EN
Metodele esențiale de tratament termic pentru oțelul carbon: obiective, procedură și eficiență
Recoacerea: recuperarea ductilității și modificarea microstructurii oțelului carbon prelucrat la rece
Deformarea plastică la rece intensă a oțelului poate duce la o durificare excesivă a acestuia, iar acest efect poate fi atenuat prin aplicarea unui proces numit recoacere. În cadrul acestui proces, metalul este încălzit la o temperatură situată, de obicei, în intervalul de aproximativ 600–700 °C, timp de circa 1–2 ore, după care metalul este lăsat să se răcească lent în interiorul cuptoarului. Rezultatul acestui proces constă în reducerea tensiunilor interne acumulate în structura materialului și în formarea unor noi structuri cristaline lipsite de deformare plastică. După recoacere, materialul recâștigă, în mod tipic, aproximativ 30 % din ductilitatea pierdută și poate fi supus ulterior unor modificări de formă mult mai severe, înainte ca acesta să cedeze prin rupere. Pentru inginerii industriali din domeniul automotive, obținerea unei structuri uniforme de ferită și perlită este esențială, în special în producția panourilor de caroserie și a unităților de susținere structurală, care trebuie să-și păstreze configurația sub sarcină și, atunci când este necesar, să poată suferi deformări și îndoiri.
Normalizarea asigură o structură uniformă a grăunților și îmbunătățește prelucrabilitatea oțelurilor din carbon forjate sau laminate.
Normalizarea începe prin încălzirea oțelului la temperaturi cuprinse între 800 și 900 de grade Celsius, urmată de răcirea lentă în aer staționar. Această tehnică elimină structurile neregulate și grosolane ale grăunților rămase după deformarea la cald anterioară și generează o matrice microconstituentă de ferită/pearlită mai fină și mai uniformă. În comparație cu oțelul nenormalizat, normalizarea crește ușurința prelucrării prin așchiere cu 15–20%. Reducerea uzurii sculelor și obținerea unei finișări superioare a suprafeței îmbunătățesc semnificativ durata de viață a sculelor și calitatea pieselor. Acest lucru explică motivul pentru care normalizarea oțelului este o practică frecvent aplicată în procesele de fabricație și prelucrare pentru componente de precizie, cum ar fi roțile dințate și arborele.
Durificarea și revenirea: secvența critică pentru optimizarea raportului rezistență-tenacitate în oțelurile de medie carbon
Pentru a începe procesul de călire a oțelului, acesta trebuie mai întâi încălzit la o temperatură cuprinsă între 800 și 900 de grade Celsius, în ceea ce se numește austenitizare. Immediat după această etapă de încălzire, oțelul este supus unei răcirii rapide sau instantanee, fie într-o baie de apă, fie într-o baie de ulei, ceea ce transformă structura austenitică în martensită, care este foarte dură, dar și extrem de casantă. Acest proces poate duce la obținerea unei structuri de martensită cu valori de duritate Rockwell C de 65 și o rezistență la tracțiune de 1.000 de megapascale. Problema constă în faptul că, imediat după răcirea rapidă, structura de martensită este prea casantă pentru a rezista încărcărilor din lumea reală. Soluția acestei probleme este revenirea, un proces prin care oțelul este încălzit la o temperatură cuprinsă între 400 și 700 de grade Celsius timp de aproximativ o oră sau mai mult. Această încălzire reduce tensiunile interne — ceea ce este esențial — și mărește tenacitatea structurii prin formarea unor carburi mici, îmbunătățind astfel atât tenacitatea, cât și rezistența. Tratamentul termic în două etape rămâne obligatoriu în producția modernă pentru componente care trebuie să reziste unor încărcări mari, cum ar fi axe de vehicule, arburi cotiți de motor și diverse sisteme industriale de transmisie.
Conținutul de carbon ca factor determinant în selecția tratamentelor termice pentru oțelurile carbon
oțel cu <0,3% C: probleme de călibilitate – de ce recoacerea și normalizarea sunt opțiunile mai bune
Oțelurile cu conținut scăzut de carbon nu conțin suficient carbon pentru a forma o cantitate semnificativă de martensită în timpul răcirii rapide și, prin urmare, tehnicile tradiționale de călire nu pot fi aplicate acestor oțeluri. În schimb, cea mai frecventă soluție este tratamentul termic de recoacere, care facilitează reconstrucția completă a microstructurii deformate la rece și recuperarea ductilității. Normalizarea contribuie, de asemenea, la omogenizarea distribuției dimensiunilor grăunților într-un metal care a fost forjat sau laminat. Ambele metode ușurează operațiunile ulterioare de deformare și prelucrare mecanică a oțelului și reduc problemele de distorsiune sau fisurare care apar în urma răcirii rapide. Astfel de tratamente termice sunt aplicate în fabricarea unor componente simple, cum ar fi panourile de caroserie auto, suporturile și componentele structurale din industria automotive. Pentru aceste aplicații, inginerii acordă prioritate unor proprietăți precum buna sudabilitate, capacitatea ridicată de ambutisare profundă și consistența dimensională, în detrimentul rezistenței maxime care poate fi obținută.
Oțel cu conținut mediu de carbon (0,3–0,5 % C): Tratament termic de călire și revenire – Performanță adecvată așteptată
Oțelurile cu conținut mediu de carbon sunt oțeluri care conțin între 0,3 și 0,5 % carbon. Acestea sunt ideale pentru procesele de durificare, deoarece conținutul de carbon este suficient pentru a permite formarea unei cantități semnificative de martensită în urma călirii, dar nu atât de mare încât să facă oțelul susceptibil la fisurare în timpul tratamentului termic. Un oțel revenit păstrează o bună rezistență la oc, iar unele exemple de oțel de calitate AISI 1045 pot atinge o rezistență la tracțiune superioară lui 800 MPa. În plus, oțelul de calitate AISI 1045 prezintă o bună rezistență la oboseală și o bună rezistență la uzură. Datorită acestor caracteristici, această calitate de oțel este preferată de ingineri pentru piese supuse unor sarcini mari, cum ar fi axul vehiculului, biela motorului și roțile dințate industriale ale transmisiei.
Selectarea mediului de călire și controlul răcirii pentru o durificare fiabilă a oțelurilor carbon
Călirea în apă versus călirea în ulei: echilibrarea formării martensitei și a riscului de fisurare pentru oțelurile carbon
Tipul mediului de răcire ales are un efect direct asupra vitezei cu care se elimină căldura, asupra faptului dacă au loc transformările de fază și asupra mărimii tensiunilor reziduale din metal. Ratele de răcire de aproximativ 130 °C/s creează cantități semnificative de martensită, rezultând o structură foarte dură. De exemplu, răcirea în apă este foarte eficientă pentru piese de formă simplă care necesită o rezistență ridicată la uzură, cum ar fi uneltele agricole sau matrițele pentru scule. În schimb, răcirea în ulei are o rată moderată de răcire de aproximativ 80 °C/s. În acest caz, rata mai lentă de răcire este avantajoasă, deoarece reduce riscul de șoc termic și de deformare a formei, oferind în același timp formarea necesară de martensită în oțelurile cu conținut mediu de carbon. Majoritatea atelierelor preferă răcirea în ulei atunci când lucrează cu structuri subțiri, geometrii complexe sau oțeluri cu conținut ridicat de carbon, unde riscul de fisurare este semnificativ comparativ cu creșterea marginală a durității.
Deși răcirea în aer nu întărește metalele, aceasta contribuie la procesul de normalizare, permițând formarea fără tensiuni a fazelor microstructurale de ferită și perlita.
Răcirea în aer în cadrul normalizării: obținerea unei distribuții uniforme a feritei și perlitei fără tensiuni reziduale
Procesul de normalizare diferă de călire în sensul că utilizează răcirea în aer, nu alte metode care ar putea fi mai rapide. Această abordare mai lentă facilitează tranziția neîntreruptă a materialului din stadiul austenită în stadiile ferită și perliteză. La o viteză de răcire de aproximativ 5 grade Celsius pe secundă, viteza este suficient de lentă pentru a evita apariția gradientelor termici care, cel puțin, vor deforma materialul și vor lăsa în urmă tensiuni reziduale. De asemenea, o viteză mai lentă de răcire favorizează uniformitatea dimensiunii granulelor pe întreaga secțiune transversală, până la suprafața exterioară. Acest lucru asigură efectul dorit pe întreaga secțiune transversală. În cazul pieselor din oțel cu conținut scăzut de carbon, această tehnică este deosebit de importantă pentru a garanta stabilitatea dimensională a componentei, cum ar fi grinzile structurale sudate sau carcasele prelucrate cu precizie. Acestea sunt situații în care materialul nu trebuie să prezinte niciun comportament neașteptat în timpul funcționării.
Cele mai frecvente întrebări
Care este scopul recoacerii oțelurilor carbon?
Scopul recoacerii oțelurilor carbon este de a restabili ductilitatea și structura microcristalină, astfel încât oțelul să poată fi prelucrat și modelat mai ușor după deformarea la rece.
Cum îmbunătățește normalizarea proprietățile oțelului carbon?
Normalizarea îmbunătățește proprietățile oțelului carbon conferindu-i o structură granulară uniformă, ceea ce facilitează prelucrarea prin așchiere și reduce tensiunile interne, fiind astfel avantajoasă pentru piesele mici și precise ale mașinilor.
Care este beneficiul tratamentului termic de călire și revenire pentru oțelurile carbon de medie concentrație?
Beneficiul călirii și revenirii oțelurilor carbon de medie concentrație constă în îmbunătățirea atât a rezistenței, cât și a tenacității oțelului, permițând utilizarea acestuia în structuri mai mari și mai rezistente.
Care este problema asociată cu călirea în apă a oțelurilor carbon?
Răcirea rapidă face ca călirea în apă a oțelurilor carbon să producă deformări și fisuri, dar, în același timp, crește duritatea.
Care este motivul preferinței pentru oțelul carbon cu conținut scăzut de carbon în unele aplicații?
Motivul preferinței pentru oțelul cu conținut scăzut de carbon în unele aplicații este faptul că acesta se sudează și se prelucrează mai ușor în aplicații precum panourile care formează caroseriile autovehiculelor și piesele care asigură structura vehiculului, care au cerințe reduse privind rezistența la încărcare.