CALIREA
1. GENERALITATI
Aplicarea tratamentului termic de calire urmareste ridicarea duritatii materialului metalic prin incalzire si racire efectuate in anumite conditii.
In cazul aplicarii acestui tratament otelurilor si aliajelor usoare, incalzirea conduce la obtinerea unei solutii stabile la temperatura ridicata, care prin racire rapida poate fi adusa netransformata la temperatura ambianta sau transformata intr-o alta solutie solida, cu retea cristalina diferita. Ambele solutii solide fiind suprasaturate, sunt nestabile in timp, sunt influentate de ridicarea temperaturii, sunt deci in afara de echilibru.
In primul caz instabilitatea se manifesta chiar la temperatura obisnuita in sensul ca se desfasoara procese, cu viteza apreciabila care tind sa aduca materialul la starea de echilibru. Un asemenea proces se numeste imbatranire naturala. Tendinta de desfasurare cu viteza apreciabila a proceselor de precipitare a fazei secundare pusa in solutie la incalzire, caracterizeaza starea de dupa calire de punere in solutie. Acest tratament se aplica de regula aliajelor aluminiului, unora dintre oteluri (austenitice si feritice) si aliajelor cu proprietati fizice speciale.
In cel de-al doilea caz, starea obtinuta prin calire este mult mai stabila. Martensita desi este un constituent structural cu insusiri metastabile, durabilitatea sa in timp este foarte mare la temperatura obisnuita.
Tratamentul denumit calire martensitica se aplica otelurilor carbon si aliate care au un continut in carbon mai mare de 0,20%. Prin obtinerea structurii martensitice se urmareste a se asigura o duritate mare mai ales in stratul de suprafata a pieselor si sculelor.
2. ALEGEREA CONDITIILOR DE INCALZIRE
Conditia de baza pentrn obtinerea unei structuri corespunzatoare dupa calirea unui otel este formarea inainte de racire a unei structuri de austenita omogena din punct de vedere chimic, ca o granulatie marunta si uniforma.
Viteza de incalzire se stabileste din considerente economice si functie de proprietatile particulare ce se doresc a fi obtinute.
Valoarea vitezei de incalzire se stabileste cu ajutorul formulelor lui M. T. Tait :
- pentru piese cilindrice :
(7.3)
- pentru piese de sectiune patrata :
(7.4)
in care : b este coeficientul de dilatatie termica, in 1/°C ; E - modulul de elasticitate, in daN/mm2 ; r si h - dimensiunile piesei, in mm ; a = difuzibilitatea termica este de (3,6 2) 106 m2/s pentru oteluri carbon obisnuite ; s s - eforturi care sa nu depaseasca tensiunea la rupere, in daN/mm2 ; Vi - viteza de incalzire, in °C/s.
Temperatura de incalzire pentru calirea otelurilor carbon se face functie de continutul in carbon. Pentru otelurile hipoeutectoide temperatura de incalzire este t=A3+(3050)°C, iar pentru otelurile eutectoide si hipereutectoide t=A1+(20 . .. 40) °C (fig. 7.19).
In cazul in care incalzirea pentru calirea otelurilor hipoeutectoide se face intre A1 si A3, dupa racire se va obtine o calire incompleta datorita existentei alaturi de martensita a feritei care are proprietati mecanice reduse. De aceea incalzirea peste A3 a otelurilor hipoeutectoide este obligatorie.
Mentinerea in structura otelului calit a carburilor, constituenti de duritate ridicata, nu numai ca nu dauneaza, ci influenteaza favorabil obtinerea unor structuri cu duritate ridicata. De aceca, incalzirea otelurilor hipereutectoide este recomandabil a se face la temperaturi cuprinse intre A1 si A2. Incalzirea peste A3 nu este recomandabila din mai multe motive :
- se favorizeaza obtinerea unei granulatii grosolani ;
- suprafata pieselor se decarbureaza ;
- duritatea este mai mica ;
- datorita formarii unei martensite grosolane proprietatile se inrautatesc ;
- se creeaza conditii favorabile de deformare si fisurare.
Temperatura de incalzire a otelurilor aliate cu continut mediu de carbon nu mai poate fi stabilita dupa diagrama fier-carbon. Aceasta se stabileste experimental cu ajutorul dilatometrului.
Prin mentinerea la temperatura de incalzire se urmareste obtinerea unei structuri austenitice omogene. Aceasta este dependenta de mai multi factori : tipul cuptorului, dimensiunile si modul de aranjare a pieselor, conductibilitatea termica, difuzibilitatea carbonului etc.
Pentru a determina durata de mentinere la temperatura de incalzire se considera DTi - diferenta de temperatura initiala, DTf - diferenta de temperatura finala si caracteristicile materialului.
Se calculeaza b = si se determina tmen cu relatiile :
- pentru placi : (7.5)
- pentru bare cilindrice : (7.6)
in care : a= difuzibilitatea termica, (3,6 . . . 2) 106 m2/s ; S - grosimea placii, in m ; R - raza barei, in m ; m - coeficientul care se deterrmina din figura 7.20 functie de b.
In cazul incalzirii simultane a mai multor piese aranjate in cuptor pe un rand, doua sau trei rinduri, durata de mentinere stabilita cu relatia (7.5) sau (7.6) se amplifica cu un coeficient K=14 pentru piese de sectiune patrata si cu K=1 2 pentru piese de sectiune circulara.
3. RACIREA
Obtinerea unei structuri anumite la calire si unei duritati sunt conditionate in cea mai mare masura de modul in care se face racirea dupa austenitizare.
Alegerea conditiilor de racire la calirea martensitica se face dupa doua criterii :
- asigurarea unei anumite adancimi de patrundere a calirii ;
- evitarea deformatiilor si fisurilor.
La stabilirea conditiilor de racire dupa primul criteriu se are in vedere diametrul critic (diametrul la care exista 50% martensita), intensitatea de racire a diferitelor medii de calire, granulatia austenitei si continutul in carbon al otelului. Apoi cu ajutorul unor nomograme se stabileste mediul necesar.
Dupa cel de-al doilea criteriu se are in vedere alaturi de forma piesei, conductibititatea termica si rezistenta materialului.
Dupa o considerare globala a conditiilor in care trebuie sa se faca racirea la calire, trebuie avuta in vedere viteza critica la racire, viteza de la care la viteze mai mari structara obtinuta este martensitica.
Practic, viteza de racire care poate sa asigure o calire completa se determina functie de viteza critica si mediul de racire ales. Pentru racire sunt folosite apa si solutii apoase de saruri alcaline si acide, uleluri minerale si vegetale, aer si in cazuri izolate metale si saruri topite.
La aprecierea actiunii diferitelor medii de calire trebuie sa se tina seama de capacitatea de racire a acestora in diferite zone de temperaturi. Unele medii prezinta o viteza ridicata la temperaturi inalte si o racire inceata la temperaturi joase, pentru alte medii este caracteristica aptitudinea de racire rapida si la temperaturi joase. Mediile din prima categorie impiedica descompunerea austenitei in intervalul perlitic si dau o racire inceata in domeniul martensitic.
Aceste medii micsoreaza pericolul apariaiei crapaturilor si reduc tensiunile interne.
In tabelul 7.1 se prezinta capacitatea de racire a diferitelor medii de racire.
Cel mai raspandit mediu de calire este apa, care provoaca o racire energica atat in zona temperaturilor 650550°C, cat si in zona de 300200°C de formare a martensitei. Acest din urma aspect constituie un mare dezavantaj.
In comparatie cu apa, uleiul are o capacitate de calire de 34 ori mai mica in zona temperaturilor ridicate si de 10 ori mai mica in zona temperaturilor joase, ceea ce constituie un avantaj.
Solicitarea la care este supusa piesa in timpul calirii, da nastere unor tensiuni interne care pot fi de natura termica si structurala. Tensiunile termice apar datorita racirii inegale a sectiunii si sunt cu atat mai mari cu cat viteza de racire este mai ridicata. Tensiunile structurale apar datorita transformarii martensitice care se produce cu crestere de volum.
In practica se aplica mai multe moduri de calire.
Calirea intr-un singur mediu de racire (curba 1, fig. 7.21) - se foloseste pentru piese simple din otel carbon sau aliate. La calirea intrerupta (curba 2, fig. 7.21) piesa se raceste initial intr-un mediu cu viteza mare de racire apoi intr-un mediu cu viteza mai mica la trecerea in intervalul martensitic.
Datorita aprecierii subiective a momentului in care sa fie efectuate schimbarea mediului, se pot produce defecte.
Acest dezavantaj se elimina la calirea in trepte (curba 3, fig. 7.21) cand piesa se raceste intr-un prim mediu si se mentine in acesta pana la uniformizarea temperaturii si numai dupa aceea se raceste intr-un alt mediu pentru a se obtine martensita.
Calirea izoterma se executa dupa curba 4 din figura 7.21. In acest caz, piesa este racita si mentinuta in mediu de racire de temperatura superioara punctului martensitic pana la transformarea austenitei.
Calirea de suprafata prin incalzire in curenti de inalta frecventaa ofera avantajul unei productivitati foarte ridicate, de obtinerea unui strat calit de grosime variabila.
Principalele defecte de calire sunt urmatoarele : duritate mica, pete moi, fragilitate ridicata, deformatii, crapaturi, oxidare, decarburare etc. Aceste defecte pot fi eliminate prin respectarea stricta a prescriptiilor de tratament termic.
