Oțeluri și aliaje cu proprietăți speciale
Cuprins
Oțelurile și aliajele cu proprietăți speciale sunt proiectate atunci când durabilitatea unei componente nu mai este determinată exclusiv de parametrii mecanici clasici, iar o funcție dominantă iese în prim-plan: rezistența la uzură, rezistența la coroziune, stabilitatea la temperaturi ridicate sau caracteristici fizice modelate în mod deliberat, cum ar fi rezistența electrică ridicată, dilatarea termică specifică sau proprietățile magnetice. În cazul acestor materiale, compoziția chimică și prelucrarea nu sunt selectate „în general”, ci direct pentru mecanismul care va funcționa în timpul utilizării: materialul trebuie să se întărească în stratul superficial, să se pasiveze într-un mediu dat sau să formeze o scală protectoare în gazele fierbinți.
În practică, foarte rar există un aliaj care să fie „rezistent la toate”. Rezistența la coroziune depinde în mare măsură de tipul de mediu, rezistența la abraziune depinde de predominanța „șlefuirii”, frecării sau uzurii sub presiune ridicată și impact, iar proprietățile la temperaturi ridicate trebuie luate în considerare separat ca rezistență la căldură (rezistență la oxidare) și rezistență la căldură (rezistență la fluaj). Prin urmare, o descriere semnificativă a oțelurilor speciale se bazează pe înțelegerea „ceea ce produce efectul” și „care sunt condițiile limită”, mai degrabă decât pe memorarea câtorva denumiri.
Oțeluri rezistente la abraziune
Un material foarte caracteristic, cu rezistență ridicată la abraziune, este oțelul austenitic cu mangan 11G12, care conține aproximativ 1–1,3% C și 11–14% Mn, cu un raport recomandat carbon/mangan apropiat de 1:10, deoarece numai un conținut suficient de carbon asigură durabilitatea structurii austenitice. Acest oțel, cunoscut sub numele de oțel Hadfield, se distinge printr-un set neobișnuit de proprietăți: are o rezistență la curgere scăzută (de ordinul Re ≈ 400 MPa) și duritate scăzută (aproximativ 210 HB), având în același timp o rezistență la tracțiune foarte ridicată (aproximativ Rm ≈ 1050 MPa) și proprietăți plastice și rezistență la impact excepțional de bune (inclusiv A ≈ 50% și rezistență la impact Charpy ridicată).
Sursa rezistenței sale la uzură nu este „duritatea inițială”, ci comportamentul său sub sarcină. Deoarece oțelul are o rezistență la curgere redusă, acesta se întărește ușor și foarte puternic, mult mai intens decât multe oțeluri structurale tipice. În plus, sub presiune, austenita din stratul superficial se poate transforma în martensită, ceea ce crește local duritatea și împiedică uzura ulterioară. Acest mecanism face ca oțelul Hadfield să fie rezistent atât la abraziune, cât și la impact, în timp ce oțelurile clasice călite, deși rezistente la abraziune, pierd adesea în aplicațiile de impact din cauza fragilității lor.
O structură austenitică omogenă este o condiție prealabilă pentru obținerea proprietăților dorite. Când se răcește lent, precipitații de carbură apar alături de austenită, ceea ce deteriorează proprietățile. Prin urmare, oțelul 11G12 este supra-saturat la aproximativ 950-1000 °C cu răcire cu apă pentru a obține cea mai omogenă austenită posibilă. Din punct de vedere practic, limita de aplicabilitate este, de asemenea, importantă: oțelul Hadfield este rezistent la abraziune în principal atunci când uzura este însoțită de presiune semnificativă la suprafață; în condiții de „măcinare” fără presiune, acesta nu își arată avantajul. Din acest motiv, este utilizat pentru macazuri feroviare, fălci de rupere și șine de vehicule, adică acolo unde apar simultan sarcini de impact frecvente și de înaltă presiune. Prețul pentru aceste avantaje este o prelucrabilitate foarte dificilă – în practică, admisibilă în principal cu scule din carbură.
Oțeluri inoxidabile, rezistente la acizi și la rugină
Coroziunea este procesul de distrugere a metalului cauzat de mediul extern, care începe la suprafață și progresează spre interior, acest progres fiind uneori inegal. În ceea ce privește mecanismul, se face distincția între coroziunea chimică, tipică pentru acțiunea gazelor uscate la temperaturi ridicate, și coroziunea electrochimică, care apare în lichide (cel mai adesea în soluții apoase) cu participarea electrolitului și a fluxului de curent în celule locale. Observația cheie este că procesul poate fi inhibat dacă pe suprafață se formează un strat de produse de coroziune care îndeplinește condițiile unei „bariere protectoare”: acesta trebuie să acopere strâns metalul, să nu se dizolve în mediu, să adere bine și să aibă un coeficient de dilatare similar cu cel al metalului, astfel încât să nu se fisureze în timpul schimbărilor de temperatură. Acest lucru duce intuitiv la ideea oțelurilor inoxidabile, a căror rezistență rezultă din menținerea unui strat pasiv stabil și strâns.
În oțelurile inoxidabile, cel mai important component este cromul, deoarece numai un conținut suficient de ridicat de Cr permite pasivarea permanentă. Materialul distinge, printre altele, oțelurile cromate cu conținut diferit de carbon și arată cum compoziția afectează structura în sistemul Fe–Cr–C. La conținuturi foarte scăzute de carbon (sub aproximativ 0,1%), câmpul feritic se poate extinde pe întregul interval de temperatură, iar oțelul are o structură feritică; la conținut mediu de carbon (aproximativ 0,20-0,30%), după încălzire apare austenită parțială, iar după răcire se obține un amestec de ferită și martensită, rezultând oțeluri semi-feritice; la un conținut mai ridicat de carbon, oțelul se transformă complet în austenită după încălzire și devine martensitic după răcire. În acest context, sunt prezentate exemple de oțeluri tipice cu crom: 0H13 ca feritic, 1H13 ca semi-feritic și 2H13–4H13 ca martensitic, cu tratament termic constând în călire la 950–1000 °C și revenire la 600–700 °C, ceea ce permite obținerea unei game largi de rezistențe în funcție de conținutul de carbon. Aceste oțeluri sunt rezistente la coroziune în vapori de apă și în unii acizi (de exemplu, azotic sau acetic), dar nu sunt rezistente la acizii clorhidric și sulfuric, ceea ce arată clar că „rezistența la rugină” nu este absolută, ci depinde de mediu.
În practică, există și oțeluri inoxidabile cu crom cu un conținut mai ridicat de Cr, de exemplu clase în intervalul 16-18% Cr și aproximativ 0,1% C (de exemplu H17), adesea cu o structură feritică sau feritico-martensitică, utilizate în industria alimentară sau pentru produse de uz cotidian, precum și oțeluri cu 25-28% Cr (de exemplu, H25T) cu o structură feritică, mai puțin ductile, dar utile și ca materiale rezistente la căldură la temperaturi mai ridicate. O limitare semnificativă a oțelurilor feritice este că acestea nu suferă transformări alotrope, astfel încât nu pot fi „îmbunătățite” prin tratament termic clasic – rafinarea granulelor se realizează în principal prin prelucrare plastică.
Cea mai mare rezistență la coroziune în multe aplicații este obținută prin oțeluri austenitice din crom-nichel. Calitățile moderne conțin de obicei 18-25% Cr și 8-20% Ni, iar cea mai comună este oțelul 18/8 (și variantele sale), care este rezistent la multe medii corozive. Aditivii de aliere permit „reglarea fină” a rezistenței: molibdenul (aproximativ 1,5-2,5%) crește rezistența în medii cu acid sulfuric, cupru (aproximativ 3%) reduce susceptibilitatea la coroziune sub tensiune, iar siliciul (aproximativ 2–3%) poate îmbunătăți rezistența la acid clorhidric. Pentru a asigura o structură austenitică omogenă, aceste oțeluri sunt supuse saturației la 1050–1100 °C cu răcire cu apă, care este unul dintre elementele cheie ale tehnologiei oțelului inoxidabil.
În același timp, oțelurile austenitice din crom-nichel prezintă o „capcană operațională” tipică: tendința de coroziune intergranulară după expunerea la temperaturi cuprinse între aproximativ 450–700 °C, când carburi de crom pot fi eliberate la limitele granulelor, epuizând limitele de crom și eliminând local pasivarea. Materialul indică modalități clasice de limitare a acestui fenomen: conținut foarte scăzut de carbon (în intervalul 0,02–0,03%), stabilizare cu elemente puternic formatoare de carbură (titan, niobiu), recoacere de stabilizare la aproximativ 850 °C și suprasaturare. Acesta este un bun exemplu al modului în care, în cazul oțelurilor speciale, rezultatul este determinat nu numai de compoziție, ci și de „istoricul termic” al materialului.
La granița dintre oțelurile inoxidabile clasice se află oțelurile dificil de ruginit, utilizate în principal pentru coroziunea atmosferică. Ideea din spatele acestora este că, în timp, suprafața se acoperă cu un strat compact de rugină cu permeabilitate redusă, care aderă bine la substrat și încetinește coroziunea ulterioară; această rugină protectoare se numește patină. Cuprul (aproximativ 0,20-0,50%) joacă un rol important în acest grup, iar pentru a face efectul protector mai pronunțat, se utilizează și crom (până la aproximativ 1,3%) și nichel, în timp ce fosforul, în prezența acestor componente, crește și mai mult rezistența, motiv pentru care conținutul său este uneori crescut. Oțelul binecunoscut „Cor-ten A” și echivalentul său (10HNAP) sunt date ca exemple, care arată clar că uneori scopul nu este inoxidabilitatea completă, ci mai degrabă obținerea unei protecții stabile în condiții atmosferice.
Rezistența la căldură, durabilitatea la căldură, fluajul și selecția grupurilor de materiale
Lucrul la temperaturi ridicate impune două cerințe diferite. Rezistența la căldură înseamnă rezistența la efectul oxidant al gazelor la temperaturi peste 550 °C, adică în intervalul de temperaturi ridicate, în care oțelul carbon formează rapid zgură, iar rata de oxidare crește rapid odată cu temperatura. Rezistența la căldură este crescută de aditivi precum cromul, siliciul și aluminiul, care, având o afinitate mai mare pentru oxigen decât fierul, formează un strat compact și aderent de oxizi care inhibă oxidarea ulterioară. Materialul oferă o relație foarte practică: cu un conținut de peste 10% Cr, oțelul poate fi rezistent la căldură la aproximativ 900 °C, în timp ce asigurarea rezistenței la căldură la 1100 °C necesită de obicei 20-25% Cr. De asemenea, este esențial ca oțelul rezistent la căldură să nu sufere transformări alotrope în intervalul de temperatură de funcționare, deoarece modificările de volum asociate pot compromite integritatea stratului protector.
A doua cerință este rezistența la căldură, adică capacitatea de a rezista la sarcini pe termen lung la temperaturi ridicate fără deformări excesive. Aici intervine fenomenul de fluaj: sub solicitare constantă, materialul se alungește în timp, iar o curbă tipică de fluaj include o secțiune în care rata de deformare este aproximativ constantă; această secțiune este deosebit de importantă atunci când se compară materialele. Fluajul poate fi înțeles ca o „luptă” între două procese: întărirea prin creșterea densității dislocărilor și recuperarea la temperaturi ridicate, care elimină această întărire. În cazul materialelor rezistente la căldură, scopul este, prin urmare, de a se asigura că structura rezistă la recuperare și recristalizare cât mai eficient posibil la temperaturile de funcționare.
În cazul oțelurilor rezistente la căldură, adaosurile de molibden, tungsten și vanadiu sunt importante, dar ele nu asigură singure rezistența la oxidare, motiv pentru care, în practică, oțelurile rezistente la căldură le combină cu aditivi care sporesc rezistența la căldură, în principal crom, dar și siliciu și aluminiu. Dacă este necesară o structură austenitică, se utilizează și nichel și mangan. Materialul indică, de asemenea, abordarea standard a caracteristicilor de rezistență la căldură (în contextul fluajului) prin valori temporale: tensiunea care provoacă o deformare permanentă specifică după un timp dat la o temperatură dată și tensiunea care provoacă ruperea după un timp dat la o temperatură dată, ceea ce subliniază faptul că „rezistența la temperaturi ridicate” este întotdeauna legată de timpul de expunere.
Alegerea materialului la temperaturi ridicate depinde în mare măsură de intervalul de lucru. Materialul prezintă o diviziune practică: în intervalul de aproximativ 350–500 °C, se utilizează oțeluri aliate feritice sau feritico-perlitice; în intervalul 500–650 °C, oțelurile austenitice sunt mai frecvente; în intervalul 650–900 °C se utilizează aliaje pe bază de nichel și cobalt; iar peste 900 °C – aliaje din metale refractare (inclusiv molibden și crom). Această diviziune explică bine de ce oțelurile Cr-Mo cu aditivi moderați sunt tipice pentru cazane și instalații energetice, în timp ce turbinele și motoarele cu reacție necesită aliaje cu o „clasă” complet diferită de stabilitate structurală.
În grupul oțelurilor feritice și feritico-perlitice rezistente la căldură, destinate funcționării pe termen lung, de obicei până la aproximativ 500–550 °C, materialul oferă exemple de oțeluri pentru tuburi de cazane care conțin aproximativ 0,1–0,2% C, aproximativ 1–2% Cr, și 0,5–1% Mo. Acestea sunt sudabile, dar necesită preîncălzire înainte de sudare, iar după sudare, îmbinarea este normalizată și temperată (materialul specifică temperarea la aproximativ 700 °C) pentru a obține cea mai stabilă structură posibilă. Acest lucru arată că, în cazul oțelurilor pentru temperaturi ridicate, tehnologia de fabricare a îmbinărilor face parte din „pachetul de materiale” și nu este un adaos la final.
Oțelurile rezistente la căldură includ oțelurile crom-aluminiu, crom-siliciu și crom-nichel, iar în aplicații precum supapele motorului se utilizează oțeluri cu conținut crescut de crom și siliciu, de exemplu, așa-numitele silcromuri care conțin aproximativ 0,4–0,5% C, 8–10% Cr, și 2–3% Si. Tratamentul termic al acestora include călire la aproximativ 1050 °C și revenire la 680–700 °C, care combină rezistența la căldură a componentei (crom/siliciu) cu cerințele de rezistență ale elementului.
Pentru cele mai exigente condiții, în special în turbine și motoare cu reacție, materialul este descris de grupuri speciale de aliaje rezistente la căldură: aliaje austenitice pe bază de fier cu crom și nichel, aliaje complexe Cr-Ni-Co-Fe, aliaje pe bază de cobalt și aliaje pe bază de nichel (nimonic). Sunt indicate intervalele tipice de temperatură de funcționare și tratamentele termice caracteristice, de exemplu, suprasaturarea și îmbătrânirea (pentru aliajele Cr-Ni-Co-Fe, suprasaturarea într-un interval de temperatură foarte ridicat și îmbătrânirea la aproximativ câteva sute de grade; pentru aliajele Nimonic, suprasaturarea în intervalul de aproximativ 1050-1200 °C și îmbătrânirea la aproximativ 700 °C). Aceasta este o filosofie diferită de cea a oțelurilor structurale: aici, proprietățile rezultă în mare parte din rezistența la fluaj și din întărirea controlată prin precipitare la temperaturi ridicate, și nu doar din „întărire și călire”.
Proprietăți fizice speciale
În elementele de încălzire electrică și rezistență, sunt necesare materiale cu rezistență specifică ridicată, creștere redusă a rezistenței la temperaturi ridicate și, în același timp, rezistență termică ridicată, dilatație termică redusă și punct de topire ridicat. Materialul subliniază că o structură de soluție solidă este avantajoasă în acest caz, deoarece acest tip de structură favorizează o rezistență electrică mai mare decât amestecurile de faze. În practică, se utilizează două familii principale de materiale: aliaje de nichel-crom (nicromuri) sau oțeluri austenitice de crom-nichel cu o compoziție similară oțelurilor rezistente la căldură, precum și oțeluri feritice de crom-aluminiu cunoscute sub denumiri comerciale (de exemplu, Kanthal, Alchrom).
Un grup separat este format din aliaje concepute pentru un coeficient specific de dilatare termică. Materialul prezintă o dependență deosebit de puternică a dilatării de compoziția aliajelor Fe-Ni. Un exemplu clasic este invar, care conține aproximativ 36% Ni și are o dilatare foarte redusă în intervalul de aproximativ –80 până la +150°C, coeficientul crescând semnificativ în afara acestui interval. O dilatare și mai redusă într-un anumit interval de temperatură este obținută de superinvar, care conține aproximativ 30–32% Ni, 4–6% Co, și foarte puțin carbon. Aceste aliaje sunt utilizate în instrumente și mecanisme care nu trebuie să-și modifice dimensiunile în funcție de fluctuațiile de temperatură, precum și în dispozitive de condensare a gazelor.
A doua familie de aliaje Fe-Ni este selectată astfel încât dilatarea să corespundă cu cea a sticlei. Un exemplu este platinitul cu un conținut de aproximativ 46% Ni și conținut redus de carbon, utilizat pentru topirea sticlei în becuri și tuburi electronice. În același domeniu de aplicare, există și bimetale, adică benzi cu două straturi obținute prin sudarea materialelor cu coeficienți de dilatare diferiți. Când un astfel de element se încălzește, diferența de dilatare îl face să se îndoaie, ceea ce este utilizat în dispozitive de măsurare și control al temperaturii, comutatoare, relee și dispozitive de protecție termică.
Proprietăți magnetice – materiale moi, dure și nemagnetice
În ingineria electrică, materialele sunt împărțite în materiale magnetice moi, magnetice dure și nemagnetice, iar cerințele pentru fiecare grup sunt diferite. Materialele magnetic moi sunt ușor de magnetizat și demagnetizat, astfel încât structura lor trebuie să fie cu granulație grosieră și cât mai aproape de echilibru, iar conținutul de carbon și impurități nocive (sulf, fosfor, oxigen, azot) trebuie să fie cât mai redus posibil, deoarece acestea cresc coercitivitatea și pierderile. Cel mai simplu exemplu este fierul pur din punct de vedere tehnic utilizat pentru electromagneți și miezuri de relee, dar sunt utilizate în mod obișnuit și oțelurile cu conținut redus de carbon. În practică, oțelurile cu siliciu, în care siliciul este prezent într-o soluție solidă, sunt, de asemenea, foarte importante; acestea sunt materialele de bază pentru foile de oțel electric.
Materialul subliniază, de asemenea, că aliajele Fe-Ni pot prezenta proprietăți magnetice deosebit de bune, iar permalloy (un aliaj Fe-Ni cu un conținut ridicat de nichel) este adesea citat ca exemplu de aliaj clasic cu permeabilitate magnetică foarte ridicată, ceea ce corespunde bine cu practica utilizării aliajelor de nichel în echipamentele de precizie. În domeniul magneților permanenți, adică al materialelor magnetic dure, scopul este ca materialul să își păstreze magnetizarea după magnetizare, ceea ce necesită caracteristici structurale diferite și adesea aditivi de aliere diferiți. Materialul subliniază că cele mai bune proprietăți magnetice (în contextul magneților) sunt prezentate de oțelurile care conțin cobalt, deși utilizarea lor este limitată de disponibilitatea cobaltului.
O familie foarte importantă de magneți din aliaj este cea a aliajelor Fe-Ni-Al-Co, cunoscute sub denumirea de alniko, care conțin de obicei 14-28% Ni, 6-12% Al și 5–35% Co. Proprietățile lor sunt obținute nu numai prin compoziția lor, ci și prin tratament termic care implică omogenizarea la temperatură ridicată, urmată de suprasaturare (în apă sau ulei) și apoi îmbătrânire într-un interval de temperatură mediu. Acest lucru permite utilizarea alnico pentru fabricarea de magneți puternici cu dimensiuni mici și greutate redusă, ceea ce este crucial în multe dispozitive.
În unele aplicații, însă, sunt necesare materiale nemagnetice, care se comportă neutru în câmp magnetic. Materialul indicat aici este oțelul crom-nichel-mangan (de exemplu, H12N11G6) și oțelul crom-mangan (de exemplu, G18H3), care sunt tratate termic prin suprasaturare și ale căror proprietăți mecanice pot fi îmbunătățite în continuare prin deformare la rece. Acest lucru arată că, în grupul „magnetic”, oțelul special poate fi proiectat atât pentru a maximiza, cât și pentru a minimiza fenomenele magnetice.
Oțeluri și aliaje cu proprietăți speciale – rezumat
Oțelurile și aliajele cu proprietăți speciale sunt materiale concepute pentru mecanismul de lucru dominant, mai degrabă decât pentru rezistența „medie”. În cazul oțelurilor rezistente la uzură, cum ar fi oțelul Hadfield, auto-întărirea sub sarcină și posibilitatea transformării suprafeței sunt esențiale, ceea ce asigură rezistența la uzură, menținând în același timp rezistența la impact, dar introduce în același timp limitări operaționale și tehnologice (presiune, prelucrabilitate). În cazul oțelurilor inoxidabile și rezistente la acizi, baza este pasivarea bazată în principal pe crom, în timp ce durabilitatea reală depinde de structură, aditivi de aliere și istoricul termic, un exemplu fiind problema coroziunii intergranulare în oțelurile austenitice după încălzirea la anumite temperaturi.
În aplicațiile la temperaturi ridicate, cerințele pentru rezistența la căldură și rezistența la căldură trebuie separate, înțelegând rolul scării protectoare și al fluajului, iar alegerea materialelor variază de la oțeluri Cr-Mo la superaliaje pe bază de nichel și cobalt, pe măsură ce temperatura de funcționare crește. În cele din urmă, proprietățile fizice precum rezistența electrică, dilatarea termică și magnetismul arată că oțelul și aliajele pot fi proiectate ca componente funcționale ale unui dispozitiv – de la sârmă de rezistență și bimetal termic până la magneți permanenți din aluminiu și oțel nemagnetic pentru utilizare în câmpuri magnetice.
