Tratamente termice si termomecanice ale otelurilor inoxidabile austenitice

Tratamente termice si termomecanice aplicate principalelor grupe de biomateriale metalice.

1 Tratamente termice si termomecanice ale otelurilor inoxidabile austenitice

Otelurile austenitice nu sunt susceptibile la calire din cauza structurii monofazice γ stabila in domeniul de prelucrare la cald pana la temperatura ambianta, la un continut redus de carbon (sub 0,1%). Tratamentul termic de calire, de punere in solutie (hipercalire) se aplica otelurilor austenitice in scopul dizolvarii carburilor secundare precipitate in cursul prelucrarii la cald, sau pentru a restabili starea mai ductila dupa prelucrarile prin deformari plastice la rece, prelucrari care maresc considerabil proprietatile de rezistenta ale otelurilor. Sectiunea politerma prin diagrama sistemului cuaternar Fe-Cr-Ni-C la continuturi constante de 18%Cr si 8%Ni (fig. 6.27), arata ca incalzirile si racirile lente intre curbele SE si SK - respectiv intre 600sC si 1000sC, in functie de continutul de carbon- ca si stationarile in acest interval, produc precipitarea carburii complexe. (Cr,Fe)₂₃C₆ din masa austenitica. Racirile foarte lente, sub linia SK, pot sa provoace separarea de ferita, pe cand supraincalzirile peste linia NJ, urmate de raciri rapide, au ca efect retinerea de ferita δ.

In consecinta, pentru evitarea separarii de carburi ca si pentru dizolvarea celor eventual separate, incalzirile trebuie sa se faca la temperaturi de 1050 - 1100sC pentru otelurile inoxidabile cu max. 0,1%C.

In privinta racirii, aceasta trebuie sa se faca foarte rapid, prin utilizarea ca mediu de racire, apa. Aceasta conduce insa la deformari din cauza tensiunilor termice produse. Utilizarea racirii mai lente in ulei sau aer, care ar reduce deformarea, este insuficienta pentru a preintampina precipitarea carburilor, astfel ca se favorizeaza fenomenul de coroziune intercristalina.

Problema se poate rezolva prin utilizarea otelurilor inoxidabile stabilizate structural cu titan sau niobiu, care leaga carbonul in carburi mai stabile si cu tendinta mai redusa de precipitare, ceea ce face posibila racirea in ulei sau chiar in aer, pentru grosimi reduse de pereti (pana la 6 mm).

Pentru a se obtine rezistenta maxima la coroziune intercristalina, tratamentul otelurilor stabilizate cu titan sau niobiu poate fi realizat prin recoacere de stabilizare, care consta in incalzirea otelului la temperatura de 850 - 900sC, timp de 3-5 ore, dupa care urmeaza racirea in apa sau aer fortat (ventilat). Esenta acestui tratament consta in aceea ca la 850 - 900sC, precipita practic numai carbura de titan, care consuma carbonul de la limita grauntilor, astfel incat cromul ramane dizolvat si nu mai poate precipita sub forma de carburi.

Tratamentul de stabilizare se realizeaza in cursul deformarii plastice si poate fi urmat in final de recoacere de detensionare la 650 - 750sC, care mareste suplimentar rezistenta generala la coroziune. Acest tratament se poate aplica si atunci cand se urmareste recristalizarea produselor deformate la rece.

O metoda practica de tratament pentru otelurile inoxidabile austenitice se refera la recoacerea acestora in atmosfera de azot, care difuzeaza in stratul superficial al produsului pana la o concentratie de 0,2%, ceea ce are ca efect cresterea sensibila a proprietatilor mecanice.

De asemenea, prelucrarea termomecanica prin deformare la rece (sub temperatura de recristalizare) contribuie la cresterea importanta a proprietatilor de rezistenta. Tratamentul trebuie urmat de recoacere de recristalizare pentru refacerea structurii si eliminarea tensiunilor din produs in scopul atenuarii coroziunii intercristaline.

Microstructura monofazica a otelului austenitic este prezentata in fig.6.28. a., precum si structura obtinuta prin deformare la rece (fig.6.28.b).

O atentie deosebita trebuie sa se acorde mediilor de incalzire,

deoarece atat oxidarea, cat si eventuala carburare au efecte negative asupra comportarii produselor in corpul uman: oxidarea produce un film subtire de oxizi, greu de eliminat prin decuparea ulterioara, iar eventuala carburare favorizeaza coroziunea intercristalina. Ca atmosfere protectoare se folosesc hidrogenul sau amoniacul disociat. Produsele se introduc in cuptorul de tratament perfect degresate si uscate, iar atmosfera de protectie se introduce din momentul inceperii incalzirii. Duratele de mentinere la tratament depind de grosimea produselor; se recomanda durata medie de cca. 1 min/mm grosime. Racirea se face in camere speciale cu apa sau cu curent fortat de aer, pana ce temperatura in produs coboara sub 200sC.

Pentru otelurile stabilizate cu titan se poate aplica recoacerea

de stabilizare prin incalzire la 860-900sC, cu mentinerea timp de 30 minute la aceasta temperatura, dupa care se face racirea in aer.

In tabelul 6.6 se indica proprietatile mecanice ale otelurilor

inoxidabile pentru implanturi chirurgicale, obtinute dupa diverse tratamente la cald si la rece.

Tabelul 6.6 Influenta tratamentelor asupra proprietatilor mecanice ale otelurilor inoxidabile

2 Tratamente termice si termomecanice aplicate aliajelor de titan

Complexitatea aliajelor cu baza de titan face posibila aplicarea intregii game de tratamente termice: recoaceri cu si fara transformari de faza, calire martensitica si de punere in solutie, revenire si imbatranire.

Recoacerea titanului si aliajelor sale dupa deformarea plastica la rece are ca scop fie numai inlaturarea tensiunilor si refacerea structurii, fie revenirea la starea de plasticitate mare, obtinuta printr-o recristalizare completa. Cresterea grauntilor cristalini la recoacerea titanului dupa deformarea plastica, este

influentata de gradul de deformare si de temperatura de incalzire peste pragul de transformare α-β, asa cum se observa in diagrama din fig. 6.29.

Elementele de aliere influenteaza mult conditiile de recristalizare ale titanului. Astfel adaosul de Al de la 1 la 4% mareste temperatura de recristalizare de la 575˚C la 700˚C.

Parametrii recoacerilor de detensionare, de recristalizare si de durificare pentru unele aliaje ale titanului, sunt prezentati in tabelul 6.7. Tratamentul de calire, de punere in solutie, urmat de imbatranire, cu precipitarea fazelor secundare se aplica aliajelor de titan care prezinta fenomenul de scadere a solubilitatii solutiei solide cu temperatura. Asa de exemplu, in aliajele care contin elemente β stabilizatoare, s-au constatat mai multe stari intermediare cu retele cristaline diferite (fig. Cinetica si mecanismul transformarii depinde de compozitia chimica, de proportia de impuritati, de temperatura de transformare, etc.

Tabelul 6.7 Parametrii tratamentelor termice aplicate aliajelor cu baza de titan

Existenta transformarii alotropice β → α in titan si aliajele sale, sta la baza aparitiei structurilor martensitice. Alierea titanului cu elemente care determina scaderea temperaturii de transformare β → α, micsoreaza viteza de transformare β → α, astfel incat in asemenea aliaje este posibila aparitia a numeroase stari intermediare care influenteaza sensibil proprietatile mecanice. Spre deosebire de transformarea alotropica a fierului, la transformarea alotropica a titanului, nu apar germeni cristalini noi, ci ea are loc printr-o reasezare a atomilor din reteaua C.V.C. in H.C.

Astfel, temperatura de incalzire a Ti-4Al nu trebuie sa depaseasca 900˚C, iar a aliajelor cu mai putin de 4%Al, sa nu se depaseasca 1000˚C, pentru a se mentine granulatia fina.

Solutia suprasaturata α' obtinuta prin transformare martensitica are compozitia identica cu faza β din care a provenit printr-o transformare reversibila. Martensita α' are retea hexagonala, parametrii ei fiind dependenti de gradul de suprasaturare in elemente de aliere. Cand creste proportia de β, datorita elementelor stabilizatoare, se poate forma martensita α", cu simetrie mai scazuta, apropiata de reteaua rombica. Temperatura de inceput de transformare martensitica M_s scade atunci cand creste proportia de elemente β stabilizatoare, astfel incat peste o concentratie critica C_cr, nu se mai formeaza martensita α'. Temperatura minima de la care, prin calire, se formeaza martensita α', constituie o temperatura critica T­_cr . Cu cat temperatura de incalzire este mai mare decat T_cr, cu atat proportia de martensita α' in structura este mai mare; faza reziduala β se micsoreaza si devine mai saraca in elemente de aliere.

Faza intermediara ω este coerenta cu faza β si ea poate fi dizolvata in solutie printr-o recoacere la temperatura ridicata, cand se produce transformarea reversibila in β. In domeniul temperaturilor de transformare β/α+β se pot forma stratificari de faza β mai sarace sau mai bogate in elemente de aliere, care influenteaza transformarile urmatoare.

Domeniile de concentratii in elementele de aliere si de temperaturi la care apar fazele mentionate mai sus, in cursul calirii aliajelor de titan, sunt de asemenea mentionate in fig. 6.30.. Pana la concentratia c₁ de elemente betastabilizatoare, structura de calire este formata numai din α'. Dupa calirea acestor aliaje in domeniul de temperaturi deasupra lui T₁, structura va fi α'+α; la calirea in intervalul T₁-T_cr, structura va fi α'+α+β, iar la temperaturi situate sub T_cr, structura va fi α+β, deci transformarea structurala nu are loc.

Procesele de descompunere a solutiei solide β subracite, influenteaza mult proprietatile mecanice ale aliajelor de titan. Dezvoltarea transformarilor intermediare ale fazei β metastabile cu formarea martensitei α', apoi cu separari de β imbogatite, sau α saracite fin dispersate, conduce la o durificare accentuata a aliajelor, la cresterea modulului de elasticitate si a duritatii, dar la micsorarea plasticitatii. Descompunerea fazei β cu formarea structurilor α+β apropiate de echilibru, determina o modificare mai redusa, dar proprietatile de plasticitate sunt superioare.

La durificarea prin tratament termic a aliajelor de titan cu structura β sau α+β, aparitia fazei intermediare ω duce la fragilizarea lor. In acest caz, pentru eliminarea acestei faze fie se prelungeste revenirea pana la formarea fazei α fie se repeta revenirea in domeniul β+ω.

Calirea izoterma a aliajelor de titan la temperaturi care asigura viteza maxima de transformare, confera aliajelor cea mai buna stabilitate structurala datorita formarii unui mare numar de particule α fine si uniform distribuite in matricea β. Tratamentul izoterm are avantajul obtinerii unei structuri neorientate, fata de tratamentul dublu de calire si revenire, la care formarea separarilor la revenire mentine orientarea dupa structura aciculara de calire, ceea ce micsoreaza proprietatile mecanice.

Tratamentele termomecanice aplicate aliajelor de titan, conduc la finisarea structurii, la suprimarea recristalizarii, la marirea densitatii defectelor si la distributia lor uniforma, ceea ce intensifica descompunerea uniforma a fazelor metastabile, cu ameliorarea sensibila a proprietatilor mecanice si de rezistenta la coroziune. In tabelul 6.8 sunt prezentate proprietatile mecanice ale titanului si aliajelor sale, functie de tratamentele termice si termomecanice aplicate in diverse domenii de stabilitate a fazelor componente.

Tabelul 6.8 Unele proprietati mecanice ale titanului si aliajelor bifazice pe baza de titan

Obs. C.P - titan de puritate comerciala

Microstructurile prezentate in fig. 6.31 indica distributia fazelor α si β in aliajele Ti-Al-V forjate.

3 Tratamente termice si termomecanice aplicate aliajelor de cobalt

. Aliajele Co-Cr turnate au o structura neomogena in care se remarca zone interdendritice bogate in elemente de aliere ca Mo, Cr si C. Structura tipica pentru aliajul turnat Co-Cr-Mo este prezentata in fig. 6.32.

Studiile efectuate, pentru identificarea fazelor prezente in structura turnata, au scos in evidenta faze de carburi complexe de tipul M₂₃C₆, faze imbogatite in Cr si Mo si matricea de faza γ, asa cum se constata si in diagrama de echilibru termic a sistemului binar Co-Cr (fig. 6.33).

Compozitia heterogena a structurii de turnare afecteaza sensibil proprietatile mecanice si rezistenta la coroziune a acestor aliaje. Pentru a imbunatati structura este necesara efectuarea tratamentului termic de omogenizare prin recoacere la temperatura de 1220 - 1230˚C, cu mentinere la aceasta temperatura timp de o ora dupa care aliajul se raceste rapid pana la temperatura ambianta. Efectul acestui tratament consta in omogenizarea partiala a structurii de turnare prin dizolvarea carburilor complexe si a fazelor intermetalice in matricea γ. In fig. 6.34. se prezinta structura specifica a acestui aliaj, rezultata in urma tratamentului de recoacere mentionat, in care se constata prezenta unui anumit grad de neomogenitate structurala, insa proprietatile de plasticitate cresc. (tabelul 6.9).

Incalzirea aliajului la temperaturi sub 1230˚C, prin cresterea duratei de mentinere la temperatura de omogenizare pana la 24 de ore, conduce la o solubilizare completa a carburilor si a fazelor intermetalice.

La temperatura de peste 1235˚C s-a constatat in sistemul ternar Co-Cr-Mo, prezenta unui eutectic care poate conduce la aparitia fazei lichide la limita grauntilor, si in consecinta poate conduce la aparitia fisurilor in aliaj, motiv pentru care incalzirea pentru recoacere se recomanda a se limita la temperaturi sub 1230˚C. Prin combinarea tratamentului de recoacere prezentat mai sus, cu unul de imbatranire la 650˚C, timp de 20 de ore, s-a constatat o ameliorare a proprietatilor mecanice, prin formarea de precipitate alungite de-a lungul limitei grauntilor. De asemenea, prin realizarea unui tratament de imbunatatire a structurii, prin incalzirea la temperatura de 890˚C se obtine o omogenizare mai avansata a structurii aliajului turnat, pe seama transformarilor structurale care au loc la aceasta temperatura: aliajul Co-Cr-Mo are structura C.F.C. la temperaturi mai mari de 890˚C, iar la temperaturi mai scazute, structura este hexagonal compacta H.C. ; transformarea structurii C.F.C. in H.C. este lenta si la o racire fortata in apa sau aer ventilat se formeaza benzi de H.C. in matricea metastabila C.F.C. In acest fel se poate obtine o imbunatatire sensibila a tuturor proprietatilor mecanice ale aliajului turnat.

Tabelul 6.9 Influenta tratamentelor termice si termomecanice asupra proprietatilor aliajelor turnate Co-Cr-Mo

Aliajul turnat Co-Cr-Mo numit ENDOCAST sau Muller, este caracterizat prin proprietati de rezistenta si ductibilitate ridicate datorita prezentei unor carbonitruri intragranulare si a precipitatelor de faza σ. Aliajul contine cca 0,2% azot iar tratamentul termic consta intr-o recoacere completa la 815˚C, timp de 4 ore, urmat de o alta recoacere la 1225˚C tot cu o durata de 4 ore, cu racire rapida in apa. Prin acest tratament se obtine precipitarea unor carbonitruri sub forma de benzi cu structura H.C. in matricea metastabila de C.F.C. Asa cum rezulta si din tabelul 6.8., in urma tratamentului termic al aliajului Muller, se obtine o crestere a rezistentei la rupere la 1000 MPa si o crestere a alungirii la 25%.

Tratamentele termomecanice aplicate aliajelor turnate Co-Cr-Mo conduc la imbunatatirea sensibila a proprietatilor mecanice si de rezistenta la coroziune prin fragmentarea accentuata a carburilor in reteaua intermetalica deformata plastic. Tratamentele termomecanice constau in prelucrarea la cald a aliajelor turnate prin: forjare, laminare, extrudere, urmate de tratamente de imbunatatire.

A fost de asemenea studiata influenta continutului redus de carbon (max 0,15%) in compozitia aliajelor turnate asupra proprietatilor acestor aliaje dupa prelucrare prin deformare la cald si la rece, constatandu-se o crestere accentuata a tuturor proprietatilor in comparatie cu aliajul turnat clasic.

Un alt procedeu de imbunatatire a proprietatilor aliajelor turnate pe baza de cobalt, consta in microalierea cu elemente ca: Al, B, Nb, Ta, etc., urmata de forjare la cald si tratamente de imbunatatire prin calire martensitica in urma carora se obtin precipitate C.F.C. intr-o matrice cu aglomerari de defecte cu retea H.C.

A fost cercetata si influenta compozitiei aliajelor Co-Cr-Mo turnate care au continut scazut de carbon si crom, elemente limitate la urmatoarele proportii: C max. 0,05% si Cr max. 26,5%. Ca rezultat al continuturilor limitate in cele doua elemente, prin forjare rezulta o structura fibroasa si orientata care asigura imbunatatiri sensibile a plasticitatii aliajelor. Din cele prezentate mai sus rezulta ca aliajele turnate Co-Cr-Mo utilizate ca implanturi chirurgicale, sunt susceptibile la o serie de tratamente de compozitie chimica, tratamente termice si termomecanice care le asigura proprietati imbunatatite impuse de standardele de calitate specifice domeniilor de utilizare medicala.

Aliajele prelucrate prin deformare plastica pe baza de cobalt, au proprietati mecanice superioare fata de cele turnate. Aliajul reprezentativ din aceasta categorie este Co-Ni-Cr-Mo, utilizat in stare forjata (prin matritare) la cald. Aliajul are structura cubica cu fete centrate C.F.C. la temperatura de deformare plastica - 1125˚C si, prin racire lenta, structura devine hexagonal compacta sub 425˚C. Natura lenta a transformarii C.F.C. in H.C. impiedica, in conditii de racire fortata, formarea structurii H.C., astfel ca, printr-un tratament adecvat se obtine o structura in benzi de faze cristalizate in H.C., intr-o matrice metastabila de C.F.C. (fig. 6.35).

Aceste multifaze structurale sunt caracterizate de proprietati de rezistenta si ductilitate ridicate.

In tabelul 6.10 este prezentata influenta diferitelor tratamente termice si termomecanice asupra proprietatilor mecanice ale aliajelor pe baza de cobalt. Din tabelul mentionat rezulta si influenta suplimentara asupra proprietatilor tratamentului de imbatranire la temperaturi cuprinse intre 540-590˚C, cu o durata de 4 ore, urmat de racire in aer. In cursul tratamentului de imbatranire, zonele cu structura H.C. persista si asigura locuri pentru precipitarea compusului intermetalic Co₃Mo.    Tabelul 6.10 Proprietatile mecanice ale aliajelor Co-Cr-Ni-Mo, in functie de tratamentele aplicate

Tratamentul de recoacere la temperatura de 1050˚C, timp de 1-2 ore, conduce la diminuarea proprietatilor de rezistenta; acesta nu asigura formarea precipitatelor de Co₃Mo.

Influenta tratamentelor asupra proprietatilor aliajelor deformate plastic din sistemul Co-Cr-Ni-Mo se poate rezuma la urmatoarele aspecte privind procesarea acestora:

- realizarea recoacerii complete la temperaturi de 1050˚C timp de o ora, asigura rezistenta scazuta si ductilitate ridicata a aliajului;

- forjarea la cald deasupra temperaturii de 650˚C in domeniul structurii C.F.C., dar sub temperatura de recristalizare (950˚C), asigura cresterea proprietatilor de duritate functie de gradul de deformare;

- forjarea la rece sub temperatura de 650˚C conduce la cresterea accentuata a proprietatilor de rezistenta mecanica prin ecruisare si formarea fazei dure cu structura H.C., dar in schimb scad drastic proprietatile de ductilitate.

4 Tratamente termice aplicate metalelor si aliajelor pretioase

4.1 Metalele si aliajele pe baza de aur si argint

Aceste materiale metalice sunt caracterizate prin proprietati

ridicate de deformare plastica la rece si la cald, astfel ca tratamentul termic care se poate aplica este recoacerea de recristalizare. Argintul pur recristalizeaza chiar la temperatura ordinara, iar argintul tehnic, deformat plastic, trebuie recopt pentru recristalizare la 300˚C. Aliajele Ag-Cu prelucrate prin laminare sunt recoapte la 650-740˚C in atmosfere protectoare sau in bai de saruri topite.

Pentru a impiedica precipitarea fazelor secundare, cu scopul

mentinerii unei plasticitati ridicate, se recomanda racirea in apa a aliajelor recoapte.

Aurul si aliajele sale ca: Au-Pt, Au-Pt-Pd cu adaosuri de Ag,

Cu, Ni, se pot deforma si apoi recristaliza pentru obtinerea maleabilitatii maxime. Multe din aliajele aurului sunt susceptibile la durificare structurala prin calire urmata de imbatranire, ca de exemplu Au-Ag-Cu, aliaje dentare Au-Ag-Cu, Pd-Pt, etc. Aliajele dentare se calesc la 700-870˚C si apoi se supun imbatranirii 30 minute la 250-450˚C; se obtine o crestere a proprietatilor de rezistenta cu 30-50% fata de starea turnata recoapta.

4.2 Aliaje de platina

Platina si aliajele sale: Pt-Rh, Pt-Ir, Pt-Ni, cu structuri de solutii solide continui izomorfe, se pot deforma plastic, atat la rece cat si la cald, tratamentul termic cel mai utilizat fiind recoacerea la recristalizare. Astfel aliajele Pt-Ir recristalizate, au valori mai scazute ale rezistentei mecanice, in schimb se imbunatateste sensibil rezistenta la coroziune, aspect esential pentru aceste aliaje.

Pentru unele aliaje ale platinei, se poate aplica tratamentul de

calire bazat pe existenta unor transformari in stare solida de tip ordine - dezordine structurala.