Studii şi cercetări privind oţelurile microaliate obţinute în instalaţia de retopire cu arc în vid

STUDII ŞI CERCETĂRI PRIVIND OŢELURILE MICROALIATE OBŢINUTE ÎN INSTALAŢIA DE RETOPIRE CU ARC ÎN VID

Cuprins

I INTRODUCERE 1

II. SOLICITĂRI ÎN EXPLOATARE PENTRU CATEGORII DE 5

REPERE AUTO EXECUTATE DIN OȚELURI MICROALIATE 5

III. DOMENII COMPOZIŢIONALE OPTIME PENTRU OŢELURI MICROALIATE CU TENACITATE RIDICATĂ 9

IV. MODELE TEORETICE PENTRU DEZVOLTAREA UNOR OŢELURI MICROALIATE CU TENACITATE RIDICATĂ 12

4.1. STABILIREA MODELELOR STRUCTURALE CARE POT ASIGURA CARACTERISTICI MECANICE AVANSATE 12

4.2. MODELAREA PROCESELOR DE OBŢINERE A OŢELURILOR MICROALIATE 14

4.2.1. Model matematic de calcul al încărcăturii metalice 15

4.2.2. Model matematic al dezoxidării şi alierii (microalierii) topiturilor metalice de la elaborarea oţelurilor 17

4.2.3. Modelarea structurii oţelurilor microaliate 20

20

4.3. EVALUARE TEORETICĂ A CARACTERISTICILOR MECANICE PENTRU OŢELURI MICROALIATE ÎN DOMENIILE COMPOZIŢIONALE ALESE 34

V. SELECŢIA ŞI PREGĂTIREA MATERIILOR PRIME ŞI A MATERIALELOR AUXILIARE PENTRU OBŢINEREA OŢELURILOR MICROALIATE 36

VI. OBŢINEREA OȚELURILOR MICROALIATE ÎN INSTALAȚIA DE RETOPIRE CU ARC ÎN VID RAV 40

6.1. COMPUNEREA ÎNCĂRCĂTURII METALICE 41

6.2. TOPIREA INCĂRCĂTURII METALICE 43

6.3. ANALIZA COMPOZIŢIONALĂ 44

VII. CERCETĂRI PRIVIND PROPRIETĂŢI MECANICE ŞI MICROSTRUCTURA OȚELURILOR MICROALIATE 45

7.1. PREGĂTIREA PROBELOR PENTRU EXAMINAREA METALOGRAFICĂ 45

7.1.2. Înglobarea corpurilor de probă prelevate 46

7.1.3. Polisarea şi lustruirea suprafeţei probelor 47

7.1.4. Atacul chimic 48

7.2. CARACTERIZAREA MICROSTRUCTURALĂ 49

7.3. MĂSURĂRI DE MICRODURITATE 51

VIII. CONCLUZII 52

IX. BIBLIOGRAFIE 55

I INTRODUCERE

Industria de automobile reprezintă unul dintre cele mai dinamice sectoare industriale, cu o largă deschidere spre inovare şi asimilare rapidă a celor mai avansate materiale şi tehnologii. Datorită concurenţei acerbe dintre producători, această industrie a devenit foarte exigentă în ceea ce priveşte performanţele funcţionale ale pieselor şi subansamblelor, pe de o parte, şi costurile de fabricaţie – element cheie al competitivităţii, pe de altă parte.

Studiile privind cauzele avariilor şi a scoaterii premature din uz a pieselor din componenţa unui automobil au arătat că uzarea, coroziunea şi oboseala sunt principalele fenomene care limitează durata de viaţă a acestor componente [1]. Prin urmare, pentru a produce piese cu înalte performanţe funcţionale, cu o durabilitate mare şi cu un înalt grad de siguranţă în exploatare, programele strategice de dezvoltare ale firmelor din domeniu iau în calcul corelaţiile dintre microstructura diverselor materiale şi comportarea lor la uzare, coroziune şi oboseală.

Dacă problemele asociate fenomenelor de coroziune au fost rezolvate prin schimbarea materialului (materiale polimerice, materiale compozite cu matrice polimerică sau din aliaje neferoase, aliaje neferoase, etc.), modificarea compoziţiei chimice sau aplicarea unor tratamente de suprafaţă/acoperiri, fenomenele de uzare şi oboseală continuă să fie principala cauză a scoaterii din uz a pieselor din industria de automobile [2].

În ceea ce priveşte fenomenul de uzare în sens mai larg, trebuie remarcat faptul că uzarea este un fenomen complex care îmbracă diverse forme (uzare abrazivă, de aderenţă, de eroziune, de cavitaţie, de tip pitting cauzată de oboseala superficială etc.) şi, prin urmare, căile de creştere a rezistenţei la uzare a componentelor inginereşti trebuie particularizate în funcţie de natura şi intensitatea solicitărilor.

În cazul concret al pieselor din industria auto, uzarea de aderenţă, cea abrazivă şi oboseală constituie principalele cauze ale scoaterii premature din uz şi a defecţiunilor pieselor. Prin urmare, soluţiile pentru creşterea competitivităţii în acest domeniu trebuie căutate în zona unor materiale cu proprietăţi mecanice superioare (limita la curgere, duritate, tenacitate) obţinute în condiţiile unor costuri de fabricaţie relativ reduse.

În general, datorită condiţiilor funcţionale specifice domeniului, marea majoritate a pieselor care intră în componenţa automobilelor trebuie să aibă, pe lângă o înaltă rezistenţă la uzare, şi o înaltă rezistenţă la sarcini dinamice, adică, o tenacitate ridicată. Această cerinţă derivă din caracterul variabil al solicitărilor la care sunt supuse principalele componente (roţi dinţate, arbori cu came, arbori cotiţi, came, role, tiranţi, bolţuri, biele, bare de legătură etc.). De asemenea, materialele utilizate trebuie să aibă o rezistenţă mecanică înaltă pentru a permite designerilor proiectarea unor piese cu masă redusă. Din acest punct de vedere, în ciuda tentativelor de înlocuire a oţelurilor cu materiale mai performante (aliaje uşoare, materiale compozite), se apreciază [3] că oţelurile de înaltă rezistenţă reprezintă principala alegere pentru fabricarea componentelor pentru automobile.

În ultimele două decenii, microalierea oţelurilor carbon cu mici cantităţi (de regulă, sub 0,1%) de elemente cu afinitate foarte ridicată faţă de carbon şi azot, cum sunt Nb, Ti şi V, au condus la o îmbunătăţire semnificativă a proprietăţilor mecanice ale acestora [4]. Microalierea cu astfel de elemente permite obţinerea unei rezistenţe mecanice şi a unei bune tenacităţi la costuri reduse în comparaţie cu oţelurile aliate obişnuite. Microalierea cu Nb, Ti sau V conduce la formarea unor precipitate de carburi, carbonitruri sau nitruri foarte stabile ale acestor elemente, sub formă de particule fin dispersate. Prezenţa acestor particule disperse frânează procesul de creştere a grăuntelui de austenită. Îmbunătăţirea caracteristicilor mecanice este rezultatul mai multor factori, dintre care, cei mai importanţi sunt următorii [5]:

• 
  finisarea granulaţiei şi formarea unei substructuri fine de subgrăunţi de ferită;
  
• 
  creşterea rezistenţei feritei prin formarea de precipitate foarte fine de carburi, nitruri şi/sau carbonitruri ale elementelor de microaliere în timpul transformării austenitei la răcire şi al răcirii ulterioare a feritei.
  

Rolul elementelor de microaliere, în special al niobiului, în finisarea microstructurii a fost studiat de către numeroşi cercetători [5-12]. Studiile acestora au fost concentrate în special în direcţia clarificării efectului elementelor de microaliere asupra mărimii şi formei grăunţilor de austenită la temperaturi situate în domeniul deformării plastice la cald (900...1300 ^oC). Trebuie însă subliniat şi faptul că şi în cazul oţelurilor microaliate se pot atinge caracteristici mecanice superioare numai în condiţiile aplicării unor tratamente termomecanice specifice, cum este de exemplu laminarea controlată [5, 13], cu parametri tehnologici bine definiţi (temperaturi de început şi de sfârşit de deformare, grad de deformare, condiţii de răcire) în funcţie de compoziţia chimică a oţelului.

Elementul cheie al tratamentului termomecanic al oţelurilor microaliate, cel care permite obţinerea unor caracteristici mecanice date (rezistenţă mecanică, limită de curgere, tenacitate, rezistenţă la oboseală etc.), fără a mai fi necesară aplicarea unor tratamente termice ulterioare, constă în abilitatea de a controla microstructura care se obţine în urma acestui tratament. În acest fel se pot obţine produse cu caracteristici mecanice superioare care, în cazul oţelurilor carbon sau a celor slab aliate, se obţin numai prin aplicarea unor tratamente termice secundare (de regulă, călire şi revenire), acestea contribuind la ridicarea costurilor totale de fabricaţie şi, prin urmare, la scăderea competitivităţii produsului respectiv.

Controlul microstructurii se bazează pe înţelegerea comportării la deformare plastică la cald a oţelurilor şi a modului în care această comportare poate fi modificată prin microalierea cu anumite elemente.

Până pe la începutul anilor ‘60, majoritatea oţelurilor de construcţie erau oţeluri carbon (aliate numai cu Mn şi Si), care, din considerente de minimizare a consumurilor de energie necesare deformării plastice, erau deformate la temperaturi cât mai înalte. Rezistenţa la curgere şi tenacitatea acestor oţeluri sunt direct legate de mărimea grăuntelui de ferită din structura ferito-perlitică obţinută în urma răcirii după deformarea plastică la cald. La rândul ei, mărimea grăuntelui de ferită depinde de mărimea şi forma grăuntelui de austenită înainte de transformarea austenitei la răcire. Dacă deformarea plastică are loc la temperaturi înalte, grăunţii de ferită vor fi relativ mari deoarece se formează din grăunţi poliedrici de austenită recristalizată. Aceste structuri cu grăunţi mari de ferită au o rezistenţă la curgere relativ redusă (cca. 200...250 MPa) şi o temperatură de tranziţie ductil-fragil destul de ridicată (circa -10 ^oC) [12]. În urma tratamentelor termice secundare aplicate acestor oţeluri sau unor oţeluri slab aliate se pot obţine rezistenţe la curgere de cca. 400...550 MPa, însă soluţia aceasta implică costuri suplimentare semnificative.

Încă de la apariţia primelor oţeluri microaliate, în anii 70 cercetătorii au realizat posibilităţile de creştere a performanţelor şi de reducere a costurilor de producţie pe care această categorie de oţeluri le oferă.

Procesul de deformare controlată în combinaţie cu microalierea a permis realizarea unei prime grupe de materiale, High-Strength-Low Alloy Steels (HSLA) ale căror proprietăţi mecanice în stare normalizată erau în intervalul 350-650MPa; o etapă ulterioară de dezvoltare a fost realizarea oţelurilor cu deformabilitate ridicată, prin aplicarea procedeului CalSil (adaosuri de siliciu şi calciu care aveau efectul de desulfurare).

Ulterior dezvoltarea oţelurilor microaliate a continuat prin perfecţionarea tratamentelor termomecanice efectuate cu echipamente performante, obţinându-se oţelurile din clasa AHSS (advanced high-strength steels). Pentru aceste materiale rezistenţa la tracţiune era mai ridicată, în intervalul 440-980 Mpa şi cele mai performante oţeluri ale clasei pot ajunge până la rezistenţe la tracţiune de 1400 MPa. Estimările specialiştilor [1] indică o creştere a nivelului de utilizare a oţelurilor microaliate în industria de automobile astfel încât cel putin 50% din oţelurile utilizate vor fi din acestă clasă.

Dezvoltarea în continuare a acestor materiale va permite industriei de automobile să răspundă unei duble provocări: reducerea costurilor simultan cu creşterea siguranţei produsului. Eliminarea materialelor scumpe, costisitoare, conduce la reducerea greutăţii autovehiculului, cu efect de creştere a economiei de combustibil. Totuşi, o metodă mai bună este cea tehnologică de imbunătăţire a motorizării, care conduce la randamente energetice imbunătăţite şi la reducerea consumului de combustibil, la reducerea rezistenţei la rulare şi a celei aerodinamice.
  În prezent, se studiază programe de reducere eficientă a masei automobilelor care să ofere solutii la preţuri accesibile, sustenabile în timp. De exemplu, WorldAutoSteel, prin programul său de cercetare Future Steel Vehicle (FSV), se angajează să producă oţeluri avansate cu rezistenţă înaltă (AHSS), la preţuri care să păstreze avantajul de cost al oţelului faţă de alte materiale uşoare. Pe de altă parte, binomul ’’cost-greutate mai mică’’ va căpăta noi valenţe pozitive în timp, odată cu noile concepte de caroserie, trenuri de rulare/sisteme de propulsie alternative, cum ar fi cele hibride avansate, de tip electro-combustie.