FONTA / OTELUL
cls a-IX-a B
Fierul topit obtinut in furnalul inalt, venind in contact cu cocsul din partea de jos a furnalului, contine diferite procente de carbon dizolvat (de obicei 3sau 4%), inpreuna cu siliciu, mangan, fosfor si sulf in cantitati mai mici. Aceste inpuritati scad punctual sau de topire de la 1535oC, cea a fierului pur, la circa 1200oC. Aceasta fonta este deseori turnata in bare.
Cand fonta se prepara prin racier brusca din stare lichida, are culoarea alba si se numeste fonta alba. Ea consta in general din din compusul cementit, Fe3C, o substanta rigida, casanta.
Fonta cenusie, obtinuta prin racier inceata, consta din graunte cristaline de fier pur (numit ferita) si fulgi de grafit. Atat fonta alba, cat si cea cenusie sunt casante, deoarece principalul constituent al primeia, cementitul, este casant iar ultima este slabita de fulgii de grafit distribuiti prin ea si de ferita dura continuta.
Fonta maleabila, care este mai dura si mai putin casanta decat cea alba sau cenusie, se prepara prin tratarea la cald a fontei cenusii cu o compozitie convenabila. In acest tratament, fulgii de grafit se unesc in particule globulare, care, din cauza ariilor sectiunilor traversale mici, slabesc ferita mai putin decat o fac fulgii.
Fonta este cea mai ieftina varietate de fier, dar folosirea ei este limitata din cauza rezistentei mici. O mare parte din ea se folosesc la prepararea otelului iar o cantitate mai mica, a fierului forjat.
Fierul forjat
Fierul forjat este un fier pur, cu numai 0,1-0,2%carbon si mai putin de 0,5% impuritati totale. El se prepara prin topirea fontei pe un pat de oxid de fier intr-un cuptor cu reverberatie, in care flacara este reflectata de acoperis in material pentru a-l incalzi. Fonta topita este agitata, oxidul de fier oxidand carbonul dizolvat in oxid de carbon iar sulful, fosforul si siliciul trec in zgura. Pe masura ce impuritatile sunt indepartate, punctual de topire al fierului creste si masa devine mai pastoasa. Ea este indepartata din furnal si batuta cu ciocane actionate cu abur pentru a indeparta zgura.
Fierul forjat este un metal rezistent si dur care se poate suda si forja usor.In trecut se folosea extensive la fabricarea lanturilor, sarmei si a altor obiecte de acest gen. Astazi este inlocuit in mare masura cu otelul aliat moale.
Otelul
Otelul este un aliaj de fier, carbon si alte elemente, obtinut in stare lichida.Majoritatea otelurilor nu contin fosfor, sulf si siliciu si au intre 0,1 si 1,5% carbon.
Otelurile moi sunt oteluri cu putin carbon (mai putin de 0,2%). Ele sunt maleabile si ductile si se folosesc in locul fierului forjat. Ele nu sunt intarite prin calire. Otelurile mijlocii, continand intre 0,2-0,6%carbon, se folosesc pentru fabricarea sinelor si a elementelor structurale (traverse, grinzi si altele). Otelurile moi si mijlocii pot fi forjate si sudate. Otelurile cu cu continut mare de carbon (de la 0,75 la 1,50) se folosesc la fabricarea briciurilor, instrumentelor chirurgicale, burghiurilor si a altor scule. Otelurile medii si cele bogate in carbon pot fi intarite sau pot suferi operatia de revenire.
Otelul se fabrica in general din fier turnat prin procedeul cu cuptor cu vatra (prin care se fabrica mai mult de 80% din otelul obtinut in S.U.A), procedeul Bessemer si procedeul cu sulfare de oxigen. In fiecare procedeu se foloseste o captuseala bazica sau acida in cuptor sau in convertizor. Captuseala bazica (var, magnezie sau un amestec din amandoua) se poate folosi daca fierul turnat contine elemente, ca fosforul, care formeaza oxizi acizi, iar ce acida, daca fierul turnat contine elemente care formeaza baze.
Procedeul cu cuptor cu vatra
La obtinerea otelului preparat in cuptorul cu vatra se foloseste un cuptor cu reverberatie. Fonta se topeste cu pilitura de otel si putin hematite intr-un cuptor incalzit cu gaz sau petrol. Combustibilul si aerul se preincalzesc prin trecerea printr-un gratar de caramizi fierbinti intr-o parte a furnalului; un gratar similar se gaseste in cealalta parte a cuptorului si este incalzit de gazelle fierbinti care scapa din cuptor. Din timp in timp se inverseaza directia fluxului de gaze. Carbonul si alte impuritati din fierul topit sunt oxidate de hematite si de excesul de aer din gazul din cuptor. Se fac serii de analize din 8 in 8 or, iar cand tot carbonul este oxidat, cantitatea de carbon necesara pentru otel este adaugata sub forma de cocs sau ca un aliaj bogat in carbune, de obicei feromangan sau spiegeleisen. Otelul topit este turnat apoi in lingouri. Se poate obtine astfel un otel de calitate uniforma, deoarece procedeul poate fi controlat des prin analize.
Procedeul Bessemer
Procedeul Bessemer de frabicare a otelului a fost inventat de un american, William Kelly, in 1852, si independent de un englez, Henry Bessemer, in 1855. Convertizorul, de forma unui ou, este umplut cu fonta topita. Aerul este suflat in lichid prin gaurile de vant de al baza, oxidand siliciul manganul si alte impuritati, iar in final, carbonul. In circa zece minute reactia este aproape completa, asa cum se vede prin schimbarea culorii flacarii obtinute prin arderea oxidului de carbon si apoi se toarna otelul.
Procedeul Bessemer nu este costisitor, dar otelul nu e asa de bun ca cel obtinut prin procedeul cuptorului cu vatra.
Procedeul cu suflare
de oxygen
Din 1955 incoace, o mare parte din otelul produs in S.U.A a fost obtinut printr-un procedeu nou, procedeul cu suflare de oxygen. Fierul se plaseaza intr-un convertizor asemanator cu convertizorul Bessemer, dar fara guri de vant la baza. La suprafata metalului se sufla oxygen pur printr-o teava de cupru racita cu apa, pentru a oxida carbonul si fosforul. Tratarea unei sarje de 50-250 tone are loc in 40-50 minute. Prin acest procedeu se obtine un otel de calitate superioara.
Proprietatile otelului
Cand otelul bogat in carbon este incalzit la rosu si racit incet, el este relativ moale. Daca este racit brusc, prin cufundare in apa, ulei sau mercur, devine mai dur ca sticla si casant. Acest otel tare poate suferi fenomenul de revenire printr-o reincalzire, obtinandu-se un produs cu combinatia dorita de rezistenta si duritate. Deseori revenirea se face astfel incat sa se lase in piesa o margine ascutita pentru taiat, sprijinita pe un alt otel mai moale.
Gradul de revenire poate fi estimat in mare prin culorile de interferinta ale unui film subtire de oxid format la suprafata polizata a otelului in timpul incalzirii; culoarea galben-pai corespunde unei caliri pentru briciuri, galben-intens pentru bricege, pentru foarfete si dalte, rosu-purpuriu pentru cutite de macelarie, albastru pentru arcurile de ceasornice si negru-albastrui pentru fierastraie.
Aceste procese de intarire si revenire pot fi intelese prin luarea in considerare a fazelor pe care le poate forma fierul si carbonul. Carbonul este solubil in fierul γ, forma stabila de peste 9120C. Daca otelul se caleste peste aceasta se obtine o solutie solubila de carbon in fier y. Acest material, numit martensit, este dur si casant. El confera duritate si fragilitate otelului calit bogat in carbon. Martensitul nu e stabil la temperatura camerei, dar viteza lui de conversie in faze mai stabile este atat de mica la temperatura camerei, incat se poate neglija, iar otelul intarit continand martensit ramane mult timp dar atat timp cat nu e reincalzit.
Cand otelul intarit este supus procesului de revenire printr-o reincalzire lenta, martensitul sufera o transformare intr-o faza mai stabila. Schimbarile care au loc sunt complexe, dar in final rezulta un amestec de graunte de fier x si carbura de fier dura Fe3C. otelul continand 0,9% carbon se schimba prin revenire in perlit,care este compus din straturi alternative, extrem de subtiri, de ferita si cementit. Perlitul este rezistent si dur. Otelul continand mai putin de 0,9% carbon (otel hipoeutectoid) se schimba prin revenire intr-un metal microcristalin constand din graunte de ferita si de perlit, in timp ce in otelul care contine mai mult de 0,9% carbon (otel hipereutectoid), prin revenire apar graunte de cementit si de perlit.
