OTELURI INOXIDABILE - Otelul inoxidabil - Principii tehnologice de elaborare, turnare si prelucrare

OTELURI INOXIDABILE

1 Definitii si clasificari

Otelul inoxidabil este un aliaj fier-carbon aliat cu crom, care poseda o mare rezistenta la coroziune in atmosfera, in solutii de saruri, de acizi, etc., adica la coroziune electrochimica.

Rezistenta la coroziune a otelurilor creste la alierea cu crom si alte elemente prin formarea pe suprafata metalica a unei pelicule de oxid compacta si aderenta, care protejeaza metalul de atmosfera de lucru. Cresterea rezistentei la coroziune a aliajelor Fe-Cr (diagrama din fig. ), la adaugarea cromului nu este constanta, ci prin salt. Pana la 12% crom rezistenta la coroziunea fierului nu este semnificativa, insa cand continutul atinge valoarea de 12%, ea creste brusc; aceasta comportare este legata de faptul ca pana la 12% potentialul de oxidare al aliajelor Fe-Cr nu se modifica, ramanand ca si la fier, egal cu -0,6 volti; insa la 12% crom, el creste brusc la +0,2 volti, devenind pozitiv.

Rezistenta la oxidare a otelurilor inoxidabile cu crom creste si mai mult prin aliere cu nichel, iar pentru utilizarea in domeniul corpului uman se adauga si molibden (2-4%). Otelurile inoxidabile prelucrate prin deformare plastica sunt de mai multe tipuri, acestea se impart in patru grupe, dupa microstructura -conform AISI (American Institute of Steel and Iron)- asa cum se prezinta in tabelul

Grupa I - oteluri inoxidabile martensitice, cu crom contin in principal cromul ca element de aliere, acestea pot fi durificate prin tratamente termice la cald, cu formarea martensitei. Otelurile inoxidabile din aceasta grupa nu au suficienta rezistenta la coroziune, dar in schimb au proprietati mecanice foarte bune, motiv pentru care sunt utilizate in fabricatia instrumentarului chirurgical, mai ales datorita proprietatilor de duritate obtinute prin calirea martensitica.

Grupa a II a - otelurile inoxidabile feritice au o structura formata din solutie solida de Feά si nu pot fi durificate prin tratamente termice. Otelurile acestei grupe au bune proprietati de rezistenta la coroziune, in special la coroziunea sub sarcina, fiind utilizate in industria chimica si medicala mai ales ca recipienti.

Tabelul 5.1 Grupele de oteluri inoxidabile deformabile plastic si compozitia lor chimica

Grupa a III a - oteluri inoxidabile austenitice crom - nichel sunt cele mai utilizate in implantologie, mai ales marcile 316 si 316L. Aceste oteluri nu sunt durificabile prin tratamente la cald, dar pot fi durificate prin prelucrare plastica la rece. Aceasta grupa de oteluri inoxidabile este nemagnetica si poseda o foarte buna rezistenta la coroziune.

Otelurile austenitice sunt, de regula, oteluri crom-nichel care contin 13% crom si, in mod obisnuit peste 17% crom si la temperatura ambianta peste 8% nichel; nichelul fiind introdus pentru stabilizarea austenitei, iar prin adaosul de 2-3% Mo marcilor de otel 316 si 317, le creste mult rezistenta la coroziunea prin pitting. S-a constatat ca prin reducerea continutului de carbon de la 0,1% la 0,03% in otelul 316 se imbunatatese mult rezistenta la coroziune in solutii de clor ca si in serul fiziologic din corpul uman. De aceea standardul american ASTM recomanda marca de otel inoxidabil 316 L pentru fabricatia de implanturi. In figura 5.2. se indica efectul cromului si nichelului asupra stabilizarii domeniului austenitic al acestor oteluri cu un continut de 0,1% carbon; se constata stabilizarea domeniului austenitic de catre nichel la temperatura ambianta precum si influenta comuna a celor doua elemente de aliere.

Compozitia chimica a celor doua marci de oteluri inoxidabile austenitice 316 si 316 L, cu limitarea continutului de impuritati este prezentata in tabelul 5.2.

Grupa a IV a de oteluri inoxidabile cuprinde oteluri durificabile prin tratamente de imbatranire la 450-550⁰C; aceste oteluri au proprietati moderate de rezistenta la coroziune.

Otelurile inoxidabile contin in mod obisnuit si alte elemente ca Mn, Si, etc., care la randul lor, dupa modul in care influenteaza transformarea     g a, se impart in :

- elemente care favorizeaza aceasta transformare, fiind numite alfagene ca: Cr, W, Ti, Ta, Mo, Si, Nb; si elemente care franeaza transformarea, numite gamagene ca: Ni, C, N, Mn.

Tabelul 5.2 Compozitia chimica completa (conform ASTM) a otelurilor inoxidabile 316 si 316 L

Influenta acestor elemente asupra structurii, obtinute la racirea in aer a otelurilor este data de diagrama Schaeffler (fig. 5.3) construita in coordonate Ni echivalent si Cr echivalent conform relatiilor:

Ni_echiv. = % Ni + 30% C + 0,5% Mn

Cr_echiv. = % Cr + % Mo + 1,5% Si + 0,5% Nb

Din diagrama Schaeffler, rezulta ca tipul de structura al otelului inoxidabil este functie de compozitia chimica si de raportul existent intre elementele alfagene si gamagene.

Principii tehnologice de elaborare, turnare si prelucrare

Toate componentele protetice si implantologice din otel inoxidabil sunt procesate din semifabricate aflate sub forma de tabla, sarma si bare. Compozitia chimica si proprietatile acestor semifabricate sunt garantate de producator printr-un certificat de calitate.

Prelucrarile tehnologice ulterioare se refera la operatii metalurgice si mecanice specifice, asa cum sunt tratate la cap. 6, pentru oteluri inoxidabile austenitice, acestea constau in principiu in:

prelucrarea la cald sau la rece prin deformare plastica: matritare si forjare, ambutisare, stantare, etc;

deformarea plastica la rece, in scopul durificarii structurii si imbunatatirea unor proprietati fizico-mecanice;

tratamente termice de omogenizare structurala si dizolvare a carburilor metalice;

lipirea prin brazare si sudura electrica;

prelucrari mecanice de strunjire, gaurire, frezare;

acoperiri superficiale cu diverse straturi metalice, ceramice si polimerice;

tratamente superficiale de finisare, sterilizare si conservare.

Otelurile inoxidabile austenitice utilizate ca biomateriale metalice trebuie sa aiba in compozitia lor chimica continuturi foarte reduse de carbon si de incluziuni metalice si nemetalice. Pentru a putea fi asigurate aceste cerinte tehnice, otelurile se elaboreaza numai in agregate speciale-cuptoare electrice cu arc sau inductie-in atmosfera de protectie (vid) si cu tratamente corespunzatoare ale otelului lichid, pentru a fi favorizate desfasurarea proceselor termodinamice de decarburare avansata, dezoxidare, degazare si aliere.

Fazele tehnologiei de elaborare si turnare sub vid constau din:

Topirea incarcaturii metalice sub arc electric la urmatorii parametri de lucru:

temperatura arcului electric 4000⁰C;

consum de energie electrica la topirea 400 kwh/t;

valoarea depresiunii in instalatie va fi moderata, procesul se poate desfasura chiar la presiunea atmosferica, dar in medii de protectie a topiturii;

durata de topire este in functie de incarcatura, variind intre 0,5-2 ore;

temperatura baii metalice la sfarsitul topirii sub arc este de cca. 1600⁰C;

incarcatura metalica se compune din deseuri de otel carbon, deseuri de otel inoxidabil si ferocrom standard pentru continuturi de crom 10;15 sau 18%.

Topirea se realizeaza in cuptor electric cu arc cu captuseala bazica; in urma topirii rezulta doua produse lichide: baia metalica de otel si zgura.

Afinarea oxidanta - constituie o faza importanta de elaborare prin care carbonul si alte elemente prezente in otelul lichid se aduc in limitele prescrise. Afinarea sau oxidarea se realizeaza sub vid, cu aport termic dat de arcul electric, la urmatorii parametrii:

incalzirea baii metalice la cca. 1650⁰C;

realizarea unui vid de 0,2 at: - insuflarea oxigenului printr-o lance metalica la presiunea de 9-12 at, cu un debit specific de oxigen de 1-1,5 Nm³/t. Min, consumul de oxigen fiind de cca. 20 Nm³/t.

oxigenul total necesar decarburarii si oxidarii este dat de relatia:

O₂=9,3 C + 8,0 Si +1,4 Mn + 17,2 / (1+50 [C O]) + 2 [Nm³/t]

in care:

C - continutul de carbon al incarcaturii topite;

Si - siliciul din incarcatura plus siliciul adaugat in timpul elaborarii;

Mn - continutul de mangan al incarcaturii si al celui adaugat la sfarsitul topiturii;

[CO] - continutul de carbon la sfarsitul afinarii.

Controlul continutului de carbon si a celorlalte elemente metalice la sfarsitul procesului se face prin analize de laborator, functie de care se desfasoara apoi dezoxidarea si corectarea compozitiei chimice. Principalele reactii chimice care au loc la afinarea oxidanta a baii metalice, sub vid avansat, sunt:

oxidarea carbonului cu degajarea oxidului de carbon;

[C] + [O] =

oxidarea fierului cu trecerea in zgura a oxidului de fier;

[Fe] + [O] = (FeO)

oxidarea siliciului si manganului cu trecerea in zgura a produselor de reactie oxidice:

[Si] + [O] = (SiO₂)

[Mn] + [O] = (MnO)

oxidarea altor impuritati existente in baia metalica (Al, V, Ti, etc.) si degazarea otelului lichid, cu eliminarea partiala a hidrogenului si azotului;

oxidarea partiala a cromului, ca element principal de aliere.

[Cr] + [O] = (Cr₂O₃)

Reactia de decarburare in conditii de vid se va deplasa peste limita de echilibru a sistemului C-O, asigurandu-se o decarburare avansata a baii metalice.

La sfarsitul afinarii, temperatura baii metalice este de cca. 1700⁰C iar continutul de crom in zgura este de cca. 20%, fiind necesara operatia de reducere a zgurei in vederea regenerarii cromului.;

Dezoxidarea si alierea baii metalice asigura eliminarea oxizilor metalici formati la elaborare si corectarea compozitiei chimice in limitele prevazute de norme sau standarde si recuperarea cromului din zgura. Procesul incepe cu formarea unei zgure fluide prin adaos de var, fluorura de calciu si elemente de dezoxidare (FeSi si FeMn). Principalele reactii ale dezoxidarii sunt:

2 (FeO) + [Si] = 2[Fe] + (SiO₂)

2 (Cr₂O₃) + 2[Si] = 4[Cr] + 2(SiO₂)

(FeO) + [Mn] = [Fe] + (MnO)

(CaO) + [FeS] = [Fe] + (CaS) reactia de desulfurare

Procesul de dezoxidare se realizeaza mai avansat si cu viteze mari in conditiile insuflarii de argon, sub vid, prin dopul poros de la fundul oalei (fig. 5.4.), consumul de argon pentru otelul inoxidabil cu maxim 0,03%C este de 25 Nm³/t, la presiunea de lucru de 2-4 at.

Tratarea otelului lichid sub vid, combinata cu barbotare, permite scaderea continutului total de gaze in otelul inoxidabil in medie cu cca. 25% si o crestere importanta a puritatii in incluziuni nemetalice.

Turnarea otelului inoxidabil lichid Procesul de turnare trebuie realizat in atmosfera de protectie cu argon a jetului de otel, care curge prin orificiul de turnare. otelul se toarna in lingotiere de diferite marimi, turnarea se face indirect - prin sifon. Lingourile de otel inoxidabil sunt apoi laminate sub forma de tabla, profile, sarme, etc., care constituie materialele metalice pentru obtinerea de dispozitive sau proteze prin prelucrari metalurgice si mecanice ulterioare.