Universitatea din Craiova [308141]

ȘCOALA DOCTORALĂ INTERDISCIPLINARĂ

Facultatea:

Ing. Ion POPESCU

TEZĂ DE DOCTORAT

Conducător științific

Prof.dr.ing. Vasile VASILESCU

BRAȘOV, 20…..

Ing. Ion POPESCU

TEZĂ DE DOCTORAT

TITLU (română): …………………………………………………………………………..

TITLU (engleză): …………………………………………………………………………..

Domeniul de doctorat:…………………………………………………………

Comisia de analiză a tezei:

Prof.dr.ing. ……………………….. Președinte, Universitatea Transilvania din Brașov

Prof.dr.ing. …………………………. [anonimizat].dr.ing. ……………………….. [anonimizat]/Instituția……………………..

Prof.dr.ing. ……………………….. [anonimizat]/ Instituția……………………..

Prof.dr.ing. ……………………….. [anonimizat]/ Instituția……………………..

CUPRINS

CAPITOLUL I

[anonimizat]. Generalități

Sunt cunoscute drept oțeluri inoxidabile aliajele Fe-C-Cr, care au o concentrație de cel puțin 12% crom și de carbon întro participare de sub 0,1% C.

Prin conținutul de 12% Cr se conferă oțelurilor proprietatea de a se acoperi de un strat pasiv în cele mai multe medii (aer, apă, acizi, atmosferă industrială ș.a) făcîndu-[anonimizat]. [anonimizat], dens, [anonimizat]-l face rezistent la acțiunea unui mare număr de medii agresive.

[anonimizat], adăugînd aliajelor Fe-C-Cr elemente de aliere: nichel, molibden, cupru, mangan, titan, niobiu, siliciu, bor, aluminiu, azot ș.a.

Adăugarea acestor elemente de aliere crează o [anonimizat] a proprietăților tehnologice.

Oțelurile inoxidabile au o compoziție chimică mai specială:

Elemente de structură: carbonul, cromul, nichelul, manganul și azotul;

Elemente anticorozive: în special cromul a [anonimizat];

Impurități: [anonimizat].

Pe lîngă rezistența la coroziune(inoxidabilitate, comună tuturor) oțelurile inoxidabile înalt aliate au și proprietăți tehnologice și de utilizare.:

– [anonimizat]

– Deformabilitatea

– Sudabilitatea

– Prețul

1.2. Oțeluri inoxidabile și refractare. Mărci și compoziții

Sunt cunoscute trei mari familii de oțeluri inoxidabile: Martensitice, Feritice, Austenitice

OȚELURI INOXIDABILE MARTENSITICE

Se caracterizează prin conținut ridicat în crom 12…..17% [anonimizat] 0,1%. Se împart în 4 grupe:

– Grupa M1- oțeluri martensitice cu conținutul scăzut de carbon 0,15%C și 12…14% Cr,

– Grupa M2- oțeluri martensitice cu conținut mediu în carbon (0,2….0,4% C)

– Grupa M3- [anonimizat] (0,6..1%C) și (14… 16% Cr).

– Grupa M4- oțelurile martensitice cu conținut redus în carbon și avînd ca elemente de aliere cromul și nichelul se carcaterizează prin 0,1% C, 16….20% Cr și 2….4%Ni.

Tabel 1.2.1. Familii de oțeluri inoxidabile martensitice

Tabel 1.2.2. Oțeluri inoxidabile martensitice

OȚELURI INOXIDABILE FERITICE

Conțin 0,10% ….0,35% C și 15…..30% Cr. Fiind oțeluri monofazice nu există transformări structurale la încălzire și răcire. Sunt stabilite două grupe de oțeluri feritice, notate F1 și F2 în funcție de conținutul de carbon și crom.

Tabel 1.2.3. Familii de oțeluri inoxidabile feritice

Tabel 1.2.4 Oțeluri inoxidabile feritice

OȚELURI INOXIDABILE AUSTENITICE

Se caracterizează prin conținut scăzut de Carbon, C<0,1% și un conținut de 12…25% Cr și 8….30% Ni. Sunt o categorie de oțeluri inoxidabile cu performanțe deosebite, dar și costurile sunt foarte ridicate.

În funcție de elementele de aliere oțelurile inoxidabile austenitice se împart în mai multe grupe:

Oțeluri austenitice crom-nichel, Cr-Ni

Acestea au un conținut foarte scăzut de carbon și un raport 18-8% de crom-nichel. Sunt realizate și alte oțeluri inoxidabile austenitice în funcție de raportul crom-nichel: 12-12;18-12,; 18-10; 20-12; 25-12; 25-20.

Oțeluri austenitice crom-nichel-molibden, Cr-Ni-Mo

La această grupă de oțeluri, carbonul are concentrație foarte redusă C<0,03%. Pentru a ridica rezistența la coroziune în medii de acid sulfuric sau cloruri se adaugă oțelurilor 18-8 într-o concentrație de 2…4% Mo.

Oțeluri austenitice Cr-Ni-Mn-N

Prin adaosul de Mn în oțelurile pe bază cu crom se modifică viteza de răcire. Azotul în aceste oțeluri ameliorează proprietățile mecanice. Acesta poate fi un înlocuitor complementar al nichelului în scăderea costurilor.

Tabel 1.2.5.Principalele oțeluri inoxidabile austenitice

PRINCIPALELE TIPURI DE OȚELURI REFRACTARE

Această grupă de oțeluri se împarte în 3 categorii: martensitice, feritice și austenitice:

Oțeluri refractare martensitice

Ele se caracterizează prin conținutul de crom de 5…22% la care se adaugă aluminiu și molibden Cr-Al-Mo, nichel și siliciu Cr-Si-Ni sau molibden și siliciu Cr-Mo-Si. Prin alierea cu aluminiu acestor oțeluri le crește rezistența la oxidare.

Tabel 1.2.6.Oțeluri refractare martensitice

Oțeluri refractare feritice

Această grupă de oțeluri se caracterizează printr-un conținut ridicat în crom cuprins între 17…30%, iar ca elemente de aliere mai intră siliciu și aluminiu. Aceste oțeluri au o comportare foarte bună la oxidarea în medii sulfuroase, dar și în aer în intervalul 1073…1173K.

Tabel 1.2.7.Oțeluri refractare feritice

Structuri ale oțelurilor inoxidabile și refractare

Influența cromului – Modificări structurale

Cu o participare de minimum 12% Cromul este elementul principal de aliere pentru toate tipurile de oțel inoxidabil.

Figura 1.3.1 Diagrama de echilibru Fe-Cr

Structura oțelurilor inoxidabile modificată în funcție de conținutul de crom și carbon este prezerntată în figura următoare:

Figura 1.3.2. Modificarea structurii oțelurilor în funcție de % Cr și % C

zona I- oțeluri feritice; zona II- oțeluri semiferitice; zona III- oțeluri hipoeutectoide, zona IV – oțeluri; zona V- oțeluri ledeburitice

Călibilitatea oțelurilor inoxidabile este influențată de conținutul de crom și carbon care schimbă viteza de călire critică.

Figura 1.3.3. Influența cromului asupra vitezei de răcire a oțelurilor

Figura 1.3.4. Influența cromului și carbonului asupra vitezei de răcire

Odată cu creșterea conținutului de carbon și crom se mărește și călibilitatea oțelului. În cazul în care carbonul se păstrează în concentrație constantă și variabil va fi doar cromul, călibilitatea devine tot mai mare.

Figura 1.3.5. Influența cromului asupra călibilității oțelului

Deasemenea creșterea conținutului de crom în oțelurile inoxidabile aliate determină și o comportare mai bună a acestora la coroziune.

Figura 1.3. 6. Influența cromului asupra vitezei de coroziune a oțelului

1.3.1. Influența nichelului

În oțelurile inoxidabile nichelul are o participare de minim 8% pentru cele austenitice, crom-nichel sau de 4-6 %, crom mangan-azot nichel și de maximum 4% în oțelurile martensitice sau martensitice feritice.

Figura 1.3.7. Diagrama de echilibru Fe-Ni

În condițiile în care carbonul are o concentrație constantă de 0,1% ,iar conținutul de crom și nichel este variabil pot apărea la răcire rapidă structuri diferite.

Figura 1.3.8. Diagrama structurală a oțelurilor aliate cu nichel, răcire lentă

P= perlită, M=martensită, A= austenită, G=grafit

Figura 1.3.9. Secțiune prin diagrama ternară Fe-Ni-Cr la concentrații de 0,1%

Călibilitatea oțelului este influențată de creșterea concentrației de nichel, mai ales la oțelurile inoxidabile martensitice.

Figura 1.3.10. Influența nichelului asupra călibilității oțelului

Odată cu creșterea participării nichelului, coboară temperatura de călire a oțelurilor inoxidabile cu 19%Cr.

Figura 1.3.11. Influența nichelului asupra temperaturii de călire a oțelurilor inoxidabile Cr-Ni

Proprietățile mecanice ale oțelului sunt inflențate de participarea nichelului, datorită modificărilor pe care le produce la revenire și în scăderea durității.

Figura 1.3.12. Influența nichelului asupra caracteristicilor mecanice ale oțelurilor

1.3.3. Influența maganului și azotului

Pentru a se diminua costurile ridicate ale nichelului în oțelurile Cr-Ni, există posibilitatea de înlocuire cu alte elemente, respectiv mangan și azot.

Călibilitatea oțelurilor este modificată foarte mult de participarea manganului.

Figura1.3.13. Influența manganului asupra călibilității oțelului

Oțelurile Cr-Mn, Cr-Mn-Ni și Cr-Mn-Ni-N vor avea proprietăți mecanice care depind de noua structură și de prelucrarea termică.

Și adaosurile de azot contribuie în oțelurile Cr-Mn_Ni la modificarea structurii și implicit la modificarea proprietăților mecanice.

Figura 1.3.14. Influența maganului și azotului asupra proprietăților mecanice ale oțelurilor Cr-Ni

Domenii de utilizare

1.4.1 Domenii de utilizare ale familiilor de oțeluri

Tabel 1.4.1.Oțeluri inoxidabile martensitice

Tabel 1.4.2.Oțeluri inoxidabile feritice

1.4.2. Mărci de oțeluri și domenii de utilizare

– Oțeluri pentru utilizări curente

– Oțeluri pentru utilizări speciale

– Oțeluri destinate pentru temperaturi joase și ridicate

– Oțeluri destinate fabricării materialelor de adaos și încărcare prin sudare

1.4.1. Oțeluri inoxidabile și refractare pentru utilizări curente

Domeniul de temperaturi la care se întrebuințează oțelurile din această clasă variază între + 200C ( – 200C în cazul oțelurilor austenitice) și + 2000C, iar conținuturile lor de crom sunt cuprinse între 12 și 20 %.

Tabel 1.4.3. Mărci de oțeluri inoxidabile pentru utilizări curente

La utilizări curente a oțelurile refractare, menționăm că natura atmosferei și a mediilor agresive, prezența impuritățiilor, variațiile de temperatură sau a intensității acțiunii corosive pot modifica sensibil comportarea. Aceste mărci de oțel rezistă la oxidare și la coroziunea gazelor calde fiind utilizate la temperaturi care depășesc 3000C. Într-un alt tip de atmosferă, temperaturile limită trebuie modificate în felul următor:

diminuarea cu 150…2000C pentru oțelurile care conțin nichel, dacă gazele arse conțin sulf;

diminuarea cu cca. 1000C în prezența gazelor reducătoare;

diminuarea cu 250…4000C în prezența gazelor reducătoare sulfuroase.

Tabel 1.4.4. Mărci de oțeluri refractare pentru utilizări curente

1.4.2. Oțelurile inoxidabile și refractare pentru utilizări speciale

Mărcile de oțel inoxidabil pentru utilizări speciale la temperatură normală

a.Mărcile de oțel pentru prelucrări prin deformare plastică

Au fost grupate toate mărcile de oțeluri inoxidabile care pot fi prelucrate prin operații de deformare plastică la rece ca: extrudere, ambutisare, ștanțare.

Tabel 1.4.5. Mărcile de oțel pentru prelucrări prin deformare plastică la rece

b.Mărcile de oțel pentru fabricarea de tacâmuri.

Sunt mărcile de oțeluri inoxidabile destinate fabricării furculițelor, lingurițelor, lingurilor și lamelor de cuțit, precum și obiectelor de uz casnic ( crătiți, oale, tăvi, fructiere, etc.)

Tabel 1.4.6. Mărcile de oțel pentru fabricarea de tacâmuri.

Mărcile de oțel pentru rulmenți și scule.

Pentru fabricarea inelelor, bilelor, rolelor și acelor de rulmenți care lucrează în medii corosive și o marcă de oțel utilizată la fabricația de scule și piese rezistente la uzură ( scule tăietoare, cuțite profesionale, poansoane, brice, etc.)

Tabel 1.4.7. Mărcile de oțel pentru rulmenți și scule.

d. Mărcile de oțel cu caracteristici mecanice ridicate.

Sunt incluse oțelurile inoxidabile care, datorită compozițiilor chimice, prezintă caracteristici mecanice mai ridicate decât mărcile destinate utilizărilor curente, echivalente din punct de vedere al rezistenței la coroziune.

Tabel 1.4.8. Mărcile de oțel cu caracteristici mecanice ridicate.

e. Mărcile de oțel cu rezistență deosebită la coroziune.

Sunt incluse în această grupă oțelurile inoxidabile destinate utilizării în medii de lucru agresive în care utilizarea altor mărci de oțel nu dă satisfacție

Tabel 1.4.9. Mărcile de oțel cu rezistență deosebită la coroziune.

1.4.3 Mărcile de oțel inoxidabil și refractar pentru întrebuințări la temperaturi joase și ridicate

Mărcile de oțel pentru scule care lucrează la cald.

În această clasă au fost incluse mărcile de oțel inoxidabil și refractar destinate fabricării de scule ( forme și ajustări pentru turnarea sub presiune, coșuri pentru tratamente termice, berbeci de prese și ciocane, discuri perforate, grile de emailat, etc. ).

Tabel 1.4.10. Mărcile de oțel pentru scule care lucrează la cald

Mărcile de oțel pentru supape de evacuare.

Mărcile de oțel incluse în această clasă sunt destinate fabricării barelor sau sârmelor din care se confecționează supapele de evacuare pentru motoarele cu ardere internă. Se menționează, în mod expres, că mărcile de oțel din această grupă nu se utilizează la execuția inelelor de la scaunele supapelor.

Tabel 1.4.11. Mărcile de oțel pentru supape de evacuare

Mărcile de oțel pentru utilizări la temperaturi joase și foarte joase.

Compozițiile chimice ale mărcilor de oțel austenitic destinate utilizării la temperaturi criogenice.

Tabel 1.4.12. Mărcile de oțel pentru utilizări la temperaturi joase și foarte joase.

d.Mărcile de oțel rezistente la temperaturi ridicate.

Această clasă include mărcile de oțel austenitic utilizate la temperaturi care depășesc 3000C, livrate sub formă de profile și produse plate deformate la cald, blumuri și țagle pentru forjare.

Tabel 1.4.13.. Mărcile de oțel rezistente la temperaturi ridicate.

1.4.4. Mărcile de oțel inoxidabil și refractar destinate fabricării materialelor de adaos și încărcare prin sudare

În această categorie sunt cuprinse mărcile destinate electrozilor și sârmelor de sudură din oțeluri inoxidabile și refractare

Tabel.1.4.14 mărci de oțeluri destinate electrozilor și sîrmelor de sudură

CAPITOLUL 2

STADIUL ACTUAL AL CUNOȘTINȚELOR ÎN DOMENIUL OȚELURILOR INOXIDABILE ȘI REFRACTARE

2.1. Procedee de obținere. Elaborare, deformare plastică, prelucrare mecanică

Procedee de elaborare

Procedee de de afinare cu oxigen sub vid

Procedeul VOD (VACUM OXYGEN DECARBURIZATION)

Acest procedeu urmărește afinarea oțelurilor cu conținut ridicat de crom, în vid. Un inconvenient al acestui procedeu este stabilirea momentului opririi insuflării oxigenului. De obicei se ia momentul de final creșterea bruscă a temperaturii. Cromul oxidat este în jurul a 1%, iar cantitatea de carbon este foarte mică de 0,015%.

Figura 2.1. Schema de principiu a instalației pentru procedeul VOD

Procedeul RH-OB (OXYGEN BLAWING)

La finalizarea obținerii oțelului lichid în cuptor electric sau convertizor, oțelul se transferă într-o instalație RH. Se insuflă în jur de 6 m3O2/tonă de lichidși se poate coborî conținutul de C în baie pînă la 0,01%, cu o pierdere de Cr de 0,4%. Afinarea se încheie prin adaosuri de Al și Si, care dezoxidează baia și recuperează cromul. La final randamentul folosirii cromului se ridică la 98%.

Figura 2.2. Schema de principiu a instalației pentru procedeul RH-OB

Procedee de afinare la presiune normală cu oxigen diluat cu gaz inert

Din această grupă de procedee cel mai cunoscut este procedeul AOD(Argon Oxygen Decarburation). Acest procedeu urmărește diluarea oxigenului cu argon. Avantajele procedeului: obținerea la topire a unui conținut de 2% C, conținut foarte scăzut al carbonului sub 0,018% al oțelului, randament ridicat al cromului 98% pe cuptor electric și convertizor AOD. Dezavantaj: consum ridicat de argon, aproximativ 20m3/oră.

Figura 2.3. Schema amplasării instalațiilor la procedeul AOD

Alte procedee: Cuptor cu inducție în vid; Cuptor cu electrod consumabil în vid; Cuptor electric cu electrod consumabil sub zgură; Bombardament electronic.

Deformarea la cald a oțelurilor inoxidabile

Rezistența la deformare și recristalizarea

Factorii care influențează rezistența la deformare: temperatura de deformare, viteza de deformare, sistemul de cristalizare, conținutul de elemente de aliere.

Conținutul mai mare de elemente de aliere duce la o rezistență mărită a metalului și implicit o rezistență la deformare mai mare. Obținerea unui grăunte de o anumită dimensiune și omogenitatea structurală este una dintre problemele fundamentale ale laminării la cald, deoarece de dimensiunile grăunților depind proprietățile fizice, chimice și mecanice și în final calitatea oțelului.

Figura. Influența gradului și vitezei de deformare asupra rezistenței la deformare a oțelului

Prin recristalizarea din timpul prelucrării la cald se înțelege de obicei un proces termic datorită căruia se produce mărirea unui grăunte fracționat mecanic. Acest proces se produce în timpul prelucrării la cald și în intervalele dintre aceste operații.

Figura 2.4. Diagrama de recristalizare a oțelurilor inoxidabile

a – semiferitic (0,1% C); b – feritic (30%Cr); c – austenitic (18-8)

Recristalizarea are loc și în cazul deformării la rece, urmată de un tratament termic. Recristalizarea după prelucrarea la rece prin deformare este strâns legată de fenomenele de durificare.

Laminarea oțelurilor inoxidabile

La laminarea la cald se ține cont că sub 1080K toate oțelurile inoxidabile prezintă:

– conductivitate termică redusă, care impune măsuri pentru prevenirea arderii la suprafață;

– deformabilitatea maximă se realizează în cazul existenței numai a unei faze;

– structura lingourilor impune un tratament termic de omogenizare prealabil încălzirii sau o menținere de durată la temperaturi ridicate la sfîrșitul încălzirii.

Oțelurile feritice – pot fi prelucrate la cald prin forjare, laminare sau perforare.

Oțelurile austenitice – au sensibilitate la creșterea grăunților. Temperaturile de deformare sunt mai ridicate. Trebuie evitată ferita de peste 2…4% care prin diferența de plasticitate față de austenită duce la ruptură în metal.

Oțelurile martensitice – pot fi deformate la cald cu precauția unei răciri lente după laminare, pentru a se evita călirea în aer.

Figura. Succesiunea operațiilor și dotarea pentru laminarea tablelor

Forjarea oțelurilor refractare

Forjarea oțelurilor refractare se realizează cu ajutorul preselor sau ciocanelor.

Pentru forjarea oțelurilor refractare este necesară preîncălzirea matrițelor la 423…573K și folosirea lubrifianților, de obicei grafit coloidal în suspensie în ulei fără plumb sau sulf.

După forjare se face debavurarea la cald, folosind căldura înmagazinată. Se aplică apoi tratamentul termic specific fiecărui oțel:

-Revenirea – pentru oțeluri martensitice;

-Recoacerea de detensionare ( 1023….1073 K) – pentru oțeluri feritice:

-Călirea de punere în soluție – pentru oțelurile austenitice

Starea turnată sau forjată, influențează plasticitatea oțelului. Un oțel refractar austenitic ( 12,5% Cr; 15 % Ni) prezintă o plasticitate mai bună în stare turnată decât în stare forjată.

Figura. Plasticitatea oțelului refractar Figura. Plasticitatea oțelului refractar

cu 12% Cr și 15% Ni, turnat cu 12% Cr și 15 % Ni, forjat

Laminarea la cald a oțelurilor refractare realizează pe utilaje cu aceleași caracteristici ca cele folosite la oțelurile carbon cu duritate de ordinul 50…55 HRC.

Încălzirea se face la temperaturi de 1433…1523 cu o menținere de 4…5 ore și se continuă până la 1493…1513 K cu o menținere de 3…5 ore pentru uniformizarea încălzirii.

Prelucrarea la rece a oțelurilor refractare

Figura Oțeluri refractare – curbe de tracțiune

Din analiza curbelor de tracțiune rezultă că:

-oțelurile martensitice – sunt puțin ductile, cu rezistență mecanică ridicată în consecință sunt greu de prelucrat la rece;

-oțelurile feritice – au caracteristici de prelucrare la rece ca și oțelurile carbon;

-oțelurile austenitice – prezintă o ductibilitate ridicată și se pretează bine la prelucrarea la rece.

În timpul prelucrării la rece apare fenomenul de ecruisare, care poate fi favorabil sau nu prelucrării.

Coeficientul de ecruisare se determină cu relația:

n ═ σ ∕ Ԑ1

σ – tensiunea creată în material în timpul deformării

Ԑ1 – deformația reală a materialului

Ԑ1 ═ ln │ L ∕ L0 │

L – distanța dintre două repere ale epruvetei după aplicarea deformării;

L0 – distanța inițială dintre aceleași repere.

Oțelurile refractare au n ═ 0,15 – 0,25 și în consecință ecruisarea lor este limitată.

Oțelurile refractare austenitice au un coeficient de ecruisare de 0,4 – 0,5 dacă au structură stabilă și de 0,5 …0,95 dacă au structură instabilă.

Gradul de stabilitate a austenitei se apreciază prin coeficientul de stabilitate:

S ═ ENi + 2/5 ECr

Echivalentul de elemente gamagene (ENi) respectiv de elemente alfagene (ECr) se determină cu relațiile: ENi═ 30 C+30N+0,5 Mn

ECr ═ Cr +Mo+Si

Dacă S≤ 22,5 austenita devine instabilă. Poate fi transformată parțial în structuri de tip martensitic și oțelul se ecruisează.

Ecruisarea oțelurilor austenitice este influențată și de temperatura de deformare.

Dacă Ma ≥ Ms +150 ….200K atunci nu are loc transformarea austenitei în martensită indiferent de gradul de deformare aplicat.

Aprecierea compatibilității de a fi prelucrat la rece un oțel refractar austenitic se face în funcție de valorile n și S între anumite valori pentru a nu se produce ecruisarea prea puternică.

Tehnologia fabricării la rece a țevilor din oțeluri refractare

Țevile din oțel inoxidabil și refractare pot fi de 2 tipuri: integrale și cu sudură.

Țevile integrale sunt în general trase la temperatură ridicată peste 1273 folosind procedee clasice. Aceste țevi sunt livrate după finisarea la cald și decapare sau sunt finisate prin prelucrare la rece (tragere, laminare).

Țevile sudate se fabrică din benzi de tablă care sunt mulate și apoi sudate prin diverse procedee. Grosimea peretelui acestor țevi este limitată la 3,5 mm.

Țevile care se finisează prin prelucrare la rece au un diametru exterior de maxim 170 mm.

Tragerea țevilor

Țeava este trasă printr-o filieră care are sau nu în interior o mandrină.

Figura Principalele procedee de tragere a țevilor

a, cu dorn lung; b. cu dorn scurt; c. Tragere în gol

Extrudarea țevilor

Realizarea operațiilor de extrudare se face prin prese hidraulice cu presare de 350….30.000 tf.

2.2. Tratamente termice specifice oțelurilor inoxidabile și refractare

Parametrii tehnologici ai tratamentului termic

Proprietățile fizice, mecanice, chimice și tehnologice ale materialelor metalice sunt dependente de tratamentul termic aplicat. Pentru oțelurile inoxidabile, tratamentele termice prezintă o importanță deosebită, în special pentru a le conferi o mai bună rezistență la coroziune și pentru a le ameliora proprietățile mecanice și fizice. Cele mai mici greșeli în efectuarea tratamentului termic au consecințe mari, în sensul că pot compromite materialul și aceasta cu atât mai mult în cazul oțelurilor speciale.

Indiferent de tipul de tratament termic (recoacere, călire, revenire, durificare structurală, etc), trebuie aleși corect următorii parametri tehnologici:

viteza de încălzire;

temperatura și durata încălzirii;

viteza sau gradul de subrăcire,

pentru a asigura transformările structurale dorite sau pentru a diminua tensiunile interne și pentru a reface granulația materialului.

Natura materialului, tipul de tratament termic, natura mediului de încălzire sau de răcire, dimensiunile și configurația pieselor pot influența ciclul de încălzire-răcire obținându-se ciclograme specifice. Figura 2.

Pentru piese de formă simplă și fabricate din materiale cu bună conductivitate termică se recomandă ciclograma din figura 2.a., iar pentru cele de formă complexă și materiale cu slabe conductivități termice se recomandă ciclograma complexă din figura 2. b. De asemenea răcirile aplicate pot fi anizoterme figura 2, curbele 1 sau izoterme figura 2, curbele 2 sau pot avea caracter anizoterm, cu răcirea de medii refrigerente (tratament la temperaturi joase- figura 2 curba 3).

Figura 2 . Ciclograme de tratament termic al oțelurilor

Alegerea vitezei de încălzire se face în funcție de proprietățile fizice și mecanice ale materialului, respectiv în funcție de tipul de tratament termic (recoacere, călire)

υ înc ═ c∙a∙Ra ∕ β∙ E∙x [% s] ( 1)

unde: c ═ 5,6 pentru piese cilindrice și 2,3 pentru piese cu secțiune pătrată

a ═ λ ∕ cp ∙ γ coeficient de difuzibilitate termică m2 ∕ s

λ – este conductivitate termică J ∕ m ∙s ∙K

cp – căldura specifică, J ∕ kg K

γ – este conductivitate termică J ∕ m ∙s ∙K

β – coeficient de dilatație termică, m ∕ m∙K

E – modul de elasticitate, daN ∕ mm2

x – dimensiunea pieselor, m

Ra – rezistența admisibilă la rupere, daN ∕ mm2

Temperatura de încălzire se alege în funcție de natura materialului și de tipul de tratament termic aplicat.

Temperaturatura optimă de încălzire trebuie să asigure punerea în soluție a componentelor aliajului sau să activeze procesele de difuziune ale elementelor. Durata încălzirii se alege în funcție de natura materialului, dar în special în funcție de tipul tratamentului termic. Durata încălzirii are trei componente principale: încălzirea propriu-zisă, care depinde de dimensiunile pieselor și de tipul de tratament termic și durata necesară transformărilor de fază. Ca o regulă generală se admite pentru călire o durată necesară transformărilor de fază la încălzire egală cu 1…3 min, iar pentru recoacere o durată egală cu (0,3…0,5) t men în special la oțelurile aliate cu elemente care formează carburi.

Durata încălzirii propriu-zisă și durata de menținere se determină orientativ prin calcul, folosind criteriile adimensionale .

Alegerea vitezei sau a gradului de subrăcire se face în funcție de natura materialului și tipul tratamentului termic. Pentru răcirile anizotorme se recomandă în cazul recoacerilor viteza de răcire de 0,6….1/ min, iar pentru căliri viteza de răcire de 500….5000/min. Valoarea vitezei de răcire se alege de pe diagramele de transformare anizotermă a oțelului, iar gradul de subrăcire se alege de pe diagramele de transformare izotermă ale oțelului respectiv.

2.2.1. Tratamente termice specifice oțelurilor inoxidabile martensitice

Oțelurile inoxidabile martensitice se supun unei game de operații de tratament termic, ca și oțelurile obișnuite:

-recoaceri, căliri, reveniri

Recoacerea

Se aplică recoacerea completă sau incompletă în scopul prelucrabilității oțelului, dar cu scăderea durității.

Oțelurile înalte au o conductibilitate termică scăzută. Și pentru a nu se crea tensiuni interne importante, viteza de încălzire este mică, aproximativ 0,60 C/m. Este necesară menținerea la temperatura de regim (cca 5 min/mm). Răcirea se face în cuptor la cca 6000 C și apoi în aer.

Figura. Recoacerea completă a oțelurilor înoxidabile martensitice

Recoacerea incompletă

Durata de menținere este de 3-8 min/mm la temperaturi de încălzire sub A1. Răcirea se face lent în aer liniștit. Pentru oțelurile inoxidabile, recoacerile generează durități între 140-250 HB.

Figura. Recoacerea incompletă a oțelurilor inoxidabile martensitice

B . Călirea și revenirea oțelurilor inoxidabile

Călirea

Trebuie să se aibă în vedere compoziția chimică mai specială și conductivitatea termică scăzută a oțelurilor inoxidabile, drept pentru care se recomandă:

Temperaturi de încălzire cuprinse între 950-11000 C în funcție de tipul oțelului;

Încălzirea directă pînă la temperatura de austenitizare, dar cu viteză sau încălzire în trepte cu una sau două preîncălziri;

Răcirea se face în ulei încălzit la 40-900 C. Piesele complexe se răcesc în aer.

Figura. Graficul de tratament termic la călirea oțelurilor inoxidabile martensitice/147 st

Revenirea de detensionare

Se face la 150-4500 C cu o durată de 4 ore. Oferă proprietăți bune: duritate, reziliență, reziliență la coroziune.

Revenirea la temperaturi ridicate

Se face 600-7000 C cu timp de menținere de 1-4 ore și răcire în aer și ulei.

Revenirea la temperaturi înalte este specifică oțelurilor cu conținut mic de carbon. La oțelurile cu conținut ridicat de carbon este necesară aplicarea revenirii imediate pentru prevenirea fisurilor și microfisurilor.

Figura. Influența temperaturii de austenitizare asupra durității oțelurilor inoxidabile martensitice

2.2.2. Tratamente termice aplicate oțelurilor inoxidabile feritice

A. Durificarea structurală

Durificarea se obține prin precipitarea unor carburi fine de crom prin procese de încălzire și răcire.

Se poate realiza prin două procedee:

-Varianta 1: încălzire la t > 11000 C urmată de răcire în apă sau aer.

-Varianta 2: încălzire la 400-5000 C urmată de o perioadă mare de menținere și răcire ulterioară

Figura. Ciclurile termice de durificare structurală a oțelurilor inoxidabile feritice

B.Recoacerea

Pentru îmbunătățirea proprietăților tehnologice și pentru îmbunătățirea rezilienței produselor deformate plastic se aplică recoacerea de recristalizare.

Figura. Cicluri termice de recoacere de recristalizare a oțelurilor inoxidabile

Pentru grade medii de deformare

Pentru grade mari de deformare

Recoacerea constă în încălzire la 700- 9000 C cu răcire ulterioară în aer. Scopul recoacerii este înlăturarea durificării structurale. Se micșorează duritatea, dar nu crește reziliența.

2.2.3.Tratamente termice aplicate oțelurilor inoxidabile austenitice

Tratamentele termice specifice acestor oțeluri ( de tip 18-8) sunt:

– recoacerile – de detensionare și recristalizare;

– de sensibilizare la coroziune;

– călire de punere în soluție.

Recoacerea de detensionare și recristalizare

Figura Recoacerile aplicate oțelurilor inoxidabile austenitice

Recoacerile 1 și 2 se aplică oțelurilor ce lucrează în condiții severe ( medii puternic corozive și solicitări mecanice).

Recoacerile 3 și 4 conduce la creșterea limitei de elasticitate și dilatabilității dimensionale.

Recoacerea de sensibilizare

Se aplică oțelurilor inoxidabile austenitice în vederea determinării intervalului critic de temperaturi la care apare coroziunea intercristalină.

Se construiesc diagrame TTS (temperatură-timp-sensibilizare) care arată intervalul de temperaturi critice și duratele de menținere în care apare o sensibilizare mai mare la coroziunea intercristalină.

Călirea de punere în soluție

Este metoda cea mai des folosită la oțelurile Cr-Ni. Se urmărește creșterea rezistenței la coroziune și stoparea coroziunii intercristaline. Încălzirea la temperaturi înalte de 900-12000 C asigură dizolvarea fazelor precipitate, iar răcirea doar în apă împiedică precipitarea lor.

Tabel

Recomandări pentru călirea de depunere în soluție a unor oțeluri inoxidabile austenitice

Tratamente termice aplicate oțelurilor refractare

Oțelurile refractare martensitice și cele feritice vor fi supuse unor tratamente termice de recoacere în vederea prelucrabilității prin așchiere. Temperaturile de recoacere sunt cuprinse între 1023…11230 C, cu durate de menținere stabilite în funcție de compoziția chimică și grosimea materialului. Oțelurile refractare cu structură austenitică vor fi supuse unei căliri de punere în soluție, pentru a le mări în special rezistența la coroziune.

2.3. Tratamente termochimice

Nitrurarea în mediu gazos

Nitrurarea în mediu gazos se aplică pieselor și sculelor de mare varietate de formă și dimensiuni: roți dințate, arbori drepți și cotiți, diverse palete și supape. Nitrurarea se impune față de alte tratamente, prin duritate ridicată obținută, dar mai ales deformațiile mult mai reduse pe care le produce.

Pentru nitrurare se utilizează în exclusivitate amoniacul. Azotul molecular nu este folosit deoarece are un grad de disociere prea redus și nu asigură saturarea suprafeței în azot.

Nitrurarea în gaz se execută în cuptoare electrice destinate acestui scop prevăzute cu o retortă metalică din oțel refractar. Piesele cât și amoniacul se introduc în retortă, iar nitrurarea se desfășoară după o tehnologie specifică, care are ca parametri de bază gradul de disociere și debitul de gaz, temperatura și durata de încălzire.

Gradul de disociere și debitul de amoniac

amoniacul se introduce în retortă la temperatura de nitrurare, de regulă singur fiind supus reacției:

NH3→N(α) + 3/2H2 (1)

N(α) – azotul dizolvat în ferită

echilibrul metastabil al reacției (1) poate fi reprezentat prin reacția (2):

NH3→ 1/2N2+3/2H2 (2)

constanta de echilibru corespunzătoare:

(3)

aN – activitatea termodinamică a azotului în soluția α(ferită), iar pentru reacția (2) ea are valoarea:

În retorta de nitrurare se produce prima dată reacția (2) și apoi reacția (1)

Din reacția (2) se deduce presiunea parțială (cantitatea) amoniacului nedisociat (relația 5) care raportată la presiunea (cantitatea) inițială a amoniacului, se definește gradul de disociere α al amoniacului:

Formula (5)

Formula (6) [%]

Grade de disociere ale amonicului la diferite temperaturi:

Figura Influența gradului de disociere al amoniacului

Temperatura de nitrurare

Pentru nitrurare dură, în toate cazurile temperatura de nitrurare este sub cea eutectoidă, normal între 500-550 0 C.

Pentru obținerea unei durități prestabilite în stratul nitrurat trebuie să se aleagă ca principal parametru și abia după aceea ceilalți.

Figura Variația durității în limitele stratului nitrurat, în funcție de temperatura de nitrurare

Durata de nitrurare

Durata de nitrurare are rolul de a asigura difuzia azotului spre miez, influențînd în acest fel grosimea stratului nitrurat. Pe măsura creșterii duratei de nitrurare (la o temperatură dată) crește și grosimea stratului.

Figura. Variația grosimii stratului nitrurat în funcție de durata de nitrurare

Creșterea are loc, însă relativ încet deoarece difuzia azotului (și a carbonului ) în nitrura Ԑ din suprafață are loc lent:

Durata este subordonată temperaturii, față de care se află într-un raport de dependență inversă, în sensul că pentru aceeași grosime de strat, cu cât temperatura este mai înaltă, durata de nitrurare este mai redusă. Această dependență este susținută și prin următorul grafic:

Figura. Influența temperaturii de nitrurare asupra durității și duratei de nitrurare pentru un strat de 0,5 mm

Și relațiile următoare arată această dependență:

δ ═ 0,075√t500, în mm

δ ═ 0,090√t550, în mm

t500 și t550 durata de nitrurare la temperaturile 5000 C respectiv 5500 C

Pentru temperaturi între 500…5100 C viteza de nitrurare este de 0,01 mm/h la o grosime de până la 0,4mm (la grosimi mai mari viteza de nitrurare scade).

Figura Variația grosimii stratului nitrurat în funcție de durata și temperatura de nitrurare

Nitrurarea într-o singură treaptă de temperatură

Figura. a

Gradul de disociere al amoniacului este corelat cu temperatura de nitrurare:

pentru 500-5200 C →α ═ 18…25%

pentru 530-5500 C →α ═ 25…40%

Nitrurarea în două trepte de temperatură

Figura b

La treapta I gradul de disociere este α ═ 18…25%. La treapta a doua 560…5800 C gradul de disociere este adus la valori mari mari α ═ 45…60%.

Nitrurarea în trei trepte de temperatură

Figura c

Această variantă include cea cu 2 trepte, la care se adaugă a III-a care este de fapt reluarea primei trepte.

T ═ 480…5000 C și α ═ 18…25% , ciclograma devenind simetrică .

Varianta în 3 trepte de temperaturi asigură obținerea unor straturi nitrurate de mare duritate și de grosimi corespunzătoare, în condițiile unor durate de menținere rezonabile.

Figura Corelarea parametrilor temperatură-timp la nitrurarea anticorozivă

I și III straturi de rezistență slabă la coroziune

II straturi compacte, cu rezistență bună la coroziune

PRECIZĂRI (NU FAC PARTE DIN ȘABLON):

Se recomandă redactarea tezei (textului) folosind fontul UT Sans (11pt, spațiere 1 rând, aliniere tip justified, fără alineat, 6p între paragrafe).

Având în vedere caracterul divers al tezelor de doctorat, lista de notații și de abrevieri se introduc numai dacă este cazul.

Numărul de capitole nu este impus (șablonul conține doar un exemplu de numerotare).

Titlul ultimului capitol poate fi adaptat dupa caz, dar trebuie sa conțină obligatoriu contribuțiile originale.

Se recomandă o bibliografie în ordine alfabetică pentru a identifica mai ușor lucrările autorului. Se recomandă ca lucrările autorului sa fie marcate cu bold pentru evidențiere.

Penultima anexă va conține un scurt rezumat (1 pagină) al tezei: ½ pagină in limba română + ½ pagină în limba engleză.

Ultima anexă va conține un scurt CV al autorului, în limbile română și engleză (câte o pagină).

Declarația de autenticitate se completeaza de mână, se semnează în original si se anexează în teză, la sfârșitul acesteia, ca parte integrantă a tezei.