Prof. dr. ing. EUGEN CAZIMIROVICI Dr. ing. MARCEL VALERIU SUCIU

LAMINAREA MATERIALELOR METALICE SPECIALE

Partea I-a:

CONSIDERAII GENERALE PRIVIND PROCESUL TEHNOLOGIC DE LAMINARE A

OELURILOR ALIATE

Capitolul 1 Noiuni de baz referitoare la constituia i structura oelurilor aliate destinate laminrii........................................... 9

1.1. Constituia fizico-chimic a oelurilor ca aliaje fier-carbon......... 10 1.2. Delimitarea tehnologic ntre aliajele fier-carbon deformabile

(oeluri) i cele nedeformabile (fonte)........................................... 16 1.3. Efectele proprietilor i proporiei fazelor constitutive din

oeluri asupra rezistenei la deformare a acestora......................... 19 1.4. Efectele ereditare ale structurii lingourilor de oel asupra

proprietilor produselor laminate................................................. 24 1.5. Influene generale i specifice ale elementelor de

aliere din oeluri............................................................................. 27

Capitolul 2 Semifabricate i produse laminate finite din oeluri aliate...... 41 2.1. Semifabricate destinate laminrii.................................................. 42 2.2. Produse laminate plate................................................................... 43 2.3. Produse laminate lungi.................................................................. 45 2.4. Produse laminate tubulare............................................................. 48 2.5. Oeluri aliate folosite pentru laminare........................................... 52

Capitolul 3 Particularitile procesului tehnologic de laminare a oelurilor aliate........................................................................ 61

3.1. Consideraii privind comportarea la deformare a oelurilor aliate.............................................................................. 62

3.2. Caracteristici ale laminoarelor pentru laminarea oelurilor aliate............................................................................. 65

3.3. Parametrii termici i temporali ai procesului de nclzire la laminarea oelurilor aliate............................................................. 66

3.4. Parametrii tehnologici ai procesului de deformare la laminarea oelurilor aliate.............................................................................. 72

http://marcel.suciu.eu/

Partea I-a: CONSIDERAII GENERALE PRIVIND PROCESUL TEHNOLOGIC DE LAMINARE

A OELURILOR ALIATE

Capitolul 1

NOIUNI DE BAZ REFERITOARE LA CONSTITUIA I STRUCTURA OELURILOR ALIATE DESTINATE LAMINRII

Utilizarea practic a materialelor metalice implic aplicarea unor procedee tehnologice de prelucrare prin care se obine forma cerut a semifabricatelor sau a produselor finite. n cursul operaiilor tehnologice efectuate n acest scop cum sunt turnarea, laminarea, forjarea, sudarea etc., se produc modificri de constituie n materialul metalic (transformri de faz) i modificri de structur (n special n structura microscopic a fazelor, dar i n structura reticular i n macrostructura la nivelul ntregului produs). Aceste schimbri de constituie i de structur determin modificri ale proprietilor materialului metalic prelucrat.

Transformrile de faz, att cele care implic schimbarea strii de agregare i care se produc la operaia de turnare, ct i transformrile n stare solid care se produc n cursul deformrilor plastice i tratamentelor termice, se realizeaz prin deplasri ale atomilor la scara reelei cristaline, prin anumite mecanisme care determin viteza transformrii i caracteristicile mecanice i structurale ale noilor faze rezultate prin transformare. Transformrile n stare solid care au loc n constituia i structura aliajelor, deci a materialelor metalice alctuite din dou sau mai multe specii atomice numite componeni ai aliajelor, se utilizeaz pentru modificarea proprietilor produselor metalice solide (semifabricate sau produse finite). n comparaie cu transformrile de faz de la solidificarea aliajelor, transformrile fazice i structurale n faz solid se preteaz la o intervenie mult mai important n condiiile lor de desfurare. Acest fapt st la baza influenrii proprietilor materialelor metalice prin diferite procedee de deformri plastice i tratamente termice.

Proprietile mecanice, care caracterizeaz comportarea materialelor metalice sub aciunea unor fore exterioare, stau la baza celor mai importante utilizri ale acestora. n acelai timp, proprietile mecanice intervin ca proprieti tehnologice n cadrul procedeelor practice prin care se realizeaz forma produselor metalice, cum sunt laminarea, forjarea, achierea .a.

9

Modificarea proprietilor materialelor metalice supuse solicitrilor mecanice depinde de tipul legturilor interatomice, de aranjamentul structural al atomilor i de tipul i numrul imperfeciunilor din acest aranjament. Datorit acestei dependene de structur, proprietile mecanice ale metalelor i aliajelor sunt foarte sensibile la efectul procedeelor de fabricaie, ceea ce poate conduce la caracteristici variabile pentru unul i acelai material de compoziie chimic dat. Aceast dependen structural a proprietilor mecanice permite o intervenie deliberat n ajustarea valorilor lor, prin alegerea unei scheme de fabricaie a produsului metalic care s-i asigure acestuia proprietile de utilizare cele mai adecvate destinaiei. De exemplu, chiar n cazul cel mai simplu al unui aliaj monofazic de tip soluie solid, proprietile mecanice de rezisten i plasticitate pot fi modificate n limite largi intervenind n gradul de aliere al soluiei solide, n gradul de deformare plastic aplicat i n dimensiunea grunilor rezultat prin efectul combinat al prelucrrilor prin deformri plastice i al tratamentelor termice.

1.1. CONSTITUIA FIZICO-CHIMIC A OELURILOR CA ALIAJE FIER CARBON

Fiind dat compoziia chimic a unui aliaj, diagrama de echilibru fazic indic, pentru orice temperatur, constituia fizico-chimic a aliajului, adic natura fazelor care l alctuiesc, compoziia acestor faze i proporia lor. n cazul n care diagrama de echilibru fazic a sistemului de aliaje conine amestecuri mecanice de cristale de faze diferite (eutectice sau eutectoide), noiunile de faz i constituent metalografic devin distincte. n acest caz poziia compoziiei aliajului pe diagrama de echilibru fazic a sistemului permite determinarea naturii i proporiei constituenilor aliajului.

Constituia aliajelor, stabilit pe baza diagramei de echilibru fazic, permite o serie de deducii privind proprietile acestora, n special proprietile mecanice. Aceste indicaii date de diagrama de echilibru fazic trebuiesc completate cu informaii privind structura aliajelor ntruct n determinarea proprietilor acestora intervine cu o pondere considerabil i structura (perfeciunea reelei cristaline, structura microscopic i macroscopic). n afar de acest interes major pe care l prezint diagramele de echilibru fazic privind determinarea constituiei aliajelor, informaiile furnizate de diagramele de echilibru fazic indic temperaturile la care se produc modificrile de constituie sau transformrile de faz care stau la baza proceselor de deformare plastic i tratament termic.

Cele mai importante aliaje tehnice, din punct de vedere al cantitii produse i al varietii de utilizri, sunt aliajele fierului cu carbonul (oelurile i fontele). Aliajele fierului cu alte elemente reprezint o categorie de materiale produse n cantiti mai mici dect aliajele fier-carbon, ns majoritatea dintre acestea sunt destinate unor utilizri speciale importante.

Oelurile i fontele sunt considerate aliaje fier-carbon, dei procesele tehnologice utilizate industrial pentru obinerea lor introduc n compoziie

10

numeroase elemente cum sunt sulful, fosforul, manganul, siliciul, oxigenul, azotul, hidrogenul i altele, denumite elemente nsoitoare. Sulful i fosforul sunt impuriti provenite din minereu i din cocs, manganul este introdus la elaborare n principal pentru a contracara efectele duntoare ale sulfului, siliciul este introdus pentru aciunea sa dezoxidant. Alte elemente ca, de exemplu, nichelul i cuprul apar ca elemente reziduale introduse cu fierul vechi utilizat la elaborarea oelului. Numeroase elemente (Cr, Mo, V, Ni, Cu, Mn, Si etc.) sunt introduse intenionat n compoziia aliajelor fier-carbon pentru a influena proprietile materialului n sensul dorit. Rezult c oelurile i fontele, chiar nealiate, nu sunt aliaje binare fier-carbon ci aliaje complexe. Cu toate acestea, influena impuritilor normale i a elementelor de aliere (n afar de cazul cnd concentraia lor este considerabil) este constant i relativ mic asupra constituiei i structurii de echilibru a aliajelor fier-carbon. Din aceste considerente diagrama de echilibru fazic a sistemului binar fier-carbon este utilizat pentru interpretarea constituiei, structurii i proprietilor oelurilor i fontelor nealiate; chiar i pentru oelurile i fontele aliate aceast diagram a sistemului binar ofer punctul de plecare pentru interpretarea constituiei, structurii i a comportrii la deformare plastic i la tratament termic.

1.1.1. Proprietile fierului tehnic pur

Fierul de puritate tehnic conine aceleai elemente nsoitoare ca i oelurile (tabelul 1.1), dar n proporii considerabil mai mici, ca rezultat al aplicrii unor metode de rafinare dup reducerea oxizilor: rafinare electrolitic, oxidare selectiv n stare lichid, recoacere sau retopire n vid naintat, topire zonar.

Tabelul 1.1 Varieti tehnice de fier pur

Nr. crt. Denumire

Coninut de impuriti, % C Si Mn P S O2

1 Fier pudlat 0,02 0,15 0,03 0,12 0,02 zgur 3,00 2 Fier Armco 0,015 0,01 0,02 0,01 0,02 0,15 3 Fier carbonil 0,010 urme - urme 0,004 0,5 4 Fier electrolitic 0,008 0,007 0,002 0,006 0,003 - 5 Fier retopit sub vid 0,001 0,003 - 0,0005 0,0026 0,0004

6 Fier purificat prin topire zonar suma impuritilor este de ordinul ppm (1 ppm = o parte per milion = 0,0001%)

Fierul pudlat este un amestec intim de fier relativ pur i zgur; n prezent nu mai prezint dect un interes istoric. Fierul Armco (denumire prescurtat de la primul productor American Rolling Mill Company) se utilizeaz n electrotehnic ca material cu permeabilitate magnetic mare i pentru elaborarea anumitor oeluri speciale.

11

Fierul Armco are o structur constituit n totalitate din poliedri fr macle (tipic pentru metalele cu reea CVC); din acest punct de vedere se deosebete de oelurile moi la care coninutul de carbon depete valoarea de 0,02%C i, ca urmare, n structur pe lng poliedrii de ferit apar mici cantiti de eutectoid.

Fierul carbonil obinut n stare pulverulent prin descompunerea termic a unui compus - pentacarbonilul de fier, Fe (CO)5 - se utilizeaz n metalurgia pulberilor; sinterizarea pieselor n atmosfer de hidrogen sau vid contribuie la micorarea n continuare a coninutului de carbon, sulf, oxigen, azot din particulele de fier.

Fierul electrolitic se obine n cantiti mici pentru utilizri n electrotehnic.

Fierul purificat prin topire zonar este destinat numai pentru cercetri tiinifice, nefiind utilizat tehnic.

Fierul pur (99,9899,99%) are punctul de topire la temperatura de 1538C. La nclzire i la rcire fierul sufer o serie de transformri reversibile. Transformrile alotropice la temperatura de 912C i la temperatura de 1392C, reprezint particulariti ale fierului, nentlnite la alte metale, care se explic prin variaia cu temperatura a energiei libere a fierului i cu reea cristalin CVC i a fierului cu reea cristalin CFC. Principala deosebire ntre fierul cu reea CFC i fierul sau cu reea CVC este capacitatea mult mai mare a fierului de a dizolva carbonul n interstiiile reelei cristaline. n cazul aliajelor fierului, elementele de aliere care stabilizeaz reeaua CVC a fierului produc, peste un anumit coninut, eliminarea soluiei solide i contopirea soluiilor solide i cu reele CVC.

Caracteristicile mecanice i fizice ale fierului tehnic pur sunt prezentate n tabelul 1.2.

Proprietile mecanice, fiind sensibile la structur, variaz cu dimensiunile grunilor cristalini i cu puritatea; pentru fierul Armco aceste proprieti variaz ntre urmtoarele limite:

- limita de elasticitate: 80130 MPa; - rezistena la rupere: 150220 MPa; - alungirea la rupere: 40 50%.

Constantele de elasticitate sunt insensibile la structur, dar prezint o pronunat anizotropie n monocristale, anizotropie care se transmite i materialului policristalin texturat.

Modulul de elasticitate longitudinal are urmtoarele valori: - E = 135 000 MPa n direcia ; -

E = 290 000 MPa n direcia ; -

E = 216 000 MPa n direcia ; Rezistena la coroziune a fierului este dat de poziia acestuia n seria

potenialelor normale de electrod; fa de hidrogen, fierul prezint o poziie anodic (potenial de + 0,42 V) fiind mai nobil ca zincul, dar mai puin nobil dect cuprul. Rezult c fierul se corodeaz n ap i n medii acide. n medii puternic oxidante (de exemplu HNO3 concentrat) fierul se pasivizeaz datorit

12

formrii unei pelicule de oxid. O pasivizare durabil se obine chiar n medii cu coninut sczut de oxigen dac fierul este aliat cu elemente care formeaz oxizi protectori ca de exemplu cromul; acest fenomen st la baza obinerii i utilizrii oelurilor inoxidabile.

Tabelul 1.2 Caracteristicile mecanice i fizice ale fierului

Nr. crt. Proprietate Valoare

Unitate de msur

1 Rezistena la rupere la traciune 180290 MPa 2 Limita de elasticitate 100170 MPa 3 Alungirea la rupere la traciune 4050 % 4 Striciunea 7080 % 5 Duritatea Brinell 4555 HB 6 Modulul de elasticitate 210 000 MPa 7 Greutatea atomic 55,85 g/atom g 8 Volumul atomic 7,1 cm3/atom g

9

Parametrul reelei cristaline aFe la ~ 910C aFe la 1 425C aFe la 950C

2,866 2,94 3,656

10 Greutatea specific la 20C 7,87 g/cm3 11 Punctul de topire 1 538 C

12 Cldura specific

pentru Fe (ntre 20 i 700C) pentru Fe (ntre 25 i 1 500C)

0,10750,23 0,1220,71

cal/g C cal/g C

13 Cldura latent de topire 64,9 cal/g

14 Coeficientul de dilatare liniar

pentru Fe (ntre 100 i 600C) pentru Fe (ntre 900 i 1 100C)

10-6 x (12,616) ~ 10-6 x 23,4

(C)-1 (C)-1

15 Conductibilitatea termic (ntre 0 i 800C)

0,180,07

cal/cm C sec

16 Rezistivitatea electric (ntre 0 i 900C)

9,811,4

ohm cm 17 Punctul Curie 770 C

1.1.2. Proprietile i influena carbonului ca element de aliere n oeluri

Carbonul, ca element de aliere n fier, poate s formeze cu metalul de baz urmtoarele faze:

- soluii solide rezultate prin dizolvarea atomilor de carbon n interstiiile reelei fierului;

- cristale de carbon elementar (grafit); - compui intermetalici (carburi de fier).

13

Carbonul liber sub form de grafit nu apare dect n aliajele industriale ale fierului relativ bogate n carbon (fonte). Temperatura de topire a grafitului nu este cunoscut, dar este n orice caz foarte ridicat, ntruct peste 4 200C se produce sublimarea.

Reeaua cristalin a grafitului este hexagonal simpl; straturile atomice

Fig. 1.1. Amplasarea duritii diverselor materiale i compararea scrilor

de duritate

compacte ale reelei hexagonale sunt legate prin fore slabe de tip van der Waals, astfel nct alunecarea ntre straturi este uoar, ceea ce confer grafitului caracteristici foarte sczute de rezisten mecanic (aa cum rezult din amplasarea grafitului la limita inferioar a scrii duritilor materialelor fig.1.1). Proprietile mecanice intrinseci foarte sczute ale grafitului se manifest ca atare n cristalele de grafit care apar n constituia aliajelor feroase.

Dintre carburile de fier, singura care poate coexista n echilibru (un echilibru metastabil i nu un echilibru termodinamic) cu soluiile solide interstiiale ale carbonului n fier este carbura cristalizat n sistemul ortorombic Fe3C sau cementita. Alte carburi cu reele cristaline i formule diferite (ca de exemplu carbura epsilon Fe2C cristalizat n sistemul hexagonal), apar numai n urma anumitor tratamente termice n oeluri, n stare n afar de echilibru i se transform n cementit la temperaturi mai mari de 300C.

Cementita are o structur cristalin complex i prezint unele componente nemetalice n legturile interatomice. Din aceast cauz cementita se caracterizeaz prin duritate foarte ridicat (de circa 800 HB), rezisten neglijabil la solicitarea mecanic de traciune i absena total a proprietilor de plasticitate.

1.1.3. Fazele constitutive din oeluri

Soluiile solide din sistemul fier-carbon se formeaz prin dizolvarea carbonului n interstiiile reelei fierului. Dimensiunea diferit a interstiiilor n reeaua cristalin CFC a fierului fa de cea din reeaua CVC a fierului (respectiv a fierului ) are ca efect o solubilizare diferit a carbonului n solvent.

14

Distorsiunea reelei solventului este considerabil mai mare la dizolvarea carbonului n fierul cu reea CVC (fier , fier ) dect n fierul cu reea CFC (fier ). Consecina este solubilitatea limitat a carbonului, considerabil mai mic n fier i fier (0,02%, respectiv 0,1%) dect n fier (2%).

Lund n considerare cele dou forme sub care poate apare carbonul n aliajele fierului cu carbonul, rezult c diagrama de echilibru fazic a sistemului

fier-carbon se prezint sub dou aspecte: - diagrama fier-cementit (diagrama metastabil); - diagrama fier-grafit (diagrama stabil).

n figura 1.2 sunt reprezentate ambele aspecte ale diagramei de echilibru fazic ale sistemului fier-carbon. Se remarc o uoar deplasare a liniilor sistemului metastabil spre coninuturi mai mari de carbon i spre temperaturi mai joase. Pentru exemplificare, n figura 1.2 au fost indicai numai constituenii din sistemul stabil fier-cementit, subnelegndu-se c n sistemul stabil fier-grafit se formeaz constitueni analogi n care ns faza cementit este nlocuit prin faza grafit.

Fig. 1.2. Diagrama de echilibru fazic a sistemului fier-carbon

Diferena ntre caracterul stabil i metastabil al sistemului de aliaje fier-carbon este relativ. Gradul de stabilitate este influenat de numeroi factori, n special temperatura i elementele de aliere.

n cazul aliajelor fier-carbon cu coninuturi de carbon sub 2% (oeluri) forma stabil a carbonului, grafitul, nu apare dect n mod excepional n prezena unor anumite elemente de aliere. Din motive de cinetic de reacie cementita (Fe3C), dei instabil termodinamic, se menine n oeluri n echilibru

15

metastabil fr a se descompune n grafit. Rezult c pentru oeluri constituia este descris de diagrama de echilibru fazic metastabil Fe-Fe3C.

n cazul aliajelor fier-carbon cu coninuturi de carbon mai mari de 2% (fonte) constituia poate fi determinat att de sistemul stabil ct i de sistemul metastabil. Apariia carbonului sub form de grafit sau sub form de cementit este puternic dependent n acest caz de viteza de rcire i de elementele de aliere, care pot avea efect grafitizant favoriznd reacia de descompunere a cementitei (Fe3C C + 3Fe),sau pot avea efect antigrafitizant frnnd aceast reacie.

Utilizarea tehnic a diagramei de echilibru fazic a sistemului fier-carbon a creat o terminologie special pentru descrierea fazelor, a constituenilor i a transformrilor de faz. Denumirile speciale care au fost date fazelor i constituenilor din diagrama metastabil de echilibru fazic (v. fig. 1.2) sunt urmtoarele:

- ferita alfa (F sau ) = soluia solid a carbonului n fierul ; - ferita delta (F sau ) = soluia solid a carbonului n fierul ; - austenita (A sau ) = soluia solid a carbonului n fierul ; - cementita (Fe3C sau Cem) = carbura de fier ortorombic Fe3C ; - perlita (P) = eutectoidul constituit din ferit i cementit ; - ledeburit (Led) = eutecticul constituit din austenit i cementit ; - ledeburit transformat (Ledtr) = eutecticul constituit din cementit

i perlita rezultat din descompunerea austenitei. Notaiile cu literele alfabetului din figura 1.2 permit identificarea liniilor

de transformare fazic ale diagramei de echilibru fazic; notaiile cu indicele prim (tabelul 1.3) se refer la acele linii de transformare fazic care apar deplasate n diagrama de echilibru stabil fier-grafit n raport cu diagrama de echilibru metastabil fier-cementit.

1.2. DELIMITAREA TEHNOLOGIC NTRE ALIAJELE FIER-CARBON DEFORMABILE (OELURI) I

CELE NEDEFORMABILE (FONTE)

Examinnd figura 1.2 se observ c, sub ambele aspecte, diagrama de echilibru fazic a sistemului fier-carbon se prezint ca o diagram cu solubilitate nelimitat n stare lichid. n stare solid sistemul prezint un eutectic ntre soluia solid pe baz de fier i faza bogat n carbon (grafitul liber n sistemul stabil, respectiv, cementita n sistemul metastabil). Solubilitatea carbonului n fier fiind limitat i variabil cu temperatura, la rcirea aliajelor, din soluiile solide se separ precipitate bogate n carbon (grafit sau cementit).

Transformrile alotropice ale fierului introduc n regiunea bogat n fier a diagramei de echilibru fazic linii de transformare care indic recristalizarea fazic sau descompunerea soluiilor solide la temperatur nalt. n faza bogat n carbon (grafit sau cementit) insolubilitatea fierului este total. Ramura C D a curbei lichidus din sistemul stabil fier-grafit urc abrupt spre punctul de topire al grafitului (peste 3 500C).

16

Tabelul 1.3 Coordonatele punctelor importante din diagrama de echilibru fazic

a sistemului fier-carbon

Punct

Temperatura, C Coninutul de carbon, % gr.

Hansen (anul 1958)

SR EN 10.052: 1996

Metals Handbook

ASM (vol. 8) Hansen

(anul 1958) SR EN

10.052: 1996 Metals

Handbook ASM (vol. 8)

A 1 534 1 536 1 538 0 0 0 B 1 493 1 493 1 495 0,51 0,5 0,5 C C

1 147 1 153

1 147 1 153

1 148 1 154

4,3 4,25

4,3 -

4,3 4,26

D - - - 6,67 6,67 6,67 E E

1 147 1 153

1 147 1 153

1 148 1 154

2,06 2,03

2,04 -

2,11 2,08

F 1 147 1 147 1 148 6,67 6,67 6,67 G 910 911 912 0 0 0 H 1 493 1 493 1 495 0,10 0,10 0,10 J 1 493 1 493 1 495 0,16 - 0,16 K 723 723 727 6,67 6,67 6,67 L 500 400 400 6,67 6,67 6,67 M 768 769 770 - - - N 1 390 1 392 1 394 0 0 0 O 768 769 770 - - - P 723 723 727 0,02 - 0,0218 Q 500 400 400 0,006 - 0,002 S S

723 738

723 738

727 738

0,80 0,69

0,80 -

0,77 0,68

Din punct de vedere practic aceast pant abrupt reprezint saturarea rapid n carbon a soluiei lichide, ceea ce pentru temperaturile uzuale din metalurgia fierului limiteaz coninutul maxim de carbon n topitur la circa 5%. n sistemul metastabil n care panta curbei lichidus CD este mai puin abrupt (punctul de topire al cementitei fiind mai sczut, mai apropiat de al fierului), la aceleai temperaturi industriale le corespunde saturarea n carbon a topiturii ceva mai mare; aceasta limiteaz domeniul de interes practic al diagramei fier-cementit la concentraia de 6,67%C corespunztoare cementitei.

Delimitarea tehnologic ntre aliajele fier-carbon deformabile plastic (oeluri) i aliajele fier-carbon nedeformabile plastic (fonte) este indicat de punctul E, corespunztor unei concentraii de circa 2%C, al diagramei de echilibru fazic, punct care corespunde solubilitii maxime n stare solid a carbonului n fier.

Aliajele cu coninuturi de carbon sub 2% sunt oeluri pentru c prin nclzire cristalele fragile de carbur de fier se dizolv, reeaua cristalin CFC a fierului permind dizolvarea integral a carbonului prezent n aliaj. Aliajele cu coninuturi de carbon peste 2% sunt fonte. Acestea nu pot fi aduse prin nclzire n totalitate n stare de soluie solid apt pentru deformare plastic, deoarece coninutul lor de carbon depete limita maxim de solubilitate n fier; excesul de carbon este prezent n fonte sub form de cristale de faz fragil (cementit n fontele albe i grafit n fontele cenuii). Puternica depresiune a temperaturii de

17

topire a fierului produs de dizolvarea carbonului n topitur, cu un minimum la compoziia eutectic, recomand fontele ca materiale cu proprieti convenabile de turnare (fluiditate mare a topiturii i temperaturi de turnare relativ sczute n raport cu oelurile).

Din punct de vedere practic aliajele cu compoziiile din regiunea punctului E de demarcaie ntre oeluri i fonte nu sunt utilizate. Coninutul de carbon al oelurilor de interes industrial nu depete n mod obinuit 1,2%, iar coninutul de carbon al fontelor utilizate practic nu scade dect foarte rar sub 2,25%.

De remarcat c diagrama de echilibru fazic a celor mai importante aliaje tehnice (aliajele sistemului fier-carbon) are o serie de particulariti neuzuale, prezentate n continuare.

a) Diagrama reprezint relaiile de echilibru fazic ntre fier (un metal) si carbon (un nemetal); aproape toate celelalte diagrame de echilibru fazic de interes industrial se refer la sisteme de componeni metalici.

b) Cu toat importana considerabil a sistemului de aliaje fier-carbon, numai o poriune restrns a diagramei de echilibru fazic i anume pn la 6,67% C este studiat i cunoscut complet (diagrama parial fier-cementit). La temperaturile foarte ridicate din extremitatea bogat n carbon a diagramei, carbonul nu se topete ci sublimeaz, aliajele fiind dificil de preparat i fr utilitate tehnic.

c) Diagrama de echilibru fazic fier-cementit este bazat pe presupunerea eronat c cementita este o faz stabil n aliajele fierului cu carbonul. De fapt cementita este o faz metastabil care se descompune n grafit i soluie solid de carbon n fier. Reacia de descompunere se produce la menineri ndelungate chiar la temperaturi relativ joase, de circa 540C. La temperaturi nalte i n prezena anumitor elemente de aliere ca siliciul i nichelul, reacia de descompunere a cementitei este att de rapid nct nu poate fi mpiedicat, ceea ce explic prezena grafitului n constituia majoritii fontelor.

n oeluri grafitizarea cementitei nu se produce dect n cazuri de excepie, forma normal n care se separ excesul de carbon nedizolvat n fier fiind cementita, aflat n echilibru metastabil cu soluiile solide ale fierului.+

d) Transformrile alotropice ale fierului produc o complexitate a diagramei de echilibru fazic n zona aliajelor fier-carbon bogate n fier (oeluri). Dintre transformrile de faz din aceast zon cea mai important este reacia eutectoid de descompunere a soluiei solide a carbonului n fierul . Suprimarea parial sau total a acestei reacii st la baza proceselor de deformare plastic (efectuat la temperaturi prea mari n domeniul austenitic), de tratament termic, de turnare sau de sudare. Rezult de aici c diagrama de echilibru fazic fier-carbon este utilizat nu numai pentru deducerea constituiei de echilibru a aliajelor, ci mai ales pentru explicarea i prevederea abaterilor de la echilibru, provocate intenionat n cursul proceselor de deformri plastice i tratamente termice.

18

1.3 EFECTELE PROPRIETILOR I PROPORIEI FAZELOR CONSTITUTIVE DIN OELURI ASUPRA REZISTENEI LA

DEFORMARE A ACESTORA

Punctele critice de transformare n stare solid a oelurilor A1, A2, A3, Acem (v. fig. 1.3) sunt temperaturi dependente de compoziie la care se produc transformrile de faz n oeluri.

La temperaturi inferioare tempe-raturii descompunerii eutectoide a austenitei, deci sub punctul critic A1, toate aliajele fier-cementit (oeluri i fonte albe) sunt constituite din fazele stabile la temperaturi joase - ferita i cementita - prezente sub form de constitueni monofazici sau asociate n amestecuri mecanice. n figura 1.4 a este prezentat variaia cu coninutul de carbon a proporiei fazelor, iar n figura 1.4 b , variaia proporiei

Fig. 1.3. Punctele critice de transformare n stare solid a oelurilor.

constituenilor n aliajele sistemului fier-cementit la temperatura ambiant.

Fig. 1.4. Variaia cu coninutul de carbon a proporiei fazelor (a) i constituenilor (b) n oeluri i fonte.

19

Proprietile mecanice ale aliajelor plurifazice sunt determinate n prim instan de proprietile fazelor constitutive i de ponderea participrii fiecrei faze n constituia aliajului. Pentru fazele constitutive din oeluri ferita i cementita proprietile mecanice pot fi caracterizate prin valorile din tabelul 1.4.

Tabelul 1.4 Proprietile mecanice ale constituenilor

Constituentul Rezistena la rupere [MPa] Duritatea

[HB] Alungirea

[%] Ferita 280 80 50 Cementita 35* 800 0 Perlita (88% F + 12%Cem) 800 200 10

* Valoare incert din cauza fragilitii cementitei.

Anumite proprieti ale fazelor din aliajele plurifazice (majoritatea proprietilor fizice) sunt aditive i, n acest caz, proprietile aliajului sunt reprezentate prin media ponderat a proprietilor fazelor constitutive.

Proprietile mecanice nu fac ns parte din aceast categorie. Proprietile mecanice ale amestecului de faze nu sunt ntotdeauna intermediare ntre proprietile fazelor constitutive deoarece n amestec fazele i poteneaz reciproc rezistena la deformare, realizndu-se efectul de durificare sau de ranforsare a aliajului prin deformarea neuniform a fazei plastice (ferita) n prezena particulelor de faz dur (cementita). Particulele fin dispersate ale fazei mai rigide i mai puin plastice mpiedic deformarea uniform a fazei plastice din amestec.

n oeluri proporia fazelor n amestec (eutectoid) este fix, fiind determinat de relaiile din diagrama de echilibru fazic i poate s nu coincid cu valoarea la care s-ar putea obine efectul durificator maxim. Amestecul de faze prezent n microstructura de echilibru a oelurilor (dar i a fontelor albe) este perlita, la care se constat din datele din tabelul 1.4 c asocierea fazelor produce un efect de ranforsare remarcabil, rezistena la deformare a perlitei fiind mult mai mare dect a fiecreia din fazele constitutive.

n diagramele din figura 1.5 este prezentat variaia cu coninutul de carbon a principalelor proprieti mecanice ale oelurilor carbon n stare recoapt; n figur sunt indicate i valorile proprietilor mecanice pentru fonta alb cu 3,23,6% C (compoziii uzuale n aplicaii).

Din figura 1.5 se remarc faptul c apariia masiv a cementitei libere (neasociat n perlit) n oelurile hipereutectoide cu coninut mare de carbon (i mai ales n fontele albe) produce o scdere puternic a rezistenei mecanice i a tenacitii, singura proprietate influenat favorabil de creterea cantitii de cementit liber fiind duritatea.

Curbele de variaie cu compoziia a proprietilor mecanice ale oelu-rilor (fig. 1.5) se coreleaz cu diagrama de variaie a cantitii de constitu-eni (fig. 1.4, b), dar nu i cu diagrama variaiei cantitii fazelor (fig. 1.4, a).

20

Fig. 1.5. Variaia cu coninutul de carbon a proprietilor mecanice n oeluri

Rezult c pentru proprietile mecanice sensibile la structur, care caracterizeaz rezistena la deformare i plasticitatea oelurilor, aditivitatea acioneaz n funcie de valorile caracteristice constituenilor i nu n funcie de valorile caracteristice fazelor. n capitolele urmtoare se va arta c, datorit dependenei de structur, pot fi modificate n limite largi i proprietile mecanice de rezisten la deformare i plasticitate ale constituenilor, intervenindu-se n gradul de aliere al oelurilor, n gradul de deformare plastic prin laminare i n dimensiunea grunilor rezultat prin efectul combinat al deformrilor plastice i al tratamentelor termice.

1.4. EFECTELE EREDITARE ALE STRUCTURII LINGOURILOR DE OEL ASUPRA PROPRIETILOR

PRODUSELOR LAMINATE

Procedeul de laminare este cel mai rspndit procedeu de deformare plastic a materialelor metalice. Preponderent i reprezentativ n acest sens este siderurgia, unde peste 75% din cantitatea de oel turnat este destinat laminrii.

Structura primar de solidificare a oelului turnat influeneaz propriet-ile produselor laminate prin particularitile micro sau macrostructurale generate, pe de o parte, de eterogenitatea structural (forma, mrimea i orientarea grunilor n diferite zone cristalizate) i, pe de alt parte, de eterogenitatea chimic (segregaii ale elementelor nsoitoare, incluziuni nemetalice coninnd elementele nsoitoare insolubile, gaze etc.). n cazul lingourilor de oel eterogenitatea structural este eliminat prin operaiile de laminare i tratament termic, dar influena acesteia se menine indirect n produsul laminat prin relaiile sale cu eterogenitatea chimic, eterogenitate care nu se elimin dect parial n cursul proceselor de prelucrare.

21

1.4.1. Eterogenitatea structural din lingouri

Eterogenitatea structural se refer la volumul relativ al zonelor de cristalizare (crust, zona cristalelor columnare, zona cristalelor echiaxe) i la volumul i amplasarea discontinuitilor (retasuri, poroziti, sufluri). Aceste

Fig. 1.6. Forme de lingotiere pentru turnarea oelului:

a-lingotier de uz curent pentru oeluri aliate i

nealiate; blingotier cu fee ondulate.

caracteristici de eterogenitate structural se manifest n mod diferit n funcie de regimul termic de solidificare a lingourilor, determinat de temperatura de turnare, de materialul i forma lingotierei i de dimensiunile lingourilor turnate. Turnarea oelurilor n lingouri se execut de la temperaturi de circa 1 450C n lingotiere de font cu cavitatea n form de trunchi de piramid (fig.1.6, a). Lingotiera este prevzut la partea superioar cu o maselotier izolat termic care va asigura formarea cavitii de retasur n maselot, adic n poriunea superioar a lingoului, care se elimin prin tiere nainte de laminare. Forma, dimensiunile i propor-iile lingotierelor sunt determinate, pe de o parte, de exigenele privind forma optim a lingoului pentru operaia de laminare i, pe de alt parte, de exigen-ele privind asigurarea unei macrostructuri care s reduc la minimum anizotropia lingoului solidificat. Forma optim a seciunii transversale a lingoului este cea ptrat (pentru laminarea profilelor), i cea dreptunghiular (pentru laminarea tablelor i benzilor). Forma circular se preteaz greu la operaia de laminare i, n plus determin o macrostructur nefavorabil deoarece, n acest caz, cristalele columnare converg toate spre axa lingoului i toate sunt de aceeai dimensiune ceea ce diminueaz efectele structurale favorabile ale procesului de laminare. Pentru lingourile cu seciune ptrat sau dreptunghiular se aplic o curbare a laturilor i muchiilor lingotierei (fig. 1.6, a). n acest

mod se obine o dispunere a cristalelor columnare (fig. 1.7, a) care evit apariia n seciunea transversal a lingoului a diagonalelor de slab rezisten mecanic (fig. 1.7, b) provocate de mbinarea imperfect a vrfurilor cristalelor columnare care se desprind prin contracie.

Pentru lingourile cu seciune mare (n greutate de peste 2 t) o diminuare a anizotropiei n zona cristalelor columnare se obine prin utilizarea lingotierelor cu fee ondulate (fig. 1.6, b) ceea ce conduce la o variaie a direciei cristalelor columnare pe conturul lingoului.

22

- a - - b -

Fig. 1.7. Influena formei lingotierei asupra macrostructurii lingoului: a orientare favorabil a cristalelor columnare in lingou, obinut prin rotunjirea muchiilor

lingotierei; b orientare defavorabil a cristalelor columnare n lingou.

Conicitatea lingoului, necesar pentru stripare (desprinderea lingoului din lingotier), trebuie redus la minimum pentru a evita variaiile de structur n seciunea transversal pe lungimea lingoului i, de asemenea, pentru a oferi pentru operaia de laminare un lingou cu seciunea ct mai constant.

Modul de elaborare a oelului influeneaz eterogenitatea structural a lingoului destinat laminrii att din punctul de vedere al formrii zonelor de cristalizare ct i din punctul de vedere al distribuiei discontinuitilor. La elaborarea oelului necalmat, dezoxidarea este incomplet fiind efectuat cu un singur dezoxidant (manganul). La turnare, dup solidificarea crustei lingoului, n topitura rmas excesul de oxid de fier reacioneaz cu carbonul dizolvat, provocnd degajare de oxid de carbon (fierberea oelului n lingotier). Agitarea topiturii mpiedic formarea zonei de cristale columnare, reduce segregaia i conduce la formarea de ocluziuni de oxid de carbon. Crusta solidificat nainte de nceperea fierberii este foarte pur, fiind delimitat prin segregaii de restul lingoului. Plasticitatea foarte mare a zonei exterioare recomand oelul necalmat pentru laminarea produselor plate la care preteniile calitative privind suprafaa produselor finite sunt deosebit de mari. Ocluziunile de oxid de carbon formeaz coroana inferioar de sufluri, care se sudeaz la laminare, ntruct coninnd un gaz reductor au suprafaa interioar neoxidat. n acest scop este important s se asigure o grosime suficient a crustei lingoului (prin reglarea dezoxidrii) pentru ca n timpul laminrii suflurile s nu ajung la suprafa i s nu se oxideze n contact cu aerul.

La elaborarea oelului calmat, dezoxidarea suplimentar cu siliciu i aluminiu reduce coninutul de oxid de fier dizolvat sub limite de solubilitate n fier, reacia cu carbonul care s provoace degajarea de oxid de carbon nu se mai produce i solidificarea are loc n absena agitrii topiturii. Ca urmare, se dezvolt zona cristalelor columnare, cantitatea de sufluri este mai mic i retasura mai accentuat, aceasta nemaifiind compensat de creterea volumului provocat de sufluri.

23

1.4.2. Eterogenitatea chimic a lingourilor

Eterogenitatea chimic este provocat de distribuia neuniform n volumul lingourilor din oeluri nealiate a elementelor nsoitoare, iar n cazul lingourilor din oeluri aliate i a elementelor de aliere. Pentru a releva importana segregaiei majore produse la solidificarea oelului, n tabelul 1.5 sunt prezentate concentraiile pentru carbon, sulf i fosfor n dou zone extreme ale aceluiai lingou (n crust i n zona central), iar pentru comparaie este indicat i coninutul mediu n lingou al acestor elemente.

Tabelul 1.5

Segregaia major n lingourile de oel

Zona Lingou de 3 t % C % S % P n crust 0,27 0,018 0,028 n zona central de lng retasur 0,36 0,026 0,053 Coninut mediu 0,305 0,022 0,040 Gradul de segregaie

.min%.max%

1,33 1,44 1,90

Carbonul prezint un grad de segregaie la solidificare mai redus dect elementele nsoitoare sau de aliere. n plus aceste segregaii se elimin uor la nclzirea n vederea laminrii, datorit difuziei interstiiale rapide a carbonului n austenit. Pe de alt parte ns aceast difuzie rapid a carbonului favorizeaz un alt tip de neuniformitate n distribuia microscopic a carbonului i anume decarburarea stratului superficial n cursul laminrii la cald i al nclzirilor pentru tratamente termice.

Prezena stratului decarburat afecteaz grav proprietile de utilizare; de exemplu la oelurile de scule stratul superficial nu se durific prin clire. Decarburarea superficial poate fi redus prin realizarea unei atmosfere neutre a cuptorului, prin mpachetarea oelului supus nclzirii n pan de font sau prin nclzire n bi de sruri.

Hidrogenul prezent n oel n concentraii inferioare miimilor de procent provine din unele materiale utilizate la elaborare (var, ferosiliciu) sau din umiditatea materialelor refractare. Fisurile datorate tensiunilor provocate de hidrogen n oeluri sunt numite fulgi i se formeaz la temperaturi de circa 200C n semifabricatele mari rcite rapid dup laminare la cald. Formarea fulgilor poate fi evitat prin ferirea topiturii de oel de substane cu umiditate, prin rcirea lent pn la temperatura camerei a lingourilor mari i a semifabricatelor laminate la cald i prin aplicarea turnrii n vid.

Azotul este introdus n oel din atmosfera cuptorului, cantitatea de azot dizolvat n oelul lichid n momentul elaborrii depinznd n mare msur de modul de elaborare (sub 0,1% N remanent n oelul Martin i circa 0,03% N n oelurile elaborate n cuptoare electrice). Prezena azotului are importan n

24

oelurile moi i extramoi cu coninut redus de carbon (sub 0,15%). n aceste oeluri apar diverse forme de fragilitate (fragilitate la albastru, mbtrnire mecanic). Prevenirea fragilitii provocate de azot se poate face printr-o supradezoxidare cu aluminiu n momentul elaborrii oelului.

Fosforul prezent n oeluri n coninuturi care nu depesc 0,06% se afl, dup solidificare, dizolvat complet n fier. La solidificarea oelului fosforul se distribuie neuniform n austenit, prezentnd importante segregaii att la nivelul lingoului (segregaia major prezentat n tabelul 1.6) ct i la nivelul fiecrei dendrite, microsegregaia constnd n mbogirea cu fosfor a straturilor exterioare ale dendritelor. Persistena microsegregaiei fosforului conduce la structura secundar n iruri a oelului laminat la cald care contribuie la anizotropia produselor finite. Apariia acestei structuri poate fi prevenit prin evitarea laminrii la cald la temperaturi relativ joase, n domeniul austenitic (apropiate de punctul critic superior A3), temperaturi la care nu se realizeaz uniformizarea carbonului prin difuzie.

Segregaiile de fosfor reprezint zone durificate, dar cu tenacitate micorat, producnd fragilitatea la rece a oelului. ntruct segregaiile cu fosfor nu pot fi eliminate, atenuarea efectelor lor duntoare se face prin limitarea strict a coninutului de fosfor la elaborarea oelului i printr-o tehnologie de prelucrare care s evite apariia la suprafa a zonelor segregate, deci prin evitarea secionrii liniilor de fibraj.

Sulful prezent n oeluri n coninuturi care nu depesc 0,06% (cu excepia oelurilor pentru achiere pe maini automate, care conin 0,150,30% S), se separ la solidificare ca o faz separat, sulfura de fier. Prezena sulfurii de fier n oeluri provoac fenomenul de fragilitate la cald: fragilitatea la rou (care se manifest ntre 800 i 1 000C i are drept cauz plasticitatea redus a sulfurii de fier) i fragilitarea de temperatur nalt (care se manifest la peste 1 200C i are drept cauz topirea reelei de sulfur de fier). Fragilitatea la cald a oelului poate fi prevenit prin introducerea la elaborarea oelului a unui coninut suficient de mangan pentru ca ntreaga cantitate de sulf s apar ca MnS (care are punctul de topire 1 610C) i nu ca FeS (care are punctul de topire 1 193C). n acest mod se evit mbogirea cu sulf a limitelor de grunte rspunztoare de fragilitatea la rou i la temperatur nalt.

Manganul se introduce la elaborare ca dezoxidant i ca desulfurant. Fiind un element foarte activ din punct de vedere chimic manganul produce n oel numeroase incluziuni nemetalice (oxizi, sulfuri) care, la laminare, se alungesc n iruri i produc un fibraj accentuat, conducnd la anizotropia proprietilor mecanice.

Siliciul este introdus la elaborare ca dezoxidant suplimentar n oelurile calmate. La coninuturi de 0,20,5% Si oelurile sunt considerate complet calmate, iar sub 0,02% Si sunt considerate complet necalmate. Datorit afinitii mari pentru oxigen siliciul apare n oel sub form de incluziuni de oxizi de siliciu sau de silicai.

Oxigenul provine n oel de la elaborare sau din atmosfera oxidant n cursul operaiilor de nclzire. n oelurile calmate oxigenul existent n topitur

25

este fixat la elaborare n oxizi stabili care nu pot fi redui de carbon. Elementele dezoxidante utilizate n acest scop sunt siliciul (adugat ca ferosiliciu) i aluminiul (adugat ca atare sau ca aliaj calciu-aluminiu). Oxigenul remanent apare n oelul solidificat sub forma a patru oxizi: FeO, MnO, SiO2 i Al2O3. Aceti oxizi pot aprea ca atare sub form de incluziuni de oxizi sau pot fi asociai chimic ntre ei formnd incluziuni de silicai sau spineli. Aceste incluziuni care se formeaz prin reaciile chimice de la elaborarea oelului i prin reaciile fizico-chimice de la solidificarea acestuia sunt numite incluziuni endogene. Cantitatea lor este dependent de corectitudinea tehnologiei de elaborare, n spe cantitatea de ncluziuni nemetalice endogene poate fi diminuat printr-o desulfare corect i prin micorarea coninutului de oxigen existent n topitur naintea dezoxidrii.

n funcie de gradul de dezoxidare se obin oeluri necalmate, calmate sau semicalmate.

Oelurile necalmate sunt oelurile dezoxidate insuficient cu mangan, siliciu, aluminiu etc. La solidificarea lingoului carbonul i oxidul feros se concentreaz n topitura nc nesolidificat pn cnd depete concentraia de echilibru, dup care reacioneaz unul cu altul cu formare de oxid de carbon care se degaj provocnd fierberea oelului n lingotier. Din aceast cauz un lingou din oel necalmat const dintr-o zon exterioar extrem de pur i un miez cu multe sufluri, fr caviti de retasur. Ca urmare, pierderile la laminare sunt mici, motiv pentru care, date fiind i consumurile reduse de dezoxidani, oelurile necalmate sunt mai convenabile economic dect cele calmate. n afar de aceasta, coninutul foarte sczut n siliciu i lipsa incluziunilor nemetalice fac ca oelurile necalmate s posede plasticitate ridicat. Cele mai utilizate oeluri necalmate au n compoziia chimic 0,040,09% C, 0,0050,002% Si i 0,250,04% Mn.

Oelurile calmate sunt complet dezoxidate cu mangan, siliciu, aluminiu sau ali dezoxidani. Acestea solidific fr fierbere, ns cu contracie, ceea ce duce la formarea cavitii de retasur n partea superioar a lingoului; aceast parte, reprezentnd 1018% din greutatea lingoului este ndeprtat prin utare. Oelurile calmate au plasticitate sczut ns, fiind omogene structural i avnd caracteristici bune de rezisten, sunt oeluri de calitate bun. Cele mai utilizate oeluri calmate au compoziia chimic n limitele 0,040,6% C, 0,150,50% Si i 0,61,6% Mn.

Oelurile semicalmate sunt oeluri dezoxidate la un grad mai avansat dect oelurile necalmate, dar totui insuficient dezoxidate. i n acest caz se produce segregaie, dar ntr-o msur mult mai mic dect la oelul calmat. Proprietile de rezisten sunt intermediare ntre oelurile necalmate i calmate, iar compoziia chimic variaz n limitele: 0,150,25% C, 0,010,1% Si i 0,851,2% Mn.

n afar de incluziunile endogene oelul poate conine i incluziuni nemetalice exogene i anume particule de materiale refractare antrenate accidental din cptueala cuptorului, a oalei de turnare sau a canalelor de turnare precum i incluziuni de zgur. Reducerea la minimum a incluziunilor exogene se

26

realizeaz prin utilizarea unor materiale refractare de calitate i printr-o tehnologie corect de elaborare care s evite formarea unei zguri emulsionabile n oelul lichid.

Prezena incluziunilor nemetalice influeneaz att proprietile tehnologice ale oelului ct i proprietile sale de utilizare.

Proprietile tehnologice ale oelului (rezistena la deformare prin laminare, plasticitatea, comportarea la tratament termic) sunt influenate de prezena incluziunilor nemetalice, prin comportarea acestora n timpul proce-sului de laminare i prin solubilitatea lor n austenit. Incluziunile de sulfuri (MnS, FeS) au caracter metalic i sunt relativ moi i plastice; incluziunile de oxizi (n special SiO2 i Al2O3), precum i incluziunile de silicai (2FeO SiO2 , 3Al2O3 2SiO2) i spineli (FeO Al2O3) au caracter nemetalic i sunt dure i fragile.

n produsele laminate din oel, incluziunile de sulfuri sunt alungite n iruri continue n timp ce incluziunile fragile sunt sfrmate formnd iruri discontinue n direcia efortului aplicat la laminare. Aceast distribuie a incluziunilor contribuie, alturi de fibrajul provocat de segregaii, la anizotropia proprietilor produselor laminate. Prezena incluziunilor sub form de eutectice uor fuzibile, ca de exemplu (FeS + FeO) cu temperatura de topire 930C sau (FeS + Fe) cu temperatura de topire de 985C, provoac fragilitatea la cald a oelului.

Proprietile mecanice de utilizare a oelurilor laminate sunt influenate defavorabil de prezena incluziunilor nemetalice, deoarece incluziunile ntrerup continuitatea masei metalice i acioneaz ca nite crestturi interioare. Solicitrile mecanice nu sunt transmise dect n mic msur prin incluziunile nemetalice, deoarece rezistena mecanic proprie incluziunilor este foarte redus i legtura lor cu masa metalic este aproape inexistent. Incluziunile nemetalice pot servi ca amorse de rupere la oboseal, pot provoca rupturi fibroase (cnd sunt distribuite n iruri) sau rupturi n teras (cnd sunt distribuite n plci cum este cazul incluziunilor exogene). Din aceste motive preteniile la puritatea fizic a oelurilor sunt deosebit de mari, mai ales n aplicaiile n care intervin solicitri dinamice i alternante importante.

1.5. INFLUENE GENERALE I SPECIFICE ALE ELEMENTELOR DE ALIERE N OELURI

Elementele de aliere (cromul, nichelul, molibdenul, wolframul, vanadiul, titanul, manganul, siliciul etc.) se introduc special n oeluri, n anumite concentraii i au rolul de a modifica proprietile oelurilor att pentru a uura prelucrarea ulterioar a acestora ct i pentru a le mbunti comportarea n serviciu. Unele elemente, considerate duntoare n anumite oeluri, devin elemente de aliere pentru alte tipuri de oeluri. De exemplu, sulful n oelurile nealiate poate provoca fragilitate la cald, dar poate conferi, ca element de aliere n oelurile pentru prelucrarea pe maini automate, o bun prelucrabilitate prin achiere. De asemenea, siliciul reprezint o impuritate n oelurile care trebuie s

27

aib o bun sudabilitate, n schimb confer proprieti magnetice bune oelurilor pentru maini electrice (oeluri pentru electrotehnic). Azotul i cuprul sunt elemente duntoare n oelurile nealiate, dar pot deveni elemente utile n cazul unor oeluri aliate, bogate n crom, la care azotul asigur finisarea granulaiei, n timp ce cuprul asigur oelului o rezisten mai mare la aciunea agenilor atmosferici.

Prezena elementelor de aliere influeneaz comportarea oelurilor la deformarea plastic i la tratamentul termic, datorit modificrilor de constituie i structur pe care le produc. n continuare se prezint att influenele generale ale elementelor de aliere ct i influenele specifice fiecrui element de aliere asupra constituiei i structurii oelurilor i, implicit, asupra comportrii la deformare a oelurilor aliate.

1.5.1. Influene generale ale elementelor de aliere

Influena elementelor de aliere asupra transformrilor alotropice ale fierului este cea mai important n modificarea constituiei i structurii oelurilor. Dup influena pe care o exercit asupra transformrilor alotropice ale fierului, elementele de aliere se pot grupa n: a elemente de aliere care ridic punctul critic de transformare A4 i coboar pe A3 (v. fig. 1.3), adic mresc domeniul , motiv pentru care se numesc elemente gamagene; b elemente de aliere care coboar pe A4 i ridic pe A3 , micornd domeniul i mrind domeniul , motiv pentru care se numesc elemente alfagene. Din prima grup numit i grupa nichelului, fac parte nichelul, manganul, cobaltul, cuprul, azotul, carbonul etc.. Primele trei dintre acestea fiind solubile n fier n orice proporie, nu limiteaz domeniul la nici o concentraie, diagrama de echilibru fiind n acest caz de forma prezentat n figura 1.8, a (asemntoare diagramelor Fe-Ni, Fe-Mn i Fe-Co). Ultimele dou elemente din aceast grup, azotul i carbonul, formnd compui, limiteaz domeniul , diagrama de echilibru fiind asemntoare diagramei Fe-C (fig. 1.8, b).

- a - - b - Fig. 1.8. Reprezentarea schematic a modificrii domeniului n cazul influenei

elementelor gamagene: a domeniul deschis; b domeniul limitat.

28

Din cea de a doua grup, grupa elementelor alfagene, fac parte molibdenul, wolframul, siliciul, titanul, aluminiul, beriliul, niobiul, borul i zirconiul. Aceast grup se numete grupa cromului; cromul micoreaz domeniul dei pn aproape de 10% acesta coboar att punctul A4 ct i punctul A3 . Elementele din aceast grup, cu excepia ultimelor dou, fiind foarte solubile n fier nchid complet domeniul , rezultnd diagrame de forma prezentat n figura 1.9, a.. Ultimele dou elemente din aceast grup, avnd solubilitate foarte mic n fier, formeaz compui care limiteaz domeniul , diagrama de echilibru avnd aspectul din figura 1.9, b .

- a - - b - Fig. 1.9. Reprezentarea schematic a modificrii domeniului n cazul influenei

elementelor alfagene: a domeniul deschis; b domeniul limitat.

De cele mai multe ori oelurile aliate nu conin un singur element de aliere ci dou sau mai multe, care pot avea efecte similare sau contrare. De exemplu, n oelurile inoxidabile, cromul este alfagen, iar nichelul este gamagen. n vederea cuprinderii unui numr mai mare de elemente de aliere, care definesc structura oelurilor aliate, se folosete noiunea de nichel echivalent (%Niech) pentru elementele gamagene i noiunea de crom echivalent (%Crech) pentru elementele alfagene, care se determin cu relaiile: % Niech = % Ni + 30 % C + 0,5 % Mn (1.1) % Crech = % Cr + % Mo + 1,5 % Si + 0,5 % Nb (1.2)

n funcie de concentraia acestor elemente echivalente se pot determina componentele structurale din oelurile inoxidabile folosind, de exemplu, diagrama Schffler (fig. 1.10).

n funcie de comportarea fa de carbon, elementele de aliere din oeluri se grupeaz n: a elemente care formeaz carburi, ca de exemplu cromul, manganul, niobiul; b elemente care nu formeaz carburi, ca nichelul, siliciul, cobaltul, aluminiul, cuprul i azotul. n anumite condiii i unele elemente din aceast grup, ca nicehlul, cobaltul i aluminiul formeaz carburi instabile.

Toate carburile sunt caracterizate prin duritate i fragilitate mare. Carburile elementelor de aliere sunt mai dure, dar mai puin fragile dect

29

cementita. Ele influeneaz rezistena mecanic i duritatea oelurilor aliate, mrind aceste caracteristici nu att prin compoziia lor chimic ci mai ales prin gradul lor de dispersie.

Fig. 1.10. Diagrama Schffler.

Distribuia elementelor de aliere n oelurile solidificate determin, de asemenea, influena general a acestora asupra proprietilor oelurilor aliate. Elementele de aliere se pot gsi n oeluri sub diferite forme: a dizolvate n ferit, cu care formeaz soluii solide; b n combinaii cu carbonul, cu care formeaz carburi sau soluii solide pe baz de carburi; c n combinaii cu fierul sau unele cu altele, formnd compui intermetalici; d n combinaii cu diferite impuriti, sulf, oxigen etc., cu care formeaz incluziuni nemetalice ca sulfuri, oxizi etc.; e n stare liber, sub form de particule dispersate n masa oelului aliat.

Majoritatea elementelor de aliere formeaz cu fierul soluii solide de substituie. Unele dintre acestea, cum sunt nichelul i cobaltul, sunt total solubile n fier pn la temperaturi joase, ns altele ca vanadiul i cromul formeaz cu fierul, la temperaturi apropiate de temperatura de solidificare, soluii solide pe ntreg intervalul de concentraie, dar la rcire, la anumite concentraii, formeaz compui. Alte elemente ca bor, azot, oxigen i hidrogen se dizolv n fier n concentraii foarte mici (zecimi sau sutimi de procente) formnd soluii solide interstiiale, iar peste aceste concentraii formeaz compui.

O parte din elementele situate n tabelul lui Mendeleev la dreapta fierului cum sunt nichelul, cobaltul, siliciul, cuprul etc., n prezena carbonului se dizolv total n ferit, formnd soluii solide.

30

Aceste elemente nu formeaz carburi sau formeaz carburi instabile, cum este cazul nichelului, cobaltului i aluminiului. Spre deosebire de acestea, o parte din elementele care sunt situate la stnga fierului n tabelul lui Mendeleev, ca titanul, vanadiul, cromul, manganul,zirconiul, niobiul, molibdenul, wolframul etc., n prezena carbonului formeaz carburi. Datorit acestui fapt, elementele din aceast categorie se gsesc n oeluri parial sub form de carburi i parial dizolvate n ferit. Elementele de aliere cu afinitate mai mare pentru oxigen i sulf dect afinitatea fierului, ca manganul, siliciul, aluminiul, titanul, vanadiul etc. formeaz cu oxigenul i sulful oxizi i sulfuri. Deoarece proporia de oxigen i sulf din oeluri este strict limitat, proporia de oxizi i sulfuri din oeluri este de regul, foarte mic. Influena coninutului de carbon (fig. 1.11) i a coninu-turilor n principalele elemente de aliere (fig. 1.12) din oeluri asupra propri-etilor mecanice caracterizeaz comportarea la deformare a oelurilor aliate.

Fig. 1.11. Influena coninutului de carbon asupra caracteristicilor mecanice ale oelurilor.

Aceste modificri de proprieti mecanice sunt determinate de faptul c, elementele de aliere, dizolvndu-se n ferit, modific parametrul reelei cristaline a fierului; cromul, niclelul, wolframul i molibdemul mresc parametrul reelei fierului, iar siliciul l micoreaz. Pentru determinarea valorii rezistenei la rupere a oelurilor aliate se poate utiliza relaia:

Rm = 25 + 61 % P 4 % S + (51 + 37 % Mn) % C + (36 15 % Mn) (% Si)2 + 6,2 % Cr + 4,4 % Ni + 36 % Mo (1.3)

31

- a - - b - Fig. 1.12. Influena elementelor de aliere asupra duritii (a) i rezilienei (b) feritei

1.5.2. Influene specifice ale elementelor de aliere

Influenele specifice ale principalelor elemente de aliere asupra proprietilor oelurilor aliate se prezint n tabelul 1.7. Majoritatea oelurilor aliate conin mai multe elemente de aliere, ns numai unul este cel care determin proprietatea de utilizare a unui anumit oel, celelalte elemente contribiund la creterea puritii oelului sau la mbuntirea comportrii la deformare plastic, la tratament termic sau la prelucrarea mecanic.

Pe acest considerent, n cele ce urmeaz se va prezenta rolul pe care fiecare element de aliere l are n oeluri.

Manganul este un element gamagen i exercit o influen mare asupra diagramei fier-carbon, cobornd domeniile care corespund punctelor critice de transformare A1 i A3. Diagrama structural a oelurilor mangan (dup Bain) este prezentat n figura 1.13.

Manganul se gsete, ca element nsoitor, n toate oelurile i, ca atare, determin efecte speciale numai la concentraii mai mari de 0,60,8% Mn, cnd oelul trece din oel nealiat n oel aliat.

Proprietile de rezisten ale oelurilor mangan martensitice cresc puternic la creterea coninutului de mangan, ns n acelai timp tenacitatea scade brusc. Pentru acest motiv aceste oeluri nu sunt utilizate n practic. Proprietile de rezisten ale oelurilor mangan austenitice (oeluri manganoase) scad la creterea coninutului n mangan, iar cele de plasticitate i tenacitate cresc sensibil. Aceste oeluri sunt caracterizate i printr-o mare capacitate de ecruisare, motiv pentru care sunt foarte apreciate att ca oeluri pentru construcii de maini ct i ca oeluri pentru scule, toate coninnd pn la 2% Mn. Mult mai des este utilizat manganul n oelurile perlitice, complex aliate, care conin i nichel, crom sau molibden. n aceste cazuri, oelurile conin

32

pn la 1,5% Mn, care se adaug n vederea economisirii acestor elemente scumpe i deficitare.

Fig. 1.13. Diagrama structural a oelurilor mangan (austenizare la 950C, rcire n aer).

Manganul, cobornd temperatura transformrii martensitice, mrete sensibilitatea oelului la crparea dup sudare, n special la oeluri cu peste 0,2% C. De asemenea, mrete sensibilitatea la fragilitate de revenire la oelurile cu 1,52% Mn.

Manganul produce sensibilitate la supranclzire i proprieti mai slabe pe direcia transversal fa de direcia de deformare. Asigur o oarecare cretere a deformabilitii la rece a oelurilor. La concentraii de peste 10% Mn i de 0,71,3% C, oelul devine complet austenitic (nemagnetic) i foarte tenace dup clirea n ap. Manganul are i rol dezoxidant n oeluri, mrind capacitatea de dezoxidare a siliciului precum i rol de legare a sulfului, producnd sulfuri cu temperatur de topire mai mare dect cea de nclzire pentru laminare, evitn-du-se astfel fragilitarea la cald a oelurilor, mai ales dac % Mn > 8 % S, mrindu-se astfel plasticitatea oelului.

Nichelul este un element de aliere gamagen i nu formeaz carburi, dizolvndu-se att n ferit ct i n austenit. Prin dizolvarea n ferit mrete duritatea i rezistena mecanic a oelurilor, ceea ce confer posibilitatea ca, pen-tru aceleai proprieti, s se poat reduce coninutul de carbon, asigurndu-se astfel o cretere a proprietilor de deformabilitate i de sudabilitate ale oelurilor. n acest mod nichelul se utilizeaz n locul mririi coninutului de carbon, atunci cnd este necesar mbuntirea caracteristicilor de rezisten mecanic fr a fi afectate caracteristicile de plasticitate i de sudabilitate.

33

34

Efectul nichelului este similar cu cel al carbonului, n sensul c valori mai mari ale concentraiei de nichel n oelurile feritice cu crom, determin reapariia austenitei, iar la anumite concentraii de nichel i anumite viteze de rcire, oelul devine integral austenitic.

n oeluri, nichelul se dizolv n cea mai mare parte n ferit. Alierea cu nichel a oelurilor duce la deplasarea liniilor diagramei de echilibru; nichelul coboar temperatura lichidus, ridic temperatura eutectic i micoteaz coninutul n carbon al perlitei. Diagrama structural a oelurilor nichel dup structura obinut la rcire n aer (diagrama Guillet) este prezentat n figura 1.14.

Fig. 1.14. Diagrama structural a oelurilor nichel.

Proprietile mecanice de rezisten ale oelurilor nichel perlitice (rezistena la rupere, limita de curgere i duritatea) cresc lent la creterea coninutului de nichel, iar proprietile de plasticitate (striciunea i alungirea la rupere) scad. Oelurile nichel perlitice sunt utilizate pentru cementare (C

2,5% Si, la acest coninut scznd brusc. O puternic influen manifest siliciul asupra limitelor de elasticitate i de curgere a oelurile, fapt care prezint o mare importan practic. Deoarece ridic limita de curgere a oelurilor, siliciul este indezirabil n produsele destinate deformrilor plastice mari cum sunt tablele pentru ambutisare adnc. Limita de elasticitate ridicat face ca oelurile siliciu s fie mult apreciate ca oeluri pentru arcuri. n oelurile inoxidabile siliciul, n concentraii de 22,5% Si, mrete rezistena la oxidare la cald i micoreaz tendina de cretere a granulaiei, deci i a fragilitii. n oelurile austenitice, creterea concentraiei de siliciu trebuie s fie nsoit de creterea corespunztoare a concentraiei de nichel pentru ca oelul s rmn austenitic.

Cromul este un element alfagen care nchide domeniul . Spre deosebire de alte elemente alfagene, cromul nu ridic de la nceput punctul A3; la creterea coninutului n crom pn la 7%, A3 coboar i abia dup aceasta urc. La concentraii de peste 13% Cr structura aliajelor fier-crom este, la temperatur nalt, feritic pe ntreg intervalul de concentraie.

O puternic influen exercit cromul asupra punctelor S i E ale diagramei Fe-Fe3C. Sub influena cromului temperaturile punctelor S i E cresc, iar concentraiile corespunztoare scad. ntr-un oel cu 12% Cr, coninutul n carbon al eutectoidului este de circa 0,35%,iar concentraia maxim a carbonului n

austenit este de circa 0,7%. Diagrama structural a oelurilor crom, dup

Fig. 1.15. Diagrama structural a oelurilor crom.

structura obinut la rcirea n aer, este prezentat n figura 1.15. Cromul activeaz relativ slab asupra proprietilor mecanice ale oelurilor; el se dizolv n ferit i o durific uor, ns ntr-o msur mult mai mic dect siliciul, manganul sau nichelul. De asemenea formnd carburi i crescnd proporia de perlit, exercit o aciune durificatoa-re asupra oelurilor, ns rezis-tena oelurilor crom crete foarte lent la creterea coni-nutului de crom. La coninu-turi mici n crom i carbon, pn la circa 2,5% Cr i pn la 0,50,6% C, cromul mani-fest o influen relativ mic asupra caracteristicilor de re-zisten i plasticitate ale oelurilor. Se remarc influen-a deosebit de favorabil a cromului asupra rezilienei,

36

influen determinat de capacitatea cromului de a finisa structura. n oeluri, cromul micoreaz deformabilitatea prin scderea caracteris-

ticilor de plasticitate i prin creterea caracteristicilor de rezisten la deformare. n acelai timp mrete capacitatea de clire a oelurilor de construcii, mrete duritatea superficial la oelurile moi de cementare, asigur o granulaie fin la oelurile de rulmeni i mrete rezistena la coroziune la oelurile inoxidabile. Cromul micoreaz ambutisabilitatea tablelor din oeluri inoxidabile austenitice.

Molibdenul este un element alfagen, nchiznd domeniul la concentraii cuprinse ntre 2,53% Mo, dar este mai puin activ dect siliciul. n oeluri molibdenul se dizolv parial n ferit i n cementit, restul formnd carburi de molibden.

Dizolvndu-se n ferit i formnd carburi, molibdenul mrete caracteristicile de rezisten mecanic i, ntr-o oarecare msur, caracteristicile de plasticitate ale oelurilor; la coninut constant de carbon rezistena la rupere i limita de curgere a oelurilor clite i revenite cresc cu coninutul de molibden pn la un maxim, care pentru oelurile cu 0,450,5% C se afl la 2% Mo; n aceste condiii caracteristicile de plasticitate rmn aproape nemodificate.

Formnd carburi, molibdenul mrete rezistena la uzare precum i rezistena la temperaturi ridicate; oelurile ce 2% Mo i menin duritatea mare pn la temperaturi de 400600C. Molibdenul mbuntete stabilitatea chimic n acizi (sulfuric, clorhidric i tartric), ca i n unele soluii alcaline, a oelurilor inoxidabile austenitice crom-nichel. Oelurile molibden pot nlocui oelurile mai scumpe crom-nichel.

Wolframul este un element alfagen care are influen similar cromului i molibdenului, mrind rezistena mecanic a oelurilor i meninnd valori ridicate ale acesteia i la temperaturi mai nalte. Wolframul este un element puternic carburigen; formnd carburi stabile, wolframul micoreaz susceptibilitatea la supranclzire a oelurilor. El ridic temperatura punctului A3 i temperatura de austenizare, micornd susceptibilitatea de fisurare la clire deoarece oelurile aliate cu wolfram au granulaie fin. Prezena wolframului n oeluri scade plasticitatea acestora ca urmare a eterogenitii chimice produs prin tendina sa de segregare.

Vanadiul este un element alfagen care nchide domeniul la o concen-traie de 1,1% V cnd nu se mai produce transformarea feritei n austenit, oelul fiind complet feritic. Fiind un element puternic carburigen formeaz carburi foarte fine i cu duritate mare, greu dizolvabile n austenit, astfel nct asigur oelurilor structur fin; n acelai timp micoreaz i sensibilitatea la supranclzire a oelurilor.

Plasticitatea oelurilor este puin influenat de prezena vanadiului n compoziia chimic a acestora, dar mrirea accentuat a rezistenei la deformare determin necesitatea limitrii coninutului de vanadiu n oeluri. Prin capacitatea vanadiului de a forma nitruri stabile, micoreaz tendina de mbtrnire a oelului i, ca atare, este recomandat n oelurile extramoi destinate laminrii la rece. n oelurile semidure vanadiul mbuntete limita de curgere

37

la cald i limita de elasticitate. Titanul, ca element alfagen, nchide domeniul la aproximativ 1,2% Ti.

Solubilitatea n ferit este limitat ca urmare a formrii compusului Fe2Ti. De asemenea, titanul reacioneaz puternic cu carbonul i cu azotul, formnd carburi i nitruri greu solubile. Deoarece solubilitatea titanului n fier variaz cu temperatura, aliajele fier-titan sunt durificabile structural. Titanul mrete rezistena la coroziune a oelurilor inoxidabile (cromul nu mai formeaz carburi ci rmne dizolvat n ferit), mbuntete rezistena la mbtrnire i micoreaz tendina de fragilizare sub 0C.

Carburile de titan, foarte fine i greu solubile, micoreaz tendina de cretere a gruntelui de austenit la temperaturi nalte, iar prin favorizarea precipitrii de compui intermediari mrete rezistena la fluaj a oelurilor.

Cobaltul nu are o influen pronunat asupra structurii oelurilor, dar fiind solubil n soluia solid influeneaz favorabil viteza de difuzie a carbonului, micornd astfel clibilitatea oelurilor. Are tendin foarte sczut de formare a carburilor, iar dizolvat n ferit mbuntete caracteristicile mecanice ale acesteia, att la cald ct i la rece.

Cobaltul mrete conductibilitatea termic a oelurilor, reducnd sensibilitatea la supranclzire i micornd tendina de cretere a granulaiei austenitei la temperaturi ridicate. Cobaltul nu este permis n oelurile pentru reactoarele nucleare deoarece sub bombardament neutronic formeaz izotopul Co60 care este puternic radioactiv. Este utilizat n oeluri de scule i n oeluri rapide pentru micorarea sensibilitii de deformare la tratament termic. Asociat cu nichelul este folosit la fabricarea aliajelor pe baz de fier cu coeficient de dilatare sczut.

Borul este un element alfagen, solubilitatea acestuia n fier fiind foarte mic. Cu fierul, borul formeaz mai muli compui dintre care compusul Fe2B formeaz un eutectic cu fierul, cu temperatura de topire de 1 161C i cu un coninut de 3,8% B. Acest eutectic imprim oelurilor cu bor fragilitate la cald chiar i pentru coninuturi foarte mici de bor, de aceea borul se admite n oeluri doar sub concentraia de 0,01% B.

La coninuturi mici, sub 0,0005%, borul nu influeneaz capacitatea de cretere a grunilor de austenit, ns la coninuturi mai mari de 0,006% B gruntele austenitic crete puternic. Influena borului asupra clibilitii oelurilor se manifest de la coninuturi foarte mici, ncepnd cu 0,0004% B. Aceast influen crete cu coninutul de bor pn la 0,005% B, pentru oeluri cu coninut ridicat de carbon i pn la 0,008% B pentru oeluri srace n carbon. La coninuturi de bor mai mari de 0,005% B i, respectiv, 0,008% B, adncimea de ptrundere a clirii scade deoarece precipit compusul Fe2B care micoreaz stabilitatea austenitei.

Coninuturi reduse de bor, sub 0,005% B, amelioreaz deformabilitatea oelurilor i reduce tendina de fisurare. Borul mbuntete i capacitatea de prelucrare prin achiere, iar n oelurile inoxidabile mrete rezistena mecanic ns micoreaz puin rezistena la coroziune intercristalin.

Aluminiul este un element alfagen i nu formeaz carburi n oeluri.

38

Aluminiul este unul din cei mai buni dezoxidani i degazeificatori, provocnd i compactizarea oelurilor. La coninuturi pn la 12% Al, acesta nu influeneaz deformabilitatea oelurilor, ns la coninuturi mai mari de 67% Al, plasticitatea oelurilor se reduce mult. Aluminiul mbuntete rezistena oelurilor la coroziune, la temperatura ambiant. Adugat n proporii mici, pn la 0,1% Al, micornd capacitatea de cretere a grunilor de austenit, contribuie la obinerea unor structuri fine, caracterizate prin proprieti de rezisten, plasticitate i tenacitate bune. Creterea coninutului de aluminiu determin o uoar cretere a proprietilor de rezisten, peste 2% reducndu-se brusc tenacitatea.

Zirconiul are afinitate mare pentru oxigen (este un dezoxidant mai bun dect aluminiul sau titanul), iar oxidul format avnd temperatura de topire ridicat, 2 700C i fiind fin dispersat n masa oelului, contribuie la finisarea granulaiei. Zirconiul acioneaz i asupra sulfului formnd sulfuri i, ca atare, n oelurile pentru automate cu 0,2% S i 0,15% Mn se adaug cel puin 0,22% Zr cu scopul de a putea fi prelucrate prin laminare la cald (sau se adaug 0,45% Zr pentru oelurile cu 0,3% S), cu scopul ameliorrii plasticitii i rezistenei la fluaj a acestor oeluri. Zirconiul reacioneaz cu azotul rezultnd nitruri care se topesc la temperaturi de peste 2 900C, atenundu-se efectul azotului i mrindu-se astfel rezistena la oboseal a oelului.

Lantanidele au capacitate foarte mare de dezoxidare i acioneaz asupra hidrogenului, azotului, sulfului i fosforului, reducndu-le concentraia i, implicit, efectul duntor. Cel mai frecvent se utilizeaz n oelurile inoxidabile i refractare crora le mbuntesc deformabilitarea, prin finisarea granulaiei primare.

Dintre elementele duntoare n oeluri pot fi enumerate cuprul, plumbul, staniul, fosforul, sulful, azotul etc.. Cuprul, din momentul n care s-a dizolvat n soluia solid, nu mai poate fi ndeprtat deoarece acesta nu formeaz carburi i nici compui definii cu fierul, iar peste un coninut de 0,2% se separ cupru liber. Concentraii de 0,250,50% Cu mbuntesc stabilitatea oelurilor la oxidare la temperaturi ridicate, dar prelucrarea lor prin laminare la cald la temperaturi mai mari dect temperatura de topire a cuprului, 1 083C, nu se poate realiza din cauza fragilitii oelului. Adaosuri de nichel (% Ni 0,33 % Cu) face posibil prelucrarea acestor oeluri i la temperaturi ridicate. Plumbul este practic insolubil n oeluri i se gsete fin dispersat n masa acestora, reducndu-le plasticitatea. Se utilizeaz totui pentru mbuntirea prelucrabilitii prin achiere a unor oeluri. Staniul produce fragilitatea la laminare la cald. Deoarece micoreaz plasticitatea, staniul este limitat sub 0,2% n oelurile pentru ambutisare adnc. De asemenea, oelurile aliate destinate laminrii la cald trebuie s fie lipsite de staniu pentru evitarea fisurrii i crprii n timpul laminrii. Fosforul segreg puternic la solidificare, concentrndu-se n zona central a lingourilor i formnd un eutectic ternar cu temperatura de topire de 953C, care conduce la fragilizarea oelurilor la laminarea la cald.

Un coninut de fosfor de peste 0,02% mrete sensibilitatea oelului la

39

supranclzire, rezultnd o structur grosolan i proprieti mecanice sczute. Sulful practic nu este solubil n ferit, dar se dizolv n austenit, la peste 940C, pn la concentraia de 0,25% S. Provoac fragilitatea la cald care se poate reduce prin adaosuri de mangan (v. cap. 1.4.2). Azotul determin mbtrnirea rapid a oelului (dac nu conine aluminiu sau titan n compoziie), micoreaz reziliena i mrete tendina de fragilizare la revenire, producnd, n acelai timp, tensiuni intercristaline. Printr-o dezoxidare avansat, cu aluminiu, aa cum s-a artat, se poate preveni fragilitatea provocat de azot.

40

Capitolul 2

SEMIFABRICATE I PRODUSE LAMINATE FINITE DIN OELURI ALIATE

Semifabricatele din oeluri aliate, utilizate ca materie prim n producia de laminate plate, profilate i tubulare i de extrudate profilate i tubulare, se obin att prin laminarea lingourilor turnate, ct i prin turnare continu.

n cazurile n care pentru laminare se utilizeaz lingouri, procesul de fabricaie const n urmtoarele etape: a laminarea lingourilor n vederea obinerii unor semifabricate cu seciune ptrat (blumuri) sau dreptunghiular (sleburi sau brame); b relaminarea blumurilor n semifabricate cu seciune mai mic (agle sau platine); c relaminarea blumurilor i aglelor n produse lungi sau tubulare finite i, respectiv, a bramelor i platinelor n produse plate (table sau benzi). Anumite produse finite (profiluri grele sau table groase) se pot obine i direct prin laminarea lingourilor.

Cel de-al doilea procedeu de obinere a semifabricatelor din oeluri aliate turnarea continu cunoate o dezvoltare impetuoas, acoperind o gam sortimental i calitativ n continu extindere. Avantajele principale ale turnrii continue a semifabricatelor din oeluri aliate destinate laminrii n produse finite constau n mrirea coeficientului de utilizare a metalului, eliminarea operaiilor de turnare n lingouri, stripare, eventual renclzirea, laminare degrosisoare, etapizarea progresiv a punerii n funciune a capacitii productoare de semifabricate i ealonarea corespunztoare a investiiilor. Turnarea continu are ns i unele neajunsuri, depite uor de laminoarele degrosisoare: elasticitate insuficient la turnarea ntregii game de formate de semifabricate; lips de adaptabilitate rapid la schimbarea formatului turnat; dificultatea, respectiv imposibilitatea turnrii unor oeluri i aliaje speciale.

Analiza caracteristicilor enumerate conduce la concluzia oportunitii coexistenei n aceeai unitate siderurgic att a laminoarelor degrosisoare ct i a instalaiilor de turnare continu, fiecare fiind specializat conform avantajelor oferite. Desigur c aceasta nu reprezint o regul. Astfel, se mai menine fluxul clasic cu turnarea n lingouri i laminarea semifabricatelor n special n unitile siderurgice vechi, cu posibiliti limitate de extindere. Pe de alt parte, se adopt de preferin turnarea continu, n cazurile n care nivelul de producie se coreleaz avantajos cu valoarea investiiei i cnd diversitatea formatelor nu este mare (cazul alimentrii laminoarelor de benzi late la cald cu sleburi turnate continuu, a laminoarelor de agle cu blumuri turnate continuu sau a laminoarelor de profiluri sau srm cu agle turnate continuu n numr restrns de formate).

41

Coexistena susmenionat este realizat de obicei etapizat, instalarea simultan a celor dou tipuri de capaciti fiind mai rar.

2.1. SEMIFABRICATE DESTINATE LAMINRII

Lingourile din oeluri aliate destinate laminrii se obin prin turnarea oelului lichid n lingotiere de forme corespunztoare procedeului de deformare ulterioar prin laminare n semifabricate sau n produse finite plate sau lungi. n general, au form de trunchi de piramid (v. fig. 1.6) sau trunchi de con; feele laterale pot fi ondulate i cu muchii mai mult sau mai puin rotunjite. n funcie de condiiile de laminare ulterioar, lingourile pot fi cojite, curate prin flamare i/sau tiate la anumite dimensiuni, fr ca aceste operaii s le modifice apartenena la categoria de lingouri.

n funcie de seciunea transversal se disting lingouri pentru produse lungi, inclusiv tubulare i lingouri pentru produse plate. Lingourile pentru produse lungi au seciunea transversal ptrat, dreptunghiular (cu limea pn la de dou ori grosimea), poligonal, rotund, oval sau profilat corespunztor profilului care va fi laminat, iar lingourile pentru produse plate au seciunea dreptunghiular cu limea de minimum dou ori mai mare dect grosimea.

Lingourile pentru produse lungi din oeluri necalmate utilizate n ara noastr au masa cuprins ntre 0,8 i 9,2 t i seciunea ptrat (lingouri direct conice) cu dimensiunile de 284/328 x 1 300...760/870 x 2 150 mm, iar lingourile din oeluri calmate au masa cuprins ntre 2 i 7,4 t i seciunea ptrat (lingouri invers conice), cu dimensiunile de 180/134 x 860720/630 x 2 310 mm. Lingourile pentru produse plate, n general din oeluri necalmate, au masa cu-prins ntre 2,5 i 28 t i seciunea dreptunghiular (lingouri direct conice) cu di-mensiunile 670/720 x 320/360 x 1 7001 720/1 780 x 1 070/1 100 x 2 500 mm.

Semifabricatele din oeluri aliate destinate laminrii sunt obinute prin laminarea lingourilor turnate sau prin turnare continu. Seciunile transversale pot avea forme diferite: ptrat cu latura seciunii de minimum 50 mm, dreptunghiular cu aria seciunii transversale de minimum 2 500 mm2 i cu raportul lime/grosime de minimum 2, plat cu grosimea de peste 50 mm i cu raportul lime/grosime de minimum 2 sau rotund cu aria seciunii transversale de peste 2 500 mm2. Seciunile transversale au dimensiuni constante n lungul semifabricatului, tolerane i dimensiuni mai mari, comparativ cu produsele finite plate sau lungi corespondente i muchiile rotunjite. Feele laterale sunt uor convexe sau concave, pot prezenta amprente de laminare sau de turnare continu i pot fi parial sau total prelucrate pentru eliminarea defectelor de suprafa, de exemplu, prin flamare, dltuire sau polizare.

Definirea i clasificarea semifabricatelor i produselor de oel este reglementat prin standardul SR EN 10 079: 1996 european adoptat ca standard romnesc. Semifabricatele obinute prin laminarea lingourilor, conform STAS 436-90, sunt prezentate n continuare.

Blumurile au seciunea ptrat sau dreptunghiular (cu raportul laturilor mai mic de 2), cu latura cuprins ntre 150 5 mm i 400 10 mm, cu muchiile

42

rotunjite i lungimi de 26 m i sunt destinate relaminrii n agle, platine sau profile grele i mijlocii.

Sleburile (bramele) au seciunea dreptunghiular, cu grosimi cuprinse ntre de 80 i 300 mm i limi de maximum 1 800 mm, astfel nct seciunea transversal s fie cuprins ntre 196 i 5 400 cm2 i lungimi de fabricaie de 1,57 m; sunt destinate relaminrii n table groase i benzi la cald.

aglele ptrate au latura cuprins ntre 40 1,5 mm i 140 4 mm i muchiile rotunjite cu raza r 0,2 a (n care a este latura aglei).

aglele plate au seciunea dreptunghiulat i dimensiunile (140280) x (3580) mm.

aglele rotunde pentru evi (STAS 2 881-87) au diametrul de 90 1350 6 mm.

Lungimile de fabricaie ale aglelor variaz ntre 2 i 15 m, iar destinaia lor este relaminarea n produse tubulare, profiluri mijlocii i uoare, srm sau benzi nguste.

Platinele au seciunea dreptunghiular (STAS 6 791-71), cu grosi-mea mic n raport cu limea (grosimea este de 630 mm, iar limea este de 200280 mm) i sunt utilizate pentru laminarea tablelor subiri n pachete.

Benzile laminate la cald (STAS 9 236-80) au dimensiunile de (312) x (1001 500 mm), se prezint sub form de rulouri cu masa de pn la 2030 t i sunt destinate relaminrii la rece n benzi subiri, ct i pentru fabricarea evilor sudate i a profilurilor ndoite.

2.2. PRODUSE LAMINATE PLATE

Produsele laminate plate au seciunea transversal dreptunghiular i limea mult mai mare dect grosimea. n general suprafaa acestor produse este neted, dar n anumite cazuri (de exemplu table striate) poate prezenta amprente sau denivelri rspndite uniform. Se obin prin laminarea la cald a semifabricatelor (brame sau platine) i uneori a lingourilor.

n categoria produselor plate intr tablele i benzile laminate la cald i la rece. Tablele laminate la cald (SR EN 10 029: 1994) se livreaz sub form de foi, n stare brut de laminare sau decapat, de form ptrat sau dreptunghiular cu limea de minimum 600 mm; tablele se pot livra i sub alte forme, de exemplu circular sau corespunztoare unui anumit ablon. Marginile sunt brute de laminare sau tiate la foarfec, cu flacr sau teite.

n funcie de grosime, tablele laminate la cald se definesc ca table subiri (cu grosimi de pn la 3 mm inclusiv), table mijlocii (cu grosimi de 34 mm) i table groase (cu grosimi de peste 4 mm).

Prin laminare la rece se obin de obicei numai table i benzi subiri (STAS 9 724-90) cu grosimi ntre 0,1 i 3,5 mm. n funcie de necesiti se pot lamina la rece i table cu grosimi mai mari (de pn la 5 mm).

Limea tablelor variaz ntre 1 000 i 4 000 mm, n cazul tablelor groase destinate construciilor de maini, recipienilor sub presiune i construciilor navale (grosimi de 4100 mm) i ntre 800 i 1 500 mm n cazul benzilor

43

laminate la cald cu grosimi de 312 mm (STAS 9 236-80) i a benzilor lami-nate la rece cu grosimi cuprinse ntre 0,1 i 3,5 mm (STAS 9 150-80) obinute prin laminare continu. Benzile nguste, cu limi sub 100 mm, se pot obine prin fiere din benzi late sau se pot lamina pe caje singulare.

Gruparea principalelor produse laminate plate, n funcie de caracteristicile dimensionale, este prezentat n tabelul 2.1.

Tabelul 2.1 Principalele produse laminate plate

Denumire produs Caracteristici dimensionale Limita de

dimensiuni, mm

Simbol Standarde de produs

Band laminat la cald BLC

ngust limea

1099 BLC

STAS 908-90 STAS 9 236-80

SR EN 10 051: 1995 mijlocie 100370 lat peste 370

Band laminat la rece BLR

ngust limea

1099 BLR

SR EN 10 139: 1999 STAS 9 150-80 STAS 9 724-90

mijlocie 100370 lat peste 370

Tabl subire

TS

neagr

grosimea pn la 3,0 exclusiv

TN STAS 1 946-80

construcii mecanice TCM

SR EN 10 051: 1995 STAS 901-90

STAS 9 624-89

ambutisare TA STAS 10 318-80 SR EN 10 130: 1995

zincat TZ STAS 2 028-80 SR EN 10 147: 1993 ondulat TO STAS 2 029-80 electrotehnic TE STAS E 11 508-89

Tabl mijlocie

TM

construcii mecanice grosimea 3,04,0

TMCM SR EN 10 029: 1994 SR EN 10 051: 1995

STAS 901-90 decapat TMD STAS 11 509-80 lonjeroane TML STAS 11 505-89

Tabl groas

TG

uz general

grosimea peste 4,0

TG STAS 505-86 SR EN 10 029: 1994

navale TGN STAS 8 324-87 SR EN 10 029: 1994 cazane i recipiente TGCR

STAS 11 502-89 SR EN 10 028: 1996

striat TGS STAS 3 480-80 decapat TGD STAS 11 509-80 ambutisat TGA STAS 11 501-80 construcii sudate TGGF

SR EN 10 113: 1995 SR EN 10 028-3:1996

poduri, viaducte TGPV STAS 12 187-88

Platband, PLB latura 160600 PLB SR EN 10 163: 1994

44

Platbenzile au limi de 160600 mm, grosimi mai mari de 4 mm i se livreaz ntotdeauna nerulate. Platbanda se lamineaz la cald pe cele patru fee (sau n calibre nchise), astfel nct muchiile rmn drepte, nerotunjite.

Tablele i benzile electrotehnice au grosimi, n general, mai mici de 2 mm i limi de maximum 1 500 mm. Oelurile electrotehnice pot fi cu gruni neorientai (nealiate sau aliate cu siliciu sau cu siliciu i aluminiu) acestea avnd proprieti magnetice izotrope (similare pe direcia de laminare i pe direcia transversal) sau pot fi cu gruni orientai, cu proprieti magnetice anizotrope (oeluri aliate cu siliciu). Aceste oeluri se livreaz cu acoperire izolatoare pe una sau pe ambele fee.

Produsele plate laminate la cald sau la rece pot fi protejate prin acoperire pe o fa sau pe ambele fee. Acoperirea de protecie se poate face termic cu zinc, cu aluminiu sau cu aliaje aluminiu-zinc, aluminiu-siliciu sau plumb-staniu prin imersie ntr-o baie metalic sau electrochimic cu zinc sau cu aliaj zinc-nichel sau plumb-staniu. Tablele i benzile neacoperite sau cu acoperiri metalice (de exemplu zincate) pot fi acoperite cu materiale organice (vopsite) sau cu materiale anorganice (emailate).

2.3. PRODUSE LAMINATE LUNGI

Produsele lungi (profilurile) prezint seciune transversal constant pe lungime care este, n mod uzual, definit de un standard care precizeaz gamele de dimensiuni curente precum i toleranele la dimensiuni i tolerane de form. n general, suprafaa acestor produse este neted dar, n anumite condiii (de exemplu bare de oel beton), aceasta poate prezenta denivelri rspndite uniform. Indicarea toleranelor dimensionale este necesar deoarece dimensiunile profilurilor pot varia n msur suficient de mare ca urmare a modificrii forei de laminare, a temperaturii laminatului i, nu n ultimul rnd, a uzurii calibrelor i jocurilor din cajele de laminare pe parcursul procesului de deformare. Ca urmare a aciunii factorilor menionai se constat variaii ale dimensiunilor chiar pe lungimea fiecrui laminat. Deci, prin existena toleranelor se pot obine profiluri corespunztoare, cu toate modificrile continue ale condiiilor de laminare.

Tendina general este de a se lucra cu tolerane negative pentru realizarea de economie de metal, dar punerea n aplicare a acestei idei necesit pregtiri foarte atente ale laminoarelor i respectarea riguroas a tehnologiilor de laminare.

Tipurile de profiluri care se pot obine prin laminare se grupeaz dup urmtoarele criterii (fig. 2.1):

- dup destinaia profilului, n profiluri de uz general (ptrat, rotund, lat, cornier, profile U, I, T, Z etc.) i profiluri cu utilizri speciale (in de cale ferat, enil de tractor, armtur de min, etc.);

- dup forma profilului, n profiluri simple (ptrat, rotund, lat, hexagonal etc.) i profiluri fasonate sau cu aripi (profil U, I, T, in de cale ferat,

45

palplane, piloi de sprijin etc.); - dup masa unitar a profilului, respectiv dup dimensiunile caracteristice ale acestuia (tabelul 2.2), n profiluri grele, profiluri mijlocii i profiluri uoare.

Fig. 2.1. Principalele tipuri de profiluri simple (a), fasonate (b) i speciale (c): 1 in de cale ferat; 2 in de tramvai; 3 profil Z pentru vagoane;

4 prifil lat pentru tmplrie metalic; 5 profil palplan; 6 profil omega pentru armturi de min; 7 profil jant de autocamion;

8 profil pinten pentru enil de tractor.

Palplanele sunt profiluri fasonate obinute prin laminare la cald care au o asemenea form nct prin mbinarea capetelor sau a ghidajelor longitudinale sau prin prindere cu ajutorul unor agrafe speciale formeaz perei despritori sau perdele continue. Dup forma seciunii transversale (fig. 2.2) sau dup utilizare palplanele pot fi: palplane n form de S, U, Z i ; palplane plate; palplane asamblate; palplane H de mbinare; palplane uoare de armtur (blindaj