![back](figuri/back.gif)
|
CAPITOLUL 4
|
![next](figuri/next.gif)
|
Coroziunea otelurilor inoxidabile austenitice
nitrurate ionic
|
4.1.
|
|
4.2.
|
|
4.3.
|
|
Nitrurarea ionica este tehnologia de inginerie a
suprafetelor cea
mai utilizata pentruîmbunatatirea proprietatilor tehnologice.
În acest capitol se va analiza coroziunea la probe
din oteluri
inoxidabile nitrurate, otelurileinoxidabile obtinute prin metalurgia
pulberilor si nitrurate precum si otelurile inoxidabileaustenitice
deformate plastic si nitrurate.
4.1 Nitrurarea ionica a otelurilor
inoxidabile
Probele supuse nitrurarii au fost confectionate din
marcile de
oteluri prezentate în tabelul 3.1.
Înainte de nitrurarea ionica, la otelurile
austenitice
inoxidabile s-a aplicat hipercalirea.Calirea de punere în solutie
(hipercalirea) are ca scop de a reduce la minimum sensibilitatea
la coroziune si fragilitatea care pot sa apara cu ocazia diferitelor
prelucrari mecanice sau termice (sudarea, deformarea plastica,
încalzirea în intervale critice etc.).
Hipercalirea otelurilor nestabilizate se face prin
încalzirea
la 900-1100°C (peste temperatura de dizolvare a carburilor de
crom),
mentinere (2-3 min/mm) si racire rapida în apa pentru otelurile
cu
mai mult de 0,03%C sau în aer. Structura în acest caz este
formata, asa cum s-a mai aratat, din austenita, fara separari de
carburi
la marginea grauntilor (figura 4.1.1).
Hipercalirea otelurilor stabilizate (oteluri la care s-a
introdus
titan, niobiu sau tantal care au o afinitate sporita fata de carbon
în solutia solida), se face la temperaturi de 1000-1100°C,
care depasesc temperatura de dizolvare a carburilor de crom dar este
inferioara temperaturii de dizolvare a carburilor
elementelor stabilizatoare. Durata de mentinere este de 3 min/mm, iar
racirea se face în apa sau în aer.
Daca dupa hipercalire se aplica o recoacere cu
încalzire
în domeniul 400-450°C, are loc din nou repartizarea
carburilor
asa cum se poate observa în figura 4.1.1.
În cazul otelurilor austenitice inoxidabile aliate
cu elemente
stabilizatoare, racirea dupa recoacere se poate face lent. În
acest
caz, în timpul mentinerii se poate produce trecerea carbonului
din
carburile de crom în carburile elementelor de aliere ceea ce
conduce la modificarea rezistentei la coroziune.
Regimul de hipercalire pentru otelurile austenitice
inoxidabile
utilizate în încercarile experimentale este prezentat
în figura 4.1.2.
Probele pentru încercarile experimentale au avut
diferite
dimensiuni, acestea si în functie de semifabricatul depornire.
Majoritatea acestora au fost sub forma de disc (∅10
si ∅25).
În figura 4.1.3 sunt prezentate si alte forme de probe utilizate.
Probele au fost în prealabil degresate si slefuite cu pasta
de diamant de 1 μm si apoi din nou degresate cu acetona înainte
de
a fi supuse nitrurarii ionice. Pentru încercarile experimentale
efectuate la UTC-N, tratamentul termochimic de nitrurare ionica a
probelor din otel inoxidabil s-a executat într-o instalatie de
nitrurare ionica "NITRION 10" reprezentata schematic în figura
4.1.4.
Partea principala a instaltiei este retorta a
carei încarcare
se face prin capacul superior detasabil, fixarea pieselor
asigurându-se pe catozii montati înacest capac.
Dimensiunile utile ale retortei: ∅400x1700 mm. Sarja maxima este de
250 kg, respectiv suprafata maxima a sarjei de 0,5-0,8m2.
Pompa
de vid cu o capacitate de 25m3/ora, asigura un vid limita de 0,1 torr
în timp de 0,5 ore. Un ventil cu ac permite reglarea manuala a
presiunii între 0,1-10 torr. Sistemul de alimentare cu
curent asigura 15 kW în trei trepte de tensiune la iesire 500,
750
si 1000 V. Descarcarea în regim de arc este controlata de un
dispozitiv electronic care protejeaza instalatia. Controlul
temperaturii
este asigurat de un termocuplu subminiatura introdus într-o piesa
de proba, cu izolare corespunzatoare. Temperatura maxima de lucru:
600°C. Controlul temperaturii se realizeaza automat cu o toleranta
de ±50C. Un instrument înregistrator urmareste atât
variatiile de temperatura cât si cele de presiune. În
dulapul de comanda sunt montate aparatele de reglaj si control si
circuitele de reglaj si de protectie ale instalatiei.
Dulapul de alimentare cu amoniac cracat serveste la
reducerea
presiunii amoniacului provenit din butelie si la asigurarea amestecului
de H2 (75%) si N2 (25%) prin disocierea termica
(cracarea) amoniacului de joasa presiune în retorta unui cuptor
tubular la temperatura de750-800°C. Debitul de gaz este de cca 20
l/h.
Caracteristicile instalatiei NITRION-10 conform datelor
furnizate de
producator:
- spatiul util: ∅400 × 1700 [mm] × [mm];
- greutatea maxima a sarjei: 300 [kg];
- suprafata maxima a sarjei: 0,5[mm2];
- puterea instalata: 15[kW];
- tensiunea dealimentare a intervalului de descarcare:
500; 750; 1000
[V];
- termocuplu subminiatura: cromel-alumel;
- doua ecrane concentrice;
- depresiunea poate varia
între:
0,5...6 [torr] (în functie de marimea sarjei);
Încercarile experimentale s-au facut pe un numar
mare de
regimuri de nitrurare, în care s-a variat temperatura în
intervalul de 400-600°C si timpul de mentinere de la 5h la 50h. La
o parte din probe s-a aplicat un tratament termic de hipercalire.
Duratele de nitrurare lungi (50h) s-au ales cu scopul de a obtine
adâncimi mari de nitrurare, deoarece coeficientul de difuzie al
azotului la 400-450°C este scazut.
Folosirea regimului cu temperaturi joase au avut
în vedere
formarea fazei "S" respectiv a unui strat de difuzie, fara strat alb,
cu
scopul de a se vedea daca se mentine rezistenta la coroziune dupa acele
regimuri de nitrurare.
4.1.1 Structura stratului si substratului.
La temperatura ambianta otelurile inoxidabile
austenitice au o
structura formata din austenita, ferita alfa si carburi de tipul M23C6.
Aceasta structura se obtine în cazul racirii lente. Dupa
tratamentul de hipercalire, cu racire rapida, structura este formata
numai din austenita. Structura austenitica asigura o rezistenta foarte
mare la coroziune, plasticitate ridicata ceea ce permite aplicarea cu
rezultate bune a deformarii plastice la rece, sudabiliate buna,
duritate silimita de curgere scazuta, proprietati paramagnetice.
În figura 4.1.5 se prezinta schematic structura
complexa a
otelurilor austenitice inoxidabile.
În figurile 4.1.6-4.1.9 sunt prezentate
structurile
înainte de nitrurarea a unor oteluri a caror compozitie chimica
este prezentata în tabelul 3.1
Structurile dupa nitrurarea otelurilor 1 si 2 sunt
prezentate
în figurile 4.1.10.
Alte structuri caracteristice dupa nitrurare sunt
prezentate în
figurile 4.1.11-4.1.13.
Din analiza structurii probelor nitrurate prezentata mai
sus rezulta
ca prezenta cromului (peste 17%) schimba total compozitia si structura
stratului nitrurat. Aceasta structura depinde de temperatura, durata
si potentialul de azot. Fazele prezentate în figura 4.1.6
÷
4.1.13 sunt:
γ́ - (FeCr)4N; ε- (FeCr)2..3N;
CrN; Cr2N;
austenita γ si ferita α.
Compozitiile fazelor variaza în stratul nitrurat
de la
suprafata spre miez si se observa urmatoarele substraturi:
- un substrat de compusi format în principal din
fazele γ́ si
ε cu o mica cantitatede γ si CrN.
- un substrat exterior de difuzie în structura
lamelara de γ
si CrN.
- un substrat interior de difuzie format din CrN
lamelar
si γ cu
precipitate de Cr2N în ferita.
- un substrat interfacial deformat de câtiva μm
grosime.
La nitrurarea gazoasa s-a format un substrat de compusi
în
care predomina ε pe când la nitrurarea în plasma s-a format
un strat de compusi în care predomina faza γ́ (figura 4.1.13).
Precipitatele de CrN în stratul de difuzie
formeaza o
structura lamelara cu austenita γ semanând cu perlita din
otelurile simple carbon si apare de culoare închisa, cum se poate
observa în figurile 4.1.10-4.1.13.
Mecanismul formarii feritei nu este înca
clarificat în
literatura de specialitate. LEBRUN [16,74] a sugerat ca ferita se
formeaza printr-un mecanism martensitic indus prin tensiune,
datorat saracirii în crom, ca urmare a precipitarii Cr2N.
BILLON si HENDRY [36] au stabilit ca Cr2N precipita numai
într-o matrice de ferita si se formeaza dupa o transformare γ→α.
Nitrurarea la temperaturi ridicate (peste 650°C) favorizeaza
transformarea feritei si a Cr2N. La temperaturi de nitrurare
mai joase (sub 650°C) formarea feritei si a Cr2N poate
fi suprimata si astfel se produce un substrat unic de difuzie în
care CrN precipita în austenita si concentratia azotului este
destulde constanta în strat. Încercarile experimentale nu
au pus în evidenta formarea nitrurii Cr2N.
Un substrat subtire de câtiva μm se observa de
obicei peste
stratul de difuzie (vezi figura 4.1.12).
Prin reducerea temperaturii de nitrurare la 400°C
precipitarea
nitrurii de crom este suprimata si se formeaza un strat dintr-o singura
faza. Initial aceasta faza a fost identificata ca fiind γ'-Fe4N si
numita "faza S". ICHHI si altii [112] au aratat ca aceasta faza difera
de γ si γ'. Se pare ca "fazaS" se formeaza pe baza austenitei γ si are
o structura CFC si a mai fost numita si "austenita expandata". Recent
MENTHE si altii [36] au sugerat ca Ni, Cr si Fe în "faza S" sunt
în stare de nitruri, pe când Ni este în stare de
metal
liber, iar "faza S" ar avea formula posibila (Fe4Cr)N2Ni.
Aceasta
faza este bine pusa în evidenta la otelul 3 (tabelul
3.1) asa cum
se observa în figura 4.1.12b.
Termodinamica si conditiile exacte de formare a "fazei
S" sau a
"austenitei expandate" nu sunt înca clare [15, 189].
Încercarile experimentale efectuate au aratat ca
temperaturile
joase, durate de mentinere scurte si potentiale de azot scazute
favorizeaza formarea stratului monofazic de "faza S".
Pe baza încercarilor experimentale, s-a conceput o
reprezentare schematica a structurii stratului nitrurat la otelurile
inoxidabile austenitice, prezentata în figura 4.1.14. Aceasta
structura este în concordanta si cu datele recente obtinute din
literatura de specialitate [36, 99].
4.1.2. Coroziunea stratului nitrurat
Expunerea la coroziune libera, prin masuratori
cronopotentiometrice,
s-a facut pentru otelurile inoxidabile 1, 2, 3, 7, 8, 9 (tabelul 3.1)
în mediu de NaCl 3%, la temperatura de 25±1°C,
în
aceleasi conditii ca si la otelurile inoxidabile deformate plastic.
Din rezultatele obtinute se vede ca pentru aceeasi
calitate a
otelului inoxidabil, temperatura si durata de nitrurare influenteaza
asupra calitatii stratului nitrurat si prin aceasta si
asupra stabilitatii acestuia privind rezistenta la coroziune.
Diferentele ce apar între potentialele
electrochimice ale
otelurilor în stare initiala se pot datora compozitiei chimice
diferite ale celor 9 marci de oteluri, conditiilor diferite de
elaborare (s-au folosit oteluri de la diferite firme producatoare),
tratamente lor termice anterioare (otelurile 8 si 9 au fost
hipercalite),
procedeelor anterioare de prelucrare (laminare, forjare,
aschiere, rectificare).
Astfel, otelul inoxidabil 1 (tabelul
3.1), cu un
continut de 17,9%
Cr si 9,5% Ni, a avut cea mai buna comportare la coroziune în
urma
nitrurarii ionice la 400°C, timp de 7,5 ore (figura4.1.15a). Acesta
are în momentul initial de expunere la coroziune libera, un
potential de 160 mV, valoare pozitiva cu 195 mV fata de cel în
stare nenitrurata (figura 4.1.15a) Otelul 1, nenitrurat,are un
potential negativ initial, de -20mV si care se mentine la valori
negative pe toata durata masuratorilor, cu o usoara tendinta de
pozitivare (+50mV si +23mV) la minutul 43 si 44 (figura4.1.15a).
Potentialul electrochimic al otelului nitrurat la 400°C; 7,5 ore,
se deplaseaza aproape constant spre valori pozitive, atingând
dupa
perioade de 100 minute, valoarea de cca 312mV, valoare care se mentine
constanta pâna la 180 minute, ceea ce arata instalarea unei stari
pasive stabile si o rezistenta apreciabila la coroziune. Potentialul
electrochimic al aceluiasi otel nitrurat ionic la 530°C, timp de 20
ore si apoi la 400°C timp de 7,5 ore, porneste de la o valoare
de100mV cu o tendinta puternica de pasivare dupa 4 minute, dar se
observa imediat o deteriorare a peliculei protectoare, potentialul
scade
la minutul 9 pâna la 155 mV si apoi reâncepe procesul mai
lent de reformare a peliculei pasivante, potentialul se stabileste la
310 mV dupa 66 minute si se mentine si dupa 180 minute, asigurând
o stabilitate buna la coroziune a otelului.
Acest regim asigura si o grosime mai mare a stratului
nitrurat, ceea
ce determina o mai buna comportare la solicitari mecanice (presiune de
contact).
Salturile de potential observate pe curbele
cronopotentiometrice din
figura 4.1.15a precum si din altele se datoresc formarii pe suprafata
metalului a unor produsi de coroziune care se interpun între
metal
si mediu acoperind temporar suprafata metalului. Metalul se pasiveaza
si ca urmare are loc o crestere spontana a potentialului. Cum stratul
de
pasivare nu este un strat stabil ci stationar, unde au loc permanent
procese de echilibru între metal si mediu, este posibil ca acesti
produsi sa se dizolve, lasând suprafata metalului în
contact cu mediul, ceea ce duce la scaderea brusca a potentialului.
Acelasi otel nitrurat ionic la 480°C, 8 ore, la
încercarile de coroziune libera în NaCl 3%
îsi stabileste starea pasiva la un potential mai mic, cu
posibilitati de coroziune ceva mai accentuatedecât cel nitrurat
la 400°C, 7,5 ore si cel nitrurat la 530°C, 20 ore si apoi la
400°C, 7,5 ore, figura 4.1.16a. Coroziunea libera în acid
sulfuric 1N, arata o scadere a potentialului electrochimic al otelului
inoxidabil nitrurat la 480°C, 8 ore cu usoara tendinta de
de pasivare si crestere a posibilitatii de coroziune, datorita
instabilitatii nitrurilor în medii acide.
Aplicând otelului inoxidabil 1 (tabelul 3.1) un
regim de
nitrurare de 530°C cu durata de 17 ore si de 24 ore, s-a constatat
ca otelul nitrurat la cele doua durate de nitrurare îsi
modifica potentialul electrochimic în mediu de NaCl 3%
deplasându-se spre valori negative fata de starea nenitrurata.
Din
figura 4.1.17a se vede ca la aceeasi temperatura, durata nitrurarii are
o influenta deosebita asupra calitatii stratului nitrurat.
La aceeasi temperatura, pentru probele nitrurate timp de
17 ore,
masuratorile la coroziune libera arata o deplasare a potentialului
electrochimic spre valori pozitive, tinzând spre o stare pasiva,
pe când, cele nitrurate 24 ore, au o tendinta lenta de
de pasivare, cu posibilitati sporite spre coroziune. Aceasta arata ca
duratele mari de nitrurare, precum si temperaturile ridicate,
pot influenta negativ calitatea stratului nitrurat. Influenta negativa
este urmare a intensificarii proceselor de separare a nitrurilor de
crom
si a formarii structurii de tip lamelar de culoare închisa, care
asa cum s-a aratat în capitolul 1, are o rezistenta scazuta la
coroziune.
Ca si în cazul precedent, masuratorile în
acid sulfuric
1N arata o mai slaba rezistenta la coroziune a otelului nitrurat cu
tendinta de depasivare, fata de comportarea lui în mediu de
NaCl3%.
Otelul inoxidabil 2 (tabelul 3.1)
nitrurat ionic la
400°C, 7,5
ore, are un potential ridicat la început, ajungând chiar
din
minutul 11 la o stare pasiva stationara la 272mV figura 4.1.18,
mai putin stabila însa decât a otelului 1 la acelasi regim
de nitrurare. Nitrurat la 530°C, 20 ore si apoi la 400°C, 7,5
ore, otelul inoxidabil 2 (tabelul 3.1),
initial are un potential
pozitiv, dupa care, din minutul 12 se stabileste o stare stationara la
un potential de 274mV, foarte apropiata ca si activitate coroziva de
cea
a probelor nitrurate la 400°C, 7,5 ore. La acest otel s-a studiat
si influenta rugozitatii suprafetei stratului nitrurat si a comportarii
la coroziune. În tabelul 4.1.1 si figura 4.1.19 se prezinta
rugozitatea suprafetei polizate si polizate si lustruite. Masuratorile
de coroziune libera din figura 4.1.18a arata o comportare mai buna la
coroziune a probelor polizate si lustruite fata de cele polizate. Dupa
nitrurarea lor la 400°C, 7,5 ore, potentialul celor care au fost
lustruite porneste de la valori relativ scazute, dar în
aproximativ 20 minute trece la valori pozitive fata de a celor polizate
si nitrurate, figura 4.1.18a.
Tabelul 4.1.1. Rugozitatea otelului 2 (tab. 2.1)
dupa doua
operatii de prelucrare.
Starea suprafeteiRugozitatea, Ra, μmPolizare1,26; 1,50;
1,71;
1,74Lustruire0,026; ,0036; 0,045; 0,031
Aceste rezultate confirma cercetarile efectuate de alti
cercetatori
care arata ca fenomenul de coroziune este mai intens pe suprafetele cu
rugozitate mare [129, 26, 95].
Coroziunea are loc în acest caz atât pe
vârful
neregularitatilor, cât si în adâncimea lor, unde se
formeaza o multitudine de microfisuri care se dezvolta rapid si
contribuie la deteriorarea suprafetei.
Dupa regimul de nitrurare de 480°C, 8 ore, otelul 2
are un
potential de -153mV. Potentialul se pozitiveaza lent, dupa 50 minute
ramâne un timp stationar la -31mV, ca la minutul 90 sa aiba o
variatie brusca spre valori negative, indicând aparitia unor
fisuri (rupturi) în pelicula protectoare, ca apoi sa revina la
aceeasi stare stationara, figura 4.1.20a.
Masuratorile la coroziune libera în acid sulfuric
1N arata un
potential de început mai pozitiv dar scade la început mai
evident, apoi din ce în ce mai încet, indicând o
depasivare lenta si ca urmare o deteriorare a rezistentei la coroziune,
ca urmare a instabilitatii nitrurilor în medii acide.
Nitrurat ionic la temperatura mai ridicata (530°C,
24 ore si
530°C, 48 ore), otelul 2 are potentiale mai putin pozitive
comparativ cu cele de la regimurile de nitrurare la temperaturi
mai joase si manifesta tendinta mai pronuntata la coroziune, figura
4.1.21a. Cel mentinut la nitrurare 24 ore, are tendinta continua de
depasivare, pe când cel mentinut 48 ore la nitrurare are o
mare instabilitate, chiar de la începutul masuratorilor de
coroziune, indicând formarea si distrugerea continua a peliculei
protectoare. Se observa si în acest caz influenta negativa a
temperaturilor ridicate- peste 450°C si a perioadelor prelungite de
nitrurare asupra calitatii stratului de nitrurarea otelurilor
inoxidabile.
Otelul 2 a fost nitrurat si într-o instalatie tip
KLÖCKNER din dotarea C.S.Hunedoara la regimurile de nitrurare de
400°C, 7,5 ore si 400°C, 30 ore. Valorile potentialelor la
masuratorile de coroziune libera a otelului nitrurat în
instalatia
KLÖCKNER sunt foarte apropiate de cele ale probelor nitrurate
în instalatia de nitrurare din dotarea laboratorului de
tratamente termice a Universitatii Tehnice din Cluj-Napoca. Acestea
sunt
prezentate în figura 4.1.22. Si aici se constata ca la
aceeasi temperatura de nitrurare, duratele prelungite de nitrurare (cum
este cea de la regimul de 400°C, 30 ore) au influenta negativa
asupra calitatii stratului de nitrurare.
Otelul 3, cu un continut de 17,3% Cr, 15,8% Ni si 2,78%
Mo are
în stare nenitrurata o stabilitate buna, chiar daca la
începutul coroziunii libere, potentialul scade brusc, însa
dupa 20 minute acesta se repasiveaza si trece la potentiale pozitive.
Prin nitrurare însa, desi potentialul stratului nitrurat pentru
toate probele este mai mic decât în starea nenitrurata,
figura 4.1.23. În figura 4.1.23A este prezenatata starea
suprafetei otelului 3 nitrurat si supus coroziunii libere.
O comportare oarecum diferita prezinta otelurile 7, 8 si
9 (tabelul
3.1) elaborate dupa norme interne la S.C.Industria Sârmei
Câmpia Turzii S.A., nitrurate dupa diferite regimuri de
nitrurare: figurile 4.1.24, 4.1.25 si 4.1.26. Valoarea potentialelor
electrochimice a acestor oteluri nitrurate ionic la temperaturi mari se
plaseaza la valori mai scazute fata de potentialele celor în
stare nenitrurata pentru toate cele trei oteluri.
La otelul 7 (tabelul 3.1),
valoarea potentialului
stratului nitrurat
la 400°C, 7,5 ore, este mai mare decât a otelului nenitrurat,
iar cel mai pozitiv potential îl are stratul nitrurat obtinut
la regimul de nitrurare de 530°C, 20 ore +400°C, 7,5 ore,
figura
4.1.24.
Pentru otelul 8 (tabelul 3.1),
care are cel mai mic
continut de crom
si nichel, stabilitatea cea mai mare a stratului se obtine la regimul
de
nitrurare de 400°C, 7,5 ore, cu potentialul electrochimic cel mai
pozitiv, iar potentialul mai putin pozitiv al stratului nitrurat s-a
obtinut la regimul de nitrurare de 530°C, 20 ore +400°C, 7,5
ore, figura 4.1.25. De remarcat ca în toate situatiile stratul
nitrurat ajunge la o stare stationara a potentialelor. Masuratorile de
coroziune libera pentru otelul 9 (tabelul 3.1)
arata ca potentialele
cele mai înalt pozitive se obtin pentru probele nitrurate ionic
la
400°C, timp de 7,5 ore, numai dupa 70minute. La regimul de
nitrurare de 530°C, 20 ore + 400°C, 7,5 ore, în primele
40 de minute potentialul stratului are salturi bruste în sens
pozitiv si negativ, dupa care se instaleaza o stare stationara la
potentialul de 287mV, figura 4.1.26.
Din cele de mai sus rezulta ca rezistenta la coroziune a
otelurilor
inoxidabile austenitice nitrurate este puternic influentata de
temperatura si durata de nitrurare, cât si de calitatea
suprafetei
si a compozitiei chimice a acestora.
4.2. Deformarea plastica la rece
urmata de nitrurare
ionica
În ultimii ani, s-au dezvoltat noi tehnologii de
ingineria
suprafetelor pentru a mari proprietatile mecanice, fizico-chimice si
tehnologice ale produselor. O parte din aceste tehnologii se refera si
la combinarea între doua sau mai multe procedee, astfel
aparând asa numitele tehnologii “duplex”. Nitrurarea s-a combinat
cu procedeul PVD, cu calirea prin inductie, cu cromarea dura s.a.
Combinarea deformarii cu nitrurarea a dat rezultate
bune, asa cum au
aratat unele cercetari [111]. Aceste cercetari s-au facut în
special pe oteluri carbon sau slab aliate. În ce
priveste combinarea deformarii cu nitrurarea la oteluri inoxidabile
austenitice s-au facut putine cercetari. În cadrul acestui
capitol
s-a studiat comportarea la nitrurare si la coroziune a
otelurilor inoxidabile austenitice deformate plastic prin rulare si
refulare.
a) Deformarea prin rulare
Încercarile de rulare s-au facut pe un dispozitiv
cu bila,
prezentat schematic în figura 3.2.1. La acest dispozitiv s-a
variat forta de apasare, mentinând restul parametrilor constanti.
Parametrii constanti ai procesului de rulare: diametrul bilei: ∅4,5mm;
turatia: 250rotatii/minut; avansul la rulare: 0,05 mm/rotatie; numarul
de
treceri: 5.
Coroziunea libera a otelurilor inoxidabile deformate
prin rulare,
urmata de nitrurare s-a facut pe aceleasi probe de la coroziunea libera
prin rulare. Potentialul electrochimic de coroziune al probelor rulate
si apoi nitrurate, are în toate cazurile valori mai putin
pozitive, deci cu o instabilitate mai mare la coroziune fata de otelul
nitrurat nedeformat, figura 4.2.1.
Otelul nitrurat nedeformat are initial un potential
relativ scazut,
dar care în numai 7 minutese pozitiveaza rapid, urmat de o
perioada de oscilatii relativ mici în sens pozitiv si negativ,
dupa care se stabilizeaza la un potential de 575mV si deci cu o buna
stabilitate la coroziune, fiind cu107mV mai pozitiv decât cel mai
înalt potential al probelor rulate si apoi nitrurate.
Deplasarea cea mai mare spre valori negative o are otelul inoxidabil 6
rulat cu o forta de apasare de 80daN, a carui stare pasiva se
stabileste
la potentialul stationar de 374mV, pe când la otelul 6 rulat cu o
forta de apasare de 70daN, starea stationara se stabileste la
potentiale pozitive, 475 mV, în consecinta având si o
stabilitate ceva mai ridicata fata de atacul coroziv. Atât
masuratorile de potential, cât si testul cu solutie feroxil si
observarea optica arata ca otelurile inoxidabile deformate prin rulare
si apoi nitrurate îsi modifica potentialul electrochimicde
coroziune în sensul deplasarii lui spre valori negative si prin
aceasta si probabilitatea de a se coroda mai usor. Trebuie remarcat ca
negativarea potentialului nu este direct proportionala cu valoarea
fortei de deformare la rulare, respectiv cu gradul de deformare.
b) Deformarea prin refulare
În cazul otelului nr. 3 (tabelul
3.1), refularea
s-a facut pe
probe cu dimensiunile initiale de∅15×30. Încercarile
experimentale de refulare s-au efectuat pe o presa hidraulica de 150tf
din dotarea laboratorului catedrei de Deformari plastice. Gradele de
deformare obtinute sunt prezentate în tabelul 4.2.1.
Tabelul 4.2.1. Gradul de refulare relativ si
refularea
specifica a probelor din otelul nr. 3.
Nr. probeiÎnaltimea hGradul de refularerelativ x=(h0−h)/h0Refularea
specifican=h/h0126,10,130,872210,30,7314,60,520,4847,10,760,24
În urma refularii, duritatea superficiala masurata
în
zona deformarii medii a crescut, asa cumrezulta din figura 4.2.2.
Valoarea maxima a duritatii s-a obtinut la proba deformata cu un gradde
deformare de 76%.
Probele deformate cu diferite grade de deformare au fost
supuse
nitrurarii ionice cu doua regimuri: primul regim s-a realizat la o
temperatura de 400°C, cu o mentinere de 30 h, iar al doilea regim
s-a facut la 450°C, cu o mentinere tot de 30 h.
În urma nitrurarii, în ambele regimuri s-a
obtinut o
crestere a duritatii la probele deformate, fata de cele nedeformate,
asa
cum se poate observa în figurile 4.2.3÷4.2.5.
În regimul de 400°C/30h, duritatea maxima de
627HV5 s-a
obtinut la probele deformate cu52% grad de deformare. Cresterea de
duritate este de 235HV5 figura 4.2.5.
Combinarea deformarii plastice cu nitrurarea ionica la
temperaturi
relativ joase poate aduce o contributie la marirea duritatii probelor.
Cresterea duritatii probelor deformate si nitrurate
poate fi
explicata atât prin contributia adusa de duritatea remanenta dupa
nitrurare, cât si prin modificarile structurale care au loc
în stratul nitrurat. Otelul 3, deformat prin refulare si apoi
nitrurat la 400°C, 30h, are pentru toate situatiile o mai
pronuntata
tendinta spre coroziune decât otelul nitrurat, nedeformat, figura
4.2.6.
La o deformare cu 76%, otelul nitrurat are cea mai
pronuntata
tendinta la coroziune, având potentialele electrochimice cele mai
putin pozitive, plecând chiar de la un potential negativ de
−68mV,
pe când otelul deformat cu 52% si nitrurat porneste initial de la
un potential negativ de −55mV, cu o tendinta evidenta spre pasivare.
Otelul deformat 30% si nitrurat la 400°C, 30h, are comportarea la
coroziune cea mai apropiata de a otelului nedeformat si nitrurat.
Din figura 4.2.6 se observa ca probele deformate si
nitrurate au o
rezistenta la coroziune mai scazuta decât probele nedeformate si
nitrurate. Cea mai mica rezistenta la coroziune o au probele deformate
cu grad maxim de deformare (76%). Aceasta comportare poate fi explicata
prin cresterea concentratiei de azot în solutia solida γ (faza S)
odata cu cresterea gradului dedeformare. Cu cresterea concentratiei de
azot în solutia solida γ creste si posibilitatea
separarii nitrurilor care determina reducerea rezistentei la coroziune.
4.3. Nitrurarea ionica a pieselor din
pulberi metalice
Este binecunoscuta dezvoltatrea impetuoasa a metalurgiei
pulberilor
datorita numeroaselor avantaje pe care le ofera:
- consum redus de materie prima si energie;
- realizarea pieselor la forma lor finita sau foarte
aproape de
aceasta;
- buna precizie dimensionala si geometrica;
- productivitate mare si cost redus;
- posibilitatea controlarii precise a compozitiei
chimice;
- posibilitatea realizarii de aliaje între
elementele care nu
se pot alia pe alta cale.
Daca la început, prin aceasta tehnologie s-au
realizat piese
supuse la solicitari usoare sau medii, astazi se fabrica piese
sinterizate supuse la solicitari grele. Piesele sinterizate din
pulberi de otel inoxidabil trebuie sa pastreze rezistenta foarte buna
la
coroziune a otelurilor inoxidabile forjate, iar în plus ele
trebuie sa aiba si proprietati tribologice bune. Pentru a realiza o
cresterea densitatii pieselor în timpul procesului de sinterizare
s-a folosit sinterizarea cu faza lichida.
Pentru încercari experimentale s-au folosit doua
compozitii de
pulberi din oteluri inoxidabilemarca AISI 316L (16,5% Cr, 13,5% Ni,
2,1% Mo, 0,7% Si, 0,2% Mn si max. 0,02% C). Compozitia A cu un continut
de: 75% pulbere de otel inoxidabil 316L cu granulatia de 40μm,0,12%Al,
10% Ni, 0,75% Fe, restul pulbere 316L cu granulatia 22μm si compozitia
B cu un continut de: 75% pulbere de otel inoxidabil 316L cu granulatia
de 40μm, 0,5% Si, 10% Ni,0,75% Fe, restul pulbere 316L cu granulatia
22μm.
Pentru obtinerea unor piese compacte din pulberile
amintite s-au
folosit presarea orbitala si sinterizarea cu faza solida [241, 197, 89,
235].
Tratamentul de nitrurare ionica s-a facut într-o
instalatie
NITRION 10 reprezentata schematic în figura 4.1.4. Temperatura de
nitrurare a fost 400÷530°C, cu o mentinere de
5÷15ore. Dupa nitrurare s-a studiat structura la microscopul
optic, s-au facut analize cu raze X, s-a masurat duritatea la suprafata
si în adâncime. În figurile 4.3.1, 4.3.2 sunt
prezentate structurile caracteristice, iar în figura 4.3.3
microduritatea dupa nitrurare ionica. Din analiza acestor figuri se
poate observa ca ambele probe A si B s-au nitrurat ducând la
formarea unui strat de compusi (strat alb) si un strat de difuzie.
Analiza cu raze X a pus în evidenta natura fazelor formate
la suprafata. Din analiza figurii 4.3.4 se observa ca la proba 1
(nitrurata la 400°C, 7,5h) apare în stratul superficial
austenita suprasaturata în azot γN si nitruri de tip e
(Fe 2...3N sau mai probabil(FeCr)2...3N) si
ǵamma.
Liniile de difractie corespunzatoare austenitei (γ) au intensitate mult
mai mica indicând fie prezenta acestei faze numai la o anumita
adâncime de la suprafata, fie o cantitate foarte mica în
stratul superficial. La proba 2 (nitrurata la 450°C, 7,5h) avem de
asemenea în strat austenita suprasaturata în azot γN
si nitruri de tip e si γ́́. La proba 3 se observa din analiza curaze X
separarea de CrN. Aceasta separare de nitruri de crom duce la o
deteriorare drastica a rezistentei la coroziune. Grosimea stratului alb
este de 12÷15µm. din Din analiza structurii fazice prin
difractie cu raze X, reiese ca pentru evitarea precipitarii carburilor
de crom se impune ca nitrurarea sa se faca la temperaturi joase
(400-475°C).
Masuratorile de potential electrochimic la coroziune
libera a
probelor din pulberi metalicedin otel inoxidabil sinterizat arata o
buna comportare la coroziune a probelor nitrurate ionic la 400°C
7,5h. Pe parcursul experimentului îsi mentin o stare stabila cu
un potential stationar de valoare pozitiva ridicata fata de cele
nenitrurate, figura 4.3.5. Nitrurarea la temperatura mai ridicata
însa, 530°C 20h deterioreaza rezistenta la coroziune, curba
potentialelor plasându-se la valori mai negative chiar si fata de
cea nenitrurata.
Pe baza celor de mai sus se poate trage concluzia ca
probele din
pulberi metalice din oteluri inoxidabile se pot nitrura cu rezultate
bune. Grosimea de 12µm a stratului alb, duritatea
ridicata(800÷850 HV 0,02) duc la o îmbunatatire a
proprietatilor tribologice. S-a constatat ca la probele care contin
12%Al duritatea este mai mare.
Consider ca aceste prime rezultate pozitive
îndreptatesc
adâncirea si continuarea acestor cercetari.
|