oțel

Diagrama fazei C/Fe, cu condițiile de formare a fazelor individuale. Pentru schimbări de temperatură infinit de lente.

 

Fier și carbon

Carbonul este cel mai important element de aliere. Calitatea oțelului nu depinde doar de conținutul de carbon, ci și de modul de tratament termic.

În imagine sunt fazele individuale:

1. α - fier curat - fier alfa
2. γ - austenit
3. * - ledeburit
4. după † - ferit
5. după † - perlita
6. I - topitura

Pe grafic se vede caracteristica în formă de V, care apare la sistemele care sunt complet solubile doar în stare lichidă și puțin solubile în stare solidă (vezi eutektic).

În esență, acest diagram poate fi împărțit în părți:

• Eutectică - sub topitură, cu eutectica la 1150 °C, conținut de carbon 4,3 %
• Eutektoide - transformare fazică solidă, sub regiunea γ, cu eutektoide la 723 °C, conținut de carbon 0,8 %
• Peritectică - o zonă destul de mică în stânga sus (cristale delta) cu peritectica în jur de 1430 °C.

Aceste faze apar însă doar la răcire/încălzire infinit de lentă. La răcire rapidă (temperare) se formează de exemplu martensit, care crește duritatea. La răcire lentă, la oțelurile austenitice, se crește în mod obișnuit tenacitatea.

Pentru procese dinamice se folosesc diagramele TTT. Poziția diagramelor TTT poate fi reprezentată astfel, că perpendicular pe diagrama binară mai punem o axă de timp ("iese" din imagine). Acestea se schimbă destul de mult în funcție de conținutul de carbon și de aliaje. În acestea apar și stadii intermediare, cum ar fi bainitul.

O influență semnificativă o are manganul, care face oțelul austenitic chiar și la un conținut mai mare de carbon și sprijină formarea martensitului chiar și la răcire lentă.

Prea mult carbon crește fragilitatea, adică reduce tenacitatea la vârf, această problemă nu se aplică fontei forjabile.

Se adaugă fie sub formă de carburi în topitură, fie se lasă să se infiltreze superficial în oțelul austenitizat (de exemplu, la cementare).

Elemente de aliere

Mai multe informații în articolul principal: Aliere

La producerea diferitelor tipuri de oțeluri (în funcție de scop) se folosesc diferite elemente de aliere (aliaje), care se adaugă în topitură pentru a modifica proprietățile oțelului. Aliajele se adaugă cel mai adesea prin introducere directă în topitura de fier. Uneori, aliajul se topește mai greu decât fierul sau invers. Acolo se folosesc diferite trucuri, cum ar fi eutektizarea, dar nu se obține o aliere curată. În cazul unei solubilități insuficiente a aliajului în topitura de oțel, este necesară folosirea metalurgiei pulberilor. Se spune și sinter.

• Duritate

Duritatea crește prin adăugarea de aliaje: vanadiu - datorită carburației, wolfram - carburi extrem de dure, care pot tăia chiar și la roșu

• Rezistență

Rezistența crește prin adăugarea de aliaje mangan, crom, nikel, dar și prin alte tratamente mecanice, cum ar fi laminarea rece sau tratamente termice, cum ar fi temperare. Rezistența teoretică a fierului la o rețea cristalină ideală (valoare calculată) este de aproximativ 40000 N.mm^-2. Cel mai rezistent oțel de pe piață are 1500 N.mm^-2.

• Rezistență la uzură

Această proprietate este necesară pentru piese solicitate la frecare (de exemplu, articulații de cablu) sau pentru unelte de prelucrare, unde se uzurează muchia. Pentru a îmbunătăți această proprietate, folosim aliaje: Carbon - martensit, dar și cementit, Cobalt, Vanadiu, Wolfram

• Rezistență la căldură, rezistență la temperatură ridicată

Oțelul obișnuit pierde proprietățile (în special duritatea și rezistența) la solicitări termice (deja la 300 °C) (motoare, turbine ...). Rezistența la temperatură ridicată se îmbunătățește prin adăugarea de aliaje: nikel, wolfram, crom, molibden, vanadiu. Temperatura nominală de lucru pentru astfel de oțeluri este între 300 °C și 550 °C. Oțelurile peste 550 °C sunt deja oțeluri la temperatură ridicată. Peste 800 °C, majoritatea oțelurilor nu mai sunt utilizabile. În condiții de laborator, se poate produce oțel care are la 1000 °C aproximativ 500 N.mm^-2, dar este extrem de greu de produs (pe mai mulți pași de producție și după o prelucrare dură).

• Elasticitate

Elasticitatea este proprietatea care indică până la ce punct se poate deforma oțelul astfel încât să revină la starea inițială. Această proprietate este folosită de exemplu la arcuri. Pentru a îmbunătăți elasticitatea, oțelul se aliează cu siliciu.

• Aliaje speciale

Magneziu - sprijină formarea grafitului sferoidal la fontele forjabile (fonte cu proprietăți similare oțelului), Beriliu - aliaje Cu-Be de oțel, reduc oboseala materialului (la solicitări repetitive), de exemplu la arcuri

 

Clasificarea oțelului

După conținutul de carbon

• Subeutektoidice - cu conținut de carbon sub 0,8 %
• Eutektoide - 0,8 % carbon
• Supereutektoidice - între 0,8 % și 2,06 %

După aliere

• Slab aliate
• Înalt aliate - peste 5% elemente de aliere

După stabilizare

• Stabilizate - oxigenul a fost îndepărtat
• Nestabilizate

După utilizare

1. Oțeluri automate - oțeluri destinate pentru prelucrări suplimentare de achiere mecanică
2. Oțeluri pentru tratamente termice - oțeluri destinate pentru prelucrări suplimentare termice
3. Oțeluri de cementare - oțeluri destinate pentru întărirea pieselor uzate. Oțeluri slab aliate sau nealiate cu sub 0,25% carbon, se cementează (se carburează) și se temperă la suprafață. După temperare, au bune proprietăți plastice.
4. Oțeluri de construcție - oțeluri pentru construcții și mașini, pentru utilizare este decisivă și eficiența economică
5. Oțeluri de nitrurare - extrem de dure și rezistente la uzură. Duritatea 750 HV până la 1200 HV.
6. Oțeluri pentru arcuri - cu o limită ridicată de elasticitate.
7. Oțeluri nefragile (oțeluri criogene) - oțeluri care la temperaturi joase nu devin fragile. Nealiate până la -60 °C, slab aliate până la -120 °C și înalt aliate până la -250 °C.
8. Oțeluri pentru rulmenți
9. Oțeluri pentru unelte - oțeluri pentru producerea uneltelor, fie pentru achiere mecanică fie pentru unelte manuale
10. Oțeluri pentru industria alimentară - oțeluri speciale, cu conținut zero de metale grele și impurități dăunătoare
11. Oțeluri pentru extragere subterană - oțeluri pentru plăci laminate, de exemplu pentru producerea caroseriilor automobilelor. În general oțeluri cu conținut scăzut de carbon.

 

Prezentul

Producție

Bază

În prezent, oțelul se produce în două moduri - fie ca oțel de bază (doar baza) se produce în furnale cu arc. În esență, doar fier brut - care este apoi refinat și stabilizat și apoi se adaugă aliaje. Aici se folosește LD-Konvertor sau, în ultima vreme Corex.

Pesti Siemens-Martin sunt deja complet învechite.

Sau oțelul se amestecă exact în cuptoare electrice. Această metodă este destul de des folosită în producția mică și medie datorită flexibilității sale economice.

Metoda Donawitz (LD-Konvertor)

În topitura din convertor se introduce printr-o țeavă subțire - copil - 98% oxigen. Se adaugă și șrot și minereu, pentru a reduce proporția de fier brut. Oxigenul reacționează cu fierul și se formează oxid de fier FeO, care arde impuritățile nedorite, în această ordine:

• Siliciu - 2FeO + Si → SiO₂ +2Fe
• Mangan - FeO + Mn → MnO + Fe
• Carbon - FeO + C → CO + Fe
• Fosfor - 5 FeO + 2P → P₂O₅ + 5Fe
• Sulf - 2 FeO + S → SO₂ + 2 Fe

Pentru această metodă trebuie să se aducă și topitură, pentru ca încărcătura să nu se răcească. Oțelul gata se toarnă apoi din convertor în baie pentru prelucrare ulterioară. Capacitatea maximă a convertorului este de aproximativ 250t.

Metoda cea mai economică aproape în mod sigur pentru producția în cantități mari de oțel.