Studiul metalografic al oelurilor i fontelor aliate

67

L U C R A R E A N R . 8

S T U D I U L M E T A L O G R A F I C A L O E L U R I L O R I F O N T E L O R

A L I A T E

Oelurile care n compoziia lor conin unul sau mai multe elemente adugate n mod intenionat pentru a le mbunti proprietile mecanice, chimice, tehnologice, se numesc oeluri aliate. Elementele de aliere introduse n oeluri se comport diferit n raport cu fierul i carbonul. Astfel, unele elemente se dizolv n fier formnd soluii solide aliate fr a se combina chimic cu carbonul; sunt influenate proprietile fizice (Al, Ni, Cu, Si, Co, N). Alte elemente cum ar fi Cr, W, V, Ti, Mo prezint afinitate chimic fa de carbon dnd natere unor carburi simple sau complexe; sunt influenate proprietile mecanice. Elementele de aliere modific poziia punctelor critice i liniile de transformare din diagrama Fe-C. Elementele gamagene: Ni, Mn, Cu, Pt, C, etc. mresc domeniul de existen al austenitei, (reducndu-l pe cel feritic) cobornd punctul critic A3 i urcnd pe A4. Elementele de aliere alfagene: Cr, Mo, W, V, Ti, Zr etc. micoreaz domeniul de existen al austenitei (lrgindu-l pe cel feritic), urcnd punctul critic A3 i cobornd punctul critic A4. n general, elementele de aliere mpiedic creterea gruntelui de austenit la nclzire. Oelurile aliate se clasific dup urmtoarele criterii:

dup cantitatea de elemente de aliere: slab aliate, (cca. 2% elemente de aliere); mediu aliate, (3-5% elemente de aliere) i nalt aliate, (peste 5% elemente de aliere);

dup structura n stare de echilibru: hipoeutectoide, hipereutectoide i ledeburitice;

dup structura obinut n urma rcirii n aer liber: oeluri feritice, perlitice, martensitice, austenitice i cu carburi, etc;

dup prelucrarea primar: oeluri turnate i oeluri laminate; dup destinaie: de construcii, de scule, cu destinaii

speciale

Lucrri de laborator

68

8.1. Microstructura oelurilor de construcii slab aliate Aceste oeluri sunt destinate fabricrii unei game largi de organe de maini. Coninnd procente mici de elemente de aliere n general sub 5%, structura acestor oeluri nu sufer modificri eseniale i rmne asemntoare cu structura oelurilor carbon hipoeutectoide, prezentnd aceiai constituieni. Dup coninutul de carbon, oelurile din aceast grup se folosesc fie ca:

oeluri de cementare, (carbon sub 0,25% - vezi anexele); oeluri de mbuntire.

Ferita aliat. Reprezint soluii solide de substituie ale elementelor de aliere n Fe. Are proprieti superioare fa de ferita oelurilor carbon: Ni i mrete tenacitatea micorndu-i granulaia, Mn, Si, Cr i mresc duritatea i rezistena. Ferita aliat se poate prezenta sub trei forme structurale:

ferita poliedric, corespunde oelului recopt i rcit lent; ferita globular, corepunde unei stri n afar de echilibru i

se formeaz n urma tratamentului termic de normalizare; ferita acicular seamn cu martensita i se obine printr-o

subrcire intens la temperaturi de 300-400C. Este un constituient dur i se obine n oelurile aliate cu Cr, rcite rapid. Cementita aliat. Reprezint soluii solide izomorfe ale carburilor elementelor de aliere n carbura de fier, de exemplu (FeMn)3C. n cementit se repartizeaz elemente de aliere alfagene. Cementita aliat este solubil n austenit la nclzirea oelurilor peste A1. Perlita aliat. Reprezint un amestec mecanic format din ferit aliat i carburi aliate. Deoarece elementele de aliere deplaseaz spre stnga liniile diagramei Fe-C, perlita aliat poate

conine mai puin de 0,8%C. Perlita aliat are n general o structur lamelar mult mai fin ca perlita oelurilor carbon. Adesea este numit perlit sorbitic. Simbolul acestor oeluri ncepe cu un grup de cifre care indic cantitatea de carbon n sutimi de procente, urmat de simbolurile chimice ale elementelor de aliere aezate n ordinea crescnd a importanei

Fig. 8.1. Oel Ni-Cr pentru cementare

(13CrNi25). Ferit i perlit fin (300:1)

Studiul metalografic al oelurilor i fontelor aliate

69

lor, i un grup de cifre care arat coninutul n zecimi de procente a celui mai important element de aliere. De exemplu: 41MoCr11, oel aliat de construcii cu 0,4%C, Mo i 1,1% Cr. Dac oelul este turnat se adaug n fa litera T. Oelurile aliate de construcii prezint drept constituieni structurali ferita i perlita aliat, cu structur mult mai fin i uniform distribuit n miezul piesei (fig. 8.1). Structura oelului de cementare din fig. 8.1 este asemntoare cu cea a oelului carbon cu coninut egal de carbon, cu toate c ele conin i elemente de aliere.

Oelurile de mbuntire prezint drept constituieni structurali n stare recoapt perlit aliat cu sau fr urme de ferit aliat (fig. 8.2), iar n urma clirii capt structur martensitic cu ace fine i uniform distribuite. Prin revenire se poate obine troostit de revenire sau sorbit n funcie de temperaturile de revenire (fig. 8.3). Clibilitatea oelurilor aliate n special a oelurilor Cr-Ni este cu mult mai mare dect a oelurilor carbon i graie acestui fapt s-a putut realiza un tratament termic uniform al pieselor de maini de dimensiuni mari. Obs. Oelurile aliate de construcii cu destinaie precizat fac excepie de la acest mod de simbolizare: oeluri pentru rulmeni, oeluri pentru cazane, oeluri pentru industria electrotehnic.

8.2. Microstructura oelurilor aliate de scule Elementele de aliere ntlnite frecvent n oelurile aliate de scule sunt: Cr, W, Mo, V, Co. Aceste elemente formeaz carburi simple i complexe mai dure i mai stabile dect cementita i n

Fig. 8.3. Oel Cr-Ni-Mo pentru

mbuntire (35MoCrNi20) clit i revenit. Sorbit i troostit de

revenire (300:1)

Fig. 8.2. Oel Cr-Ni-Mo pentru

mbuntire (35MoCrNi20) n stare normalizat. Ferit i perlit fin

(300:1)

Lucrri de laborator

70

consecin, contribuie la mbuntirea proprietilor caracteristice cerute sculelor achietoare: duritate, termostabilitate, etc. Clasificarea oelurilor aliate de scule se poate face dup coninutul n elemente de aliere: oeluri slab aliate de scule i oeluri nalt aliate de scule, sau dup destinaie: pentru scule de deformare plastic, pentru scule achietoare i pentru instrumente de msur i verificare Oeluri slab aliate pentru scule. Corespund ca structur oelurilor hipereutectoide, posed o clibilitate mare i se clesc n ulei:

oeluri cu Cr: conin min. 0,7%C i 1%Cr. Se utilizeaz la construcia de scule ce lucreaz fr ocuri (pile, burghie, filiere);

oeluri cu W: conin min. 1,1%C i 1,2%W. Sunt similare cu oelurile carbon de scule dar au o termostabilitate mai bun. Oeluri nalt aliate pentru scule. n aceast categorie se ncadreaz oelurile rapide al cror tip caracteristic este oelul Rp3, (oel cu 18% W+4% Cr+1% V).

Oelurile rapide de scule sunt oeluri bogat aliate (pn la 25%) cu Cr, W, Mo, V, Co i cu un coninut de carbon de 0,71%. Sunt destinate confecionrii sculelor achietoare care prelucreaz la viteze ridicate (4050 m/min) materiale dure (280 HB), cuite de strung, freze, burghie, scule de filetat, etc. Cele mai utilizate sunt oelurile aliate cu W (Rp3), aliate cu Co (Rp1, Rp2), i cu Mo (Rp5, Rp10). n stare turnat (fig. 8.4) oelul rapid prezint n structur separaiuni grosolane de ledeburit, perlit fin i ferit aliat. Un asemenea material prezint o duritate neuniform, nu poate fi prelucrat prin achiere i este fragil.

Fig. 8.4. Oel rapid turnat n centrul unui lingou de 25 kg (100:1). Atac

nital 2%

Fig. 8.5. Oel rapid Rp5 dup forjare i recoacere (500:1). Atac nital 2%

Studiul metalografic al oelurilor i fontelor aliate

71

Structura oelului rapid Rp5 supus forjrii i recoacerii (fig. 8.5) este format din carburi globulare distribuite uniform pe un fond metalic format din perlit fin i ferit. Dup clire i revenire structura oelului rapid este format din carburi primare, carburi secundare fin precipitate i martensit.

8.3. Microstructura oelurilor aliate cu destinaie special Oelurile aliate cu destinaie special conin procente mari de elemente de aliere, ceea ce determin modificri eseniale de strucur i proprieti. Se remarc oelurile inoxidabile, oelurile rezistente la coroziune, oelurile refractare, oelurile cu proprieti magnetice speciale, etc. Oelurile aliate cu Si. Si face parte din elementele care ngusteaz domeniul austenitic. La un coninut de 1,8% Si i n lipsa carbonului, transformarea ferit-austenit este complet suprimat. Si substituie Fe la nivelul feritei, i mrete rezistena, limita de curgere i mai ales permeabilitatea magnetic, din aceast cauz oelurile cu 4% Si sunt utilizate ca table pentru transformatoare. n fig. 8.6 este dat aspectul macroscopic al unei table silicioase pentru transformatoare, avnd permeabilitatea magnetic mbuntit prin mrimea gruntelui cristalin Oelurile aliate cu Cr. Cr este un elemente alfagen. n aliajele Fe-Cr fr carbon, la peste 15%Cr, domeniul austenitic dispare, oelurile fiind complet feritice. n prezena C apare cementita aliat cu Cr (FeCr)3C i carburi de Cr, Cr7C3. Structura poate deveni ferito-martensitic sau martensitic n urma tratamentelor termice de mbuntire. Oelurile aliate cu Cr se

Fig. 8.6. Tabl silicioas pentru

transformatoare. Gruni cristalini n mrime natural

Fig. 8.7. Oel cu 13% Cr dup clire n ap de la 960C. Atac HNO3+HCl

Lucrri de laborator

72

utilizeaz n construcia turbinelor, a tijelor de piston, piese pentru pompe ce lucreaz n medii corozive, cuite, tarozi, etc. Oeluri Cr-Ni. Au proprieti foarte diferite. La coninuturi mici de Cr i Ni, avem oelurile slab aliate cu structur ferito-perlitic. Cu creterea coninutului de Ni structura se modific: martensitic, apoi martensito-austenitic i n final devine austenitic. Adaosul de Cr mrete rezistena la coroziune. La oelurile Cr-Ni rezistena la coroziune este asigurat prin lipsa precipitrilor de carburi n masa de austenit, condiie ndeplinit prin diminuarea coninutului de C i prin alierea oelului cu elemente ce stabilizeaz austenita (Ti, W, Ta, etc.). Calitile acestor oeluri rezult din faptul c structura este format dintr-un singur constituient omogen-austenita (datorit Ni), cu rezisten bun la coroziune (datorit Cr) i stabilitate structural (datorit coninutului redus de carbon).

Structura acestor oeluri este pus n eviden prin atac cu reactivi foarte energici i este format din poliedre de austenit cu aspect regulat, adesea prezentnd macle de recoacere Oeluri aliate cu Mn. Mn este un element gamagen i n prezena C are tendina de a forma carburi de tipul Mn3C. Oelurile nalt aliate cu Mn conin cca. 12-14% Mn i 0,8-1,2% C i au o structur austenitic. Sunt cunoscute sub numele de oeluri manganoase (STAS 3718-88) i posed o foarte bun rezisten la uzare, datorit capacitii mari de ecruisare a austenitei. Se utilizeaz pentru confecionarea plcilor de concasor, enilelor de tractoare, macazurilor pentru calea ferat, etc. Duritatea acestor oeluri variaz n timpul lucrului de la 250 HB, ct are oelul dat n exploatare, pn la 400-450 HB dup un scurt interval de activitate, cnd

Fig. 8.8. Oel austenitic cu 18% Cr i

8% Ni, inoxidabil. 300:1. Atac cu HNO3+HCl

Fig. 8.9. Oel austenitic manganos cu

12% Mn i 1,2% C. 200:1. Atac cu nital

Studiul metalografic al oelurilor i fontelor aliate

73

materialul s-a ecruisat rapid n suprafa, durificndu-se. Acest oel are o structur austenitic (fig. 8.9); simplu turnat conine n structur carburi care-l fac fragil. Este necesar dizolvarea acestor carburi i obinerea unei structuri de austenit pur, ceea ce se realizeaz printr-o clire de la 1100C n ap (hiperclire).

8.4. Microstructura fontelor aliate n scopul realizrii unor proprieti de rezisten la coroziune, rezisten la uzur, proprieti magnetice i electrice, fontele se aliaz cu diferite elemente: Cr, Ni, Mo, V, Al, etc. Dintre grupele de fonte aliate se pot meniona:

fonte rezistente la uzur abraziv; fonte refractare; fonte austenitice.

Fonte rezistente la uzur abraziv. Sunt fonte albe mediu i nalt aliate cu Cr, Ni, Mo, V. Ele se mpart n:

fonte albe martensitice Ni-Cr (3% C+2,5% Cr+5% Ni+0,5% Mo);

fonte albe Cr-Mo (2,4% C+18% Cr+3% Mo); fonte albe Cr-V; (3,4% C+1% Si+1% Mn+7% Cr+8% V) fonte albe nalt aliate cu Cr.

Fontele albe martensitice se obin pornind de la o font cenuie prin solidificare mai rapid n oala de turnare, n prezena unui adaos de elemente de aliere Cr, Ni; cristalizarea se produce dup sistemul metastabil Fe-Fe3C. Prin turnare structura lor este alctuit din martensit i carbur (cementit aliat (FeCr)3C). Fontele albe Cr-Mo au structura alctuit din martensit, carburi de Cr (CrFe)7C3 i austenit rezidual care ulterior se poate transforma n martensit prin aplicarea unui tratament criogenic (la frig). Structura fontelor albe Cr-V este alctuit din martensit i carburi de tipul VC i cementit aliat (FeCr)3C. Fonte refractare. Sunt fonte care trebuie s posede rezisten mare la oxidare pn la 1100C. Se clasific (STAS 6706-79):

fonte aliate cu Cr (3,8% C+3,8% Si+2,7% Cr); fonte aliate cu Si; fonte aliate cu Si i Cr; fonte aliate cu Al (2,5% C+2% Si+25% Al).

Lucrri de laborator

74

Aceste fonte pot prezenta grafit lamelar sau nodular provenit din descompunerea cementitei la temperaturi nalte. La aceste temperaturi gazele pot ptrunde n fonte de-a lungul filamentelor de grafit i s oxideze grafitul i fierul. Prezena Si i Cr duce la formarea la suprafaa fontelor a unor pelicule compacte de oxizi, care protejeaz oxidarea n adncime. Ni d rezisten mic la oxidare dar crete rezistena i reziliena la temperaturi ridicate. Mo mbuntete caracteristicile mecanice. Al scade umflarea fontei i oxidarea la cald. Fontele refractare cu Cr prezint n structur sorbit i cementit aliat (FeCr)3C. Ele pot lucra pn la 550600C i intr n componena unor piese: grtare, evi pentru recuperatoare, rame de rcire la cuptoarele Martin, etc. Fontele cu coninut ridicat de Al pot avea grafit lamelar sau globular. Au structur alctuit din ferit i pot lucra pn la 10001100C. Aceste fonte intr n componena unor piese care lucreaz n aer sau gaze la temperaturi ridicate cum ar fi: armturi la cuptoare, plci suport, grinzi de susinere a pieselor, etc. Fonte austenitice. Sunt fonte nalt aliate cu proprieti speciale:

rezisten bun la coroziune; rezisten bun la uzur n condiii de frecare cu ungere

(STAS 6707-79); proprieti electrice i magnetice.

Fontele austenitice cu grafit lamelar au compoziii cuprinse: 3% C+6% Si+36% Ni+5,5% Cr. Fontele cenuii cu grafit nodular pot avea compoziii: 30% Ni+5% Si+5% Cr. Datorit proprietilor bune de rezisten la coroziune, stabilitate dimensional, rezisten la oc termic, unele sunt i nemagnetice, aceste fonte au cele mai diferite utilizri la pompe, robinete, compresoare, filtre, piese pentru cuptoare, etc.

8.5. Aparatur i materiale Se folosesc microscoape optice, metalografice cu diverse puteri de mrire, probe metalografice pregtite n prealabil. Puterile de mrire folosite la identificarea probelor i explicaiile necesare privind reactivii de atac folosii, constituienii prezeni, natura aliajului probelor se vor prezenta la ora de laborator.

Studiul metalografic al oelurilor i fontelor aliate

75

8.6. Modul de lucru Se vor studia probe prelevate i pregtite din oeluri i fonte aliate, se vor reda grafic i funcie de natura constituienilor metalografici se vor indica nsuirile i proprietile materialelor studiate.

Fig. 8.10. Fonte aliate cu Cr

turnate, dup atac electrolitic cu acid oxalic 10% (500:1)

Fig. 8.11. Font aliat cu 33-34% Cr, turnat, dup atac electrolitic

cu acid oxalic 10% (reea de carburi de Fe i Cr i ferit,

500:1)

Fig. 8.12. Font aliat cu 14,25% Si, turnat, dup atac chimic (o

parte HF, o parte HNO3, ase pri H2O) (faz i grafit, 250:1)

Fig. 8.13. Font cu Si, turnat, hipoeutectic (grafit punctiform,

500:1)

Fig. 8.12. Font aliat cu

15,25% Si, turnat, (filamente fine de grafit i faz , 50:1)