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

II. SOLICITĂRI ÎN EXPLOATARE PENTRU CATEGORII DE

REPERE AUTO EXECUTATE DIN OȚELURI MICROALIATE

Utilizarea de noi oţeluri, reprezentând componente forjate în industria automobilelor, necesită o întelegere completă a cerinţelor de proiectare şi a proprietătilor materialelor. Oţelurile carbon, oţelurile aliate, cât şi otelurile microaliate sunt utilizate pentru obţinerea pieselor deformate plastic pentru un mare număr de repere destinate industriei auto, pentru motoare şi subansamble navale, componente ale instalaţiilor de foraj, etc..

În faza preliminară, la proiectarea unui model nou, mai mulţi factori trebuie să fie luaţi în considerare. Costul, cerinţele de infrastructură, cât şi timpul necesar obţinerii produsului sunt avute în vedere în acelaşi timp pentru a asigura alegerea corectă a materialului şi a metodei de durificare.

Componentele automobilelor sunt permanent reproiectate în vederea îmbunătăţirii eficienţei şi a performanţelor. În atingerea acestor deziderate, se proiectează automobile mai uşoare, cu motoare, sisteme de transmisie şi suspensii mai performante. Astfel, oţelurile microaliate forjate sunt utilizate la fabricarea arborilor cotiţi, bielelor, suspensiilor şi a componentelor din sistemul de direcţie.

În prezent, la fabricarea arborelui cotit prin forjare multe companii au eliminat călirea şi revenirea pentru a reduce costurile de fabricaţie. Utilizarea oţelurilor microaliate la arbori cotiţi s-a dovedit a fi o alternativă viabilă în renunţarea la oţeluri care necesită călirea şi revenirea, în special în motoare care necesită îmbunătăţiri semnificative ale performanţelor.

Este necesar ca oţelurile utilizate pentru piese forjate să indeplinească anumite cerinţe specifice privind formabilitatea şi prelucrabilitatea, în vederea producerii de piese ieftine. Proprietăti mecanice specifice trebuie să includă şi o bună rezistenţă la oboseală în zona razelor de racordare, o duritate ridicată în zonele de amplasare a rulmenţilor pentru a preveni uzura abrazivă, cât şi rezistenţă la forţe de contact ridicate. Folosirea mai intensă a oţelurilor microaliate forjate este clar dictată de îmbunătăţirea tuturor acestor proprietăţi.

Componentele care sunt utilizate pentru autoturisme sunt realizate de regulă din oţeluri de mare rezistenţă, care posedă şi caracteristici de tenacitate ridicată în domeniul de utilizare -25^oC÷ 100^oC. Piesele care fac parte din ansamblul motor, de exemplu, sunt solicitate atât la eforturi de uzură şi oboseală cât şi la tensiuni care rezultă din expunerea îndelungată la temperaturi ridicate şi medii corozive.

Solicitările diverse care se manifestă asupra elementelor aflate în mişcare (de exemplu bolţuri, biele, axe, arbori cotiţi etc), având ordine de mărime cuprinse în domeniul 20÷80 MPa, exercită presiuni specifice foarte mari, simultan cu regimul termic ce oscilează între 80 şi 180 ⁰C, iar viteza de încărcare mecanică este deosebit de mare (apropiată de undele de şoc caracteristice explozivilor lenţi). Ca urmare, la astfel de piese se manifestă, în timp, efecte de uzură şi îmbătrânire, care determină pierdere de material şi scoaterea elementelor din toleranţele optime de utilizare. Piesele din componenţa autoturismelor aflate în mişcare trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: greutate cât mai mică, capacitate de deformare cât mai redusă în timpul funcţionării, rezistenţă şi stabilitate la şocuri mecanice şi termice, rezistenţă la uzură.

Materialele care pot asigura o comportare corespunzătoare faţă de aceste solicitări sunt oţelurile de mare rezistenţă, microaliate, cu sau fără tratamente termice sau termo-mecanice.

Rezistenţa la uzură se poate asigura printr-o duritate în domeniul 55÷68 HRC, care se poate obţine prin aplicarea de tratamente termice, de volum şi/sau tratamente superficiale termice (călire CIF urmată de revenire joasă) sau termochimice (carburare sau carbonitrurare la temperaturi înalte urmată de revenire joasă, carbonitrurare la temperaturi joase, nitrurare).

Microalierea cu Nb, Ti sau V a oţelurilor pentru aplicaţii în industria auto permite obţinerea unor precipitate de carburi, carbonitruri sau nitruri foarte stabile ale acestor elemente în matricea de bază feritică, fin dispersate pe limitele de grăunte sau în corpul grăuntelui. Rolul acestor particule disperse este de a opri procesul de creştere a grăuntelui de austenită şi de a frâna deplasarea dislocaţiilor.

Atunci când sunt supuse la procedee de prelucrare termică, trebuie să se ţină cont de următoarele valori critice de temperatură:

T_op - temperatura de oprire/blocare a recristalizării austenitei (temperatura sub care recristalizarea grăunţilor de austenită deformaţi plastic este împiedicată datorită prezenţei precipitatelor fine de carburi (nitruri, carbonitruri);

T_A – temperatura de creştere a grăuntelui de austenită (temperatura peste care precipitatele fine de carburi/nitruri/carbonitruri nedizolvate în austenită nu mai pot impiedica creşterea dimensiunii grăuntelui de austenită).

În ceea ce priveşte componentele cu dantură, solicitările principale sunt: încovoiere statică, şocuri dinamice de oboseală prin încovoiere, frecare între suprafeţele de contact (presiune de contact ciclică, uzură, încălzire) şi acţiunea chimică a lubrifiantului. Solicitarea dintelui este ciclică, cu o frecvenţă ce depinde de turaţia roţii.

Câteva exemple ale pieselor forjate utilizate la automobile sunt:

- piese din grupul motor-propulsor: biele, arbori cotiţi, arbore cu came, culbutori, supape, roţi dintate, tije împingatoare din mecanismul de ditribuţie, volant motor, suporţi de motor (din aliaje de aluminiu şi din oţel), arbori din schimbătorul de viteze, articulaţii cardanice şi arbori longitudinali de transmisie, semiarbori planetari, roţi dinţate din schimbătorul de viteze, furci de acţionare a sincronizatoarelor, etc.;

- piese de prindere cu caroseria: fuzete, braţe din sistemul de suspensie, bara antiruliu, bielete de direcţie,

- piese din sistemul de direcţie: cremalieră, pinion, sertar distribuitor, tije din coloana de direcţie etc.

Tabelul 2.1. Materiale utilizate în industria auto

Tipul oţelului	Marca oţelului Simbolizare alfanumerică/ Standard	Principalele domenii de utilizare
Oţeluri carbon	C 10 E/ 1.1121/ SR EN 10.084 – 2000	Piese cu rezistenţă redusă în miez: furci, tije, culbutori
	C 15 E/ 1.1141/ SR EN 10.084 – 2000	Piese cu rezistenţă redusă în miez: bolţuri, pârghii
	2 C 25 E/ 1.1158/ SR EN 10.083/1 – 1995	Piese slab solicitate: axe, buloane, arbori
Oţeluri slab aliate	13 Mo Cr11	Pivoţi suspensii, rotule de direcţii
	17 Cr 3/ 1.7016/ SR EN 10.084 – 2000	Piese cu rezistenţă redusă în miez: culbutori, axe cu came, axe planetare, roţi dinţate
	16MnCr5/ 1.7131/ SR EN 10.084 – 2000	Piese slab solicitate: bolţuri, axe cu came, roţi dinţate
	17 Cr Ni 6-6/1.5918/ SR EN 10.084 – 2000	Roţi dinţate şi alte piese pentru industria de autoturisme
	1.5920	Organe de maşini destinate în special pentru pompe de injecţie şi transmisii cu roţi dinţate
	17 MoCr 11	Coroane dinţate din cutii de viteză, tripode transmisii, pinioane planetare, portfuzete, fuzete roţi, cremaliere şi pinioanele cremalierelor
	18 CrMo 4/ 1.7243/ SR EN 10.084 – 2000	Înlocuitor parţial al oţelurilor Cr-Ni pentru organe de maşini; angrenaje, piese de articulaţie, arbori, axe, bolţuri, bucşe manşoane de cuplaje
	20 MnCr 5/ 1.7147/ SR EN 10.084 – 2000	Oţel economic pentru organe de maşini şi piese la care este necesară o adâncime mare de călire: roţi dinţate mijlocii, axe etc.
	20 MoNi 35	Roţi dinţate, bolţuri pentru pistoane
	21 MoMnCr 12	Înlocuitor parţial al oţelurilor Cr-Ni pentru organe de maşini: angrenaje, piese de articulaţie, arbori, axe, bolţuri, bucşe, manşoane de cuplaje pentru industria de autoturisme
	17 NiCrMo 6-4/1.6566/ SR EN 10.084 – 2000	Roţi dinţate, arbori, pene
	26 CrMo 4/ 1.7218/ SR EN 10.083/1 – 1995	Înlocuitor parţial al oţelurilor Cr-Ni pentru organe de maşini utilizate îndeosebi în industria de autoturisme
	28 MoCr 11 -	Arborele lalea din componenţa transmisiilor
	31 MoCr 11	Trenuri pentru cutii de viteză, diverse pinioane şi arbori

Câteva exemple sunt prezentate în figura 2.1.

Fig. 2.1. Piese auto forjate obţinute şi din oţeluri microaliate

Dezideratul în introducerea elementelor de microaliere ar fi mărirea rezistenţei şi a ductilităţii, însoţită de o scădere a temperaturii de tranziţie ductil-fragil. Piesele astfel forjate ar trebui să aibă o limită de curgere de peste 800 MPa. Oţelurile de înaltă rezistenţă obţinute cu un conţinut mediu de carbon şi la care se adaugă elemente ca Mn, Nb, Ti, V cât şi N, B, pot avea limită de curgere, rezistenţă şi duritate ridicate dacă sunt călite şi revenite. Atât piesele forjate cât şi cele călite şi revenite trebuie să reziste la solicitări dinamice şi în condiţii climaterice şi de coroziune severe.