MATERIALE SI TRATAMENTE TERMICE UTILIZATE IN CONSTRUCTIA ORGANELOR DE MASINI

MATERIALE SI TRATAMENTE TERMICE UTILIZATE IN CONSTRUCTIA ORGANELOR DE MASINI

Organele de masini se executa dintr-o gama foarte larga de materiale pentru a satisface conditiile diverse in care functioneaza. Majoritatea organelor de masini se executa din oteluri care pot fi netratate termic, tratate termic sau termochimic.

Oteluri

Oteluri obisnuite (oteluri de uz general pentru constructii) - destinate obtinerii semifabricatelor prin laminare, forjare, matritare, fara a mai fi tratate termic special.

Simbolizare (exemple): OL 37, OL 42, OL 50, OL 60

σ_r = 370 MPa

Oteluri turnate - destinate obtinerii semifabricatelor prin turnare, fara a mai fi tratate termic special.

Simbolizare (exemple): OT 30-1, OT 50 -2

σ_r = 300 MPa Clasa de calitate 1

Oteluri de calitate (oteluri carbon de calitate) - pentru tratament termic ulterior.

Simbolizare (exemple): OLC 15, OLC 45

0 % C

Oteluri de scule - destinate obtinerii de scule (cu tratament termic de imbunatatire).

Simbolizare (exemple): OSC 8, OSC 13

0 % C

Oteluri aliate - pentru tratament termic ulterior.

Simbolizare (exemple): 15 Cr 9, 18 MnCr 11

0 % C 1,1% Cr

Fonte

Fonte cenusii (cu grafit lamelar).

Simbolizare (exemple): Fc 150 (Fc15) , Fc 200 (Fc 20) , Fc 300 (Fc 30)

σ_r = 150 MPa

Fonte cu grafit nodular

Simbolizare (exemple): Fgn 100, Fgn 200

σ_r = 200 MPa

Bronzuri

Aliaje cupru-staniu turnate

Simbolizare (exemple): CuSn 10, CuSn10Zn2, CuSn6Zn4Pb4

10% Sn 2% Zn

TRATAMENTE TERMICE SI TERMOCHIMICE

Tratamentele termice pentru oteluri sunt: recoacere, calire si revenire, iar tratamentele termochimice aplicate otelurilor sunt cementare, nitrurare si carbonitrurare.

1. Recoacerea

Recoacerea este tratamentul termic prin care se urmareste aducerea otelului intr-o stare de echilibru si se aplica, in general, organelor de masini obtinute prin forjare. Exista mai multe tipuri de recoaceri (recoacerea obisnuita, recoacerea de normalizare, recoacerea de detensionare), cea mai utilizata fiind recoacerea de normalizare numita si normalizare.

Scopul normalizarii este numai de a diminua sau inlatura tensiunile interne aparute in urma procesului tehnologic de forjare sau matritare si de a obtine o granulatie fina. Dintre avantajele normalizarii se pot enumera: durata redusa a tratamentului termic, deoarece racirea se face in aer; obtinerea unei perlite mai fine (sorbita), cu duritate mai mare decat cea rezultata in urma recoacerii complete.

Ca tratament final, normalizarea se aplica otelurilor nealiate, utilizate doar la sarcini mici si viteze mici. Marcile de astfel de oteluri utilizate in constructia organelor de masini sunt: OLC 45, OLC 50, OLC 55 si OLC 60. Normalizarea se aplica si la otelurile aliate, inainte de alte tratamente termice (calire) sau termochimice (cementare sau carbonitrurare).

Recoacerea de detensionare sau de inmuiere se aplica otelurilor aliate inainte de tratamentele termice, si are drept scop reducerea sau eliminarea tensiunilor interne din material. Recoacerea de detensionare consta in incalzirea inceata a materialului pana la temperatura de 500 - 600^oC, mentinerea la aceasta temperatura pana la omogenizarea intregii piese, apoi racirea acesteia foarte lent pana la temperatura de 100 - 200^oC si, in final, o racire in aer.

Calirea

Este tratamentul termic prin care otelul sufera transformari in stare solida, urmand aducerea acestuia din stare de echilibru in stare de neechilibru. Calirea se poate face in mai multe feluri, cele mai utilizate procedeuri sunt: calirea in profunzime, calirea izoterma, calirea superficiala etc.

Calirea in profunzime se aplica otelurilor cu continut de carbon mai mare de 0 % si are drept scop obtinerea unei structuri martensitice, de duritate si rezistenta ridicate. Duritatea este influentata de continutul de carbon si de calibilitatea otelurior, duritatea maxima obtinandu-se la un continut de carbon de minim 0 %. Stabilirea temperaturii de incalzire si a vitezei de racire (apa, aer sau ulei) se face in functie de continutul de carbon, de tipul otelului - carbon sau aliat - si de complexitatea piesei.

Calirea superficiala se aplica otelurilor aliate cu continut de carbon mai mare de 0,3% si are drept scop marirea rezistentei stratului superficial al organelor de masini, prin obtinerea unor structuri dure pe suprafata acestora. Pentru realizarea calirii superficiale se incalzeste local stratul superficial al dintilor, racirea facandu-se cu jet de apa. Incalzirea se poate face cu flacara oxiacetilenica, flacara cu gaz sau prin curenti de inalta frecventa (CIF), metoda larg utilizata datorita productivitatii ridicate si calitatii obtinute. Instalatiile cu CIF trebuie sa permita o adaptare exacta si verificata a adancimii de calire si sa evite supraincalzirea (temperatura de incalzire sa fie sub 1000^oC).

3. Revenirea

Structura martensitica obtinuta dupa calire este o structura nestabila, dura si fragila. Revenirea este tratamentul termic care se aplica otelurilor care sufera transformari fizice si prin care se schimba starea nestabila si fragila intr-o stare mai stabila si mai putin fragila.

Revenirea consta in incalzirea piesei calite pana la o anumita temperatura, mentinerea la aceasta temperatura pentru egalizarea incalzirii piesei pe sectiune si racirea ulterioara in aer liber. Temperatura de revenire este foarte importanta din punct de vedere al mentinerii proprietatilor mecanice si duritatii piesei. Astfel, cu cresterea temperaturii de revenire, scade duritatea si rezistenta la rupere a otelului respectiv, dar totodata scad tensiunile interne si fragilitatea.

In constructia organelor de masini se utilizeaza oteluri al caror tratament termic este format din calire urmata de revenire inalta (500 600sC). Aceasta combinatie este cunoscuta sub denumirea de imbunatatire si se aplica otelurilor cu continut mediu de carbon (> 0 %) si uneori si otelurilor cu continut mai redus de carbon ( 0,2%). Duritatea obtinuta dupa imbunatatire este < 350 HB, otelurile cu continut de carbon mai mare de 0,25 % numindu-se oteluri de imbunatatire.

Principalele marci de otelurile de imbunatatire utilizate in constructia organelor de masini sunt: 40 Cr 10, 26 MoCr 11, 34 MoCr 11, 51 VMnCr 11, 40 CrNi 12, 30 MoCrNi 20 etc.

Calirea superficiala este urmata imediat de o revenire joasa, la temperaturi de 160 220sC, in cuptoare cu aer, cu distributia uniforma a temperaturii. Prin aceasta se obtine, in general, o duritate superficiala ridicata si un miez tenace, dar mult mai moale.

Otelurile calite superficial fac parte din grupa otelurilor cu continut mediu de carbon, duritatea dupa calire fiind cuprinsa intre 48.58 HRC, iar duritatea miezului fiind cea obtinuta de otel in urma imbunatatirii.

4. Cementarea (carburarea)

Cementarea este tratamentul termochimic prin care se imbogateste stratul superficial al pieselor in carbon si se aplica otelurilor cu continut redus de carbon (<0 %), numite si oteluri de cementare.

Cementarea consta in incalzirea pieselor pana la o anumita temperatura (850 1000sC) si mentinerea acestora un timp relativ indelungat (7 10 ore), intr-un mediu care contine carbon. Mediul poate fi solid (granule de mangal, cocs etc.), gazos (gaz metan) - cel mai utilizat - sau lichid (saruri topite). Instalatia de tratament trebuie sa permita reglarea continutului de carbon.

Principalele marci de oteluri de cementare utilizate in constructia organelor de masini sunt 15 Cr 9, 18 MnCr 11, 20 TiMnCr 12, 21 MoMnCr 12, 18 CrNi 20, 20 MoNi 35, 17 MoCrNi 14

Conform STAS 791, inainte de cementare se aplica un tratament de recoacere de inmuiere si apoi o normalizare, iar dupa cementare doua caliri, iar intre acestea o recoacere intermediara. Dupa caliri, se aplica o revenire joasa, la temperaturi de 150 200sC. In urma acestui tratament, rezulta organe de masini cu o duritate mare a stratului superficial (56 64 HRC), miezul ramanand tenace.

Otelurile de cementare sunt cele mai utilizate oteluri in constructia rotilor dintate din transmisiile reductoarelor si a transmisiilor de automobile si tractoare, rezultand dimensiuni de gabarit reduse ale acestor transmisii.

Otelurile cementate au duritatea superficiala cuprinsa intre 56.64 HRC, iar a miezului este mai mare de 34 HRC.

5. Nitrurarea

Este tratamentul termochimic de imbogatire pana la saturare a suprafetei piesei in azot. Piesele se incalzesc intr-un cuptor pana la temperatura de 480 650sC, iar prin atmosfera cuptorului se trece un curent de amoniac. Adancimea de saturare in azot este de 0 0,5 mm, iar procesul de nitrurare dureaza intre 25 50 ore. Pe suprafata pieselor se formeaza nitruri, foarte dure, dar si cu rezistenta mare la uzare si coroziune.

Pentru stabilizarea nitrurilor, sunt necesare elemente de aliere cum ar fi Al, Cr, Mo, care dau nitruri foarte fine si foarte stabile. Prin nitrurare se obtin duritati foarte mari, de pana la 68 HRC, si se pastreaza pana la temperaturi de 500sC. Nitrurarea se aplica otelurilor deja imbunatatite, fiind un tratament final. Instalatia de nitrurare trebuie sa permita reglarea presiunii gazului, gradul de disociere si temperatura, in toleranta de 5^oC.

Pentru roti dintate, nitrurarea se aplica otelurilor de nitrurare (fara aluminiu) si otelurilor aliate de imbunatatire si cementare. In constructia de reductoare, automobile si tractoare se utilizeaza otelurile aliate de nitrurare (<0,35% C, <3,5% Cr, Mo, V), de imbunatatire (<0,45% C, <1,5% Cr, Mo, V) sau de cementare, nitrurate in gaz. Cele mai utilizate oteluri de nitrurare, nitrurate, sunt: 21 MoMnCr 12, 26 MoCr 11, 30 MoCrNi 16; cele de imbunatatire, nitrurate sunt: 34 MoCr 11 (33 MoCr 11), 42 MoCr 11 (42 MoCr 11), iar cele de cementare nitrurate sunt: 19 MoCr 11 si 21 MoMnCr 12.

6. Carbonitrurarea

Este tratamentul termochimic de imbogatire a suprafetei piesei simultan in carbon si azot. Cele doua elemente, carbonul si azotul, se stimuleaza reciproc in difuzie in piesa, astfel incat durata tratamentului se reduce fata de cementare si de nitrurare. Pe stratul superficial al dintilor se formeaza carbonitruri dure, marind mult rezistenta la oboseala si la uzare a flancurilor superficiale ale dintilor rotilor dintate.

Carbonitrurarea se poate aplica atat otelurilor carbon de calitate cat si otelurilor aliate, de imbunatatire sau de cementare, si poate fi in mediu lichid (baie) sau in mediu gazos. Pentru roti dintate, carbonitrurarea se aplica la temperaturi ridicate (800 850sC), cand imbogatirea se face mai ales in carbon si mai putin in azot. Dupa tratamentul de carbonitrurare la temperaturi ridicate, se aplica, la fel ca la cementare, o calire urmata de revenire joasa. Duritatea superficiala dupa tratament trebuie sa fie mai mare de 500 HV1. Tratamentul de carbonitrurare se aplica atat otelurilor de imbunatatire cat si otelurilor de cementare.