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

III. DOMENII COMPOZIŢIONALE OPTIME PENTRU OŢELURI MICROALIATE CU TENACITATE RIDICATĂ

Ţinând cont de aceste tipuri de solicitări la care sunt supuse elementele componente ale autoturismelor , gama de materiale care se utilizează în prezent cuprinde următoarele tipuri de oţeluri:

• 
  oţeluri nealiate semidure, turnate sau forjate, fără tratament termic sau cu tratament termic de recoacere de normalizare sau îmbunătăţire la 200...250 HB;
  
• 
  oţeluri carbon semidure sau oţeluri aliate de îmbunătăţire; tratamentul tipic este îmbunătăţire la 250...300 HB fără călire superficială sau cu călire superficială la 40...45 HRC în cazul roţilor supuse la presiuni de contact mari;
  
• 
  oţeluri de carburare (cementare) nealiate şi aliate (în funcţie de călibilitatea şi rezistenţa miezului şi a stratului) cu tratament de carburare, carbonitrurare sau nitrurare;
  
• 
  oţeluri aliate cu Ni pentru ridicarea rezilienţei, cu Cr, Mo, Mn, W ce asigură creşterea durităţii şi rezistenţei.
  

Oţelurile de mare rezistenţă microaliate simbolizate HSLA cuprind următoarele tipuri de clase de aliere:

• 
  Oţeluri rezistente la coroziunea atmosferică (microaliate cu Cu, P)sau consolidate prin soluţie solidă ;
  
• 
  Oţeluri cu microstructură ferito-perlitică ce conţin până la 10% carburi sau carbo-nitruri ale elementelor de microaliere : Nb, V şi/sau Ti pentru consolidarea prin precipitare şi finisarea granulaţiei;
  
• 
  Oţeluri perlitice laminate care includ oţeluri C-Mn cu elemente de microaliere care să mărească rezistenţa, tenacitatea, deformabilitatea şi sudabilitatea;
  
• 
  Oţeluri cu ferită aciculară (bainită cu puţin carbon) având concentraţii reduse de carbon (sub 0,05%) şi o combinaţie excelentă de caracteristici mecanice (limită de curgere 690MPa) cu sudabilitate, deformabilitate şi tenacitate bune;
  
• 
  Oţeluri bi-fazice, cu microsctrutura martensito-feritică şi o bună combinaţie a caracteristicilor de ductilitate şi rezistenţă de rupere;
  
• 
  Oţeluri cu nivel de incluziuni controlat, care prezintă ductilitate şi tenacitate ridicate, prin adăugarea în mici cantităţi de Ca, Zr sau Ti şi pământuri rare pentru controlul configuraţiei geometrice a incluziunilor (din sulfuri alungite în formaţiuni fine şi aproape sferice).
  

Principalele clase de oţeluri HSLA microaliate cu microstructura ferito-perlitică sunt clasificate în functie de combinaţia elementelor de microaliere:

• 
  Microaliate cu V;
  
• 
  Microaliate cu Nb;
  
• 
  Microaliate cu Nb si Mo;
  
• 
  Microaliate cu V si Nb;
  
• 
  Microaliate cu V si N;
  
• 
  Microaliate cu Ti;
  
• 
  Microaliate cu Nb si Ti;
  
• 
  Microaliate cu V si Ti.
  

Valorile maxime ale limitei de curgere pentru oţelurile cu 0,25%C şi 0,08%V sunt în jur de 450MPa . Prin aliere cu V peste această valoare se obţin diferite alte valori ale limitei de curgere, conform tabelului 3.1.

Tabelul 3.1. Valori ale limitelor de curgere în funcţie de nivelul de aliere cu V

Conţinut de Mn, %	Conţinut de V, %	Limita de curgere, MPa	Modificarea limitei de curgere, MPa
0,3	0,00	297	0
	0,08	352	55
	0,14	380	83
1,2	0,00	331	0
	0,08	462	131
	0,14	552	221

Prin creşterea procentului de Mn la 0,9% se obţine o creştere a limitei de curgere cu 34 MPa ca urmare a efectului de soluţie solidă.

Prin introducerea de Nb (0,06% Nb) în oţelul cu 1,2% Mn se obţine o creştere a rezistenţei de 50 MPa, mai puţin decât prin alierea cu V (0,14% V). Conţinutul uzual de Nb este între 0,02 şi 0,04%. Se estimează că la fiecare 0,01% Nb adăugat se obţine o creştere a rezistenţei de 35 la 40 MPa, cu îmbunătăţirea simultană a tenacităţii.

Pentru aceste oţeluri nu se recomandă creşterea temperaturii de deformare plastică, pentru evitarea creşterii granulaţiei şi apariţia feritei Widmanstatten, care înrăutăţeşte tenacitatea.

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

4.1. STABILIREA MODELELOR STRUCTURALE CARE POT ASIGURA CARACTERISTICI MECANICE AVANSATE

În timpul răcirii lente de la temperaturi ridicate în aliajele fier-carbon are loc transformarea eutectoidă care reprezintă descompunerea austenitei (soluţie solidă de carbon în fier γ) într-o structură bifazică numită perlită, compusă din lamele alternative de ferită (soluţie solidă a carbonului în fier α şi cementită (Fe₃C). Atunci când viteza de răcire creşte, se vor forma faze metastabile, provenite din transformarea soluţiei solide în condiţii în afara echilibrului.

Descompunerea austenitei la răcire este guvernată de viteza cu care are loc procesul. Se obţine o structură ferito-perlitică atunci când viteza este lentă şi transformarea eutectoidă decurge în conditii apropiate de echilibru. Pentru viteze mai ridicate se vor forma faze metastabile cum sunt:

• 
  Martensita (soluţie suprasaturată de carbon în fier α), constând din plachete aciculare şi austenita netransformată;
  
• 
  Bainita este o structură constând în plachete de ferită cu forme aciculare în interiorul cărora se află particule de cementită care poate fi obţinută atunci când viteza de răcire este ridicată în intervalul A₁-550^oC şi este foarte lentă în intervalul 550-250^oC .
  

Predicţia tipului de structură obţinută în timpul răcirii pentru un oţel dat se poate face utilizând curbele de transformare temperatură-timp (TTT) În figura 4.1 sunt reprezentate curbele de transformare pentru un oţel hipoeutectoid [13] .

Descompunerea austenitei la răcire este influenţată de prezenţa elementelor de aliere, care chiar şi în cantităţi mici au efectul de a întârzia această transformare, ceea ce are duce la obţinerea unei perlite cu spaţii interlamelare mai mici [14].

Această morfologie a perlitei antrenează o creştere a durităţii. În cazul oţelurilor hipoeutectoide se formează în primul rând ferita proeutectoidă. Morfologia feritei depinde de factorii procesuli (tempearatură, timp, conţinut de carbon şi granulaţia austenitei). Ea va creşte preferenţial pe limitele de grăunţi şi pe anumite cristalografice. În mod obişnuit se obţine feritia aciculară crescând pe planele {1 1 1} ale austenitei.

Fig. 4.1 Curbele de transformare temperatură-timp pentru un oţel hipoeutectoid.

Atunci când viteza de răcire scade pe intervalul 550-250^oC se obţine o structură bainitică, care poate fi considerată ca o martensită la care s-a produs o difuzie a atomilor de carbon care au precipitat sub forma unor carburi. Morfologia bainitei superioare este în general aciculară.

Caracteristicile de duritate ale oţelului vor fi afectate de tipul structurii, de morfologia constituenţilor. Duritatea bainitei inferioare este mai mare decât a bainitei superioare care la rândul ei este mai dură decât a perlitei fine.

Luând în consideraţie aspectele legate de caracteristicile mecanice ale constituenţilor ferită, perlită, bainită, martensită care se pot găsi în anumite proporţii în structura unui oţel microaliat în funcţie de compoziţia chimică şi de condiţiile de răcire după austenitizare se poate stabili un model strucutral care să fie realizat experimental.

Datele adunate au condus către două concluzii:

1. 
   Trebuie selectat conţinutul de elemente de aliere astfel încât temperatura de transformare γ→ α să fie mai scăzută favorizându-se astfel formarea unei ferite fine cu morfologie aciculară (care oferă o mai mare tenacitate materialului) şi a unei perlite cu spaţii interlamelare mici (care măreşte rezistenţa). De asemenea este de dorit să se obţină o granulaţie cât mai fină pe care adaosurile de elemente ca Niobiul o favorizează.
   
2. 
   Parametrii de proces (deformare/răcire) trebuie aleşi de aşa natură încât să favorizeze o structură ferito-perlitică, cu o proporţie controlată a perlitei, cu ferita cu morfologie aciculară şi granulaţie submicronică (ferita ultarfină) şi cu carburi şi carbonitruri de ordin nanometric precipitate în interiorul grăunţilor de ferită.
   

Acest model structural teoretic asigură un bun raport al caracteristicilor de rezistenţă şi tenacitate. În etapele experimentale din cadrul proiectului va fi urmarită realizarea unor oţeluri corespunzătoare acestui model structural.