CERCETARI PRIVIND OTELURILE INOX SI SUDABILITATEA LOR

Conventional se numesc oteluri inoxidabile aliajele Fe-C-Cr care contin cel putin 12 %Cr si au participare sub 0,1% C. Continutul de 12% Cr confera otelurilor proprietatea de a se acoperi de un strat pasiv in cele mai multe medii (aer, apa, acizi, atmosfera ind. s.a.) facandu-le rezistente la oxidare si coroziune, in raport cu alte materiale metalice. Stratul pasiv este format in principal din oxizi de Cr, este aderent, dens, impermeabil si putin solubil, fapt care-l face rezistent la actiunea unui mare numar de medii agresive.

Industria chimica si petrochimica, industria alimentara utilizeaza medii din ce in ce mai agresive, temperaturi si presiuni din ce in ce mai ridicate, fapt care a solicitat crearea a numeroase calitati a otelurilor inoxidabile, adaugand aliajelor Fe-C-Cr diverse elemente ca: Ni, Mo, Cu, Mn, Ti, niobiu, Si, B, Al etc.

Aceste elemente au ca scop marirea rezistentei la coroziune si imbunatatirea comportarii otelurilor la solicitari mari.

Nichelul amelioreaza, in special rezistenta la coroziune in medii acide slab oxidante sau neoxidante si ridica tenacitatea otelurilor. Adaosurile de Cu maresc influenta nichelului.

Molibdenul imbunatateste in special rezistenta la coroziune locala si medii cloride.

Titanul, niobiul reactioneaza cu carbonul si formeaza carburile stabile, maresc stabilitatea termica si rezistenta la coroziune intercristalina a otelurilor.

Siliciul si aluminiul maresc rezistenta la temperaturi ridicate, iar cateva miimi de bor amelioreaza comportarea la fluaj a otelurilor inoxidabile.

Manganul este adaugat ca inlocuitor al nichelului pentru efectul sau gomogen si permite ridicarea indicelui economic.

Otelul inoxidabil este o realizare a deceniului III al secolului nostru si au fost create la inceput in special pentru tacamuri, mai tarziu gasindu-se o larga utilizare in industria chimica, petrochimica, alimentara si cea aerospatiala.

	Dezvoltarea productiei de otel inoxidabil

Figura 1

Otelurile inoxidabile se fabrica in special sub forma de materiale plate (table, placi), subtiri (sarme, bare), tubulare (tevi, tuburi), capilare.

1.1. Influenta elementelor de aliere asupra structurii

si proprietatilor otelurilor inoxidabile

Principalul scop al elementelor de aliere ale otelurilor inoxidabile este marirea rezistentei la coroziune si imbunatatirea proprietatilor mecanice si fizice. Elementele de aliere modifica structura si clasifica otelurile inoxidabile in diferite clase.

Influenta cromului - Cromul este elementul principal de aliere, participa cu un procent de minim 12%.

Cromul modifica transformarile alotropice ale fierului si influenta pe care o exercita asupra domeniilor de existenta a diversilor constituenti structurali ai otelurilor.

In aliajele Fe-Cr apar fazele si constituenti structurali indicati in figura de mai jos:

Fig.2: Diagrama de echilibru Fe-Cr

Datorita efectului altogen al cromului are loc restrangerea si chiar disparitia fazei ﻻ. Cromul ridica temperatura punctului critic A₃ si coboara temperatura critica A₄ de transformare alotropica a fierului.

In functie de continutul de Cr in aliajele Fe-Cr apar fazele:

= Fe (Cr)  pentru concentratii sub 12% Cr.

pentru concentratii intre 12 . 13% Cr.

= Fe (C)   pentru concentratii mai mari de 13% Cr.

s = FeCr  pentru concentratii de 45% Cr, faza care este stabila pana la 1093 k.

s pentru concentratii de 13 . 15% Cr si 45 . 65% Cr dar fara a fi precizate bine concentratiile domeniilor bifazice.

Prezenta fazei s alaturi de faza provoaca o durificare structurala si o mare fragilizare structurala, in special daca aliajele Fe-Cr sunt mentinute un timp indelungat in intervalul 873 . 1123k.

Structura otelurilor aliate cu crom depinde de continutul in carbon, crom si de tipul de tratament termic aplicat.

Modificarea sructurii in functie de continutul in crom si carbon este ilustrata in figura 3.

Figura 3

I    oteluri feritice

II  oteluri semiferitice

III oteluri hipoeutectoide

IV oteluri hipereutectoide

V oteluri ledeburitice

In stare recoapta, otelurile aliate cu crom vor prezenta structuri:

- martensitice: care prin incalzire la temperaturi ridicate capata structura austenitica si pot fi calite. Aceste oteluri au continutul in Cr de 12 . 18% iar continutul de carbon creste odata cu cresterea continutului in crom.

- feritice: care nu sufera transformari structurale prin incalzire si racire. Aceste oteluri se caracterizeaza prin continuturi de 16 . 30% Cr si o crestere a carbonului pentru o participare mai mare a cromului.

- martensito-feritice: care sufera partial transformari de faza la incalzire-racire si se caracterizeaza prin continut de 0,08 . 0,22% C pentru un continut de 18% Cr.

Continutul in carbon si crom modifica viteza critica de calire, influentand calibilitatea otelurilor. Viteza critica de calire scade pe masura cresterii continutului in crom si carbon a otelului.

Calibilitatea otelului creste pe masura ridicarii continutului in crom si carbon. Calibilitatea otelului pentru un continut constant in crom si variabil in crom este crescatoare.

Fig.4: Influenta cromului asupra

calibilitatii otelului

Duritatea si unele caracteristici mecanice depind de continutul in carbon si crom, precum si de temperatura de incalzire pentru calire si temperatura de revenire.

Din analiza rezultatelor experimentale pentru otelurile cu 12 . 14% Cr si continut mai mic de 0,18% C avem:

- duritate maxima, HRC 460 N/mm² pentru temperatura de calire de 1100° C si scade sub aceasta valoare la temperatura de calire 1200° C (fig.5).

- rezistenta la rupere (Rm) si limita de curgere (Rp_0,2) scad, iar alungirea si rezistenta cresc pe masura ridicarii temperaturii de revenire peste anumite valori.

Fig.5: Variatia duritatii otelului

inoxidabil cu temperatura

Se vor obtine valori acceptabile pentru aceste caracteristici mecanice in cazul revenirii la 600° C sau temperaturi inferioare lui 500° C.

Otelurile aliate cu crom, martensitice, prezinta bune proprietati mecanice si o buna rezistenta la coroziune.

La temperatura ambianta aceste oteluri prezinta o buna rezistenta la coroziune in medii de acid azotic cu concentratia de 1% acid boric; acid acetic cu concentratia sub 10%; acid picric, toric, uric, benzoic, carbonat de sodiu, de potasiu, de calciu, de magneziu, soda caustica, otet, suc de fructe, cafea, ceai, acool, eter de petrol, uleiuri minerale, apa si apa de mare, daca au fost calite de la 1000° C/apa (ulei) si revenite la valori ale temperaturii  de peste 600° C.

Revenirea intre 400° . 600° C favorizeaza precipitarea carburilor fine care micsoreaza rezistenta la coroziune a otelului.

Influenta nichelului: La otelurile inoxidabile austenitice si la unele oteluri inoxidabile martensito-feritice, nichelul este alaturi de crom elementul principal de aliere. Participarea nichelului la otelurile inoxidabile este de minim 8% pentru cele cu structura austenitica (clasa crom - nichel) sau de 4 . 6% (clasa crom-mangan-azot-nichel) si de maxim 4% pentru oteluri inoxidabile martensitice. Nichelul se dizolva in Feﻻ si-i extinde domeniul de existenta, actionand asupra coborarii temperaturii punctelor critice de transformare.

Se remarca faptul ca nichelul (amelioreaza) provoaca un important histerezis de transformare la incalzire-racire, fapt care conduce la aparitia domeniului bifazic

La concentratii de 60 . 80% Ni apare suprastructura FeNi₃ a carei prezenta nu s-a constatat in otelurile aliate cu nichel.

Acest FeNi₃ se dizolva in faza ﻻ la temperaturi mai mari de 500°C. Datorita vitezei mici de transformare ﻻ α la temperaturi sub 300 C, delimitarile fazelor sunt inerente si in consecinta sunt precizate cu linii intrerupte.

In aliajele Fe-C-Ni influenta nichelului este asemanatoare cu cea aratata la Fe-Ni, in plus favorizeaza descompunerea cementitei si apare grafitul.

In functie de C si Ni aliajele Fe-C-Ni pot prezenta urmatoarele structuri:

- perlitice, perlitice cu grafit, martensitice cu grafit, austenitice si austenitice cu grafit.

Grafitul apare daca aliajul contine peste 0,8% C si 24% Ni.

In functie de continutul de Cr si Ni si pentru concentratii de carbon (0,1%) pot aparea, in urma racirii rapide diverse tipuri de structuri:

Fig.6: Sectiune prin diagrama

ternara Fe-Ni-Cr la concentratii de 0,1%C

F_d - ferita d A - austenita

F_{d + C} ferita d + carburi de Cr

In concluzie nichelul provoaca in otelurile inoxidabile crom - nichel doua fenomene importante:

- extinderea domeniului austenitic si marirea stabilitatii austenitice.

- stabilirea fazei s = (FeCr) la temperaturi ridicate si aparitia ei la concentratii mai mici in crom, comparativ cu otelurile inoxidabile aliate numai cu crom.

Nichelul influenteaza temperatura punctelor critice de transformare ale otelului. Se obtine o coborare cu 10° . 11° C a punctului critic A, pentru fiecare procent de Ni. Nichelul actioneaza asupra coborarii punctelor critice de transformari mortensitice (fig. 7).

Fig. 7: Influenta nichelului asupra

temperaturii de transformare

martensitica

Nichelul (amelioreaza) micsoreza viteza critica de calire a otelurilor. Nichelul contribuie la marirea tenacitatii si prelucrabilitatii prin deformare plastica. Cresterea continutului in Cr si Ni provoaca marirea rezistentei la rupere care este mai puternica dupa deformari plastice mai severe. Alungirea specifica se micsoreaza pe masura cresterii gradului de deformare plastica aplicat (fig. 8).

Fig. 8: Variatia caracteristicilor mecanice ale

otelurilor inoxidabile functie de continutul de Cr si Ni

si gradul de deformare.

Rezistenta la coroziune a otelurilor inoxidabile Cr-Ni depinde in special de prezenta in structura a carburilor de Cr, respectiv de faptul daca exista o austenita cu un grad mare de omogenizare. Separarile carburilor de Cr la limita grauntilor austenitici va inrautati rezistenta la coroziune a otelurilor inoxidabile Cr-Ni.

Acesta se poate evita prin alierea cu Ti si Nb, fie prin modificarea elementelor feritizante.

Influenta manganului si a azotului: - Otelurile Cr - Ni sunt scumpe ca urmare a pretului ridicat al nichelului. S-au cautat elemente cu efect gomogen pentru inlocuirea Ni.

Manganul si azotul contribuie la alierea otelurilor inoxidabile pe baza de Cr si a celor pe baza de Cr - Ni.

Otelurile inoxidabile Cr-Mn sau Cr-Mn-Ni au o structura austenitica mai stabila, daca se face calirea de punere in solutie (1000° C/apa).

Azotul este un element cu efect gamagen. Adaosurile de azot in otelurile Cr-Ni sau Cr-Ni-Mn conduc la diminuarea continutului de Ni si confera o aceeasi structura austenitica. Azotul contribuie la durificarea austenitei si otelurile Cr-Mn-Ni-N prezinta proprietati mecanice mai ridicate.

Nu se pot administra azot peste 0,4% deoarece apar tendinte spre fragilizarea datorita fenomenului de formare a unor nitruri de fier ce se pot separa in timpul exploatarii otelului.

In scopul modificarii proprietatilor fizice, chimice si mecanice se adauga otelurilor inoxidabile diverse elemente, considerate ca elemente de microaliere ca: Mo (alfagen) in proportii 1 . 3% in otel Cr-Ni ridica proprietatile mecanice la cald, stabilizeaza ferita, mareste rezistenta chimica in acizi reducatori si in prezenta ionilor de clor.

Wolframul (alfagen) creste proprietatile mecanice ale otelurilor inoxidabile la temperaturi joase si inalte.

Cuprul se adauga pentru a mari efectul austenitizant al nichelului.

Titanul si niobiul (alfagen) impiedica formarea carburilor de crom.

Sulful, fosforul si Se se adauga pentru a creste prelucrabilitatea prin aschiere.

1.2. Structura otelurilor inoxidabile

Aceasta va depinde de participarea elementelor cu caracter alfagen si gamagen din compozitia lor. De fapt aceasta structura e afectata de raportul dintre echivalentul in crom (elemente alogene) si echivalentul in Ni (elemente gamagene).

In functie de E_Cr si E_Ni se pot obtine diverse tipuri structurale de oteluri inoxidabile (tabelul 1).

Structura otelurilor inoxidabile in functie de E_Cr/E_Ni

Tabelul 1

Se observa ca obtinerea structurilor austenitice (A), necesita valori mici ale raportului E_Cr/E_Ni, iar cele feritice A+F, M+F necesita valori mari ale acestor rapoarte.

Familiile principale ale otelurilor inoxidabile sunt:

- oteluri martensitice

- oteluri feritice

- oteluri inoxidabile austenitice

- oteluri inoxidabile austenito-feritice

1.3. Sudabilitatea otelurilor inoxidabile austenitice

Otelurile inoxidabile austenitice contin 16 . 26% Cr si 6 . 26% Ni. Ele nu sunt magnetice, nu se pot cali fiindca in toata gama de temperaturi au aceeasi structura si anume austenitica. Rezista la oxidare si coroziune si isi pastreaza plasticitatea la temperaturi foarte scazute. Nu se pot utiliza in medii cu sulf sau compusi de sulf deoarece nichelul formeaza sulfuri si astfel otelul corodeaza. Caracteristicile mecanice ale otelurilor inoxidabile austenitice se situeaza intre limitele:

s_c = 200 . 350 N/mm

s_r = 550 . 700 N/mm

d_s 

Caracteristicile mecanice de rezistenta pot fi marite prin deformare plastica la rece.

Sudarea otelurilor inoxidabile austenitice se face mai ales cu procedeele WIG si MIG (cu gaze protectoare). Ele pot fi sudate si cu electrod invelit dar numai in cazul in care se utilizeaza invelis bazic. Procedeele de sudare sub flux sau in baie de zgura (SF, SB2) sunt procedee intensive si se folosesc mai rar deoarece acestea produc incalziri indelungate si pe volume mari.

La sudarea otelurilor inoxidabile austenitice exista unele probleme care trebuiesc avute in vedere.

La incalzirea intre 600 si 800˚C, cromul care este mai avid de carbon decat fierul, formeaza carburi de crom si acestea se precipita la marginea grauntilor de austenita (fig. 9).

Fig. 9. Precipitarea carburilor de crom in otelurile

inoxidabile austenitice .

a) grauntii de austenita cu cromul uniform dizolvat.

b) atomii de crom se indreapta spre marginile grauntilor pentru a forma carburi.

c) carburile de crom negre ocupa straturile intergranulare si in jurul lor grauntii de austenita au zone sarace in crom (zone hasurate) avand continut mai mic decat cel critic.

Carburile de crom fiind dure si casante, se produce o fragilizare a otelurilor. In acelasi timp, zonele de la marginea grauntilor cristalini pierd o parte din crom, ca urmare a precipitarii carburilor. Daca in aceste zone continutul de crom scade sub 12%, otelul nu mai rezista la coroziune. Deci prin precipitarea carburilor de Cr, otelurile inoxidabile austenitice isi pierd plasticitatea si rezistenta la coroziune. In acest caz in zona precipitarilor in cazul unor solicitari mai mari in mediul coroziv apar fisuri.

Un alt fenomen nedorit este in cazul unor continuturi de Cr peste 20% in zonele incalzite la 700 . 900˚C cand se precipita o faza intermetalica numita faza sigma (σf) care este dura si casanta. Precipitarea fazei sigma face ca sa scada caracteristicile de plasticitate ale otelului (fig. 10).

Fig. 10: Scaderea rezilientei otelului inoxidabil austenitic

317 din cauza precipitarii fazei sigma.

Faza sigma are ca structura 50% Cr si 50% Fe legate intermetalic. In consecinta precipitarea fazei σf are efecte similare cu cele de la precipitarea carburilor de Cr. Pe langa temperatura inalta, precipitarea lui σf este stimulata si de prezenta elementelor feritizante din oteluri.

Cusaturile, sudurile pe oteluri inoxidabile austenitice au uneori tendinta ridicata spre fisurare la cald. Aceasta tendinta se datoreaza particulelor de silicati ce se formeaza in metalul topit si care in cursul cristalizarii cusaturii, slabesc legatura intre grauntii cristalini.

Pentru a evita precipitarea carburilor de crom se pot lua urmatoarele masuri:

- se alege astfel regimul de lucru incat incalzirea si racirea otelurilor in intervalul de temperatura 600 . 800ْC sa se faca cu viteze cat mai mari. Pe langa actionare asupra regimului de sudare, se pot folosi si jeturi de apa sau de aer rece.

- se reduce continutul in carbon astfel incat precipitatele sa fie atat de putine incat sa nu dea efectele aratate. Pentru a se satisface acest deziderat este necesar sa se reduca continutul de C sub 0,03%.

- se introduc in otel elemente de aliere cu afinitate mai mare fata de carbon decat cromul. La incalzirile in intervalul critic de temperaturi, elementele respective capteaza carbonul si deci cromul nu se mai precipita. Carburile elementelor respective se disperseaza destul de omogen in austenita si nu cauzeaza fragilizarea asa cum se intampla in cazul carburilor de crom. Elementele de aliere folosite in acest scop sunt titanul si Nb. Cantitatile necesare sunt: Ti % = 10 ( %C ), Nb % = 10 (%C) pentru cazul in care se foloseste numai unul din elemente.

Pentru evitarea precipitarii fazei σf se iau urmatoarele masuri:

a) se va alege regimul de sudare astfel incat sa se evite incalzirile indelungate la temperaturile la care σf precipita.

b) in compozitia chimica a otelurilor cu Cr 20% se modifica balanta intre elementele feritizante ( -gene) austenitizante ( -gene) in favoarea celor austenitizante.

Precautiunile se pot combina.

La inclinatia cusaturii spre fisurare la cald se adopta:

a) se alege un metal de adaos MeA austenitic cu 3 . 7% ferita. Ferita dizolva peliculele de silicati si astfel (combinatia) inclinatia spre fisuratie la cald este diminuata.

b) alegerea continutului in ferita a MeA se va face cu atentie la oteluri cu Cr > 20%, fiindca o crestere a continutului in ferita determina o sporire a probabilitatii de precipitare a fazei

Se retine faptul ca daca la un otel inoxidabil austenitic au precipitat carburile de crom, ele pot fi descompuse si carbonul redizolvat in austenita printr-un tratament termic: incalzire indelungata la 1050 C. Incalzirile indelungate peste 800 C, deci si tratamentele de solubilizare a precipitatelor, fac sa creasca grauntii cristalini ai otelurilor, adica are loc supraincalzirea lor. Otelurile inoxidabile austenitice nu au transformari de structura, deci tratamentele de finisare nu sunt posibile.

La sudarea otelurilor inoxidabile austenitice nu se va folosi preincalzirea fiindca aceasta mentine metalul la temperaturi unde ar putea apare precipitatele. Dupa sudarea lor se va evita detensionarea.