Tratamente termice aplicate otelurilor

Tratamente termice aplicate otelurilor

1 Recoacerea de tip I (cu sau fara recristalizare fazica)

Se aplica otelurilor care prezinta instabilitati structurale de tipul neomogenitati chimice, stare de ecruisare sau tensiuni interne. Temperatura de incalzire este temperatura la care instabilitatea structurala este inlaturata, independent de temperatura de transformare in stare solida a otelului. De aceea, incalzirea la recoacerea de tip I se poate face la temperaturi superioare sau inferioare temperaturii de transformare in stare solida. Racirea lenta asigura obtinerea unei stari cat mai apropiate de echilibru.

Dupa starea initiala a otelului, recoacerea de tip I este de trei tipuri (figura 9.21): de omogenizare, recristalizare si de detensionare.

1. Recoacerea de omogenizare (de difuzie) se aplica lingourilor si pieselor masive turnate din oteluri aliate, in scopul diminuarii microsegregatiei dendritice si intercristaline. In lingouri, neomogenitatile chimice creaza anizotropia proprietatilor mecanice si maresc susceptibilitatea otelului la rupere fragila in timpul deformarii plastice ulterioare. In piesele turnate, segregatia dendritica micsoreaza ductilitatea si tenacitatea otelului.

Incalzirea se face la temperaturi ridicate 1100-1200˚C, timp indelungat 8-20 ore, care sa asigure omogenizarea chimica prin difuzie. Durata totala a tratamentului termic (incalzire, mentinere, racire) poate ajunge la 50-100 ore. Rezulta o granulatie grosiera de supraincalzire, cu slabe caracteristici mecanice. Acest defect se remediaza in timpul laminarii lingoului, iar la piesele turnate prin aplicarea unei recoacerii complete sau a normalizarii.

2. Recoacerea de recristalizare se aplica otelurilor deformate plastic la rece, pentru eliminarea starii de ecruisare, caracterizata prin rezistenta la deformare plastica marita si plasticitate redusa.

Tratamentul consta din incalzirea otelului la o temperatura superioara temperaturii de recristalizare si inferioara punctului critic Ac₁, in general in intervalul 660-700˚C. Este urmata de o mentinere izoterma de 0,5-1,5 ore, pentru desfasurarea recristalizarii feritei, eventual coalescenta si globulizarea cementitei.

Temperatura de incalzire depinde de compozitia chimica a otelului. Cresterea continutului de carbon si elemente de aliere, ridica temperatura de recristalizare. In cazul otelurilor carbon cu 0,08-0,2%C, cele mai utilizate pentru deformarea la rece (prin laminare, trefilare, extrudare, ambutisare), temperatura de incalzire este 680-700˚C. La otelurile aliate cu Cr, Cr-Si cu continut inalt de carbon, recoacerea se efectueaza la 730˚C.

Acest tratament urmareste refacerea proprietatilor de plasticitate ale otelului si se aplica fie ca tratament termic preliminar inaintea deformarii plastice la rece, fie ca tratament termic intermediar in procesul de deformare la rece.

3. Recoacerea de detensionare se aplica pieselor turnate, produselor sudate, prelucrate prin aschiere etc., care contin tensiuni reziduale datorate racirii sau deformatiei plastice neuniforme.

Tratamentul consta in incalzire sub Ac₁, in intervalul 200-700˚C, (cel mai adesea intre 350-600˚C), timp de 1-3 ore (in functie de grosimea de incalzire) si racire lenta.

Tensiunile reziduale descresc progresiv in functie de temperatura si timpul de mentinere. La cresterea temperaturii, limita de elasticitate a otelului scade, iar tensiunile interne se relaxeaza prin deformare plastica locala. Detensionarea completa are loc la atingerea temperaturii de recristalizare a feritei.

Tensiunile reziduale sunt eliminate de asemenea si la alte tratamente termice, cum sunt: recoacerea de recristalizare a feritei, recoaceri de tipul II cu recristalizare fazica sau revenirea inalta a otelului calit.

2 Recoacerea de tipul II (cu recristalizare fazica)

Consta intr-o incalzire supracritica a otelului, urmata de mentinere si racire lenta, pentru obtinerea starii de echilibru conforme cu diagrama de echilibru. Tratamentul asigura recristalizarea fazica a otelului, cu efect de inmuiere si detensionare.

Dupa temperatura de incalzire si procedeul de tratament termic recoacerea de tipul II poate fi: completa, izoterma, incompleta, de inmuiere, de normalizare.

1. Recoacerea completa realizeaza recristalizarea intregii structuri. Se aplica otelului hipoeutectoid, care se incalzeste la Ac₃+ 30.50˚C (fig. 9.22), se mentine pentru incalzirea in miez a piesei si desfasurarea transformarilor de faza in volumul piesei, apoi se raceste lent cu cuptorul, in nisip sau cenusa fierbinte.

Incalzirea la aceste temperaturi asigura obtinerea unei austenite cu granulatie fina, care la racirea lenta, se transforma intr-o structura secundara ferito-perlitica fina cu plasticitate ridicata, rezistenta si duritate reduse. Daca se depaseste temperatura prescrisa, se manifesta cresterea grauntelui de austenita, cu deteriorarea proprietatilor otelului. Timpul de mentinere la temperatura de incalzire depinde tipul cuptorului de incalzire, modul de asezare a pieselor in cuptor, tipul si dimensiunile semifabicatului, compozitia chimica a otelului etc. In general, incalzirea se realizeaza cu o viteza de cca 100˚C/ora, iar mentinerea variaza intre 0,5.1 ora la 1 tona de metal incalzit.

Viteza de racire trebuie sa realizeze descompunerea austenitei cu grade reduse de subracire, pentru a se evita formarea unui amestec ferito-perlitic foarte dispers dur.       Viteza de racire depinde de compozitia chimica a otelului, care determina stabilitatea austenitei subracite. Astfel viteza de racire trebuie sa fie cu atat mai lenta, cu cat austenita subracita este mai aliata. De aceea, la otelurile carbon, racirea se face cu o viteza de 150-200˚C/ora, in timp ce la otelurile aliate, viteza de racire trebuie sa fie 10-100˚C/ora.

Recoacerea completa se aplica pieselor turnate in forme de nisip, produselor sudate sau forjate, pentru eliminarea structurii Widmanstatten de supraincalzire. Se aplica deasemeni semifabricatelor forjate care prezinta stare partiala de ecruisare.

2. Recoacerea izoterma consta din incalzirea pentru austenitizare ca si la recoacerea completa, la Ac₃+30.50˚C (figura 9.22), apoi piesa este transferata intr-un alt cuptor la o temperatura Ar₁-100.150˚C, in general 630-700˚C (figura 9.23), unde se mentine izoterm, pentru descompunerea completa a austenitei, urmata de racire in aer.

Avantajul recoacerii izoterme consta in micsorarea duratei de tratament, in special in cazul otelurilor aliate, la care reducerea duritatii ar necesita la recoacerea completa viteze foarte lente de racire. Se obtine o structura mai omogena pe sectiunea piesei, deoarece mentinerea izoterma asigura descompunerea austenitei la acelasi grad de subracire in intreg volumul piesei. Se obtine o prelucrabilitate mai buna, calitatea suprafetei si se micsoreaza deformatiile la calirea ulterioara.

Recoacerea izoterma se poate aplica numai pieselor forjate sau degrosate de dimensiuni mici. Sarjele mari (peste 20-30t) nu se pot recoace izoterm, deoarece nu se poate realiza o racire rapida si uniforma in volumul sarjei pana la temperatura mentinerii izoterme, ceea ce determina transformari structurale la temperaturi diferite, cu neuniformitati structurale si de duritate.

3. Recoacerea incompleta asigura recristalizarea partiala a structurii prin incalzire la temperaturi peste Ac₁.

In cazul otelurilor hipoeutectoide (fig. 9.22), incalzirea la Ac₁+50.70˚C (770-800˚C) asigura recristalizarea perlitei, partial a feritei proeutectoide si detensionarea. Se imbunatateste prelucrabilitatea otelului prin reducerea duritatii si a susceptibilitatii la fisurare in timpul deformarii plastice la rece. Se aplica numai otelurilor deformate la cald corect care nu prezinta structuri de supraincalzire, cu granulatie grosiera.

La otelurile eutectoide si hipereutectoide incalzirea la temperaturi Ac₁+10.30˚C (figura 9.22), urmata de racire foarte lenta pana la 620-680˚C, apoi aer, asigura recristalizarea perlitei si transformarea perlitei lamelare in perlita globulara (fig. 9.25b). De aceea, acest tip de recoacere se mai numeste recoacere de globulizare sau coalescenta.

Se imbunatateste prelucrabilitatea prin aschiere a otelurilor eutectoide si hipereutectoide, care permit astfel viteze mari de aschiere, cu o calitate buna a suprafetei si o uzura mai redusa a sculei aschietoare.

Tabel 9.2 Proprietatile mecanice ale perlitei lamelare si globulare

4. Recoacerea de inmuiere inlocuieste recoacerea completa a otelurilor aliate, la care in urma deformarii plastice la cald sau tratamentului termic de normalizare rezulta cu o structura in afara de echilibru dura, cum este perlita sorbitica, troostita, bainita sau chiar martensita. Tratamentul consta din incalzire putin sub Ac₁ (650-680˚C) - figura 10.24, pentru descompunerea martensitei, bainitei si coalescenta carburilor. Valoarea duritatii este mai mare decat la recoacerea completa, dar se Incadreaza in valorile prescrise de standarde.

5. Recoacerea de normalizare (normalizarea) consta din incalzirea otelului hipoeutectoid la temperatura Ac₃+30.50˚C si a otelului hipereutectoid la Ac_cem+30.50˚C (figura 10.24), scurta mentinere pentru austenitizare si racire in aer, cu o viteza de racire v < v_ci (figura 9.23) pentru obtinerea unei structuri de tip perlitic fina si cu graunti cristalini uniform repartizati.

Normalizarea realizeaza recristalizarea intregii structuri. Racirea accelerata in aer conduce la descompunerea austenitei la temperaturi mai scazute, insotita de finisarea granulatiei, cresterea dispersiei amestecului ferito-carburic si a cantitatii de perlita din otel comparativ cu starea recoapta (figura 9.24). Se obtin cvasieutectoizi de tipul perlitei sorbitice sau troostitei. Normalizarea mareste rezistenta si duritatea otelurilor cu continut mediu si inalt de carbon cu 10-15%, comparativ cu starea recoapta complet. Finisarea de granulatie determina coborarea temperaturii de tranzitie ductil-fragil si cresterea tenacitatii otelului (exprimata prin energia de rupere KV).

Scopul normalizarii depinde de continutul de carbon al otelului. La otelurile cu continut redus de carbon, sub 0,3%C, structura de normalizare contine perlita si ferita. In acest caz, normalizarea este un tratament mai simplu, care poate inlocui recoacerea completa, obtinandu-se o duritate putin superioara, dar o calitate mai buna a suprafetei.

La otelurile cu continut mediu de carbon, 0,3-0,65%C, normalizarea conduce la o structura formata din perlita sorbitica si ferita. In acest caz, normalizarea poate inlocui imbunatatirea (calirea urmata de revenire inalta). Proprietatile mecanice sunt mai slabe, dar se produc deformatii plastice mai reduse ca la calire, iar probabilitatea de fisurare la tratament termic dispare.

In cazul otelurilor hipereutectoide normalizarea elimina reteaua de cementita secundara din structura de recoacere completa (figura 10.25c).

La otelurile aliate, normalizarea urmata de o recoacere de inmuiere la 600-650˚C, poate inlocui recoacerea completa.

3 Calirea otelului

3.1. Temperatura de incalzire la calire

Calirea consta din incalzirea otelului hipoeutectoid la Ac₃+30.50˚C si a otelului hipereutectoid la Ac₁ +50.70˚C (figura 9.26), urmata de mentinere pentru austenitizare si o racire cu o viteza rapida, superioara vitezei critice superioara (v>v_cs).

La otelul hipoeutectoid cu structura initiala ferito-perlitica, incalzirea se face in domeniul austenitic, iar la racire se obtine o structura in afara de echilibru, alcatuita din martensita si o cantitate redusa de austenita reziduala (fig. 9.27a). Calirea otelului hipoeutectoid este completa. Calirea incompleta nu se practica, deoarece la temperaturi inferioare punctului Ac₃, incalzirea in domeniul A+Fα conduce la prezenta in structura de calire a unor insule moi de ferita - defectul pete moi (figura 9.27b). Daca incalzirea se produce la temperaturi superioare intervalului indicat, otelul se supracaleste. Apare cresterea grauntilor de austenita, care determina la racire o martensita grosiera cu duritate si tenacitate scazute.

La otelul hipereutectoid calirea este incompleta. Incalzirea se face in domeniul bifazic A+Fe₃C_II, astfel incat dupa calire, matricea martensitica va contine particule nedizolvate de Fe₃C_II (figura 9.27c). Aceste carburi asigura o duritate si o rezistenta la uzura crescute. Daca se mareste temperatura de incalzire, otelul se supracaleste. Austenita dizolva o cantitate mai mare de carburi si creste granulatia austenitica. La racire se obtine o martensita grosiera sub forma de pene cu o cantitate marita de austenita reziduala si mai redusa de carburi (figura 9.27d). Se reduc duritatea, rezistenta la tractiune si tenacitatea oelului. Daca se coboara temperatura sub Ac₁, otelul rezulta necalit, din lipsa de austenitizare.

La otelurile aliate cu elemente carburigene, temperatura de incalzire pentru calire este mai inalta, pentru a se asigura gradul de aliere al austenitei prin dizolvarea carburilor. De exemplu, pentru otelurile inoxidabile inalt aliat cu Cr (11-14%Cr), calirea pentru cresterea rezistentei la coroziune necesita dizolvarea carburilor de tip M₂₃C₆ prin incalzire la temperaturi Ac₃+150-250˚C.

La otelurile de scule, aliate cu elemente carburigene, temperatura de austenitizare sau o mentinere insuficiente, conduc la o austenita cu continut redus de carbon si elemente de aliere, putin stabila la racire si cu duritate scazuta. Micsorarea stabilitatii austenitei subracite, conduce la marirea vitezei critice de calire si scaderea adancimii de calire (a calibilitatii otelului). Mentinerea de carburi grosiere intr-o matrice alcatuita din martensita cu duritate redusa, micsoreaza rezistenta la cald a otelului.

Cresterea temperaturii de incalzire, antreneaza dizolvarea carburilor, alierea austenitei, omogenizarea chimica a austenitei. Se stabilizeaza austenita subracita, se reduce viteza critica de calire si se imbunatateste calibilitatea otelului. Totusi alegerea temperaturii de incalzire este un compromis, deoarece cresterea temperaturii de calire, mareste granulatia austenitica si cantitatea de austenita reziduala, deformatiile la calire, cu consecinte negative asupra duritatii, rezistentεi la uzura si tenacitatii otelului calit.

3.5. Calibilitatea

In anumite conditii dimensionale si de compozitie chimica s-a constatat ca piesele se calesc partial la martensita in limitele unui strat superficial cu atat mai redus cu cat grosimea piesei este mai mare. Astfel un otel carbon cu 0,45%C cu diametrul 16mm se caleste in apa pe o adancime de 5mm.

Calirea nepatrunsa se datoreaza gradientului de temperatura pe sectiunea piesei. Se considera o proba masiva cilindrica din otel eutectoid care se caleste (fig. 9.29). Conform diagramei TTT, la suprafata piesei viteza de racire maxima este supracritica (v₁>v_cs), ceea ce asigura o structura formata din martensita si austenita reziduala. La jumatatea razei viteza de racire mai mica devine intercritica (v_ci< v₂<v_cs) si conduce la o structura formata din troostita, martensita si austenita reziduala. In miez, viteza de racire este minima si subcritica (v₃<v_ci), astfel incat autenita se descompune intr-un amestec ferito-carburic, de tip perlitic (troostita, perlita fina sau grosiera).

Calibilitatea se defineste ca fiind capacitatea otelului de a se cali la structura martensitica sau troostito-martensitica, in limitele unui strat superficial de a anumita duritate si adancime.

Duritatea stratului calit depinde de compozitia chimica a otelului. Ea creste cu continutul de carbon si elemente de aliere.

Adancimea de calire se considera prin conventie distanta de la suprafata la zona cu structura semimartensitica (50% martensita + 50% troostita).

Diametrul critic indica dimensiunea maxima a sectiunii calite in volum, cu duritate maxima pe intreaga sectiune.

Duritatea structurii semimartensitice HRC_50M depinde de continutul de carbon al otelului: 0,13-0,22%C prezinta 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 otelul carbon, cele maxime pentru otelul aliat.

Adancimea de patrundere a calirii este data de viteza critica de calire (v_cs). Cu cat stabilitatea austenitei subracite este mai mare, cu atat viteza critica de calire scade si se mareste adancimea de calire.

Factorii care influenteaza adancimea de calire sunt:

- elementele de aliere dizolvate in austenita care ii maresc stabilitatea; adancimea de calire creste puternic la slaba aliere cu Mn, Cr, Mo si mici adaosuri de  0,003-0,005%B, mai ales la alierea simultana cu mai multe elemente de aliere; singurul element de aliere care micsoreaza adancimea de calire este Co.

- particulele insolubile in austenita (carburi, oxizi, compusi intermetalici) favorizeaza germinarea eterogena a perlitei, micsorand stabilitatea austenitei subracite. De aceea carburile de Ti, Nb, W nedizolvate in austenita reduc adancimea de calire;

- neomogenitatea chimica a austenitei, mareste capacitatea de germinare a perlitei si scade stabilitatea austenitei subracite; de aceea vitezele rapide de incalzire micsoreaza adancimea de calire;

- marimea grauntilor cristalini de austenita; granulatia mare reduce capacitatea de germinare a perlitei si mareste stabilitatea austenitei subracite; modificarea granulatiei austenitice de la punctajul de granulatie 8 la punctajul 1 sau 2, mareste de 2 sau 3 ori adancimea de calire.

Adancimea de calire se poate determina fractografic prin analiza aspectului suprafetei de rupere a unor epruvete calite, metalografic prin analiza microstructurii sau mai precis prin determinarea distributiei duritatii pe sectiune. In acest ultim caz se traseaza curba in U, care indica scaderea duritatii de la suprafata spre miez. Cunoscand duritatea structurii semimartensitice a otelului analizat, se poate determina adancimea de calire. Daca se analizeaza variatia duritatii pe un set de epruvete de dimensiuni diferite se poate determina diametrul critic. In figura 9.30 se prezinta distributia duritatii pe sectiunea unor epruvete din otelul carbon cu 0,4%C, la care diametrul critic este 25mm. Aceasta metoda se recomanda pentru piese de dimensiuni mici (15-25mm). iar adancimea de patrundere a calirii depinde de dimensiunea piesei si mediul de calire.

Pentru piesele de dimensiuni mari se determina diametrul critic prin metoda calirii frontale sau proba Jominy

O proba de forma si dimensiuni standardizate, incalzita la temperatura de calire, este asezata intr-un suport vertical si racita la capatul inferior cu apa curenta in conditii impuse de presiune, temperatura si debit, pana la racirea completa. Se rectifica proba in lungul unei generatoare si se masoara duritatea in lungul acesteia. Se traseaza graficul de variatie a duritatii cu distanta de la capatul frontal. Cunoscand duritatea structurii semimartensitice a otelului, se stabileste distanta a de la capatul frontal pana la structura semimartensitica (fig. 9.31).

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

Astfel pentru otelul considerat in figura 9.31, distanta de la capatul frontal la stratul semimartensitic este a = 10mm. Aceasta corespunde unui diametru critic ideal D₀=50mm, respectiv diametrul critic la calirea in apa Dc=40mm, sau la calirea in ulei Dc=27mm.

Deoarece patrunderea la calire variaza in limite largi in functie de compozitia chimica, marimea de graunte, forma piesei, etc., fiecare marca de otel este definita printr-o banda de calibilitate.

Indicatorul de calibilitate se noteaza J a/b(c), unde a-distanta de la capatul frontal la structura semimartensitica; b- duritatea HRC a structurii semimartensitice; c- duritatea HRC a suprafetei.

4 Revenirea otelului

Revenirea consta din incalzirea otelului calit la o temperatura inferioara punctului critic Ac₁, mentinere si racire in general in aer. Este un tratament termic final care fixeaza proprietatile de utilizare.

Suprima total sau partial tensiunile interne aparute la calire. Diminuarea tensiunilor interne este mai intensa la temperaturi de revenire mai ridicate, durate de mentinere mai mari si viteze de racire mai lente. Racirea in apa de la 600˚C introduce noi tensiuni interne. Racirea in aer genereaza tensiuni de compresiune in stratul superficial de 7 ori mai mici, iar in ulei de 2,5 ori mai mici decat racirea in apa. De aceea racirea la revenire se face in aer, cu exceptia otelurilor aliate susceptibile la fragilitate la revenire, care de la temperaturile 550-650˚C se racesc rapid in apa.

Proprietatile mecanice ale otelurilor revenite depind de temperatura de revenire. Din acest punct de vedere, revenirea otelurilor este de trei tipuri: joasa, medie si inalta.

Revenirea joasa consta in incalzire la 150-250˚C, timp de 1-2,5 ore. Are loc in conditii de difuzie partiala, descompunerea martensitei de calire intr-un amestec mecanic de particule fine de carbura ε (Fe_xC) si o martensita cu cu un continut mai redus in carbon, numit martensita de revenire. Are loc cu diminuarea tensiunilor interne. Creste rezistenta, se imbunatatesc tenacitatea si ductilitatea, fara o reducere sensibila a duritatii. Dupa calire si revenire joasa un otel cu 0,6-1,3%C pastreaza o duritate de 58-63HRC si rezistenta la uzura. Daca miezul piesei nu este ductil, piesa nu suporta sarcini dinamice importante.

Se aplica sculelor aschietoare si instrumentelor de masura si control din oteluri carbon si slab aliate, pieselor carburate sau calite superficial.

Revenirea medie consta in incalzire la 350-450˚C. Structura rezultata este alcatuita din troostita de revenire ( amestec mechanic alcatuit din ferita si cementita globulara) sau troostita si martensita de revenire, cu duritatea variind de la 40 la 50HRC si limita de elasticitate ridicata. Racirea de la 400-450˚C se face in apa, pentru a se forma in stratul superficial tensiuni de compresiune, care ridica rezistenta la oboseala. Se aplica arcurilor si matritelor de deformare la cald.

Revenirea inalta consta in incalzire la 550-650˚C, timp de 1-2ore. Otelul capata structura sorbitica ( amestec ferito-carburic cu un grad decdispersie mai redus decat al perlitei), care asigura cel mai bun raport intre rezistenta, ductilitate si tenacitate.

Tratamentul termic alcatuit din calire urmata de revenire inalta poarta denumirea de imbunatatire. Se aplica otelurilor de constructie cu continut mediu de carbon (0,3-0,6%C), care necesita limita de elasticitate ridicata, rezistenta la oboseala si tenacitate. Imbunatatirea suprima complet tensiunile reziduale de la calire. Comparativ cu starea recoapta (tabelul 9.6), se imbunatatesc rezistenta la tractiune Rm, limita de elasticitate R_0.002, alungirea, strictiunea la rupere A si Z, cat si rezilienta KCU.

Tabel 9.6 Proprietatile mecanice ale otelului carbon cu 0,42%C, cu diferite tratamente termice