cu temperatură înaltă;
• se
mărește rezistența la oboseală;
• se
micșorează durata de rodaj ş.a.
Borurarea B
• se
urmărește îmbogățirea stratului superficial în bor scopul măririi durității superficiale, a rezistenței la uzură (mai ales abrazivă) și a rezistenței la temperatură (800÷900 °C).
• se
poate realiza în medii solide, lichide și gazoase, la temperaturi, de 850÷1050°C cu durata de 1÷10 ore, în funcție de adâncime.
Aluminizarea Al • creșterea
rezistenței la oxidare la temperaturi înalte (până la 700÷900°C) și la coroziunea atmosferică.
• mediu
solid ⇒amestecuri: 50% aluminiu (pudră), 49÷49,5% oxid de aluminiu și clorură de amoniu, 0,5÷1,0%.
• Piesele
se împachetează în amestecul de pulberi, în cutii metalice și se încălzesc la 950-1050°C.
• La
850°C rezultă o concentrație în aluminiu de 18%, iar la 1000°C 35% Al.
Silicierea Si • Mediile • solide
⇒ ferosiliciu
• gazos
în mufla cuptorului se introduc piesele şi pulbere de ferosiliciu.
• După
încălzirea încărcăturii la 950÷1000°C se trece un curent de clor.
• menținere • Structura
⇒ difuzie (la 980°C, 2 ore ⇒ 1,4 mm)
stratului ⇒ soluție solidă de Si şi Fe.
• Crește
rezistența la coroziune în acizi (acid azotic și sulfuric), atât la temperatura obișnuită, cât și la temperatura ridicată, duritatea nu crește.
• Stratul
silicizat este fragil și nu se prelucrează prin așchiere.
Titanarea Ti • îmbogățirea
cu titan se face pentru mărirea rezistenței oțelului la coroziune.
• Titanarea
în gaze a tablelor din oțel cu conținut mic de carbon într-un amestec de cloruri de titan şi de hidrogen la 900÷1000°C ⇒ creșterea rezistenței la coroziune şi o bună sudabilitate.
• Titanarea
se poate face şi prin electroliză (85% KI+15% KF) cu utilizarea unui anod de titan solubil (densitatea de curent 0,4 ÷ 0,7 A/cm2) sau prin electroliza obișnuită a topiturii (16% K2TiF6 și 86% NaCl) cu o densitate de curent de 95 A/cm2 şi tensiune de 3÷6 V.