1.4.19 Antrenarea oxidului lichid (controlul formei incluziunii)

În cazul metalelor cu punct de topire scăzut, cum ar fi aliajele pe bază de cupru și cele inferioare, oxidul de suprafață este invariabil solid, astfel încât orice turbulență de suprafață are ca rezultat antrenarea bifilmelor și bulelor. Astfel de aliaje cu punct de topire scăzut pe bază de Mg, Al și Cu (în special aliaje precum bronzul de aluminiu) sunt toate grav afectate de bifilme antrenate de sisteme de umplere deficitare.

Dacă oxidul de suprafață de pe metalul lichid este un lichid, atunci impactul sau plierea suprafeței lichide va avea ca rezultat contactul oxid lichid – la oxid lichid – oxid lichid, astfel încât interfețele lichide care se ciocnesc se vor unifica, reformându-se rapid în picături de oxid lichid pentru a reduce energia de suprafață. Picăturile mai mari vor pluti rapid în afara metalului. Metalul beneficiază în mod semnificativ, deoarece conține acum doar incluziuni sferice relativ inofensive, care erau prea mici pentru a pluti la timp. Lichefierea oxidului de la suprafață prin alierea metalului sau, în cazul oțelurilor, prin utilizarea unor tehnici specifice de dezoxidare, este, prin urmare, un mecanism de importanță majoră pentru reducerea bifilmelor în metale. Metalurgiștii numesc cu mândrie acest lucru „controlul formei de incluziune”. Mândria este justificată, chiar dacă efectul major constă în evitarea bifilmelor, care, bineînțeles, nu fusese cunoscută. Dacă s-ar fi realizat și acest lucru, justificarea mândriei ar fi trebuit să se dubleze!

Incluziunile sferice ar putea fi complet „inofensive” în oțel, în sensul că nu se va aștepta ca ele să sufere fracturi sau să inițieze decoeziunea din matrice. Cu toate acestea, dacă au provenit dintr-un eveniment de antrenare care a antrenat, de asemenea, o parte din aer, cantitățile mici de oxigen și azot vor fi fost rapid absorbite în incluziune sau chiar dizolvate în matrice, însă argonul rezidual de 1% va fi rămas ca parte a incluziunii. Acest volum gazos va contribui la scăderea energiei de formare a unei cedări de volum, cum ar fi o fisură sau o decoeziune. Prin urmare, este posibil ca incluziunea sferică să nu fie întotdeauna complet „inofensivă.”

Oțelurile sunt complicate. Punctele lor de topire ridicate, în general în jurul a 1500 C, înseamnă că unii oxizi vor continua să fie solizi, creând probleme de bifilme, în timp ce alții se vor afla deasupra punctelor lor de topire, evitând astfel în mare măsură bifilmele. În plus, oțelurile necesită, în general, să fie dezoxidate înainte de a putea fi turnate. Acest proces este necesar pentru a evita ca excesul de oxigen din soluție să reacționeze cu carbonul din oțel și să formeze monoxid de carbon, CO, creând astfel porozitate sau, într-un caz grav, ar duce la „fierberea” oțelului în timpul înghețului. (Unii dintre noi, vechii ingineri metalurgiști, își amintesc cu drag de spectaculoasele demonstrații pirotehnice din zilele în care în atelierul siderurgic se turnau oțeluri cu bordura.)

După cum am observat anterior, în cazul simplu al dezoxidării multor oțeluri cu carbon și oțeluri slab aliate, aluminiul este utilizat ca un dezoxidant foarte eficient. Cu toate acestea, după tratamentul de dezoxidare, rămâne o parte din excesul de Al, care este acum disponibil pentru a reacționa cu aerul în timpul turnării – un proces cunoscut sub numele de „reoxidare”. Punctul de topire foarte ridicat al oxidului de aluminiu alumină (2050 C) asigură apariția unui oxid solid care formează bifilme în timpul turnării oțelului prin aer, chiar dacă oțelul conține doar aproximativ 0,05%Al sau mai puțin.

Cu toate acestea, dacă pentru dezoxidare se folosește un amestec de aproximativ 50% aluminiu și 50% calciu, oxidul mixt (alumină și calciu) are un punct de topire de numai aproximativ 1400 C. Antrenarea acestui oxid lichid are ca rezultat nu bifilme, ci pelicule lichide care se transformă rapid în picături care tind să plutească în exterior. La sosirea la suprafața superioară a piesei turnate, picăturile sunt pur și simplu asimilate în stratul de oxid lichid de la suprafață și dispar. Acesta este mecanismul prin care oțelurile dezoxidate în final cu Ca + Al ating niveluri atât de ridicate de curățenie în comparație cu oțelurile dezoxidate cu Si, Mn și Al obișnuite.

Acțiunea benefică a dezoxidării Ca de a forma un eutectic conținând CaO cu punct de topire scăzut are loc și cu alți oxizi, probabil cel mai important cu Cr2O3, ca în aproape toate oțelurile inoxidabile și aliajele de Ni la temperaturi înalte.

Adaosul de bor (B) la oțeluri este o altă tehnică valoroasă pentru lichefierea peliculei de oxid de suprafață de pe oțel. În acest caz se formează un borat cu un punct de topire uimitor de scăzut, apropiat de 1000 C, în funcție de compoziția sa, care probabil variază în funcție de oțel. Pentru a obține această reducere imensă a punctului de topire a oxidului sunt necesare doar niveluri foarte scăzute, de obicei de la 0,002 la 0,005. Oțelurile cu bor sunt remarcate pentru rezistența și tenacitatea lor, care trebuie să provină din fericita lor absență de bifilme.

Oțelul Hadfield cu mangan (Fe-13Mn) este un alt oțel extraordinar, renumit pentru tenacitatea sa. Este utilizat în aplicații atât de dureroase, cum ar fi vârfurile și trecerile de cale ferată. Defecțiunile în exploatare par practic necunoscute. Oxidul de Mn MnO2 este lichid la temperaturile de turnare, împiedicând astfel formarea fisurilor bifilmice.

Oțelurile mai recente TWIP (transformation induced plasticity) care conțin peste 50%Mn, în ciuda conținutului lor de câteva procente de Al, se bucură de obicei de o alungire de 100%, la care contribuie probabil cel puțin în parte absența bifilmelor. Oțelurile ușoare Fe-30Mn-9Al continuă să prezinte alungire ridicată, deși, pe măsură ce Mn scade și Al crește, alungirea scade; poate datorită introducerii bifilmelor de alumină la un anumit raport critic?

Trebuie să fim conștienți că acele tratamente ale adaosurilor minore în oțeluri (Ca și B, de exemplu) sunt vulnerabile. În cazul unor condiții de turnare deosebit de turbulente, adaosul poate fi consumat, efectiv copleșit de antrenarea aerului, ceea ce duce la o supraîncărcare a formării de oxizi și la pierderea beneficiului de lichefiere la un moment dat în timpul turnării. Prin urmare, un lingou turnat pe partea de sus (ce gânduri îngrozitoare!) ar necesita un adaos mai mare de Ca sau B decât un lingou turnat prin contact sau un produs turnat continuu. Oțelurile cu conținut ridicat de Mn nu ar trebui să sufere un astfel de dezavantaj în timpul turnării, având efectiv o rezervă de Mn infinită.

Alegiile pe bază de nichel, în special așa-numitele superaliaje care conțin Al și Cr (printre multe alte adaosuri) sunt complicate din punct de vedere al oxidării lor în timpul topirii și turnării. Oxizii de Al și Cr sunt de obicei solizi la punctele de topire ale majorității aliajelor pe bază de Ni, ca urmare a faptului că aliajele de Ni au un punct de topire mai scăzut decât majoritatea oțelurilor. Punctul lor de topire mai scăzut înseamnă că amestecul de Al + Ca are acum un efect atât de marginal încât nu se poate fi sigur că va fi eficient. Astfel, aliajele de Ni turnate în aer suferă adesea foarte mult, ceea ce face ca fisurarea în timpul forjării ulterioare să fie frecventă. Chiar și atunci când sunt topite și turnate în vid, fisurarea la forjare oferă o bună dovadă pentru a confirma că sunt prezente bifilme; superaliajele de Ni turnate în vid beneficiază foarte mult de tehnicile de turnare fără turbulențe.

Cititorul trebuie să ia notă în mod special de logica imposibilă din punct de vedere metalurgic implicată în fenomenul fisurilor prezente în aliaje care sunt altfel cunoscute pentru ductilitatea lor excepțională. Aliajele pe bază de Ni sunt ductile și, prin urmare, nu ar trebui să cedeze prin fisurare. În plus, bineînțeles, în timpul solidificării, aliajele sunt supuse doar la tensiuni relativ minore, cu câteva ordine de mărime mai mici decât tensiunile care ar putea provoca fisuri. Numai prezența bifilmelor datorate practicii de turnare turbulentă poate explica comportamentul de fisurare al aliajelor de Ni. Figurile 1.57 și 1.58 ilustrează fisurile uimitoare care rezultă din practica de turnare slabă și turbulentă, într-un aliaj care, altfel, nu ar trebui să se fisureze niciodată și care ar trebui să obțină o reducere de aproape 100% a ariei la un test de tracțiune.

Figura 1.57. Două vederi ale unui Hastelloy slab turnat în aer care prezintă fisuri adânci, în ciuda ductilității sale ridicate, clar ilustrate de marginea întoarsă a matricei prelucrate. (Hastelloy turnat corect este, bineînțeles, lipsit de fisuri.)

Figura 1.58. O epruvetă eșuată la tracțiune dintr-un aliaj CY40 pe bază de Ni extrem de ductil, din păcate plin de fisuri ca urmare a unei tehnici de turnare necorespunzătoare.

Plecând de la oțeluri și aliaje de Ni, fontele cenușii sunt un caz excepțional de interesant și complicat.

Fierul cenușiu lichid este liber de pelicula de oxid în timpul topirii la temperaturi cuprinse între 1550 și aproximativ 1450 C (temperatura exactă pare să depindă de compoziția fierului). Acest lucru se datorează reducerii preferențiale a oxizilor de Si și Mn de către carbon la aceste temperaturi. Suprafața lichidă are o claritate de oglindă magică și perfectă care nu este ușor de descris.

Desub această temperatură se formează o peliculă cenușie și opacă de siliciu solid (SiO2). Pe măsură ce temperatura continuă să scadă, ajungând în cele din urmă în jurul valorii de 1300 C, oxidarea Mn din fier duce la un oarecare amestec de MnO2 în oxidul de suprafață, provocând topirea acestuia. La o temperatură undeva sub 1200 C, oxidul suplimentar, FeO, va reduce și mai mult punctul de topire al oxidului. Acest silicat lichid complex este unul dintre motivele pentru excelenta turnabilitate a fierului cenușiu și este probabil responsabil pentru luciul sticlos rezistent la coroziune de pe piesele turnate frumos.

Aceste reacții de suprafață, care au loc din cauza mediului bogat în oxigen, contrastează cu interiorul fierului lichid. Sub aproximativ 1450 C, bifilmele de SiO2 antrenate în topitură sunt stabile și continuă să se acumuleze în timpul manipulării turbulente a metalului lichid. Astfel, atunci când este atinsă temperatura eutectică, acestea sunt disponibile ca substraturi pentru precipitarea carbonului pentru a forma fulgi de grafit (Campbell 2009). SiO2 solid care desfășoară o acțiune valoroasă în interiorul lichidului în vrac contrastează cu acțiunea valoroasă a silicatului lichid de pe suprafața exterioară a lichidului, care ajută la fluiditate și reduce defectele turbulente, cum ar fi pojghițele.

Este un imens noroc că fonta dezvoltă beneficiul silicaților săi oxidici lichizi de pe suprafața sa chiar înainte de a fi turnată, fără a pierde beneficiul bifilamentelor sale solide de silice din interior. Acesta este în mod clar motivul pentru care, în general, motoarele cu aburi au fost tolerabil de fiabile și revoluția industrială a avut succes.

.