OŢELURI INOXIDABILE – NOŢIUNI ELEMENTARE DE BAZĂ

Oţelul este cel mai important aliaj al fierului, principala componentă este carbonul, cu o concentraţie maximă de 2.11 % din greutate. Conform altei definiţii oţelul este un aliaj feros care se poate obţine prin formare plastică (forjare, laminare). În această definiţie nu este menţionată prezenta Carbonului, deşi este cel mai important element de aliere al fierului. Carbonul în combinaţie cu o multitudine de alte elemente de aliere poate modifica proprietăţile oţelului: îmbunătăţeşte rezistenţa şi micşorează plasticitatea. Cu ajutorul elementelor de aliere se pot modifica proprietăţile principale ale oţelurilor: duritate, elasticitate, flexibilitate, rezistenţa, limita de curgere, rezistenţa la acizi, rezistenţa la coroziune. În cazul în care oţelul are un conţinut de carbon mai mare, devine mai greu dar şi mai rigid decât fierul, iar dacă micşoram temperatura va scădea şi rezistenţa materialului - limită de curgere: 1370 °C .

COMBINAŢIE REUŞITĂ DE FIER ŞI CROM

Pe parcursul istoriei, până la începutul sec. XX., cea mai mare problemă pentru cercetători o prezintă corodarea în timp a metalelor. Primul care a văzut rezolvarea acestei probleme a fost Henry Le Chatelier cu 100 în urmă, prin alierea oţelurilor cu o anumită cantitate de crom. Pentru că un oţel să fie inclus în categoria oţelurilor inoxidabile trebuie să conţină cel puţin 10.5 % crom şi cel mult 1.2% carbon (conform Normelor Europene nr. En 10020). În prezent sunt cunoscute mai mult de 200 de tipuri de oţeluri inoxidabile. Pe lângă crom, ca şi elemente de aliere uzuale se mai folosesc: nichel, molibden, cupru, titan, niobiu şi nitrogen. Alierea cu nichel de exemplu ajuta la îmbunătăţirea caracteristicilor de ductilitate şi alungire. Prin aliere cu aceste elemente oţelul i-şi modifica structura, astfel încât se pot obţine proprietăţi diferite în cazul diferitelor prelucrări cum ar fi: deformări la rece, suduri etc. În prezent sunt cunoscute diferite tipuri de oteluri inoxidabile cu caracteristici şi proprietăţi multiple, destinate pentru a rezista la medii corozive, la diverse condiţii de muncă, la intemperii, oferind astfel condiţii de siguranţa în întreprinderi, durata de viaţă mai lungă în construcţii şi igiena în viaţa de zi cu zi. Oţelurile inoxidabile sunt folosite în toate domeniile de activitate ale zilelor noastre: industria alimentară, medicală, chimică, construcţii, navală, în industria auto, în sistemul de evacuare şi curăţire noxe. Pe lângă acestea oţelul inoxidabil, după uzura este reciclabil, se poate topi şi refolosi.

NORME EUROPENE

Standardul pentru oteluri inoxidabile de uz general este EN 10088. Acest standard are două destinaţii:

Descriere metaforică

Standardul EN 10027, care are ca şi obiect “simbolizarea oţelurilor inoxidabile”, acoperă toată gama de oţeluri în a cărui compoziţie sunt cel puţin 5% elementele de aliere. Simbolizarea acestora începe cu litera “X”, care este urmată de “conţinutul de carbon x 100 “şi de simbolizarea elementelor de aliere în ordine descrescătoare.

Exemplu: X12Cr13 - X2CrNiMo17-12-2

Denumire metaforică (numerică)

Conţine cinci cifre: primele două sunt 1.4 ; al treia reprezintă compoziţia chimică, în timp ce ultimele două sunt alocate arbitrar.

1.40xx: oţel inoxidabil, în cadrul căreia Ni %<2,5
      Nu conţine elemente precum Mo, Nb şi Ţi
1.41xx: oţel inoxidabil, în care Ni %<2,5
      Conţine Mo nu conţine Nb şi Ţi
1.43xx: oţel inoxidabil, în care Ni %> 2.5
      Nu conţine elemente precum Mo, Nb şi Ţi
1.44xx: oţel inoxidabil, în care% Ni> 2.5
      Conţine Mo nu conţine Nb şi Ţi.
1.45xx: oţel inoxidabil, care conţine elemente de aliere speciali

Exemple de denumiri numerice: 1.4000 - 1.4404 - 1.4301 - 1.4006

GAMĂ LARGĂ DE PROPRIETĂŢI ŞI CALITATE

Oţelurile inoxidabile sunt împărţite în patru categorii principale: în funcţie de structura oţelului şi conţinutul elementelor de aliere (tipul şi cantitatea).

Oţeluri austenitice

Oţelul austenitic este tipul de oţel inoxidabil cel mai utilizat pe scară largă. Dintre toate tipurile de oţel inoxidabil , acesta are cea mai mare capacitate de rezistentă la coroziune, care poate fi îmbunătăţită continuu prin mărirea cantităţii de Cu şi Mb. Cea mai importantă proprietate este: ductilitate şi tenacitate. Conţinutul de cel puţin 7% Ni face ca structura oţelului să devină pe deplin austenitică, ceea ce i-i conferă proprietăţi “non-magnetice” şi o sudabilitate foarte bună. Astfel oţelul inoxidabil austenitic este utilizat pe scară largă în fabricarea de aparate de uz casnic, containere, conducte şi rezervoare industriale, faţade arhitecturale şi construcţii industriale. Compoziţia de bază al oţelului poate fi modificată cu uşurinţa prin adăugarea de elemente de aliere, crescând :
- rezistenţă la coroziune (crom, molibden, cupru, siliciu, nichel)
- proprietăţile de rezistenţă mecanice (nitrogen)
- prelucrabilitate (sulf, seleniu, fosfor, plumb, cupru)
- proprietăţile de sudabilitate (Mn)
- rezistenţa la coroziune în puncte în medii agresive (molibden, siliciu, azot)
- rezistenţa la coroziune inter cristalină (fosfor, arseniu, antimoniu restricţii de conţinut)
- duritatea (molibden, titan, niobiu, bor)
- rezistenţa la temperaturi de la foarte scăzute la foarte înalte (crom, aluminiu, siliciu, nichel)

Oţeluri feritice

Proprietăţile oţelurilor inoxidabile feritice sunt similare cu cele ale oţelurilor austenitice. Datorită conţinutului mai ridicat de Cr creşte rezistenţa la coroziune a oţelului. Astfel oţelurile feritice au proprietăţi magnetice şi proprietăţi de elasticitate mai bune. Domenii de utilizare: industria chimică – conducte de alimentare, în medii de înaltă coroziune cu azotat de hidrogen, sisteme de exhaustoare, ornamente arhitecturale, echipamente domestice. Nu se utilizează în următoarele cazuri: anumite condiţii atmosferice industriale şi execuţia structurilor sudate.

Oteluri martensitice

Oţelurile martensitice conţin procente ridicate de carbon şi au un conţinut mai scăzut de crom decât oţelurile feritice: 11% la 13% Cr. Nu sunt la fel de rezistente la coroziune ca şi cele austenitice sau feritice, dar sunt extrem de dure şi tenace, se prelucrează bine prin aşchiere şi pot fi durificate suplimentar prin tratamente termice. Pot fi utilizaţi în medii bazici, cu carbonaţi, nitraţi, sau cu acizi: acetic, benzoic, oleic. Prin creşterea temperaturii scade rezistenţa, rezistenţa la coroziune atmosferică este posibilă doar în condiţii atmosferice foarte curate.

Oteluri austenito – feritice (duplex)

Oţelurile inoxidabile ferito-austenitice conţin ferită şi austenită aproximativ în părţi egale, de aceea aceste oţeluri sunt cunoscute şi ca oţeluri duplex. Ferita asigură rezistenţa mecanică şi rezistenţa la coroziune iar austenita asigură ductilitatea, cele două împreună duc la obţinerea unui oţel bifazic cu granulaţie fină rezistentă la coroziune. Elementele de aliere cele mai importante ale oţelurilor duplex sunt Cr,Ni, Mo şi N. Cromul şi molibdenul duc la formarea feritei, în timp ce nichelul şi azotul stabilizează austenita. Oţelurile inoxidabile tip duplex au conţinut extrem de înalt de Cr, Ni, Mo, de aceea au o rezistenţă mecanică cât şi rezistenţă la coroziune excelente.

ALIAJE

Dintre elementele cele mai frecvent utilizate nichelul şi manganul creşte rezistenţa oţelului, austenita conferă o stabilitate chimică, îmbunătăţeşte duritatea şi creşte punctul de topire, astfel devine mai dura la temperaturi înalte (oţel rezistent la temperaturi înalte).Vanadiu în compoziţie creşte, de asemenea, duritatea şi rezistenţa la oboseală. Crom şi nichel în cantităţi mari în compoziţie conferă oţelului proprietăţi inoxidabile (la temperaturi scăzute creşte rezistenta la coroziune), rezistenţa la medii agresive. Oţelurile rezistente la temperaturi ridicate se oxidează uşor mulţumita conţinutului lor de crom, aluminiu şi siliciu. Pe suprafaţa acestor oţeluri se formează un film pasiv impecabil (de exemplu FeCr2O4). Wolframul ajuta în formarea de cementita, prin aliere formarea de martensita are loc şi prin tratamente termice de călire la viteze mai scăzute. Acestea sunt otelurile rapide, care sunt utilizate pentru fabricarea sculelor de aşchiere cu o rezistenţă la uzura mărita. Azotul, sulful şi fosforul face oţelurile mai fragile, de obicei se încearcă eliminarea acestor impurităţi din procesul de laminare. Alierea se face în stare lichidă, în momentul când elementele de aliere şi metalul de baza formează o compoziţie uniformă, cu o densitate asemănătoare şi nu se pot separa. După solidificare această aliere rămâne stabilă, prin urmare aliajul trebuie privită ca o soluţie solidificată de metale concretizată sub forma unor cristale mixte.

TRATAMENTE TERMICE

Scopul tratamentelor termice este modificarea unor proprietăţi de bază ale aliajelor, de cele mai multe ori modificarea proprietăţilor mecanice (duritate, tenacitate etc). Principiul de bază al tratamentelor termice este încălzirea şi menţinerea metalelor la o anumită temperatură, apoi răcirea la o viteză controlată. În timpul procesului metalul rămâne totdeauna în stare solidă, nu se schimbă compoziţia doar în cazuri aparte când se urmăreşte acest lucru şi doar la suprafaţă (există tratamente termice al cărui scop este de a schimba compoziţia crustei de suprafaţă). Operaţiunile de bază în timpul tratamentelor termice sunt: recoacere, călire şi revenire. După recoacere, procesul de răcire poate fi de normalizare sau de detensionare, funcţie de viteză de răcire. Deci tratamentele termice sunt tehnologii de prelucrare la cald compuse din ansambluri de operaţii, constând din încălziri şi răciri în condiţii determinate, aplicate produselor metalice cu scopul aducerii acestora în stări structurale şi de tensiuni interne corespunzătoare anumitor asociaţii şi proprietăţi.

1. Recoacerea

În cazul în care oţelul prezintă proprietăţi de duritate înalta, prelucrabilitate la cald şi la rece mai greoaie, este nevoie de recoacere. Duritatea înaltă a metalului este cauzată pe deoparte de procesul de formare plastică, pe de altă parte de viteza de răcire necontrolată după turnare, intervenind o călire parţială a oţelului. Prin urmare, recoacerea se aplică pentru a corecta unele defecte provenite de la prelucrări anterioare (turnare, deformare plastică).

La încălzirea produselor formate la rece, în detrimentul particulelor existente se formează distorsiuni ale structurii cristaline. Odată depăşit un anumit grad de deformare, considerat critic, apare ecruisarea structurii materialului metalic, fenomen însoţit de creşterea densităţii defectelor structurale de tipul dislocaţiilor, scăderea plasticităţii şi tenacităţii şi creşterea sensibilă a durităţii. Proprietăţile produselor tratate sunt determinate de mărimea cristalelor formate. Acestea depind de gradul de formare la rece, temperatura şi timpul de încălzire. În general se urmăreşte obţinerea unor cristale de dimensiuni mici, sau cel puţin revenirea la formele cristaline iniţiale unor deformări la rece. Sunt şi excepţii, ca de exemplu în cazul transformatoarele, unde cu cât sunt cristale mai dure cu atât cresc proprietăţile magnetice. În multe cazuri este nevoie doar de o recoacere parţială, deci se efectuează doar o recristalizare parţială. Astfel,de exemplu, se poate obţine din sârmă tare de arc, sarma semi moale. Pentru verificare, cu ajutorul unor teste tehnologice complete de formare se pot supune piesele la încercări de duritate şi tracţiune.

În cazul pieselor călite sau semi - călite este nevoie de o restabilire a echilibrului în structura oţelului pentru prelucrări sau tratamente ulterioare. Acest lucru poate fi realizat în ansamblu prin recoacere de înmuiere a oţelului. Oţelul se va încălzi la o temperatură adecvată stării gamma, urmată de o răcire lentă în izoterma până la finalizarea transformării în starea gamma – alfa, aprox. 600°C. Înmuierea depinde de viteza de răcire. Răcirea finală se poate face în aer liber. Globulizarea trebuie să se realizeze în aşa fel, încât, odată cu îmbunătăţirea prelucrabilităţii prin aşchiere, să se asigure şi o structură optimă pentru austenitizarea ulterioară în vederea călirii. Parametrii de verificare corespunzătoare acestui procedeu sunt prescrise de încercările tip Brinell.

Piesele prelucrate şi tratate termic fără succes (de exemplu cele înalt aliate), înaintea unor tratamente termice ulterioare au nevoie de recoacere. Un tratament de globulizare poate duce la modificări dimensionale şi structurale. Totodată din cauza temperaturilor înalte oţelurile au o tendinţă mare de decarburare, bazată pe tendinţa perlitei lamelare de a se globuliza fin. Pentru a evita efectul de decarburare, recoacerea se face prin încălzire la o temperatură înaltă, imediat sub punctul critic de austenitizare, cu timpi de menţinere îndelungată, apoi cu răcire lentă. Recoacerea se produce în timpul menţinerii la temperatura critica, prin echilibrarea structurii aliate sau călite parţial. Această procedură este în mod evident mai scumpă decât globulizarea.

2. Normalizarea

Normalizarea este tratamentul termic care constă în încălzirea oţelurilor pentru austenitizare la temperaturi care depăşesc punctul critic, urmată de răcire directă în aer liber sau ventilat. În cazul oţelurilor nealiniate sau slab aliate creează un echilibru cu o structură mult mai fină ca la recoacere. Prin normalizare se îmbunătăţesc în mod simţitor caracteristicile mecanice ale oţelului cum sunt limita de curgere, rezistenţa de rupere la tracţiune, alungirea relativă gâtuirea şi rezilienta cât şi caracteristicile mecanice. Proprietăţile materialelor sunt definite de compoziţia chimică a acestora. Greutăţile pe compoziţie chimică, individual, pot fi considerate identice. În timpul proceselor de fabricaţie, punctele critice de topire pot fi foarte diferite. Din această cauză, individual piesele nu prezintă aceeaşi structură şi proprietăţi. În cazul în care se supune unui tratament de austenitizare, şi la o răcire constantă structura va deveni identică, proprietăţile devenind identice. Echilibrul din structura, şi nu în ultimul rând structura fină creată poate fi foarte benefică în procesul de normalizare. Tratamentul termic de normalizare este mai ieftină decât cel de recoacere, deoarece are un ciclu mai scurt şi se execută mai uşor. În cazul tratamentelor prin inducţie, pe considerentul microstructurii oţelului şi a caracteristicilor magnetului se foloseşte maleabilizarea. Atunci când cererile sunt mai modeste, acesta se poate înlocui cu o normalizare.

3. Tratamente termice de detensionare

Datorită prelucrărilor anterioare în material pot apărea tensiuni interne reziduale. Acestea pot fi dăunătoare din două aspecte. În primul rând se adaugă la tensiunile cauzate din fabricaţie, reducând astfel capacitatea de încărcare şi durata de viaţă, pe de altă parte, la o funcţionare pe durata lungă, se adaugă la tensiunile interne, care se elimină prin procesul de relaxare pe durata exploatării, ceea ce poate duce la modificări de forma şi apariţia defectelor. Prin urmare este oportun relaxarea tensiunilor interne prin tratamente termice de detensionare.

Regulă de baza la alegerea temperaturii de detensionare este ca ea să nu depăşească valoarea critică la care poate apărea efecte nefavorabile. În consecinţă pentru produse turnate şi structuri sudate poate fi utilizată o temperatură de până la 650° C-680° C, iar în cazul materialelor aliate nu se poate depăşi temperatura de călire. Piesele formate la rece încep să se înmoaie pe la aprox. 250° C, deci acesta se poate considera temperatura limită.

4. Ameliorarea

Tratamentul termic de ameliorare (călire – revenire) este un proces complex, compus din călire şi relaxare. Scopul este de a obţine o structură cu granulaţie fină, aşa numita structură sferoidală. Acesta se realizează prin descompunerea structurii călite în timpul revenirii. Cu cât temperatura de revenire este mai înaltă şi timpul de menţinere mai lung cu atât procesul de descompunere este mai precisă. Urmare a creşterii temperaturii de revenire scade duritatea şi rezistenţa totodată creşte tenacitatea şi ductilitatea materialului. În cele din urmă, prin creşterea temperaturii se poate obţine o anulare complectă a efectelor survenite în urma călirii, şi se revine la starea de recoacere. În cazul oţelurilor de o anumită calitate (compoziţie chimică) parametri se stabilesc anterior pentru a obţine la final tenacitatea şi ductilitatea necesară. Deci, pentru rezolvarea problemei este necesară o optimizare complexă.

Călirea constă în încălzirea materialului până la domeniul austenitizării, şi răcire ulterioară. Temperatura şi timpul optim de încălzire, cât şi viteza de răcire se stabilesc funcţie de calitatea oţelului, forma şi dimensiunile produsului. Scopul este de a obţine o structură cât mai fină şi mai omogenă. Din această structură se poate obţine ulterior o structură foarte fină, martensitică cu o duritate foarte mare. Prin revenire va rezulta o structură sferoidală foarte avantajoasă. Cerinţele prezentate mai sus sunt în contradicţie, deoarece austenita devine cu atât mai omogenă cu cât temperatura de încălzirea este mai mare. Totodată, prin încălzirea materialelor la temperaturi înalte apare fenomenul de creştere a grăunţilor. Pentru a se obţine structura dorită, parametrii procedeului se vor optimiza individual, în funcţie de viteza de răcire aplicabilă. Viteza de răcire este un parametru important, optimizat după caz (răcire treptată pe etape). Cu cât viteza de răcire este mai mare, cu atât au loc transformări martensitice pe zone tot mai adânci din produsul care se căleşte. Totodată, datorită vitezei de răcire mari, creşte şi riscul apariţiei fisurilor. Evident că temperatura de răcire trebuie să se situeze sub limita valorilor critice care pot cauza fisuri.Tehnologia elaborată pentru călire este funcţie de suma a multor parametrii, în funcţie de calitatea oţelului, forma şi dimensiunile produsului.Respectarea strictă a tehnologiei testate poate oferi calitatea dorită şi prevenirea fisurilor şi defectelor ulterioare.

Prin corelarea adecvată a parametrilor tehnologici se poate obţine o revenire adecvată a pieselor călite. Luând în considerare duritatea şi ductilitate dorită se determina temperatura şi durata încălzirii. În cazul în care procesul de călire nu a fost corespunzător, indiferent de revenirea aplicată nu se va ajunge la rezultatele dorite, deoarece nici o metodă de revenire nu poate oferi valorile dorite de rezistenţă şi ductilitate simultan. Prin urmare, doar piesele călite cu o tehnologie corespunzătoare pot fi supuse unei reveniri. Este posibil ca în cazul unor cerinţe foarte stricte, chiar dacă călirea a fost efectuată în parametrii optimi, totuşi revenirea să nu aibe rezultatele scontate.

5. Tratamente termice de suprafaţă

Scopul tratamentului termic de suprafaţa este in general protecţia uzurii sculelor, astfel încât, caracteristicile materialului de bază să fie rezistente la rupere. Tratamentul termic de suprafaţa are două principii de bază. Una dintre metode ar fi un tratament termic, în cursul căreia nu se schimbă compoziţia chimică doar structura materialului. În acest caz, printr-un tratament de ameliorare se asigura o rezistenţă la rupere a materialului, iar suprafaţa va fi supus local unui tratament austenitizare şi călire. Procedeele de călire de suprafaţă sunt diverse: călire prin flacără, prin inducţie, cu fascicol de electroni, cu laser etc. Cel mai uzual este călirea prin inducţie. A doua metodă este tratamentul termochimic. În acest caz suprafaţa piesei este îmbogăţită cu anumite elemente de aliere prin difuzie. Astfel, materialul de bază şi scoarţa piesei va avea compoziţie chimică diferită. Cele mai uzuale metode in acest caz sunt tratamentul termic cu carbon aplicat, adică cementarea, sau cu azot aplicat adică nitrurarea.

» Cerere ofertă «

In sus

Site-uri similare

• Materialelor
• Relevant standards