12IG Metode Pentru Determinarea Calibilitatii

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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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

Documents

12IG Metode Pentru Determinarea Calibilitatii