Esplorazione della cinetica di ossidazione mediante soluzioni numeriche

Il meccanismo di crescita dello strato di ossido sugli acciai a basso contenuto di carbonio è stato ampiamente studiato in letteratura. Ad esempio, Yue et al. hanno modellizzato l'effetto combinato dello stress meccanico sull'ossidazione. Questo studio ha analizzato l'effetto combinato dello stress e di un processo di ossidazione in tre fasi in condizioni isoterme, con le fasi delineate come segue:

 La crescita dello strato di ossido durante il trattamento termico è un fattore importante per le prestazioni e la durata degli acciai in molte applicazioni, in particolare nel settore aerospaziale. La crescita dello strato di ossido comporta la perdita di materiale inizialmente presente nel componente, a causa della reazione degli ioni sulla superficie dell'acciaio (ad esempio, gli ioni di ferro) con l'ossigeno presente nell'atmosfera. Inoltre, l'ossidazione modifica le proprietà meccaniche e termiche della superficie del componente, aumentando il rischio di guasto strutturale. Infatti, durante i processi di lavorazione, la presenza di uno strato di ossido ha un forte impatto sulle condizioni di attrito all'interfaccia tra il componente e lo strumento di forgiatura. Influisce anche sugli scambi termici tra il componente e l'ambiente circostante, o tra il componente e gli strumenti. I parametri interessati sono ad esempio : il coefficiente di trasferimento termico tra ossido e superficie dello stampo, l'emissività, la conducibilità termica o il coefficiente di espansione termica. Questi parametri possono inoltre variare all'interno dello strato di ossido da un sottostrato all'altro, a seconda della composizione.

 

Dal punto di vista strutturale, la letteratura riporta tre principali costituenti dello strato di ossido, disposti in sottostrati distinti. All’aumentare della concentrazione di ossigeno nello strato, i sottostrati formati sono successivamente wüstite (FeO), magnetite (Fe₃O₄) ed ematite (Fe₂O₃). La wüstite tende ad avere la durezza minore, ben al di sotto di quella dell'ematite e della magnetite, inoltre è meno stabile a temperature elevate poiché reagisce facilmente con l'ossigeno per formare Fe₂O₃ o Fe₃O₄. La magnetite si forma direttamente a bassa temperatura dall'ossidazione del ferro e indirettamente ad alta temperatura dall'ossidazione della wüstite. L'ematite presenta un recupero elastico maggiore rispetto alla magnetite e alla wüstite. È la più rigida delle tre fasi, seguita dalla magnetite e dalla wüstite. Un confronto approfondito delle proprietà delle tre fasi è presentato negli studi condotti da V. Claverie. Questa struttura a sottostrati varia a seconda della natura dell'atmosfera. Le proporzioni di ciascuno dei sottostrati nello strato di ossido sono quantificate in letteratura. Sebbene l'influenza dell'atmosfera ossidante sulla cinetica di crescita dell'ossido sia stata riportata, i risultati di questi studi non consentono un confronto rigoroso della struttura degli strati di ossido ottenuti in atmosfere ossidanti diverse, in particolare in condizioni industriali.

Ciò sottolinea l'importanza di anticipare la crescita degli strati di ossido sulla superficie di componenti in acciaio esposti a temperature elevate ed ambienti che favoriscono l'ossidazione.

In questo articolo, esploriamo una collaborazione tra il nostro team e LISI AEROSPACE, finalizzata a tradurre i risultati sperimentali in modelli numerici in grado di prevedere la formazione degli strati di ossido e il loro guasto durante i processi di deformazione, basandosi su parametri industriali reali. I modelli risultanti sono implementati nella nostra soluzione robusta FORGE®, aprendo la strada a nuove funzionalità promettenti.

 

Al fine di comprendere meglio l'impatto dell'atmosfera sulla cinetica dell'ossidazione, sono stati analizzati l'influenza della temperatura di trattamento termico, il tempo di mantenimento, la composizione dell'acciaio e il tipo di forno. Sono stati utilizzati diversi gradi di acciaio a basso contenuto di carbonio: C22, C45, 34CrMo4 e 42CrMo4. Questi campioni sono stati sottoposti a trattamenti termici in condizioni variabili, inclusa la variazione di temperatura e del tempo di mantenimento, utilizzando un forno industriale a gas alimentato a metano e un forno elettrico riscaldato con una resistenza. Questo approccio consente di esaminare l'influenza dell'atmosfera ossidante sulla cinetica di crescita dello strato di ossido sui campioni. Infatti, il processo di combustione nel forno a gas produce monossido di carbonio (CO) e anidride carbonica (CO₂), consumando al contempo ossigeno (O₂), elemento principale coinvolto nel meccanismo di ossidazione. Questi gas sono quindi presenti in quantità maggiori nel forno a gas rispetto al forno elettrico. Essi contribuiscono al meccanismo di crescita dello strato di ossido, portando a potenziali differenze tra gli strati di ossido formati nei due forni.

La rottura dello strato di ossido è stata quindi analizzata catturando i processi di deformazione a caldo, utilizzando una videocamera a 25 fps. L'associazione dell'elaborazione delle immagini con il software di simulazione agli Elementi Finiti (FEM) FORGE® ha permesso di correlare la rottura con la deformazione meccanica effettiva e con il tasso di deformazione.

 

Dopo il trattamento termico, lo strato di ossido è stato separato dal campione d'acciaio tramite pallinatura. I frammenti di ossido sono stati poi caratterizzati con microscopio ottico e microscopio elettronico a scansione, evidenziando per campioni cresciuti in entrambi i forni una struttura a strati composta da wüstite (FeO), magnetite (Fe₃O₄) ed ematite (Fe₂O₃). Tuttavia, le proporzioni delle varie sottostrutture differiscono a seconda del forno utilizzato. Nel forno a gas, lo strato di ossido è costituito per il 90% da FeO, per l'8% da Fe₃O₄ e per il 2% da Fe₂O₃, in linea con i risultati riportati in letteratura. D'altra parte, nel forno elettrico, gli strati di ossido contengono meno del 50% di FeO, una porzione significativa di Fe₃O₄ (~39% per 34CrMo4) e un sottile strato di Fe₂O₃ (~9% per 34CrMo4) all'interfaccia ossido/aria.

Mentre la letteratura riporta uno strato di ossido privo di FeO formato in un'atmosfera di O₂+N₂, e uno strato composto unicamente da FeO in un'atmosfera di 100% CO₂ (idem per il 15% CO₂ – 85% N₂), si conclude che il forno a gas favorisce principalmente la formazione di wüstite, mentre il forno elettrico favorisce la crescita degli altri costituenti. Ciò si spiega con il basso contenuto di ossigeno nella camera del forno a gas, che rende più difficile la formazione di ossidi ricchi di ossigeno come la magnetite.

La cinetica dell'ossidazione è stata poi valutata misurando, per ciascun campione trattato, la massa dello strato di ossido per unità di superficie. La figura seguente mostra le masse misurate in entrambi i forni per i diversi gradi di acciaio. In generale, la cinetica di crescita aumenta con la temperatura, e la composizione nominale dell'acciaio sembra avere un effetto più o meno trascurabile sulla cinetica dell'ossidazione. Sulla base dei risultati sperimentali, è stato quindi sviluppato un modello cinetico per prevedere la perdita di massa dovuta all'ossidazione.

Questo modello utilizza lo stesso formalismo delle costanti cinetiche per prevedere il guadagno di massa, riflettendo il carattere diffusivo della reazione di ossidazione, corrispondente a un equilibrio tra la diffusione di ioni di ferro e di ossigeno attraverso lo strato di ossido. Una fase di calibrazione è stata quindi eseguita per ottenere i termini necessari alla legge cinetica. Quest'ultima è stata poi applicata ai casi sperimentali per prevedere la perdita di massa, come illustrato nella figura seguente. Si può notare una buona concordanza tra le previsioni e i risultati sperimentali.

 

         

 

Una variabile utente per prevedere la cinetica dell'ossidazione è stata implementata nel database delle leggi utente di FORGE®. Si sono ottenute previsioni soddisfacenti della perdita di massa rispetto alle misurazioni sperimentali (vedi figura sotto), tenendo conto dell'errore di misurazione sconosciuto e del trattamento termico semplificato considerato nell'esempio simulato.

                           

Confronto tra le previsioni di FORGE® e i risultati sperimentali per l'acciaio di grado C22 utilizzando parametri calibrati.

 

Il nostro secondo obiettivo era studiare il cedimento della scaglia di ossido durante la deformazione a caldo e sviluppare un modello per anticipare l'usura degli utensili. Effettuando numerosi test di compressione a caldo (tramite una pressa idraulica), i cedimenti della scaglia di ossido sono stati registrati utilizzando una telecamera ad alta precisione per catturare la rottura dell'ossido (vedi animazione sotto). È stato sviluppato un metodo che combina analisi delle immagini e apprendimento automatico per costruire un criterio critico che considera l'espansione superficiale del pezzo e lo sforzo di taglio all'interfaccia metallo/ossido.

 

 

 

Il metodo consiste nell'analizzare le immagini catturate durante la forgiatura a caldo del campione per seguire l'altezza del campione in funzione del tempo. Questo permette di ottenere il ciclo di forgiatura sperimentale, riprodotto successivamente nel software di simulazione FEM FORGE® per stimare il tasso di deformazione e la deformazione in qualsiasi punto della superficie del campione, come mostrato nell'animazione sotto. Sono stati sviluppati strumenti di intelligenza artificiale per identificare i contorni reali del pezzo e stimare eventuali rotture. Le localizzazioni delle rotture sono state quindi correlate allo stato di deformazione locale e al relativo tasso di deformazione istantaneo. L'energia di adesione dello strato ossidato, dipendente dal tasso di deformazione, dalla temperatura e dallo spessore della scaglia ossidata, è stata quindi calcolata.

 

Simulazione del cedimento dell'ossido (rappresentato in grigio) durante un test di compressione a caldo, ottenuta utilizzando il software di simulazione FEM FORGE®.

 

Queste indagini hanno portato alla progettazione di nuove funzionalità nel software di simulazione FORGE®, permettendo la previsione della massa d’ossido e del bilancio di materiale perso durante i processi di stampaggio a caldo, nonché il comportamento di rottura dello strato di ossido nei punti critici di deformazione.

Indirizzando proattivamente i processi di ossidazione, i produttori possono prevedere le perdite di materiale tramite simulazioni e tenerne conto nella definizione del peso iniziale del semilavorato, mantenendo così le specifiche dimensionali. Inoltre, comprendere l'ossidazione consente di prevedere i cambiamenti strutturali nei componenti che subiscono deformazioni durante i trattamenti termici e i processi di stampaggio.

 

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