12ig metode pentru determinarea calibilitatii
TRANSCRIPT
LUCRAREA 12
METODE PENTRU DETERMINAREA
CĂLIBILITĂŢII OŢELURILOR
1. SCOPUL LUCRĂRII
Scopul lucrării constă în cunoaşterea metodelor de determinare a
călibilităţii oţelurilor şi realizarea practică a metodei răcirii frontale (metoda
Jominy) pentru determinarea călibilităţii oţelurilor hipoeutectoide şi a
aplicaţiilor practice ale acesteia.
2. PRINCIPII TEORETICE
2.1. CĂLIBILITATEA
Călibilitatea este o caracteristică tehnologică de tratament termic a
oţelurilor care se exprimă prin duritatea maximă pe care o are materialul în
starea structurală de după călirea martensitică şi adâncimea maximă de
pătrundere a călirii pe secţiunea piesei.
Pentru realizarea obiectivului aplicării călirii martensitice
volumice este de importanţă determinantă adâncimea stratului în care s-
a format structura de călire martensitică (masa de bază de martensită în
care se află carburi sau o proporţie redusă de austenită reziduală). Ca
ÎNDRUMAR DE LABORATOR DE TRATAMENTE TERMICE
urmare, călibilitatea definită şi determinată ca o caracteristică de
material, trebuie să exprime capacitatea acestuia de a avea după călire
o duritate cât mai mare şi pe o adâncime cât mai mare de la suprafaţa
produsului metalic.
Duritatea maximă a unui aliaj pe bază de fier conţinând carbon şi
alte elemente de adaos sau şi de aliere, care se obţine prin călire
martensitică, depinde în mod determinant de conţinutul de carbon din
austenita formată în condiţiile în care s-a făcut încălzirea (fig. 1) : dacă
încălzirea s-a facut în intervalul austenitic, dizolvându-se carburile
secundare, duritatea se micşorează cu creşterea conţinutului de carbon
ca urmare a creşterii proporţiei de austenită reziduală determinată de
scăderea temperaturii punctului Ms sub cea ordinară; dacă printr-un
tratament ulterior întreaga proporţie de austenită reziduală s-a
transformat în martensită, duritatea creşte continuu cu conţinutul de
carbon; dacă încălzirea s-a facut la temperaturi cu puţin superioare
punctului Ac1, duritatea rămâne constantă la valoarea corespunzătoare
conţinutului de carbon al perlitei care s-a transformat în austenită,
carburile rămânând nedizolvate.
Elementele de aliere dizolvate în austenită nu influenţează
sensibil asupra durităţii martensitei formată prin transformarea acesteia,
dar influenţează asupra temperaturii punctelor Ms şi Mf şi implicit
asupra proporţiei de austenită reziduală.
136
Metode pentru determinarea călibilităţii oţelurilor
a) b)
Fig.1. Variaţia cu conţinutul de carbon din austenită a durităţii oţelului rezultată
prin călire martensitică pentru diferite proporţii de martensită:
a) a- 99,9%; b- 95,0%; c- 90%; d- 80%; e- 50%;
b) 1- martensită + austenită reziduală (obţinută prin călire de la diferite
temperaturi); 2- martensită; 3- martensită + carburi.
Adâncimea de pătrundere a călirii, ca expresie a unei caracteristici
tehnologice a materialului, poate fi definită cu ajutorul noţiunii de
diametru critic de călire şi cu ajutorul vitezei critice de călire.
137
ÎNDRUMAR DE LABORATOR DE TRATAMENTE TERMICE
Definirea călibilităţii cu ajutorul diametrului critic se face folosind
curbele de variaţie a durităţii pe secţiunea unui cilindru cu înălţimea de
cel puţin patru ori mai mare decât diametrul, încălzit pentru
austenitizare şi apoi răcit, într-un mediu cu capacitate maximă de răcire,
de exemplu apa rece agitată. Zona cu grosimea de la suprafaţă până la
punctul cel mai interior în care duritatea are valoarea corespunzătoare
(la conţinutul de carbon al aliajului) durităţii martensitei (fig. 2)
reprezintă adâncimea de pătrundere a călirii.
Cel mai mare diametru al cilindrului în care, în condţiile
menţionate de încălzire şi de răcire pentru călire martensitică, se
obţine în centru o duritate egală cu a martensitei este denumit diametru
critic ideal. In mod convenţional pentru definirea diametrului critic
ideal se foloseşte valoarea durităţii structurii alcătuită din 50%
martensită şi 50% alţi constituenţi rezultaţi din descompunerea
austenitei subracite. Intre cele două valori este o corespondenţă
riguroasă stabilită pe cale experimentală (fig. 3) şi care reflectă influenţa
concomitentă a conţinutului de carbon şi a proporţiei constituenţilor
asupra durităţii (v. fig. 1).
138
Metode pentru determinarea călibilităţii oţelurilor
Fig.2. Reprezentarea schematică a diametrului critic ideal (la răcire în apă cu gheaţă agitată).
Fig.3. Valorile medii ale raportului diametrelor critice pentru 50% martensită şi pentru conţinuturi mai mari de martensită.
De asemenea, dacă în loc de apă rece agitată, considerată ca
mediu ideal pentru răcirea la călire, se foloseşte un alt mediu de
răcire, de exemplu uleiul, între valorile celor două diametre critice
de călire, cel ideal, în apă, şi cel corespunzător răcirii în ulei, există o
corespondenţă stabilită pe cale experimentală.
2.2. METODE DE DETERMINARE A CĂLIBILITĂŢII
2.2.1. CALCULUL CĂLIBILITĂŢII PRIN METODA
GROSSMAN
Diametrul critic ideal, în măsura în care mediul de răcire apa
agitată este ideal şi deci poate fi luat ca referinţă, poate fi considerat
ca o mărime caracteristică de material şi ca o expresie cantitativă,
139
ÎNDRUMAR DE LABORATOR DE TRATAMENTE TERMICE
volumică, a călibilităţii. In această ipoteză influenţa diferiţilor
factori asupra călibilităţii (conţinutul de carbon şi de elemente de
aliere, temperatura şi durata încălzirii pentru austenitizare,
granulaţia austenitică) poate fi luată în calcul cu ajutorul unor
coeficienţi de multiplicare propuşi de Grossman:
Di = DiC . fMn . fSi . fCr . fMo . fNi ………
unde:
DiC reprezintă un factor care depinde de conţinutul de carbon şi de
granulaţia austenitică (fig. 4) ;
fi este un factor care depinde de conţinutul de elemente de
aliere (fig. 5) ;
Fig. 4. Dependenţa diametrului critic ideal de conţinutul de carbon şi de
punctajul granulaţiei austenitice
140
Metode pentru determinarea călibilităţii oţelurilor
Fig.5. Valorile factorilor pentru calculul călibilităţii prin metoda Grossman,
corespunzători elementelor de aliere uzuale în funcţie de concentraţia
acestora în oţel
Pentru diferite medii de răcire caracterizate prin valoarea intensităţii
răcirii H (tabelul 1), valorile diametrului critic real Dr se determină din
nomograma din fig.6.
Tabelul 1. Intensitatea răcirii pentru diferite medii şi condiţii de circulaţie a mediului
Condiţii de
circulaţie
Intensitatea răcirii H, pentru diferite medii
aer ulei apăsoluţii apoase
Fără circulaţie
0,020,25-0,30
0,90 -1,00
2,00
Circulaţie slabă
-0,30-0,35
1,00-1,10
2,10-2,20
Circulaţie moderată
-0,35-0,40
1,20-1,30
-
Circulaţie accentuată
-0,40-0,50
1,40-1,50
-
Circulaţie puternică
-0,50-0,80
1,60-2,00
-
Circulaţie violentă
-0,80-1,10
4,00 5,00
141
ÎNDRUMAR DE LABORATOR DE TRATAMENTE TERMICE
Fig.6. Relaţia dintre diametrul critic ideal Di, diametrul critic real Dr şi intensitatea
răcirii H
2.2.2. DETERMINAREA CĂLIBILITĂŢII PRIN METODA
JOMINY
Pentru determinarea experimentală a călibilităţii, pentru a diminua
erorile de metodă si variaţiile capacităţii de răcire a mediilor folosite pentru
răcire, se utilizează metoda călirii frontale (Jominy). Această metodă
standardizată în STAS 4930-80 se referă la oţelurile carbon şi aliate şi nu
permite aprecierea călibilităţii în cazul oţelurilor care se călesc în aer sau al
oţelurilor cu călibilitate foarte mică.
Călibilitatea unui oţel provenit dintr-o şarjă se caracterizează prin
curba de călibilitate.
142
Metode pentru determinarea călibilităţii oţelurilor
Călibilitatea unei mărci de oţel (deci a mai multor oţeluri cu
compoziţia chimica variind în limitele de marcă) se caracterizează prin
banda de călibilitate.
Fig.7. Curba de variaţie a durităţii cu distanţa de la capătul răcit pentru o epruvetă din oţel 40Cr10
Fig.8. Banda de călibilitate pentru un oţel având compoziţia de marcă 0,35-0,39% C; 0,83-1,1% Cr; 0,17-0,30% V
Călibilitatea produselor din marca respectivă poate fi exprimată într-
unul din următoarele trei moduri:
a) - prin curba limită inferioară, valorile durităţii trebuind să se găsească pe
această curbă sau mai sus;
b) – prin curba limită superioară, valorile durităţii trebuind să se găsească pe
această curbă sau mai jos;
c) – curbele limită inferioară şi superioară (banda de călibilitate), valorile
măsurate ale durităţii trebuind să fie plasate între aceste curbe sau pe ele.
3. MATERIALE ŞI APARATURĂ
3.1. Epruveta constă dintr-o bară cilindrică având diametrul 25 şi
lungimea de 100 mm, conform fig.9. La unul din capete are o flanşă (guler)
cu diametrul de 28...32 mm, care permite centrarea rapidă în dispozitivul de
143
ÎNDRUMAR DE LABORATOR DE TRATAMENTE TERMICE
răcire frontală. Epruveta se va preleva în sens longitudinal din bare sau
semifabricate. Epruvetele se vor marca pe capătul opus celui care urmează a
fi răcit, cu numărul şarjei din care a provenit şi marca oţelului.
Fig.9. Epruvetă pentru determinarea călibilităţii
144
Metode pentru determinarea călibilităţii oţelurilor
Fig.10. Schema instalaţiei pentru călire frontală
Fig.11. Inălţimea jetului de apă aflat in contact cu partea inferioară a epruvetei
3.2. Instalaţia de răcire va corespunde schemei şi condiţiilor din
fig.10. Instalaţia constă din dispozitivul (3) de fixare a epruvetei (4) în
poziţie verticală şi centrată conductei de apă (1). Conducta de apă este
prevăzută cu un robinet (2) cu deschidere rapidă sau o placă (disc) de
ecranare (6) aşezată deasupra conductei (jetului) de apă (5) cu posibilitatea
de a fi deplasată rapid. De asemenea instalaţia trebuie prevăzută cu un
sistem care să asigure reglarea continuă a presiunii şi debitul jetului de apă.
Lungimea segmentului conductei de apă, înainte de capătul de ieşire, trebuie
să fie de minimum 50 mm pentru a asigura o curgere laminară (fără
turbulenţe) a apei. Poziţia orificiului conductei de apă (cu diametrul interior
12,5 ± 0,5 mm) şi dispozitivul de susţinere a probei trebuie să fie astfel încat
distanţa între marginea orificiului şi faţa răcită a epruvetei să fie 12,5 ± 0,5
mm.
145
ÎNDRUMAR DE LABORATOR DE TRATAMENTE TERMICE
Dispozitivul de fixare a epruvetei trebuie să asigure centrarea exactă
a epruvetei deasupra orificiului precum şi o asezare stabilă şi sigură a
acesteia în timpul răcirii cu apă. La introducerea epruvetei în dispozitiv,
acesta trebuie să fie uscat.
Înalţimea jetului de apă deasupra orificiului de ieşire din conductă, fără
epruveta introdusă trebuie să fie de 65 ± 10 mm (fig.11). Temperatura apei
din conductă trebuie să fie de 5 ÷ 30 ºC. Instalaţia trebuie protejată de
curenţi de aer în timpul procesului de răcire.
3.3. Pentru încălzirea probelor se va utiliza un cuptor electric de
tratament termic, dotat cu o interfaţă ce permite programarea ciclului
de tratament termic cu o abatere de ± 1ºC ce prezintă următoarele
caracteristici:
- Puterea instalată Pi = 6,6 kW ( 220V x 30A) ;
- Temperatura maximă atinsă Tmax = 1000 ºC;
- Dimensiunile spaţiului de lucru (utile) = 350 x 170 x 100 mm.
3.4. Pentru măsurarea durităţii se va folosi aparatul Rockwell
prevăzut cu un dispozitiv de avans.
3.5. Se va utiliza maşina de rectificare plană, cu scopul rectificării
pe două generatoare opuse în adâncime de 0,4...0,5 mm.
4. MOD DE LUCRU
4.1. Epruveta se încălzeşte uniform până la atingerea temperaturii
corespunzătoare pentru oţelul respectiv, menţinându-se apoi la această
temperatură 30 ± 5 min.
146
Metode pentru determinarea călibilităţii oţelurilor
În timpul încălzirii şi la menţinerea epruvetei în cuptor, trebuie asigurate
condiţiile necesare evitării carburării sau decarburării. Încălzirea epruvetei şi
menţinerea la temperatură se pot efectua într-un cuptor cu atmosferă neutră,
într-un recipient din oţel moale sau într-o cutie. In recipient sau cutie se
aşează ca agent reducător grafit sau şpan de fontă.
4.2. După încălzirea şi menţinere, epruveta se scoate din cuptor, se
fixează pe dispozitivul de răcire în poziţie perfect verticală şi apoi
deschizând rapid robinetul se trimite jetul de apă pe faţa frontală. Intervalul
de timp între scoaterea probei din cuptor şi începutul răcirii cu apă trebuie să
fie de maximum 5 s. Durata răcirii în apă trebuie să fie de minimum 10
min., după care epruveta se poate răci complet în apă sau aer.
4.3. Pentru măsurarea durităţii se pregătesc prin polizare sau
rectificare două feţe paralele pe întreaga lungime a epruvetei călite.
Adâncimea de polizare sau rectificare trebuie să fie de 0,4...0,5 mm. La
pregătirea feţelor acestea trebuie să fie răcite cu apă, pentru evitarea încăzirii
care să modifice microstructura şi respectiv duritatea epruvetei.
4.4. Epruveta se va fixa într-un dispozitiv corespunzător pentru
măsurarea durităţii, care se face fie prin metoda Rockwell cu o sarcină de
1470 N, fie prin metoda Vickers cu o sarcină de 294 N. Pentru construirea
curbei de călibilitate a oţelului, măsurarea se face începând de la capătul
răcit frontal la distanţele de 1,5;3;5;7;11;13;15 mm, iar fiecare punct în
continuare din 5 în 5 mm. Dispozitivul de mişcare a epruvetei pentru
efectuarea măsurătorilor de duritate, trebuie astfel construit încât să asigure
centrarea feţelor şi o dispunere exactă a punctelor în lungul axei feţei.
147
ÎNDRUMAR DE LABORATOR DE TRATAMENTE TERMICE
5. PREZENTAREA ŞI INTERPRETAREA
REZULTATELOR
5.1. Ca valoare a durităţii în fiecare punct, la o anumită distanţă d, se
ia valoarea medie a rezultatelor măsurătorilor făcute la această distanţă, pe
ambele feţe ale epruvetei.
5.2. Se construieşte curba de călibilitate. Pe abscisă se pune distanţa
d (distanţa de la capătul răcit), iar pe ordonată valorile corespunzătoare de
duritate, adoptând o astfel de scară, încât curba obţinută să poată fi uşor
descifrată. Convenabilă este adoptarea următoarelor scări: pe ordonată, 10
mm pentru fiecare 5 HRC sau 50 HV; pe abscisă,10 mm. pentru distanţa de
5 mm.
5.3. Referatul va conţine următoarele:
a) determinarea diametrul critic ideal Di şi diametrul critic real Dr
pentru oţelul studiat, la răcire în ulei şi la răcire în apă, fără circulaţie.
b) curba de călibilitate pe baza valorilor obţinute în urma aplicării
metodei călirii frontale (Jominy).
BIBLIOGRAFIE
1.T.DULĂMIŢĂ, E.FLORIAN – Tratamente termice şi termochimice –
E.D.P., Bucureşti, 1982
2.C.DUMITRESCU, R.ŞABAN – Metalurgie fizică şi tratamente termice –
Ed. Fair Partners, Bucureşti, 2001
148