Povestea otelului
Stadiul atins in momentul de fata de civilizatia umana este legat de progresele realizate de stiinta in domeniul studiului metalelor.
Din cele mai vechi timpuri, incepand cu epoca bronzului, metalele au avut un rol important in viata comunitatilor omenesti,ajutand la dezvoltarea societatii.De la cele sapte(7) metale ale lumii antice: aurul, cuprul, argintul, plumbul, staniul, fierul si mercurul,stiinta a progresat enorm, ajungand la aliaje speciale, la uraniu, la plutoniu pe un drum presarat adesea cu jertfe.
Pentru a intelege necesitatea metalelor si pentru a descoperi lumea lor trebuie sa ne uitam in jurul nostru si sa intelegem ca o parte din lucrurile care ne inconjoara sunt confectionate din metale a caror descoperire,obtinere si prelucrare cuprind eforturile a zeci de mii de oameni.
Fierul, metal tranzitional si unul dintre cele mai abundent 21321m1221v e elemente din scoarta Pamantului ,este cunoscut de foarte mult timp, gasindu-si numeroase aplicatii practice, incat civilizatia actuala nu poate fi imaginata fara el.
In stare nativa, fierul se gaseste rar printre rocile scoartei, dar exista ipoteze conform carora miezul Pamantului ar fi alcatuit dintr-un aliaj de fier si nichel . Meteoritiii care cad din spatiul interplanetar pe Terra, sunt compusi in cea mai mare parte dintr-un aliaj de fier cu un procent de 5%-20% nichel si mai rar din silicati.
Pentru a obtine fier, vechii egipteni, eschimosii, indienii din America de Nord foloseau un procedeu primitiv, incalzind minereul cu carbune de pamant sau in mici cuptoare cu tiraj natural, facute din lut si pietre. Prin acest procedeu se obtine un bulgare de fier impurificat cu zgura, care se poate indeparta prin forjare indelungata. Orientul antic face un progres ,introducand foalele in locul curentilor naturali de aer, foale care abia in secolul XIII au fost puse in miscare cu ajutorul rotilor de apa .Inovatia a dus la construirea unor furnale mai inalte din care se scoteau bucati de fier(lupe) de 200-300 kilograme. Inaltarea cuptorelor si curentii de aer mai intensi au avut ca rezultat ridicare temperaturii pana la punctul de topire al fierului, ajungandu-se astfel ca in secolul XV sa se obtina in cuptor un fier topit(fonta) ,care nu corespundea cerintelor metalurgistilor,caci fonta se sparge la prima lovitura de ciocan.Insa fonta a fost transformata in fier forjabil sau otel printr-un tratament ulterior constand in topire cu minereu de fier.Secolul XVIII aduce ce sine inlocuirea carbunilor cu cocsul,obtinut din carbuni de pamant,ceea ce a dus la o dezvoltare rapida a productiei de fonta.
Desi pana acum am vorbit(scris) despre fier,a fost pentru a arata drumul pe care l-a parcurs din timpuri stravechi si pana in prezent,pentru a se vedea eforturile a generatii de oameni si pentru ca ma voi opri asupra unui aliaj al fierului.
Unul din metalele indispensabile civilizatiei actuale este otelul,un aliaj al fierului cu un procent de carbon cuprins intre 0,018% si2,04%,a carui realizare comporta doua faze:elaborarea si turnarea.
Dupa obtinerea otelului intr-un cuptor de elaborare,care poate fi un convertizor cu oxigen,un cuptor Simens-Martin cu ajutorul unei "oale" speciale se toarna in diverse forme pentru a se realiza piesele turnate si lingourile.Acestea din urma sunt blocuri de otel cu o greutate cuprinsa intre 100 kilograme si 300 tone si constituie materia prima pentru producerea laminatelor si a pieselor forjate.
La evacuarea oteluluidin cuptor,acesta poate sa aiba in continutul sau o doza variabilaq de oxigen rezidual,sub forma de oxid feros(FeO),care are o influienta negativa asupra proprietatilor metalice si tehnologice ale otelului,avand tendinta ca dupa solidificare sa se depuna la marginea grauntilor cristalini.De aceea ,otelurile de calitate superioara contin o doza cat mai redusa de FeO,fapt realizabil prin supunerea otelului unui tratament special de dezoxidare ,proces ce are loc in cuptoarele de elaborare,dar mai ales in oala de turnare.Din punct de vedere a cantitatii de oxid feros pe care o contin,otelurile sunt "calmate",avand un continut redus de FeO si "necalmate",cu o cantitate mai ridicate de FeO.
In timpul solidificarii otelurilor necalmate ,dupa formarea unei coji solide la contactul cu peretii lingotierei,se produce o fierbere in toata masa otelului. Deoarece fierberea mterialului in timpul racirii contrazice si rastoarna legile fizicii in ceea ce priveste fierberea lichidelor,multa vreme fenomenul a fost clasat drept un caz paradoxal,caci fierberea necesita incalzire si nu racire.In realitate exdplicatia este una extrem de simpla,"fierberea fiind o consecinta a formarii oxidului de carbon(CO),care tinde sa iasa prin baia lichida ,in atmosfera.Oxidul de carbon se produce pe baza reactiei dintre oxidul feros si carbonul din otel:FeO+C=CO+Fe.La inceput ,bulele de CO strabat stratul de otel lichid si ajung in atmosfera,dand impresia de fierbere a baii metalice.Pe masura ce temperatura scade,otelul devine din ce in ce mai vascos si bulele de gaz raman inglobate in masa otelului.
Un alt paradox,daca il putem numi asa,este si faptul ca nu numai organismele vii pot fi suferinde,ci si lucrurile lipsite de viata,"Boala lui Krupp" fiind o dovada in sprijinul acestiei afirmatii.Asa cum probabil v-ati dat seama,nu e vorba de o maladie de care ar fi suferit unul din membrii familiei Krupp,cei care ani de-a randul au fost proprietarii marii societati metalurgice germane,cu acelasi nume, pentru producerea fontei si a otelului.Denumirea de"Boala lui Krupp" face referire la un fenomen care provoaca fragilizarea otelului atunci cand acesta este supus unui tratament termic.Pentru a explica acest tratament este necesar sa stim ca proprietatile fizico-mecanice si tehnologice ale metalelor si aliajelor depind de structura acestora.Asadar schimbarea unor proprietati necesita o modificare de structura a materialului.In metalurgie,procedeele in urma carora se ajunge la aceasta modificare de structura sunt cunoscute sub numele de "tratamente termice".Aceste tratamente constau, in principal,in incalzirea materialului pana la o anumita temperatura unde se mentine un numar de ore,dupa care se revine la temperatura obisnuita printr-o racire adecvata.De mentionat este faptul ca prin tratamentul termic nu se modifica compozitia chimica a materialului,dar daca totusi se va actiona in directia schimbarii alcatuirii chimice,atunci tratamentul poarta numele de"tratament termochimic".Cele mai frecvente tratamente termice sunt:recoacerea,calirea si revenirea. Prin tratamentul de calire a otelului,acesta isi mareste duritatea,rezistenta de rupere la tractiune,rezistenta electrica,devenind elastic, dar neputandu-se lucra cu pila.Marirea duritatii se explica prin faptul ca la incalziire,temperatura fiind in jur de 900 C,va rezulta austenita ,care la racirea brusca se transforma in martensita.Ea se caracterizeaza printr-o duritate deosebita.Pentru a imbunatati tenacitatea otelului calit,se aplica tratamentul de revenire.S-a observata, insa, ca,in cazul otelurilor aliate si in special a otelurilor cu nichel-crom,atunci cand revenirea se face la o temperatura de 500 -600 Csi cu o racire lenta a materialului,otelul devine fragil.Aceasta fragilitate se datoreaza descompunerii, in cadrul racirii lente,a austenitei in perlita si otelul devine moale.Pentru a se impiedica acest lucru se apeleaza un nou tratament de revenire ,la o temperatura de 600 C,dar cu o racire rapida,brusca a materialului
Pentru ca .fragilitatea otelului in momrntul tratamentului de revenire a fost pentru prima data observata de specialistii uzinelor Krupp,fenomenul poarta denulirea de"Boala lui Krupp" sau "fragilitate de revenire la o temperatura inalta" ori "fragilitate de revenire reversibila".
S-a constatat faptul ca unele elemente precum fosforul si arsenul favorizeaza fragilitatea de revenire reversibila ,in timp ce molibdenul-spre exemplu- o atenueaza.De aceea otelurile aliate cu crom si nichel contin un adaos de 0,2%-0,3% molibden.
Datorita calitatilor sale,otelului este raspandit si folosit in toate ramurile industriei.Otelurile-carbon,care pe langa fier (Fe) si carbon(C) mai pot contine mangan(Mg) siliciu(Si),sulf(S),fosfor(P) in anumite limite,sunt intrebuintate in constructii mecanice unde standardele de calitate nu sunt ridicate. Dar exista si oteluri-carbon de calitate cu un grad ridicat de puritate si care sunt folosite pentru piese supuse la solicitari deosebite.
Otelurile speciale contin pe langa componentele otelului-carbon si alte elemente: Ni, Cr, V, W, Co si Be.
Nichelul mareste rezistenta mecanica a otelului. Otelul cu mai mult de 0,5% Ni se foloseste in constructii de masini; cel cu 22% Ni, mai rezistent la coroziune, se utilizeaza pentru ventile ce lucreaza in apa de mare. De asemenea otelurile cu Ni in diferite proportii se intrebuinteaza la rezistente electrice, la instrumentele de precizie (pendul, roti de ceasornic).
Cromul da otelului o duritate mai mare, deoarece formeaza cu C o carbura de crom, un compus foarte dur. Otelurile speciale cu Cr sunt folosite pentru confectionarea de unelte, bile si role de rulmenti.
Vanadiul face ca structura otelului sa devina mai fina si mai densa decat a otelului-carbon, marind elasticitatea si rezistenta la rupere peste 50%. Din aceste oteluri se confectioneaza scule si parti de masini care sunt solicitate mai intens.
Wolfranul, in cantitati de 3-7% imprima otelului calitati care ii permit sa fie intrebuintat la confectionarea magnetilor permanenti. De asemenea este marita stabilitatea otelurilor si reduce pericolul de fisurare in timpul forjarii.
Siliciul nu influienteaza calitatile mecanice ale otelului decat daca se gaseste intr-o proportie de4-5%. El imprima otelului o rezistenta si o tenacitate ridicate. Otelurile cu un adaos de 1-4% Si se folosesc in electrotehnica pentru confectionarea miezului de transformator, polilor de metale si dinamuri.
Asadar , multiplele aplicatii ale otelului si ale otelurilor - aliate , fac simtita necesitatea cunoasterii lui . Descoperirea si prelucrarea necesita efort , atentie si un considerabil bagaj de cunostinte chimice .
Lumea metalelor si a aliajelor este fascinanta atata timp cat o intelegem , cat ii cumoastem aplicatiile si cat timp ne dam seama de sacrificiile care stau la baza ei !
|
