Obtinerea pieselor turnate din otel fara defecte de suprafata cauzate de interactiunea metal-formaPrincipalele defecte de suprafata, cauzate de interactiunea dintre otel si forma (miez), sunt urmatoarele: excrescentele metalice, rugozitatea, aderentele, suflurile exogene, incluziunile nemetalice, compozitia si structura metalografica necorespunzatoare a suprafetei peretilor piesei turnate. Defectele de suprafata constituie sursa principala a abaterilor dimensionale si de masa a pieselor turnate. Importanta cunoasterii tendintei de formare a acestor defacte se explica prin aceea ca ele reprezinta frecvent pana la 70% din totalul defectelor, implica consumuri mari de energie pentru indepartarea prin remaniere si prelucrare mecanica (costul acestor operatii fiind adesea mai mare decat cel al piesei turnare). In afara de aceasta, indepartarea aderentelor si excrescentelor metalice in sectorul de curatire al turnatorilor de realizeaza in conditii grele de microclimat. La piesele turnate din otel, in comparatie cu alte aliaje, intervin urmatoarele particularitati, in ceea ce priveste interactiunea metal-forma, si deci apatiria defectelor de suprafata: - Temperature de turnare rificate (15001650oC); - Prezenta oxigenului dizolvat in aliaj; - Prezenta unor oxizi nedizolvati in otel; - Tendinta mare de oxidare a unor elemente din aliere; - Presiune metalostatica mare (in general dimensiuni si mase mari ale pieselor turnate, durate mai mari de solidificare a aliajului); - Viteze mari de turnare (inaltimi mari ale jetului de aliaj in cazul folosirii oalelor cu orificiu); Instabilitatea proprietatilor fizico-mecanice si chimice ale peretilor formei la temperaturile de turnare a otelurilor determina aparitia a 4070% din defectele pieselor.

1. Tendinta de formare a excrescentelor metalice1.1. Morfologia si mecanismul aparitiei excrescentelor mecaniceExcrescentele metalice reprezinta surplusuri de material la peretii pieselor turnate, neprevazute in desenele tehnologice; ele apar sub forma de crusta (scoarte, plagi) creasta (nervuri, solzi) umflaturi si bravuri (fig. 1).

Fig. 1 tipuri de excrescente metalice la suprafata pieselor turnate din otel: a - creste; b - cruste; c - umflaturi; d - bavuri. Dupa cum se stie, cauza aparitiei lor o constituie procesele de deformare, fisurare si exfoliere a peretilor formei si a miezurilor, care vin in contact cu otelul lichid in timpul operatiei de turnare si de raciere inainte de solidificare (in continuare prin notiunea de forme de inteleg si miezurile). Aceste procese sunt datorate la randul lor de aparitia tensiunilor interne in perioada de incalzire la turnare a formelor si a miezurilor, precum si de presiunea exercitata de coloana de otel lichid. La turnarea otelurilor in cavitatea tehnologica a formei prin peretii formei se transmiete o mare cantitate de caldura (caldura fizica, de supraincalzire care reprezinta cca 20% din total; caldura de cristalizare cca. 70%; caldura determinata de unele transformari fazice cca 1...2% din total), corespunzatoare unor fluxuri de pana la 1x104 kcal/m2h si unor viteze de pana la 500o C/s. Tensiunile din peretii formei si miezurilor sunt explicate de aparitia campului de temperatura pe sectiunea peretelui (fig. 2) suprafata de contact(Tc) a formelor fiind Tc = (0,31,0)Tt (Tt este temperatura de turnare a otelului). Ca urmare procesele de dilatare si contractie a componentelor din forme se desfasoata in mod diferit, ceea ce determina aparitia tensiunilor (de intindere sau de compreiune). Fig. 2 Variatia temperaturii in peretele formei; Tt temperatura de turnare a otelului;TL temperatura lichidus; TS temperatura solidus

1.2. Influenta factorilor tehnologicia) Influenta naturii formei. La obtinerea pieselor din otel se folosesc cu precadere urmatoarele tipuri de forme: - forme crude si uscate din amestecuri cu argila si bentonita; - forme din amestecuri de rasini, silicat de sodiu, metalofosfati; - forme cruste (ceramice) cu silicat de etil. Componenta refractara poate fi nisipul cuartos (SiO2) cel de zirconiu (ZrO2; ZrSiO4) cromit (FeO-Cr2O3); olivina (Mg2SiO4 + Fe2SiO4); cromomagnezit (MgO-Fe2O3-Al2O3-SiO2); magnezit (MgO); corund (Al2O3); oxid de zirconiu (ZrO2); cuart amorf (SiO2); distensilimanit, magnezita. Proprietatile termofizice, exprimate prin coeficientul de acumulare a caldurii (b f) sunt foarte diferite (bf este cuprins intre 1260 si 2240 Ws1/2/m2oC) ceea ce determina valori diferite ale temperaturii si duratei de contact la interfata otel lichid-forma (tabelul1). Cu cat durata de contact intre otelul lichid si forma este mai mare, cu atat si temperatura de contact Tc va fi mai ridicata si deci schimbarile structurale din amestecuri vor fi mai pronuntate. In prezenta liantilor, formele poseda valori mai ridicate ale coeficientului bf, iar in cazul prezentei materialelor termoizolante valori mai scazute (tabelul 2). Tab. 1 Influenta coeficientului de acumulare a caldurii (bf) asupra duratei de contact a otelului lichid cu peretele fomei Tipul nisipului bf Durata de contact (in secunde ) pentru Ws1/2/m2oC grosime, (in mm) ale peretilor piesei de: 50 150 300 600 Cuartos 1260 43 141 442 Disten-silimanit 1470 34 115 306 972 Zricon 1820 26 83 199 594 Metil 1960 23 68 159 472 Cromomagnezit 2100 19 58 142 391 Cromit 2240 9 25 57 135 Tab. 2 Valorile coeficientului de acumulare a caldurii bf pentru unele amestecuri de formare Tipul amestecului bf, Ws1/2/m2oC (pentru 20...1550oC) Nisip cuartos 1400...1750 Idem+20%pulbere de azbest 840...1050 Idem +30% marsalita 2100...2450 Nisip de cromomagnezita + silicat de sodiu 6% 3500...3850 Nisip de zirconiu + silicat de sodiu 6% 2660...3500 Nisip cuartos + silicat de sodiu 6% 2070 Nisip cuartos + silicat de sodiu 6% + faina de lemn 2% 1170...1585 La incalzire, nisipul cuartos prezinta transformari structurale insotite de importante cresteri de volum: o o 7% C SiO2 575 . SiO2 870 tridimit 1470 cristobalit C , 2 4% C ,14.o

O importanta deosebita pentru forme o are trasformarea SiO2 in SiO2 la 575oC. Asadar, nisipul cuartos prezinta valori ridicate ale coeficientului de dilatare ( peste 25010 7 o / C). Celelalte tipuri de nisip poseda valori mult mai scazute (astfel: MgO-=14010-7/oC; ZrO2=11010-7/oC; cuartul amorf topit = 5.410-7/oC) vezi fig. 3.

Fig .3 Curbele de dilatare ale granulelor de diferite nisipuri refractare: 1- cuartit; 2 olivina; 3- cromit; 4 zircon; 5 cuart amorf. Impuritatile nisipurilor cuartoase (oxizi de Fe, Mn, Si, Ni, P, Co, feldspati, etc) favorizeaza transformarea cuartului in cristobalit la una si aceeasi temperatura de incalzire a formei. O influenta similara o aare prezenta bentonitei, argilei si a adaosurilor carbonice. Impuritatile se gasesc in nisip sub forma de particule cu dimensiunile de sub 100m. In consecinta, la turnarea otelurilor in cavitatea tehnologica a formelor de baza de nisip cuartos se desfasoara practic toate transformarile fazice ale cuartului insotite de mari cresteri de volum. Formele cu lianti anorganici naturali (argila si bentonita) avand la baza caolinitului (Al2O32SiO22H2O) sau montorilonitului sunt folosite pe scara larga la producerea pieselor turnate din otel. Formele pot fi neuscate (crude) sau uscate. Tensiunile in formele crude din amestecuri pe baza de nisip cuartos si argile (bentonite) sunt provocate, la incalzirea lor, de urmatoarele procese: dilatarea granulelor de cuart; contractia datorita deshidratarii peliculelor de liant (argila, bentonita), indicata de curbele termice (fig. 4); peliculele de liant au grosimi pana la 10 m; samotizarea (coalitizarea) peliculelor de liant; de exemplu in cazul argilei au loc la incalzire transformarile: Al O 2SiO2 2 H 2O Al O 2SiO2 + 2 H 2O 2 3 - la 400-600oC: 2 3 ; caolinit metacaolin it Al 2O3 2 SiO2 Al O SiO2 + SiO 2 2 3 la 900-1250oC: si metacaolin it si lim onit Al 2O3 2 SiO 2 1 / 3(3 Al 2O3 SiO 2 ) + 4 / 3 Al 2O3 si metacaolin it mullit

1 / 3(3 Al2O3 SiO2 ) 2 / 3( Al2O3 SiO2 ) Al2O3 +1/ 3 . mullit si lim onit alu min a

Fig. 4 Curbele termice diferentiale ale diferitelor tipuri de materiale refractare: 1 caolinit; 2 pirofilit; 3 talc; 4 zircon Asadar, la temperaturi ridicate ale peretilor formelor (de peste 1250oC) argila se transforma treptat in silimonit, mullit, cuart liber si alumina, ceea ce reprezinta procesul de samotizare, insotit de micsorarea valorii densitatii peliculei la refolosirea argilei la mai mult cicluri de fabricatie. (fig. 5a); evaporarea apei din straturile superficiale ale formei si condensarea in zone mai indepartate, deci formarea zonei de condensare (fig. 5 b,c)

Fig. 5 Variatia densitatii peliculei de argila la diferite cicluri de refolosire si a continutului de umiditate in formele crude: a densitatea peliculei de argila;b - zona de condensatie datorita umiditatii formei; c zona de condensatie datorita vopselei.

La folosirea repetata a amestecurilor cu argila pe peliculele samotizate de argila se depun noi straturi, proces care se numeste colitizare. Ca urmare, la turnarea otelului in cavitatea tehnologica a formelor crude au loc doua procese disticte: dilatarea granulelor de nisip cuartos si contractia argilei si bentonitei (fig 6 a, b), procese care conduc la aparitia tensiunilor maxime la temperaturi de 575oC (formarea cuartului ) si 12501450 oC (formarea cristobalitei ) (fig 6 c).

Fig. 6 Procesul de dilatare si contractie inregistrate la amestecurile pe baza de nisip cuartos si aparitia virfurilor de tensiune maxima: 1 nisip cuartos; 2 - argila; 3 forme cu amestecuri din argila ( rezultanta); 4 forma din amestec cu rasina.

La suprafata formelor (mai ales la semiformele superioare) si ale miezurilor apar astfel de tensiuni de intindere (), iar in conditiile in care > t (t rezistenta la intindere la temperaturi ridicare de peste 1250oC ale formei), apar fisuri si exfolieri in cavitatile carora penetreaza otelul lichid si in acest mod apar surplusurile metalice de tip creasta (penetrarea in fisura) si crusta (penetrarea in alveolele provocate de exfolieri). Asadar, factorii principali de influenta asupra excrescentelor (TFE) metalice sunt: ( in sensul cresterii valorii lor) (tabelul 3). Tabelul 3 Influenta principalilor factori tehnologici privind natura formei asupra tendintei de formare a excrescentelor (TFE) metalice. Factori d u tc Rt 1 tehnologici TFE + + + + coeficientul de acumulare a caldurii (bf), micsoreaza TFE intrucat se reduce temperatura de contact si gradientul de temperatura pe sectiunea peretelui formei, creste stabilitatea termica a formei, deci durata de contact a otelului lichid cu forma este mai mica decat durata de stabilitate termica a formei solicitata termic si mecanic; gradul de rotunjire a granulelor de nisip, mareste TFE deoarece se micsoreaza volumul de pori din forma; coeficientul de dilatare a granulelor de nisip mareste TFE ; contractia 1 a peliculelor de liant (mareste TFE); dimensiunile (d) granulelor de nisip (micsoreaza TFE); ca urmare a volumului mai mare de pori si deci a posibilitatii de micsorarea a valorii tensiunilor prin redistribuirea si deplasarea granulelor; umiditatea (u) a peretilor formei in zona de condensatie (mareste TFE); ca urmare a micsorarii rezistentei la compresiune a peretelui formei, c; de asemenea uscarea formelor (micsoreaza TFE); temperatura (tc) de contact (mareste TFE); ca urmare a intensificarii proceselor de temperatura structurala a componentelor amestecului si a cresterii gradientului de temperatura in peretele formei; rezistenta (Rt) (micsoreaza TFE); adaosurile organice, ca de exemplu substantele carbonice, in proportie de 2-8%, faina de lemn (micsoreaza TFE, deoarece prin arderea lor determina cresterea volumului de pori);

gradul de indesare a amestecului de formare (mareste TFE, datorita micsorarii volumului de pori; acest fapt se constata mai ales in cazul formelor obtinute din amestecuri indesate la preiuni ridicare); adaosurile de oxid de fier in proportie de 2-4% (micsoreaza TFE datorita formarii fazei lichide din sistemul FeOSiO2, care dupa solidificare creaza un schelet rigid in jurul granulelor de nisip si deci mareste rezistenta la cald (Rt); cantitatea de liant (micsoreaza TFE, datorita cresterii rezistentei la rupere adeziva si coeziva si deci a rezistentei la temperatura (Rt). Formele din sistemul cuartos-argila (bentonita) la inceput se dilata spre interiorul cavitatii: deformare pozitiva, dimensiunilor acestora se micsoreaza pentru ca dupa un oarecare timp, sensul deformarii sa se schimbe in sensul cresterii dimensiunilor cavitatii (deformare negativa) (fig 7 a,b). Deformarea si deci dimensiunile umflaturilor la suprafata pieselor sunt cu atat de pronuntate cu cat temperatura de contact (la interfata), umiditatea in amestec si presiunea metalostatica sunt mai mari (fig 7).

Fig. 7 Deformarea peretilor formei crude ( a ) si uscate ( b ) in cazul turnarii otelului cu 0,3 % C Formele cu lianti organici sintetici si naturali pot fi impartite in trei clase, in functie de natura liantilor: - clasa 1 heteroatomice (O, N) si cu lanturi carbonice saturate, (de exemplu dextrina, lesia sulfitica, rasini ureo-aldehidice, polivinilacetatul, polivinilbutirolul etc), caracterizate printr-o stabilitate termica scazuta (tabelul 4); - Clasa 2 cu lanturi carbonice nesaturate si cu proces de polimerizare cu structura carbonului tridimensionala , caracterizate rin rezistenta termica mare (de exemplu uleiul de in, bachelita, rsaini furanice, tabelul 4) cu temperatura de inceput de distrugere la 642-600oC; - Clasa 3 combinatii organo-metalice ale Si, Ti, Zr (de exemplu silicatul de etil, tabelul 4), care prezinta o rezistenta termica ridicata. La incalzire liantii din clasa 1 de descompun prin volatilizare la temperaturi de 200-300oC, procese insotite de cresterea de temperatura si pierderea greutatii (vezi curbele de variatie a temperaturii si greutatii din fig. 8 c,d,f). Pierderea de greutate poate ajunge pana la 90%. Varfurile endoterme constatate la lianti: rasini uleo-aldehinice si polivinilacetat se explica prin degajarea amoniacului si a vaporilor de apa (in primul caz) si a volatilizarii grupelor acetilenice (in cazul al doilea). Cea mai mare parte din produsele carbunoase poseda o structura poroasa si se oxideaza repede la incalzirea ulterioara a liantului.

Liantii din clasa 2 la incalzire formeaza structuri C-C noi tridimensionale, ceea ce se reflecta pe curbele termice prin efecte exotermice la temperaturi de 200-400oC (fig 8 a,b,c). Cu cresterea temperaturii se formeaza compusi carbonici cu rendinta mare de oxidare (in cantitate de 50% din cea de liant), care se depun pe suprafata granulelor de cuart si in porii formei. Liantii din clasa 3 prezinta un proces de descompunere termica a radicalilor organici in intervalul de temperatura 300-500oC, asigurand insa la temperaturi ridicate un liant de tip gel (structura oxidica) cu rezistenta termica ridicata. Schema proceselor de descompunere a liantilor organici din clasa 1 si 2 este urmatoarea: Lianti organici-polimeri Ruperea legaturilor intermoleculare Formarea radicalilor cu multe molecule (nevolatile) Polimerixarea radicalilor cu formarea unor legaruri carbonice noi Deshidratarea cu precipitarea de compusi solizi carbinici Formarea radicalilor cu molecule putine (volatile) Formarea si degajarea de compusi volatili in zona de incalzire

Fig. 8 Variatia temperaturii si greutatii, inregistrate la incalzirea unor lianti organici: a rasina furanica; b rasina formaldehidica ( bachelita pulbere); c rasina; d nitrolac; e rasina ureoformaldehidica; f polivinilacetat. La temperaturi ridicate ale formei (peste 1100oC, cazul turnarii otelului) viteza de carbonizare este mai mare decat accea de degajare a volatilelor (fig. 9)

Fig. 9 Variatia timpului in care se desfasoara procesele de carbonizare si volatilizare in zona de contact metal-forma in functie de temperatura; 1 carbonizare; 2 - volatilizare Rezulta o precipitare intensa de compusi carbonici (carnune lucios). Atomii de H si de N din liant se degaja sub forma moleculara (H2 si N2), iar O si S sub forma de compusi (CO si SO2). Carbonul lucios se depune sub forma de pelicule pe granulele de cuart, are o structura cristalina similar grafitului si poseda o valoare ridicata a densitatii si conductivitatii termice (=1.92.2 g/cm3; pana la 70kcal/mhgrad fata de =1.5-1.6 g/cm3; =0.8-2kcal/mhgrad pentru carbonul amorf), precum si o rezistenta de 3-5 ori mai mare la oxidare fata de carbonul amorf.

Clasa in functi e de legatu ra struct urala 1. polimeri heteroatomici cu lanturi carbonice

Tabelul 4 Clasificarea si structura liantilor organici Grupa in Caracte-ristica Liantul Temperafunctie de structurii tipic si tura medie narura compoziti de chimica a lui, % disociere Tmed, oC

Degajarea de substante organice %(de greut)

Produsele disocierea 1100oC Gaz m g-atom/g

dupa Tendinta de degajare a completala gazelor Carbon n Volum (la Viteza g-atom/g 1400oC) relativa 3 Vcm /g W=V/Tmed 0.004 0.003 0.005 8500 8800 7700 31.5 32.6 20.2

Polizaharide (amidon, dextrina, melasa)

C6H10O4

Dextrina C43.1H-5.9; O-51 Melasa C42; H-6.4 O51.6 Lesia acoolosulfiti ca: C-41.5; H-5.3; O47.2; S- 6; Colofoniu: C-70; H- 1012; H- 12-15

270