33

Capitolul II

PRELUCRAREA DIMENSIONAL PRIN TURNARE

A MATERIALELOR METALICE

2.1. Consideraii asupra turnrii a materialelor metalice

Turnarea reprezint metoda tehnologic de fabricaie a unei piese prin solidificarea

unei cantiti determinate de metal lichid introdus ntr-o cavitate de configuraie i dimensiuni

corespunztoare unei forme de turnare.

La baza proceselor de turnare st principiul fizic n virtutea cruia orice lichid ia forma

vasului care l conine.

Avantaje:

- posibilitatea realizrii unor piese geometrice complexe, cu caviti interioare i

perei relativ subiri;

- costul mai redus al pieselor turnate n raport cu costul pieselor obinute prin alte

metode de prelucrare, n special n producia de serie i de mas;

- piesele obinute prin turnare au proprieti izotrope.

Dezavantaje:

- compactitatea, structura i rezistena mecanic a pieselor turnate sunt inferioare

celor obinute prin metoda de deformare plastic.

2.1.1. Noiuni de teoria proceselor de turnare

Noiunile de teoria proceselor de turnare se refer la:

1. procesele ce se petrec n materialul metalic, aflat n stare lichid;

34

2. fenomenele hidrodinamice, fizico-chimice, termice i mecanice, ce condiioneaz

proprietile produsului i posibilitatea apariiei unor defecte, de turnare;

3. cunoaterea acestor fenomene, care reprezint obiectul principal al teoriei proceselor

de turnare.

2.2. Prelucrarea pieselor prin turnare

Turnarea este procedeul tehnologic de realizare a pieselor prin solidificarea materialului

topit ntr-o form adecvat scopului urmrit.

Procesul tehnologic pentru obinerea unei piesei prin turnare const din urmtoarele

operaii:

- pregtirea amestecurilor de formare;

- confecionarea formei miezurilor;

- elaborarea metalului sau aliajului pentru turnare;

- turnarea metalului topit n cavitatea formei;

- solidificarea piesei;

- extragerea piesei turnate;

- ndeprtarea reelei de turnare;

- remedierea defectelor;

- tratamente termice de detensionare.

2.2.1. Principiul executrii pieselor prin turnare

Executarea pieselor prin turnare const din:

- executarea unui model cu configuraia piesei de turnat;

- executarea cu ajutorul modelului a unei forme de turnare;

- executarea unor miezuri cu configuraia golurilor interioare din piesa de turnat;

- introducerea miezurilor n lcaurile prevzute n cavitatea formei;

- topirea aliajului;

- turnarea aliajului topit n form;

- dezbaterea, curirea, controlul pieselor turnate.

35

Avantajele procedeului de turnare a pieselor:

- prin turnare se obin piese de configuraie complex (grame la sute de tone);

- folosirea deeurilor prin retopire;

- utilaj ieftin de turntorie;

- proprieti izotrope ale pieselor turnate.

Dezavantaje:

- proprieti de rezisten mai reduse;

- vehicularea unor cantiti foarte mari de material.

2.2.2. Proprietile de turnare a metalelor

Obinerea de proprieti mecanice ridicate depinde de proprietile de turnare ale

metalului, care sunt:

- fuzibilitatea;

- fluiditatea;

- contracia;

- absorbia de gaze;

- segregaia.

Fuzibilitatea Fuzibilitatea este proprietatea unor aliaje de a se topi n condiii tehnice rentabile i

depinde de temperatura de topire i cldura de topire.

Temperatura de topire variaz de la un aliaj la altul (oel moale 1530C).

Aliajele cu temperatur de topire mai mare de 1530C se numesc greu fuzibile.

Cldura specific de topire depinde de cldura specific a metalului.

Fluiditatea Este o proprietate a aliajului, metalului topit de a curge uor i de a umple bine

cavitatea formei.

Fluiditatea depinde de:

- natura metalului;

- temperatura de turnare;

- vscozitatea;

- tensiunea superficial a metalului topit.

36

Cu ct fluiditatea este mai bun cu att mai posibil este turnarea pieselor cu perei

subiri. n ordine: oelul, fonta cenuie, fonta alb, aliaje de Cu, aliaje de Al.

Contracia Este proprietatea unui metal de a-i reduce dimensiunile spaiului ocupat n stare lichid

prin solidificare.

Contracia depinde de:

- natura metalului;

- temperatura de turnare;

- mrimea i forma piesei turnate.

Contracia este o proprietate natural. Produce retasuri, goluri interioare, tensiuni interne,

rupturi.

Capacitatea de turnare a unui metal este cu att mai bun cu ct contracia este mai mic.

Contracia liniar este:

100=p

pfl l

llE [%] (2.1)

unde:

- fl este dimensiunea din cavitatea formei;

- pl este dimensiunea corespunztoare piesei turnate dup solidificare.

Absorbia de gaze Este proprietatea metalelor n stare topit de a dizolva gazele.

Absorbia crete cu temperatura. Gazele provoac n piesele turnate sufluri.

Segregaia Este fenomenul care face ca la orice pies turnat s apar o compoziie chimic

neuniform att n diferite zone, ct i n interiorul grunilor.

2.3. Procedee de turnare

n funcie de materialele care se fac formele, de metoda de turnare, i precizia pieselor

turnate se disting urmtoarele procedee de turnare:

a. Turnarea n forme temporare (amestecul de nisip, liani) se utilizeaz la o singur turnare.

b. Turnarea n forme semipermanente care se utilizeaz la un numr mic de turnri.

37

c. Turnarea n forme permanente. Se utilizeaz forme executate din aliaje metalice,

rezistente la temperaturi nalte i eroziune (numr mare de turnri).

Clasificarea procedeelor de turnare se d n figura 2.1.

Fig. 2.1 Clasificarea procedeelor de turnare

2.3.1. Turnarea n forme temporare

a. Turnarea n forme temporare din amestec de formare obinuit

Metoda de turnare n forme temporare cuprinde o serie de operaii care n ansamblu

constituie procesul tehnologic respectiv. Schema procesului tehnologic se red n figura 2.2.

Executarea modelului i a cutiei de miez se face n modelrie.

Modelul realizat din lemn corespunde formei i configuraiei exterioare a piesei turnate

i a dimensiunilor.

Modelul se mai poate realiza din:

- materiale metalice;

- materiale speciale.

Materialul are nite prelungiri numite mrci pentru sprijinirea miezului n forma de turnare.

Procedee de turnare

- n forme temporare

- din amestec de formare obinuit

- din amestec de formare special

- cu liant tremoreactiv

- cu modele uor fuzibile

- cu autontrire

- n forme semipermanente

- n forme permanente

- statice

- n micare (centrifugal)

- fr suprapresiune

- cu suprapresiune

38

Fig. 2.2 Schema procesului tehnologic de turnare a pieselor

Cutia de miez, executat din lemn sau materiale metalice, folosete la executarea

miezului.

Forma i dimensiunile corespund cu configuraia golului interior al piesei.

La executarea modelului i a cutiei de miez se pornete de la desenul piesei finite.

La dimensiunile piesei finite se prevd urmtoarele adaosuri:

- adaos de contracie, surplus dimensional, prevzut pentru a compensa construcia

n stare solid a piesei;

- adaos de prelucrare, reprezentnd surplusul de metal prevzut la suprafeele care

urmeaz a fi prelucrate;

- adaos tehnologi, surplus de material prevzut pe suprafeele piesei turnate.

n figura 2.3 este redat succesiunea operaiilor de formare.

Prepararea amestecului de

formare

Executarea modelelor

Executarea cutiei de miez

Prepararea amestecurilor

de miez

Executarea formelor de turnare Executarea miezurilor

Uscare Uscare

Asamblarea formelorde turnare

Turnarea

Elaborarea aliajului pentru turnare

Dezabterea pieselor din formei a miezurilor din piese

Curirea pieselor turnate

Tratamentul termic al pieselor

Control tehnic final

39

Fig. 2.3 Succesiunea operaiilor de formare

Modelul din figura 2.3, c i cutia de miez 3 se execut dup desenul piesei (fig. 2.3, a).

Modelul este prevzut cu nite mrci 2, pentru ghidarea, sprijinirea i fixarea miezului

n form Modelul (fig. 2.3, a) cuprinde i adaosul de prelucrare 1 (fig. 2.3, b). Miezul 4 se

execut n seciunea de miezuri de nisip i liani i se usc n instalaii speciale. Forma de

turnare din figura 2.3, c se execut pe baza modelului n ateliere de formare.

O form este alctuit din dou rame 5. Dup executare, forma se usc, apoi se aeaz

miezul 6 i se asambleaz cele dou rame. Pentru turnarea materialului n form se folosesc

reele de turnare alctuite din plnia de turnare 7 i alimentatorul 8. Dup solidificarea piesei

forma se dezbate, se taie reeaua de turnare, se cur piesa de nisipul ars, se taie bavurile, se

execut un control.

Procesul tehnologic de turnare n forme a piesei din figura 2.3 este redat schematic n

figura 2.4.

Fig. 2.4 Schema procesului tehnologic de turnare pentru o pies cilindric

40

2.3.1.1. Materiale de formare

Aceste materiale sunt:

- nisipuri naturale de turntorie;

- liani organici (ulei, dextrin, silicat de sodiu);

- liani anorganici (argil, bentonit, ciment);

- adaosuri (rumegu, talas de lemn, crbune, pcur, motorin, ap).

Se mai utilizeaz pudre de protecie licopodice, marsalit, vopsele de turntorie (grafit,

pudr de cuar n ap) pentru mpiedicarea aderenelor.

Amestecurile de formare se prepar cu ajutorul unor utilaje i instalaii speciale.

Operaia de executare a formelor de turnare se numete formare. Formarea este de

dou tipuri: manual i automat.

Amestecul este ndesat n ram. Executarea miezurilor se face cu ajutorul cutiilor de

miez. Uscarea formelor i a miezurilor se face n cuptoare speciale.

Scopul:

- mrirea rezistenei mecanice;

- creterea permeabilitii;

- eliminarea apei;

- micorarea cantitii de gaze.

Asamblarea formelor const n aezarea miezului n cavitatea formei i asamblarea

ramelor de formare.

Forma: rama (semiforma) inferioar; semiforma superioar; suprafaa de separaie.

2.3.1.2. Formarea manual

Procesul tehnologic de obinere a formei de turnare comport urmtoarele operaii:

Executarea semiformei inferioare, este redat n figura 2.5, a.

Se aeaz pe placa de formare 1, rama inferioar 2, cu gurile de centrare n jos. n

interiorul acestei rame se introduce jumtatea de model 3, prevzut cu orificii de ghidare,

aezndu-se cu suprafaa de separaie pe plac. Se pudreaz modelul cu pudr de izolaie. Se

acoper modelul cu amestec de model 4, se ndeas cu vrful degetului. Grosimea stratului de

model este de 20-30 mm. Se introduce n ram amestecul de formare 5, n straturi succesive.

Se ndeas amestecul cu ajutorul bttoarelor, de la margine ctre centru. Se ndeprteaz prin

41

rzuire surplusul cu o rigl. Se execut canalele de aerisire 6, cu o vergea de oel. Se ntoarce

semiforma inferioar cu 180. Se aeaz pe placa de formare.

Fig. 2.5 Executarea formei n dou operaii

Executarea semiformei superioare este redat n figura 2.5, b.

Se asambleaz modelul, centrnd cu capul 10, peste cealalt parte aflat n semiforma

inferioar, se pudreaz cu pudr de izolaie att modelul ct i ntreaga suprafa de separaie.

Se monteaz rama superioar, centrnd-o fa de cea inferioar. Se aeaz n form modelul

reelei de turnare, piciorul plniei 7 i modelul rsufltorului 8. Se repet operaiile de la

semiforma inferioar. Se realizeaz plnia de turnare 9. Se extrage modelul reelei de turnare

i modelul rsufltorului. Se ridic semiforma superioar i se ntoarce cu 180. Se scoate

modelul din semiforma inferioar i din cea superioar (demularea). Se execut alimentatorul

din semiforma inferioar. Se execut miezul din cuta de miez. Se asambleaz forma de

turnare. Se consolideaz prin greuti ntreaga construcie. Se pot prevedea maselote pentru

surplusul de aliaj lichid.

Metoda prezentat este simpl i nu reclam utilaje sofisticate.

2.3.1.3. Formarea mecanic

Este formare cu ajutorul mainilor de format. Mainile de format mecanic, execut

operaia de ndesare a amestecului de formare i n majoritatea cazurilor i operaia de

scoatere a modelului din form.

Rentabilitatea operaiei de formare mecanic este datorit:

42

- seriei mari;

- productivitii ridicate;

- grad de ndesare uniform a amestecului de formare;

- piese de precizie mare;

- adaos de prelucrare mic;

- muncitori cu calificare redus.

Dezavantaje: cost ridicat al mainilor; cost ridicat al modelelor metalice i a plcilor

de oel.

Clasificarea metodei de formare mecanic se face dup dou criterii:

1. Dup metoda scoaterii modelului din form (fig. 2.6):

a) cu ridicare ram;

b) cu lsare model n jos;

c) cu plac rabatabil;

d) cu scoaterea plcii.

Fig. 2.6 Metode de scoatere a modelului din form

2. Dup felul de ndesare a amestecului (fig. 2.7):

a) cu presare superioar;

b) cu presare inferioar.

n funcie de modul de ndesare, cele mai folosite maini sunt:

43

Fig. 2.7 Metode de ndesare a amestecului de formare

Maina de format prin scuturare i predare superioar (fig. 2.8, a). Scuturarea mesei

1 a mainii, pe care se afl forma 2, se realizeaz cu ajutorul aerului comprimat care intr prin

orificiul de evacuare 3, ridicnd pistonul 4 pn ce depete orificiul de evacuare 5 i apoi

cade efectund o lovitur. Presarea superioar se face cu ajutorul pistonului 6.

Variaia gradului de ndesare (fig. 2.8, b) arat o ndesare egal n jurul modelului i n

partea superioar a ramei.

Maina de format prin aruncare. Partea principal a mainii de format prin aruncare

este capul mainii (fig. 2.9, a). Acesta este alctuit dintr-o carcas metalic 1, n care pe un ax

orizontal care se rotete cu o vitez mare (1400-1500 rot/min), se afl o palet 2. n peretele

din spate al carcasei se afl o deschidere 3, prin care amestecul de formare este mpins

continuu n carcas de ctre un transportator cu band. Amestecul luat de palet este aruncat

n rama aflat sub capul mainii, prin gura de evacuare.

Fig. 2.8 Maina de format prin Fig. 2.9 Capul mainii de format

scuturare i predare superioar prin aruncare

44

Pentru a putea dirija amestecul de formare n orice arte a ramei, capul arunctorului

este montat pe nite prghii, care permit deplasarea sa n plan orizontal.

Curba gradului de ndesare (fig. 2.9, b) arat o uniformitate aproape perfect a

ndesrii amestecului de formare pe toat nlimea ramei.

Maina de format prin aruncare se folosete numai pentru ndesare n rame mijlocii i

mari, datorit pierderilor prea mari de amestec care ar cdea n afar la ramele mici.

Maina de format cu presare pneumatic, cu membran. La aceast main aerul

comprimat este dirijat asupra unei membrane elastice 1, care ndeas amestecul de formare n

ram (fig. 2.10). ndesarea produs n acest caz este uniform pe toat nlimea ramei.

Fig. 2.10 Maina de format cu presare pneumatic, cu membran

Maina de format cu suflarea amestecului. La aceast main (fig. 2.11) aerul care

ptrunde n silozul 1 sufl amestecul afinat de amestectorul 2. n rama 3 prin orificiile 4 de

unde este evacuat prin deschiderea 5. Masa 6 este ridicat i cobort cu ajutorul unui cilindru

pneumatic.

Fig. 2.11 Main de format cu suflarea amestecului

n funcie de modul de scoatere a modelului se disting urmtoarele tipuri de maini de

format:

Maina de format cu ridicarea ramei. La aceast main (fig. 2.12) rama 1 se ridic de

pe placa de modelul 2 cu ajutorul ghidajelor 3 aezate n colurile ramei. Placa de model, cu

45

modelul 4, rmne pe masa 5 a mainii. Pentru a permite trecerea ghidajelor placa de model

este prevzut cu orificiile corespunztoare.

Fig. 2.12 Maina de format cu ridicarea ramei

Scoaterea modelului prin ridicarea ramei se folosete n cazul modelelor simple i de

nlime mic.

Maina de format cu extragerea modelului. La aceast main (fig. 2.13) placa de

model coboar, iar masa rmne pe loc.

Fig. 2.13 Maina de format cu extragerea modelului

Maina de format cu plac rabatabil. La aceste maini (fig. 2.14) placa de model 1,

mpreun cu rama 2, se rotete cu 180, aici rama se aeaz pe o mas de primire 3, iar placa

de model este tras n sus. Aceste maini se folosesc n cazul formelor mari cu pri centrale

masive i nalte; n special, sunt indicate la formarea ramelor inferioare, deoarece n urma

formrii se ntorc cu planul de separaie sus.

Fig. 2.14 Maina de format cu plac rabatabil

46

2.3.1.4. Executarea miezurilor

n timpul turnrii miezurile sunt nconjurate de metal lichid.

n comparaie cu forma, miezurile trebuiesc s fie mai rezistente, mai permeabile la

gaze i mai compresibile, s aib o refractaritate mai mare.

Pentru mrirea permeabilitii miezurile sunt prevzute cu canale de aerisire, prin care

se evacueaz gazele.

Pentru mrirea rezistenei, miezurile sunt prevzute cu armturi metalice.

Metodele de executare a miezurilor depinde de construcia, dimensiunile i numrul de

miezuri care se execut.

La producia individual miezurile se execut manual, utilizndu-se cutii de lemn

pentru miezuri i abloane. La producia de serie i de mas, miezurile se execut n cutii

metalice pentru miezuri, pe maini speciale prin formare mecanic.

a. Executarea manual a miezurilor. Cutiile de miez pot fi dintr-o bucat sau pot fi demontabile. Prile cutiei de miez demontabile se centreaz cu ajutorul cepurilor

aezate pe suprafeele de separaie ale cutiei.

Procesul tehnologic de executare a unui miez ntr-o cutie de miez demontabil (fig.

2.15) cuprinde urmtoarele operaii:

- curirea cutiei de miez de resturile de amestec de miez i pudrarea suprafeelor

cutiei cu pudr de izolaie (fig. 2.15, a);

- ndesarea amestecului de miez cu ajutorul bttorului (fig. 2.15, b);

- aezarea armturii de srm puin mai jos de nivelul suprafeei (fig. 2.15, c);

- aerisirea artificial prin tierea canalului pentru evacuarea gazelor pn la captul

cutiei de miez sau prin aezarea unui nur de cear la nivelul suprafeei de

separaie (fig. 2.15, d);

- ungerea cu argil alb a suprafeelor jumtilor de miez i mbinarea celor dou

jumti ale cutiei cu miez (fig. 2.15, e);

- baterea cutiei cu ciocanul pentru desprinderea uoar a miezului, scoaterea

miezului i aezarea pe un pat de nisip sau pe un grtar special (fig. 2.15, f);

- finisarea, vopsirea i uscarea miezului;

- dup uscare se controleaz calitatea suprafeelor, se repar eventualele crpturi cu

chit, dup care se poate nnoda.

47

Fig. 2.15 Procesul tehnologic de executare a unui miez

La executarea miezurilor tari, pentru mbuntirea permeabilitii i compresibilitii,

miezul se umple cu cocs sau cu zgur (fig. 2.16), iar pentru mrirea rezistenei se folosete o

armtur de font turnat (fig. 2.17).

Fig. 2.16 Miezul umplut cu cocs

Fig. 2.17 Armtur din font pentru miez

b. Formarea mecanic a miezurilor se execut la maini de miezuit. Maina cu ajustaje profilate (fig. 2.18) execut miezuri rotunde, ovale sau profilate la

grosimi mici de obicei ntre 15 i 80 mm. ncrcarea mainii cu amestec de minereuri se face

prin plnia 1, de unde este luat de urubul elicoidal 2, care-l mpinge prin ajutorul 3.

Miezurile care ies din aliaj se taie n buci de lungimea necesar i se usuc.

48

Fig. 2.18 - Extruder

2.3.1.5. Executarea formelor pentru turnarea pieselor din font

Fonta are proprieti bune de turnare: fluiditate bun, contracie liniar mic (1%),

temperatura de topire mai joas dect a oelului.

La executarea formelor se ine cont de proprietile fontei.

Pentru turnarea aliajului metalic lichid (font, oel etc.) n cavitatea formei se

utilizeaz reele de turnare.

Reeaua de turnare constituie ansamblul elementelor care servesc la introducerea

metalului lichid n cavitatea formei.

O reea de turnare redat n figura 2.19 este compus din plnie, picior, canale de

distribuie, colectoare de zgur i alimentatoare.

Fig. 2.19 Reea de turnare

Fig. 2.20 Plnii de alimentare

49

Reeaua de turnare contribuie la: umplerea formei fr formare de turbioane i

vrtejuri, reinerea zgurii i repartizarea corect a temperaturii n metalul din form. Alegerea

reelei se face n funcie de: consumul minim de metal, ndeprtarea zgurei, ndeprtarea

bulelor de gaz i a incluziunilor nemetalice, diminuarea frecrilor la curgerea metalelor n

form i dirijarea jetului de metal lichid. n figura 2.20 se prezint diferite plnii de

alimentare.

Gura plniei contribuie la introducerea uoar a metalului lichid.

Piciorul plniei face legtura cu colectorul de zgur care are rolul de a reine zgura i

impuritile. Colectorul se dimensioneaz astfel nct s se asigure timpul necesar ridicrii la

suprafa a impuritilor. Pentru a se realiza separarea zgurei, canalul de alimentare se plaseaz

n partea inferioar a colectorului.

n funcie de modul de acionare, de forma i posibilitatea de amplasare, maselotele

(fig. 2.21) sunt de dou feluri:

- maselote deschise, care se aeaz n dreptul nodurilor termice aflate la partea

superioar a pieselor; ele au forma tronconic cu unghiul de nclinare cuprins ntre

3-5 i seciune rotund, oval, ptrat sau dreptunghiular;

- maselote nchise, care se plaseaz n interiorul formelor n dreptul nodurilor

termice; ele au form semisferic.

Fig. 2.21 Maselote deschide i nchise

Tipuri de reele de turnare. n funcie de construcia, greutatea piesei turnate i

compoziia aliajului, se utilizeaz diferite tipuri de reele de turnare (fig. 2.22).

1. Reea de turnare direct, la care metalul se toarn n form pe la partea superioar (fig. 2.22, a, b).

50

Fig. 2.22 Tipuri de reele de turnare

2. Reea de turnare n ploaie (fig. 2.22, c), la care metalul intr prin piciorul 1 n colectorul inelar 2, din care, printr-un numr mare de alimentatoare, curge ca o

ploaie. Aceast reea prezint avantajul c metalul, cznd de la o nlime mare,

spal forma i totodat menine suprafaa metalului din form n stare de agitaie,

ceea ce favorizeaz ridicarea impuritilor i zgurii la partea superioar a piesei,

care se ndeprteaz prin prelucrarea mecanic.

Turnarea n ploaie este preferabil n cazul turnrii n forme uscate a cilindrilor supui

la solicitri (cilindrii de locomotiv, cilindrii pentru maini etc.).

3. Reea de turnare n planul de separaie al formei (fig. 2.22, d). Aceast reea este foarte frecvent; ea se ntrebuineaz pentru piese de nlime mic.

4. Reea de turnare n trepte (fig. 2.22, e) folosit la turnarea pieselor nalte, complicate sau masive. n felul acesta metalul cel mai cald este totdeauna sus i

solicitarea este dirijat spre zona superioar a formei unde se poate aeza o

maselot.

5. Reeaua de turnare continu (fig. 2.22, f), cu canal de alimentare n form de fant, folosit la turnarea pieselor cilindrice, care trebuie umplute cu metal lichid

repede i ct mai uniform, ca i la turnarea n trepte, metalul cel mai cald este

totdeauna sus i solidificarea este dirijat spre zona superioar a formei.

6. Reeaua de turnare n sifon (fig. 2.22, g), la care metalul intr prin piciorul plniei 1, n colectorul inelar 2, din care printr-un numr mare de canale de alimentare 3

urc n forma 4. Aceast reea de turnare se folosete n cazul pieselor cilindrice cu

51

perei groi, lingotierelor etc., n special n cazul formelor crude, deoarece n cazul

formelor uscate, care sunt rezistente la aciunea de splare a turnrii n ploaie, se

prefer aceast turnare.

7. Reea de turnare n con (fig. 2.22, h) la care turnarea se face pe la fund printr-un canal de alimentare n form de con. Aceast reea este o variant a reelei de

turnare n sifon, la care datorit canalului n form de con, metalul se introduce

mai lin dect n cazul turnrii n sifon. Canalul n con este indicat n special pentru

turnarea pieselor cilindrice cu miez, n care curentul de metal este introdus lateral,

i la turnarea pieselor cu suprafaa lateral dinat.

Sistemul de reele de turnare al fontei (fig. 2.23) poate fi:

a) reea de alimentare:

- cu un canal;

- cu mai multe canale.

b) reea n ploaie;

c) cu picior de turnare lateral.

Fig. 2.23 Reele de turnare

2.3.1.6. Executarea formelor pentru turnarea pieselor din oel

La executarea formelor pentru turnarea pieselor din oel se ine cont de proprietile de

turnare ale oelului.

Se mrete compresibilitatea formelor i miezurilor.

Se utilizeaz forme crude cu o compresabilitate mai bun.

Formele se execut cu maselote i cu rcitori pentru evitarea formrii retasurilor de

contracie.

Reeaua se execut astfel pentru a mpiedica formarea vrtejurilor.

52

Reeaua de turnare trebuie s asigure o solidificare dirijat uniform care s nu

mpiedice contracia liber. Pentru a asigura o solidificare dirijat a metalului lichid, care s

compenseze contracia la solidificare se utilizeaz la executarea formelor maselotele.

Maselotele sunt rezervoare de metal lichid aezate deasupra piesei n contact cu

exteriorul sau fr contact cu exteriorul (fig. 2.24) n care metalul se solidific ultimul.

Cu ajutorul maselotei se alimenteaz cantitatea de metal lichid suplimentar a piesei n

timpul cristalizrii.

Datorit volumului specific superior la metalul lichid n piesa turnat solidificat apare

un deficit de material sub form de goluri de contracie (fig. 2.25) numit retasur. Retasura

este rezultatul solidificrii treptate a piesei ncepnd cu partea inferioar i terminnd cu

partea superioar.

Fig. 2.24 Reea de turnare pentru piese din oel

a pe sus; b combinat; c n trepte prin mai multe canale de alimentare cu seciune mic

Fig. 2.25 Formarea retasurii la lingouri

1 cristale de rcire; 2 cristale columnare; 3 cristale echiaxe neorintate; 4 retasur principal; 5 microretasur secundar

53

Retasura se poate preveni prin alimentarea suplimentar cu metal lichid n timpul

solidificrii piesei cu ajutorul maselotelor deschise sau nchise, amplasate la prile cele mai

nalte i mai groase ale pieselor, unde metalul se solidific ultimul.

Maselotele se cptuesc cu materiale termoizolante, se nclzesc sau sunt supuse unor

suprapresiuni.

2.3.2. Turnarea n forme ntrite cu bioxid de carbon

La executarea formei de turnare se folosete un amestec compus din 94-95% nisip

cuaros, (5-6%) silicat de sodiu (liant).

Forma de turnare:

- manual;

- mecanic.

Dup formare se insufl timp de 30 secunde bioxid de carbon la o presiune de 1,5-3

daN/cm2 n interiorul formei.

Silicatul de sodiu din amestec reacioneaz cu CO2 i se ntrete legnd puternic

granulele de nisip din amestec.

Cu aceste procedeu se pot executa att forme ct i miezuri (fig. 2.26). Se utilizeaz la

turnarea aliajelor feroase i neferoase.

Fig. 2.26 Insuflarea CO2 n semiform

Reaciile chimice sunt:

Na2SiO2 + CO2 Na2CO3 + SiO2 (2.2)

mSiO2 + nH2OmSiO2 (gel) (2.3)

Bioxidul de siliciu hidratat se dizolv n sticla apoas sau n soluie de Na2CO3 legat

de grune de nisip, formnd pelicule semisolide sau solide.

54

Avantaje:

- producie ridicat;

- calitate bun;

- cost sczut;

- eliminarea operaiei de uscare.

Dezavantaje:

- silicatul de sodiu este scump.

2.3.3. Turnarea n forme fuzibile Modelele uor fuzibile sunt executate din materiale care se topesc la temperaturi mici:

amestec de stearin cu parafin, cear de albine.

Procesul tehnologic de obinere a formelor coji (fig. 2.27), executate cu modele uor

fuzibile cuprinde:

a) Executarea modelelor fuzibile (presarea amestecului fuzibil) n stare pstoas ntr-o

matri cu caviti conform configuraiei piesei, se deschide matria, se scoate modelul, se

introduce n ap rece pentru ntrire.

b) nciorchinarea modelelor fuzibile. Piesele de dimensiuni mici se toarn n

ciorchine, asociindu-se la o reea de turnare comun executat din aliaje uoare i prevzut

cu modelul plniei de turnare. Executarea cojilor de formare cuprinde:

- degresarea;

- cufundarea ciorchinelui ntr-o vopsea refractar 50% nisip cuaros, 50% silicat de

sodiu;

- presrarea ciorchinelui cu nisip fin;

- introducerea ciorchinelui n soluie 25% clorur de sodiu reactivat cu sticl

solubil, provocnd precipitarea silicei, care leag granulele de nisip formnd o

crust dup permeabil;

- precipitarea sticlei;

- formele coji se las pentru ntrire n aer 2-3 ore;

- eliminarea materialului modelelor fuzibile, cu aer cald;

- uscarea formelor coji se face n 2-3 ore la 180-200C;

- calcinarea la 900C;

- turnarea.

55

Fig. 2.27 Forme coji executate cu modele uor fuzibile

mpachetarea se face pentru consolidarea formelor i const din introducerea formelor

coji n cutii metalice cu nisip cu granulaie mare.

Reacia chimic pentru formarea crustei (cojii) modelului fuzibil este:

Na2OnSiO2 + 2 NH4Cl = nSO2 + 2 NaCl + 2 NH3 + H2O (2.4)

Avantaje:

- piese complexe;

- calitatea suprafeelor ridicat;

- precizie;

- economie de amestec de turnare.

2.3.4. Turnarea n forme permanente Avantaje:

- calitatea suprafeei;

- precizie mare;

- productivitate mrit;

- cost redus.

Dezavantaje:

- pre ridicat al formelor permanente;

- tendina de crpare a formelor;

- insuficiena permeabilitii formei.

Mijloace:

- nclzirea formei la 100-300C;

- acoperirea cavitii formei cu un strat de vopsea refractar.

56

Turnarea n forme permanente:

a) statice (cochile);

b) centrifuge (forme speciale).

Cochile

Este o form metalic executat din font sau aliaje neferoase. n cochil este

prelucrat cavitatea. Cochila este executat din 2 sau mai multe buci (fig. 2.28).

Cochilele au plane de separaii simetrice.

Permeabilitatea se asigur prin executarea de guri fine n planele de separaie.

Asamblarea prilor componente se face prin urechi laterale, cep-gaur.

n cochile se mai gsesc prelucrate lcaurile mrcilor de miez. Miezurile se execut

din amestec de miez.

Fig. 2.28 Form permanent metalic

Procesul tehnologic are urmtoarele faze:

- vopsirea pereilor cavitii cu vopsea refractar;

- acoperirea stratului refractar cu vopsea antiaderent (pcur, motorin, petrol);

- introducerea miezurilor;

- asamblarea cochilei;

- prenclzirea cochilei la 100-200C;

- turnare;

57

- extragerea miezului metalic;

- deschiderea cochilei i evacuarea piesei;

- piesa evacuat este supus operaiei de dezbatere.

Procedeul este rentabil pentru:

- 1000-1500 buci piese mici;

- 200-300 buci piese mijlocii;

- 50-200 buci piese mari.

Pot fi turnate aliaje neferoase, font, oel.

2.3.5. Turnarea centrifug

Este caracterizat prin aceea c metalul este turnat n form rotitoare.

Fora centrifug solicit particulele de metal lichid deplasndu-se ctre periferia

formei, unde are loc solidificarea.

Se pot turna piese cu forme de revoluie, dar i cu alte configuraii.

Forma de turnare poate avea axa de rotaie vertical, orizontal sau nclinat, date n

figura 2.29 i 2.30.

Fig. 2.29 Turnarea centrifug vertical

1 form; 2 capac; 3 oal deturnare; 4 pies;

58

Fig. 2.30 Turnarea centrifug orizontal

1 form; 2 capac; 3 jgheab; 4 oal de turnare; 5 piesa obinut

Formele pot fi metalice sau amestecuri de formare.

n cazul turnrii verticale suprafaa liber a piesei este parabolic datorit aciunii

asupra metalului lichid, a forei centrifuge i a forei de gravitaie. Ca urmare piesele sunt de

nlime mic (buce, flane).

La turnarea n forme de rotaie orizontal pereii pieselor au o grosime uniform.

Se pot turna att piese scurte ct i lungi.

Geometria suprafeei libere a piesei turnate se poate deduce prin metoda analitic.

Pentru axa de rotaie vertical (fig. 2.31), n ecuaia diferenial a lui Euler se nlocuiesc

proieciile forelor ce acioneaz asupra particulei de metal M i se integreaz obinndu-se:

xX 2= 0=++ ZdzYdyXdx (2.5) gY = 02 = gdyXdx (2.6)

0=Z cgxY +=

2

22 (2.7)

Fig. 2.31 Geometria suprafeei libere la turnarea centrifug vertical

59

La turnarea centrifug orizontal geometria suprafeei libere este redat n figura 2.32.

Fig. 2.32 Geometria suprafeei libere la turnarea centrifug orizontal

Ecuaiile suprafeei obinute sunt:

xX 2= yY 2= cyx =+

22

2222 (2.8) 0=Z

Pentru x = R i y = 0 i nlocuind pe c:

2

22Rc = , rezult: 222 Ryx =+ (2.9)

Regimul de lucru este caracterizat prin viteza de rotaie a formelor, avansul jgheabului,

debitul de metal.

2.3.6. Turnarea sub presiune

Procedeul const n presarea metalului n stare topit ntr-o form metalic din oel.

Umplerea formei se face la o main de turnat sub presiune.

Din punct de vedere al presiunii utilizate se deosebesc dou tipuri de maini:

- maini de turnat sub presiune joas ntre 10-100 daN/cm2. Au camera de presiune

cu piston sau cu compresor i se folosesc pentru aliaje neferoase;

- maini de turnat sub presiune mare (nalt) 100-2000 daN/cm2. Se folosesc pentru

materiale greu fuzibile, alam, bronz din aluminiu.

60

Mainile de turnat cu piston (fig. 2.33) sunt alctuite din: 1 vas de font n care se

menine metalul lichid la temperatur constant; 2 camera de presiune; 3 piston; 4 supapa

de acces a metalului n camera pistonului; 5 cilindru; 6 canal de alimentare; 7 forma de

turnare.

Fig. 2.33 Turnarea sub presiune

2.3.7. Turnarea continu

Turnarea continu se folosete la evi, bare, piese tubulare, tabl. procedeul (fig. 2.34)

const n turnarea aliajului topit ntr-un cristalizor 1 rcit cu ap. Aliajul n contact cu pereii

reci se solidific, iar bara 4 va fi evacuat continuu cu ajutorul unor cilindri de antrenare 2 i 3

montate sub cristalizor.

Fig. 2.34 Turnarea continu a barelor

61

Turnarea continu a tablei din font lichid este redat n figura 2.35.

Fig. 2.35 Turnarea continu a tablelor

Fonta lichid se toarn n plnia 1, din care curge prin spaiul dintre doi cilindri

rotativi 2, rcii cu ap. Metalul solidificat Intre cilindri 2, formeaz o band continu 3. Prin

acest procedeu rezult piese cu perei subiri.

2.3.8. Turnarea n vid Procedeul const n degazarea materialului nainte de turnare i-n timpul turnrii cu

ajutorul vidului.

Degazarea se face n camerele cu vid fie n cuptoare de topire cu vid.

n figura 2.36 se prezint schematic un cuptor de inducie de nalt frecven cu

camera de vid 2. n timpul elaborrii i turnrii metalului lichid 1, n forma 3, aerul i gazele

din interiorul cuptorului sunt evacuate de ctre o pomp cu vacuum. Prin acest procedeu se

obin piese de calitate, compacte, fr sufluri.

Fig. 2.36 Turnarea n vid

62

2.4. Structura i proprietile mecanice ale pieselor turnate

2.4.1. Structura pieselor turnate din font

Fonta este utilizat n construcia de maini la executarea: batiurilor, carcaselor,

cutiilor de viteze, montanilor, meselor, traverselor, sniilor etc., piesele turnate din font

avnd cca. 70% din greutatea mainilor.

Fonta are proprietatea de a amortiza vibraiilor n cazul sarcinilor alternante sau

oscilante. Cea mai utilizat este fonta cenuie.

Proprietile mecanice ale fontelor depind de structura masei metalice de baz, de

raportul dintre coninutul de carbon total i coninutul de carbon legat sub form de cementit

(Fe3C) ct i de coninutul de carbon liber (grafit), precum i de dimensiunile formaiilor de

grafit.

Constituenii structurali ai pieselor din font sunt: ferita, perlita, grafitul, cementita i

steaditul (eutecticul fosforos Fe-Fe3P-Fe3C).

Principalele structuri de font sunt: structura perlito-cementitic, structura perlito-

grafitic cu grafit lamelar, structura perlito-grafitic cu grafit nodular, structura perlito-

cementitic-grafitic i structura perlito-feritic-grafitic.

n figura 2.37, a, b, c sunt prezentate structurile pieselor turnate din font.

Fig. 2.37 Structurile pieselor turnate din font

Fontele conin pe lng Fe i C, elemente nsoitoare ca: Si, Mn, P, S i elemente de

aliere ca: Ni, Mo, Cu. Aceste elemente influeneaz caracterul separrii grafitului, astfel:

- carbonul i siliciul mresc capacitatea de grafitizare i fluiditatea, scznd rezistena

la rupere, duritatea, temperatura de topire i contracia;

63

- manganul n cantitate mrit conduce la creterea contraciei, duritii, rezistenei

la rupere, micornd fluiditatea;

- fosforul n procente mari formeaz un eutectic fosforos Fe-Fe3P-Fe3C, dur i fragil

cu punct de topire sczut. Fosforul conduce la micorarea temperaturii de topire a

fontei, permind turnarea de piese cu perei foarte subiri, micornd contracia

fontei turnate;

- sulful mpreun cu fierul formeaz sulfura de fier (FeS) mrind duritatea,

fragilitatea, contracia i tendina de formare a crpturilor la cald, micornd

fluiditatea i proprietile mecanice.

Elementele de aliere introduse n font pn la 5% nu modific structura fontei,

neformnd constitueni structurali, dar mbuntesc proprietile mecanice ale fontei contribuind

la realizarea unei structuri mai fine a grafitului. Prin mrirea vitezei de rcire a pieselor

turnate din font crete coninutul de cementit, iar prin micorarea vitezei de rcire crete

coninutul de grafit.

2.4.2. Structura pieselor turnate din oel

Oelul turnat (OT) are coninutul de carbon (C) cuprins ntre 0,085% pentru OT40 i

0,55% pentru OT60. Rezistena de rupere la traciune variaz ntre 40 i 60 daN/mm2. Cu ct

crete coninutul de carbon cu att crete rezistena de rupere i duritatea.

Structura pieselor din oel turnat, redat n figura 2.38, a, b este ferito-perlitic.

Fig. 2.38 Structura pieselor turnate din oel

Proporia de perlit crete cu ct coninutul de carbon este mai ridicat.

64

2.5. Defectele pieselor turnate

i la turnarea pieselor din font i oel apar defecte. Defectele sunt provocate de o

multitudine de cauze legate de: proiectarea piesei, procesul de turnare, calitatea materialelor,

calificarea personalului.

Factorii care influeneaz calitatea pieselor sunt: construcia piesei turnate; construcia

modelelor i a cutiilor de miez; ramele i mainile de formare; materialele de formare;

executarea formelor i miezurilor; reeaua de turnare; elaborarea aliajului de turnare; turnarea;

dezbaterea; curirea i tratamentul termic.

Defectele pieselor turnate se pot clasifica dup:

- forme, dimensiuni i mase necorespunztoare;

- defecte de suprafa;

- crpturi;

- goluri;

- incluziuni;

- defecte de structur.

2.5.1. Defecte de forme, dimensiuni i mase necorespunztoare

Din aceast categorie fac parte urmtoarele defecte: umplere incomplet, dezaxarea;

bavura, umfltura.

Umplere incomplet Se obine o configuraie incomplet a piesei turnate, datorit umplerii pariale cu metal

a cavitii formei, sau din cauza scurgerii metalului din form. Factorii care favorizeaz

apariia acestui defect sunt:

- fluiditatea sczut a metalului turnat;

- temperatura de turnare a aliajului prea mic;

- cantitatea insuficient de metal n oala de turnare;

- curgerea metalului din form;

- construcia greit a piesei;

- obturarea reelei de turnare.

65

Dezaxarea unei pri a piesei turnate n raport cu partea simetric Cauzele producerii acestor defecte sunt:

- nchiderea necorespunztoare a formelor;

- deplasarea semiformelor n timpul turnrii;

- asamblarea necorespunztoare a jumtilor de model i a cutiilor de miez;

- montarea greit a modelelor pe placa model;

- miezuri cu mrci prea mici fa de locaul din fom.

Bavura Defectul de bavur este un surplus de metal sub form de lam (limb) format n

dreptul planului de separaie al formei, sau ieituri formate pe piesa turnat, cauzate de bavura

modelului piesei.

Cauzele apariiei bavurii sunt:

- suprafee de separare a formelor necorespunztoare;

- rame de formare necorespunztoare;

- jocuri ntre mrcile miezurilor i locaurile din forme;

- jocuri ntre suprafeele de separaie ale matrielor de modele.

Umfltura Este un defect mecanic al piesei turnate cu dimensiuni necorespunztoare i mas

necorespunztoare.

2.5.2. Defecte de suprafa

Printre defectele de suprafa se enumer: aderena, repriza, crusta, creasta, pictura,

adncitura, caria, starea grosolan a suprafeei, cuta i fagurile.

Aceste defecte apar datorit procesului de turnare necorespunztor.

2.5.3. Crpturi

Crpturile n piesele turnate apar la cald i la rece.

Crptura la cald este o discontinuitate intercristalin exterioar sau interioar n peretele piesei turnate, aprut la temperaturi mari. Cauzele acestui defect sunt:

66

- construcia greit a piesei cu diferene mari de grosimi ale pereilor;

- frnarea termic a contraciei.

Crpturile la rece sunt discontinuiti intercristaline n pereii piesei turnate, aprute la temperaturi joase.

2.5.4. Goluri Din categoria acestor defecte fac parte: suflurile, retasurile i microfisurile.

Sufluri Acestea sunt goluri deschise sau nchise n corpul piesei turnate.

Suflurile sunt produse de gaze care provin din aliajul lichid sau din form.

Suflurile provocate de form provin datorit urmtoarelor cauze:

- umiditatea prea ridicat a formelor crude;

- amplasarea greit a rsufltoarelor;

- amestec de formare care degaj gaze;

- permeabilitate sczut a formelor.

Retasuri Retasurile sunt goluri deschise sau nchise n corpul piesei turnate, care formeaz n

piesa turnat sub influena contraciei n timpul solidificrii.

Cauzele retasurilor sunt:

- neuniformitatea solidificrii piesei datorit acumulrilor de metal n prile prea groase;

- aezarea greit a maselotelor;

- temperatura de turnare prea nalt care conduce la un interval mare de contracie n

stare lichid.

Microfisuri, poroziti de contracie i microsufluri

2.5.5. Incluziuni Defectele cunoscute sub form de incluziuni sunt: incluziunile de zgur; incluziunile

de amestec de formare; incluziuni nemetalice.

Incluziunile sunt goluri deschise sau nchise n corpul piesei turnate umplute cu zgur,

cu amestec de formare sau cu incluziuni nemetalice. Cauzele care produc defectul sunt:

67

- rezistena prea mic a formei;

- curirea insuficient a formei;

- degradarea formei la asamblare;

- nlimea de cdere prea mare a jetului de aliaj lichid i amplasarea greit a

alimentatoarelor.

2.5.6. Defecte de structur

Defectele de structur se clasific n: licuaii, strat decarburat, compui chimici.

Licuaia Licuaia este separarea a doi componeni de compoziie diferit, datorit neamestecrii

acestora din care cauz se depun n dou straturi

Strat decarburat Strat decarburat cu neconcordana mrimii gruntelui, cu zone dure i segregaii.

Compoziia chimic n piesele turnate pot apare compui intermetalici cu o compoziie chimic diferit de

compoziia normal a fontei. Aceasta se datoreaz ncrcturii necorespunztoare a cuptoarelor

de topire cu coninut de materiale dure cu temperaturi mari de topire (carburi metalice).

Pentru a preveni i evita apariia defectelor n piesele turnate se execut un control pe

trei faze: control primar, control intermediar i control final.

La controlul primar se verific materiile prime, materiile auxiliare i combustibilul.

Controlul intermediar se desfoar procesul tehnologic de fabricaie i urmrete:

starea utilajului, amestecurile de formare, executarea formelor, elaborarea i turnarea metalului,

curirea, tratamentul termic al pieselor.

Controlul final se execut asupra pieselor turnate, verificndu-se cantitatea pieselor i

condiiile tehnice prescrise.

68

Capitolul III

ELEMENTE DE METALURGIA PULBERILOR

3.1. Principiul fabricrii materialelor i produselor sinterizate

O metod relativ nou de obinere a unor aliaje metalice cu proprieti deosebite este

cunoscut sub denumirea de metalurgia pulberilor. Metoda const n obinerea unor semifabricate

sau produse finite din pulberi metalice supuse unor presiuni i temperaturi ridicate. Prin

metalurgia pulberilor, piesele sunt obinute fr ca metalele i aliajele s treac prin faza topit. La

acest procedeu n prima etap se fabric, prin diferite metode, pulberile metalice care dup o

dozare, amestecare, omogenizare sunt compactizate prin presare n matrie din oel.

Semifabricatele obinute sunt supuse sinterizrii respectiv legarea particulelor printr-un tratament

specific realizat n atmosfer protectoare. Sinterizarea produselor presate este condus la

temperaturi inferioare temperaturii de topire a componentului principal din amestecul de pulberi.

n figura 3.1 se red schematic operaiile tehnologice de obinere a pieselor prin

metalurgia pulberilor.

Fig. 3.1 Succesiunea operaiilor tehnologice n metalurgia pulberilor

Pulbere metalic

Omogenizare

Compactare

Sinterizare

Operaii de finisare

69

Metalurgia pulberilor asigur materialelor i produselor sinterizate o compoziie

precis, uniform i o mare constan proprietilor. Spre deosebire de materialele complete,

proprietile mecanice ale materialelor sinterizate depind n afar de compoziia chimic de

structura aliajului i de porozitatea materialului sinterizat (fig. 3.2).

Fig. 3.2 Influena porozitii asupra caracteristicilor mecanice

ale unui material sinterizat din pulberi de fier

Cu ct porozitatea este mai mare rezistena la traciune, alungirea, duritatea, reziliena

vor fi mai mici. Pentru a diminua influena negativ a porozitii se poate alege o tehnologie

care s asigure o porozitate fin i sferoidizarea porilor cum ar fi: dubl predare, presare

izostofic, mrirea duratei i temperaturii de sinterizare, aplicarea sinterizrii activate etc.

Materialele sinterizate asigur ns i o serie de proprieti specifice i anume:

scderea coeficientului de frecare i funcionarea silenioas a materialelor de antifriciune

(datorit proprietii de autolubrifiere), duritate i rezisten la uzare mare chiar la temperaturi

70

ridicate (la aliajele dure sinterizate), conductivitate termic i rezisten la coroziune (la

materialele de contacte electrice), proprieti magnetice superioare (n cazul materialelor

magnetice fabricate sin pulberi metalice) i altele. Este posibil nlocuirea unor materiale

scumpe i deficitare cu altele mai ieftine i uor de procurat. Prin metalurgia pulberilor se pot

obine materiale i produse care nu ar putea fi elaborate prin procedeele clasice: wolframul,

pseudoaliajele W-Cu, W-Cu-Ag (pentru contactele electrice sinterizate), materialele periilor

colectoare pe baz de cupru i grafit (folosite la mainile electrice). Tehnologia de fabricaie a

produselor sinterizate este i avantajoas, utilajele necesare fiind universale necesitnd doar

nlocuirea matrielor de presare i calibrare. Se preteaz la mecanizare, automatizare,

robotizare crescnd productivitatea muncii. Fa de avantajele amintite pot fi enumerate ns

i o serie de dezavantaje: preul ridicat de obinere a pulberilor metalice, limite impuse de

dimensiunea i complexitatea formei geometrice a piesei determinate de capacitatea utilajelor

i preul ridicat al matrielor, compactitatea mai mic i fragilitatea mai mare a pieselor

sinterizate fa de cele turnate sau obinute prin deformare plastic. Cu toate acestea montarea

pieselor sinterizate din pulberi metalice pe diferite maini, aparate i instalaii poate ridica

simitor performanele tehnice i competitivitatea acestora.

3.2. Elaborarea pulberilor metalice

Pulberile metalice sunt particule foarte fine cu dimensiunea cuprins ntre 1 1,4 mm.

Materialele din care sunt alctuite pot fi: metale pure, aliaje, compui chimici ai metalelor

(oxizi, carburi, nituri etc.) compui intermetalici sau nemetale (grafit, stearat de Zn etc.). n

funcie de scopul urmrit i proprietile cerute, pulberile se pot folosi n starea lor iniial

(pur) sau n amestecuri de diferite compoziii. Metodele de fabricare ale pulberilor metalice

pot fi grupate n metode mecanice (de achiere, mcinare, cnd materialul de pornire se

gsete n faz solid sau pulverizare-atomizare cnd materialul de pornire se gsete n faz

lichid) i fizico-chimice (reducerea metalelor din oxizi, electroliza soluiilor apoase sau a

srurilor topite etc.).

Pulberea metalic utilizat n metalurgia pulberilor trebuie s prezinte urmtoarele

caracteristici:

- compoziie chimic adecvat;

- mas volumic, fluiditate, compresibilitate ridicat;

71

- proprieti bune la curgere; analiza granulometric, forma i aspectul particulelor;

- variaii dimensionale minime n timpul sinterizrii;

- produsul format s aib o rezisten mecanic bun i alungire mare.

3.2.1. Tehnologii utilizate pentru producerea pulberilor metalice

Pulberile metalice, fiind n general produse pure, gradul lor de puritate, mrimea i

forma particulelor sunt determinate de metoda de fabricaie.

Metodele numeroase folosite n practica industrial se clasific astfel:

a. metode mecanice (achierea, mcinarea, pulverizarea din faza lichid); b. metode fizico-chimice (reducerea metalelor din oxizi, electroliza, descompunerea

carbonililor din metale etc.).

3.2.1.1. Metode mecanice

1. Achierea metalelor i aliajelor este utilizat rar ca metod direct pentru fabricarea

pulberilor metalice, dei cantitatea mare de achii ce rezult n urma prelucrrilor prin

achiere a pieselor reprezint o surs ieftin de materie prim pentru obinerea pulberilor

metalice (fie n stare fin, fie n stare semifin din care prin mcinare sau alte metode se

obine pulberea).

Recuperarea achiilor rezultate n urma operaiilor de prelucrare prin achiere (a celor

de finisare i superfinisare) rmne o problem de viitor ce va duce la importante economii de

materie prim.

n momentul de fa se aplic la scar industrial metoda fabricrii pulberii de

magneziu.

Pulberea de magneziu fiind inflamabil i prezentnd pericol de explozie se obine

astfel: blocul de magneziu (seciune 50-350 mm) este achiat cu vitez mic de un cilindru

rotativ pe care se nfoar n spiral o band pieptene cu dini fini din srm de otel clit.

2. Mcinarea din diferite tipuri de mori (vibratoare cu bile, cu vrtejuri). Morile

vibratoare cu bile au o cptueal rezistent la uzur (oel manganos sau aliaje dure

sinterizate), iar bilele sunt confecionate din acelai material dur. Gradul de umplere al

72

tamburului de mcinare cu bile i material de mcinat este de 40-60%. Schia morii vibratoare

cu bile este prezentat n figura 3.3. Tamburul de mcinare, sprijinit pe arcuri, nu se rotete, ci

execut o micare vibratoare cu frecvena de 900-3000 Hz, de mic amplitudine (2-10 mm)

datorit maselor excentrice fixate pe arborele principal care este cuplat elastic direct cu

motorul electric de antrenare.

Pe lng avantajul obinerii unei granulaii fine a pulberii, morile cu bile prezint i un

randament de mcinare foarte un. Astfel de mori se folosesc pentru obinerea pulberilor fine i

foarte fine de Al, grafit, materiale ceramice, carburi de W i Ti, ferite pentru magnei

sinterizai i benzi de magnetofoane etc.

Un utilaj de mare productivitate i eficien este moara cu vrtejuri prezentat n

figura 3.4. Alimentarea acesteia se face cu material pregranulat: achii, pan, buci de srm

( 1-1,5 mm, l = 3-4 mm), buci mici de tabl, pulberi grosolane. Cele dou elice 2 se rotesc

n sensuri opuse i imprim granulelor o energie cinetic mare. Astfel granulele se ciocnesc

ntre ele i cu pereii tobei 1.

Fig. 3.3. Moar vibratoare cu bile

1 tambur de mcinare; 2 arbore cu excentric; 3 bile i pulbere; 4arcuri

Fig. 3.4 Moara cu vrtejuri

1 tob metalic; 2 elice; 3 micarea granulelor pulberii; 4 u pentru alimentare i golire

73

Avantajele folosirii acestei mori: se pot mcina metale cu tenacitate ridicat (otel

moale, Cu, Al); se obine o pulbere funciar de disc cu reborduri ce are o capacitate de presare

i sinterizare foarte bune.

Ca dezavantaje putem aminti: pulberea astfel obinut are o duritate ridicat i un nalt

grad de ecruisare; necesit un tratament de recoacere n atmosfer reductoare; consum

energetic ridicat (2,5-3 kWh/kg); productivitate redus (10-15 kg/h)

Ca urmare a celor artate mai sus metoda se folosete numai pentru fabricarea unor

pulberi nalt aliate (fabricarea magneilor n tehnica vidului i industria electrotehnic).

3. Pulverizarea din faz lichid este un procedeu cu productivitate foarte ridicat (3-

10 t/h) n care granulele au o form apropiat de cea sferic. Schia de principiu este

prezentat n figura 3.5.

Fig. 3.5 Pulverizarea din faz lichid

1 oal de transport; 2 creuzet intermediar; 3 duz; 4 camera de pulverizare

Jetul de metal topit ce curge din creuzetul 2 este antrenat de aerul comprimat (5-6

atmosfere), v = 300-400 m/s sau ap sub presiune (100-180 daN/cm2) din cauza 3: astfel

metalul este pulverizat i cade ntr-un bazin cu ap din camera de pulverizare.

Aceast metod se folosete pentru obinerea pulberilor din metale pure i aliaje, dar i

pseudoaliaje ale cror componente sunt michibile numai n stare lichid (Cu-Pb, Cu-Fe, Ag-

Pb etc.)

Pulberea rezultat este oxidat la suprafa datorit mediului de rcire (oxigenul din

aer). Cele mai importante cantiti de pulbere se obin din fier, oeluri slab i nalt aliate,

oeluri inoxidabile i superaliaje.

74

Ca variante ale acestei metode se pot aminti: pulverizarea centrifugal, pulverizarea cu

jeturi multiple de ap.

3.2.1.2. Metode fizico-chimice

Aceste metode permit obinerea unor pulberi cu puritate ridicat cu finee reglabil de

obicei fine (0,1-10 mm), form determinat i aptitudine bun de presare. n practica

industrial se utilizeaz urmtoarele metode:

a. Reducerea oxizilor este metoda cea mai rspndit la fabricarea pulberilor de fier i

majoritatea pulberilor de Ni, Cu, Co, W, Mo. Reducerea are loc la temperaturi ridicate n

general cu hidrogen, obinndu-se granule cu structur spongioas i proprieti de presare

foarte bune.

b. Metoda electrochimic se bazeaz pe depunerea metalului sau aliajului la catod sub

form de pulbere ca urmare a trecerii unui curent electric continuu prin soluiile apoase ale

unor sruri metalice sau ale unor topituri la temperaturi ridicate. Prin alegerea unor parametrii

optimi la electroliz (compoziia electrolitului, temperatura acestuia, densitatea de curent,

starea de agitare a electrolitului, vibrarea electrozilor), proprietile pulberilor electrolitice pot

fi influenate n direcia dorit. Acest procedeu permite obinerea pulberilor de Cu, Sn, Fe,

Ag, Nb, Ti, Zr, dar i pulberi de aliaje (Fe-Ni, Fe-Mo, Fe-Cr, Fe-Ni-Mo) sau combinaii

chimice (boruri, siliciuri).

c. Metoda carbonil dei este metod costisitoare asigur obinerea unor pulberi de

calitate necesare n industria electronic, nuclear, tehnica vidului, unde se cer produse de

mare puritate. Metoda const n descompunerea carbonililor metalici i condensarea vaporilor

metalici rezultai dup reaciile:

Fe(CO)5 Fe + 5CO

Ni(CO)5 Ni + 5CO

Oxidul de carbon rezultat este refolosit la sinteza carbonililor metalici n reactoare la

temperaturi i presiuni ridicate. Pe germenii de cristalizare aprui din faza gazoas se depun

straturi succesive concentrice formndu-se granule sferice cu diametrul 1-10 mm i structura

stratificat. Pulberea obinut trebuie supus unui tratament de recoacere n atmosfer de

hidrogen, reductoare i decarburant, la 500-650C. n acest fel se obine i o scdere a

duritii pulberii uurnd operaia de presare ulterioar. Prin aceast metod se fabric pulberi

de Fe, Ni, Co, Cr, Mo, W dar i pulberi aliate Fe-Co, Fe-Mo, Fe-Ni, Ni-Co i altele.

75

d. Obinerea pulberilor din prealiaje are loc prin mcinarea unor prealiaje casante,

pulverizarea unor aliaje topite cu compoziii corespunztoare, reducerea unor amestecuri de

oxizi ale metalelor cerute, electroliza amestecurilor de sruri dizolvate n ap sau a celor

topite la temperaturi ridicate i pron coroziunea intercristalin a unor deeuri de aliaje (oeluri

inoxidabile i oeluri Cr-Ni). Un exemplu de folosire a pulberilor prealiate l constituie

lagrele autolubrifiante de bronz i grafit.

3.3. Proprietile pulberilor metalice. Metode de determinare

Pentru a asigura calitatea produselor obinute din pulberi metalice se pune problema

cunoaterii i determinrii proprietilor fizice, chimice i tehnologice ale acestora.

a. Proprieti fizice

- Forma granulelor depinde de metoda de fabricaie a pulberii i poate fi: sferic,

ovoidal, poliedric, lamelar, acicular, dendritic etc. Determinarea formei

granulelor se poate face cu lupa sau microscopul;

- Structura intern a granulelor poate fi compact, poroas, spongioas i se

apreciaz la microscop, nglobnd granulele ntr-o mas plastic i pregtindu-le

sub form de probe metalografice;

- Calitatea granulelor se refer la aspectul suprafeei care poate fi neted, rugoas,

cu crpturi, pori, capilare etc. Suprafaa specific a pulberii se exprim n cm2/g i

este cu att mai mare cu ct pulberea este mai fin i particulele au o suprafa mai

rugoas i structur intern mai poroas;

- Mrimea granulelor i distribuia granulometric. La majoritatea pulberilor

mrimea particulelor se extinde ntr-un domeniu dimensional mai larg care se

mparte n mai multe clase granulometrice precis definite. Distribuia

granulometric se poate exprima sub form tabelar sau sub form de grafice (fig.

3.6). Determinarea repartiiei granulometrice se face prin analiza de cernere

folosind un set de site standardizate aezate pe un vibrator electromagnetic.

- Densitatea materialului pulberii (m) reprezint raportul dintre masa unei probe de

pulbere i volumul efectiv, excluznd volumul porilor dintre granule i cel din

interiorul granulelor. Determinarea experimental a densitii reale a pulberilor se

poate face cu picnometrul;

76

Fig. 3.6 Repartiia granulometric a dou pulberi metalice

b. Proprieti chimice

- Compoziia chimic este dat de cantitatea procentual a componentelor dintr-un

aliaj sau amestec de pulberi a elementelor nsoitoare i a impuritilor. n special

determinarea coninutului de oxigen;

- Rezistena la coroziune i oxidare prezint o mare importan practic. n cazul

pulberilor de metale sensibile la oxidare este necesar aplicarea unui tratament de

pasivizare naintea livrrii pulberii. De asemenea trebuie stabilite condiii speciale

de depozitare ale materialelor pulverulente cu structura spongioas cu tendin de a

absorbi vapori de ap i de diferite gaze.

c. Proprieti tehnologice

- Densitatea aparent la umplere (u) se calculeaz fcnd raportul dintre masa

pulberii dintr-un recipient exprimat n grame i volumul cunoscut al recipientului

(cm3);

- Compactitatea de umplere Cu [%] arat ct din volumul ocupat aparent de o

pulbere este efectiv umplut cu materialul pulberii. Se calculeaz:

[%]100m

uuC

=

- Porozitatea de umplere Pu = 100 Cu [%];

77

- Densitatea de tasare rt [g/cm3] este densitatea aparent a pulberii dup o scuturare

intens ntr-un recipient. Ca i n cazul densitii de umplere, dup tasare se poate

calcula compactitatea de tasare Ct [%] i porozitatea de tasare Pt [%]. Rezult deci

c aceast compactitate mic obinut la vrsarea liber a pulberii metalice va

trebui mrit ulterior printr-o serie de operaii: scuturare, vibrare, presare,

sinterizare, calibrare prin care produsele sinterizate finite s ajung la o

compactitate mai mare apropiat de cea a materialului compact (cu excepia

produselor poroase).

- Fluiditatea reprezint timpul [s] n care o anumit cantitate de pulbere (50 g) trece

printr-un orificiu calibrat ai unei plnii standardizate. Pulberile line au fluiditate

ridicat pentru a asigura umplerea rapid a cavitii matrielor de presare chiar n

cazul unei forme geometrice complexe.

- Presabilitatea (compresibilitatea) arat densitatea comprimatului obinut prin

presarea unei anumite mase de pulberi la o presiune dat, ntr-o matri cilindric.

Efectund mai multe determinri la diferite presiuni de comprimare se stabilete

curba de presare a pulberii respective.

Fig. 3.7 Diagrama de presare pentru dou pulberi metalice cu presabiliti diferite

Determinnd masa [g] i volumul [cm3] comprimatului cilindric se determin

densitatea de presare p [g/cm3]. Curba pornete din punctul corespunztor densitii de

umplere u i la presiuni masive se apropie asimptotic de densitatea real m a materialului

pulberii sau amestecului de pulberi pentru care compactitatea de presare Cp este 100% i

porozitatea de presare Pp este 0%. n practic se utilizeaz presiuni de compactizare de 3-8

tf/cm2 (zona haurat de pe diagram).

- Coeficientul de umplere U este necesar la proiectarea i reglarea matrielor de

presare pentru a asigura introducerea n cavitatea matriei a cantitii de pulbere

exact necesar realizrii unei piese cu greutatea i dimensiunile cerute.

78

- Stabilitatea formei semifabricatului dup compactizare va caracteriza de fapt

rezistena mecanic a acestuia, care va permite manipularea semifabricatelor de la

prese pn la intrarea n cuptoarele de sinterizare. Aceast proprietate se exprim prin

rezistena muchiilor care va fi proporional cu presiunea de compactizare. Rezistena

muchiilor M se determin prin introducerea n tamburul unui aparat a 5 pastile

cilindrice standardizate, care supuse unor rotiri i cderi un anumit timp vor pierde o

anumit cantitate de pulbere ce se va desprinde de pe muchii. Msurnd masa

pastilelor nainte (m1) i dup ncercare (m2) se poate calcula rezistena muchiilor:

( )1

21100100m

mmM = [%] (3.1)

3.4. Procesul tehnologic de obinere din pulberi a pieselor i

semifabricatelor n vederea obinerii pieselor i semifabricatelor din pulberi sunt necesare o serie de

operaii: pregtirea pulberilor, formarea, presarea i sinterizarea acestora.

3.4.1. Pregtirea amestecurilor de pulberi Realizarea produsului finit cu compoziia chimic prescris necesit amestecuri de

pulberi crora li se adaug liani (rini, cear, parafin) i lubrifiani (uleiuri, glicerin,

alcool, acid stearic etc.) pentru uurarea presrii i uniformizarea densitii n interiorul

semifabricatelor presate.

Dozarea componentelor amestecului se realizeaz reetei prescrise prin cntrire

(metoda gravimetric), din mai multe sortimente de pulberi metalice, eventual nemetalice,

adugndu-se materialele lubrifiante care vor favoriza operaia ulterioar de formare.

Omogenizarea componentelor amestecului urmrete obinerea unei repartiii

uniforme a componentelor cu ajutorul omogenizatoarelor dublu conice. Acestea sunt

prevzute cu tamburi rotitori de capaciti cuprinse ntre 50-500 litri, durata omogenizrii

fiind 15-30 minute.

Verificarea omogenizrii se realizeaz prin metode microscopice, microchimice sau cu

ajutorul izotopilor radioactivi.

79

3.4.2. Formarea pieselor i semifabricatelor

Metodele de formare a pieselor i semifabricatelor din pulberi se pot clasifica n

metode de formare cu aplicarea i fr aplicarea presiunii.

a. Metode de formare cu aplicarea presiunii

Presarea n matrie de oel este cea mai utilizat metod deoarece asigur precizie

ridicat i forme geometrice complexe, o calitate bun a suprafeei semifabricatului,

posibilitatea mecanizrii i automatizrii procesului. Utilajele de presare sunt presele

mecanice i hidraulice universale, pentru obinerea produselor diferite fiind necesar

schimbarea matriei de presare. Matriele sunt foarte scumpe din cauza preciziei de execuie

ridicate, a oelurilor de scule nalt aliate i tratate termic, astfel nct tehnologia metalurgiei

pulberilor devine rentabil numai la producii de serie mare (5000 piese/an).

Presarea la cald n matrie asigur de fapt unirea celor dou operaii, presarea i

sinterizarea. In timpul presrii materialul este nclzit pn la temperatura de sinterizare astfel

c presiunile de compactizare vor fi mai mici dect la presarea la rece. Este necesar ins ca

materialul din care sunt confecionate matriele s reziste la temperaturi ridicate. Se pot utiliza

oeluri refractare, iar la temperaturi mai mari, grafit sau materiale ceramice. Datorit

dificultilor tehnice, acest procedeu se recomand doar la presarea materialelor rigide (boruri,

carburi metalice, nitruri etc.).

n figura 3.8 se red schematic procesul de presare simpl a pulberilor metalice n

matri.

Fig. 3.8 Fazele presrii simple a pulberilor metalice

1 poanson superior; 2 matri; 3 poanson inferior; 4 pulbere metalic; Ps presiune superioar; Pi presiune inferioar; 5 pies semipresat;

6 pies din pulberi metalice presat

80

Sintermatriarea const ntr-o presare obinuit a pulberilor i o sinterizare n scopul

obinerii unor semifabricate cu forma apropiat de a piesei finite, care se supun ulterior

matririi la cald. Se realizeaz astfel compactiti mari (98%), structur omogen lipsit de

defecte, proprieti mecanice ridicate n condiiile unei mari complexiti a formei geometrice

(roi dinate conice).

Extrudarea pulberilor permite obinerea unor produse cu seciune uniform, cu

lungimi mari i proprieti constante. n variant clasic pulberile se amestec cu un liant fiind

extrudate la temperatura mediului ambiant, la temperaturi ridicate nefiind nevoie de adaos.

Pentru ridicarea compactitii se poate utiliza ca material de pornire o capsul metalic

compactizat n prealabil prin scuturare sau vibrare i supus extrudrii la cald.

Laminarea pulberilor se realizeaz prin dozarea i antrenarea amestecului de pulberi

ntre doi cilindri de laminare. Dac acetia sunt aezai n plan orizontal, alimentarea se face

prin curgere gravitaional, iar dac sunt aezai n plan vertical va fi nevoie de plnii cotite

sau dispozitive mecanice de alimentare. Acest procedeu asigur prin folosirea unor

dispozitive de dozare adecvate, fabricarea tablelor bimetalice sau cu mai multe straturi.

Presarea izostatic necesit o camer de presiune cu perei rezisteni n care se

introduce sub presiune un lichid i cantitatea necesar de pulberi (aflat ntr-o form flexibil)

care va fi supus forelor de compactizare ce vor aciona n mod uniform din toate direciile.

b. Metode de formare fr aplicarea presiunii

Turnarea pulberilor n form de ipsos se utilizeaz pe larg n industria ceramic.

Metoda const n turnarea unei suspensii de pulbere metalic ntr-o form cu perei poroi

care va absorbi lichidul suspensiei. Particulele de pulberi din suspensie se depun i se

compactizeaz pe peretele formei absorbante, viteza de depunere a fazei solide scznd pe

msur ce grosimea stratului metalic format crete. Semifabricatele sunt meninute n form

10-16 ore dup care sunt scoase i lsate n vederea uscrii complete.

Presrarea pulberilor fr tasare se aplic la obinerea produselor de mare porozitate de

tipul filtrelor. Pe o plac suport cu suprafaa vopsit astfel nct s fie mpiedicat sinterizarea

semifabricatului se presar i se niveleaz un strat de grosime convenabil din amestecul de

pulberi. Plcile suport se stivuiesc fiind introduse ntr-un cuptor de sinterizare. Produsul obinut se

desprinde uor de pe placa suport sub forma de discuri, lamele. Se pot obine i corpuri filtrante de

form conic sau tronconic prin tehnologia de umplere simpl cu pulbere a unor turme retractare.

Compactizarea pulberilor prin vibrare utilizeaz vibraiile cu frecvene sonore (2-5000

Hz), timpul de vibrare fiind scurt (10 s) pentru a evita segregarea pulberilor n funcie de mrimea

81

i densitatea granulelor. Amplitudinea vibraiilor trebuie corelat cu nlimea coloanei de pulbere

ce se vibreaz deoarece creterea peste o anumit valoare conduce la scderea densitii.

Alte metode de formare aprute recent sunt: presarea cu impulsuri electromagnetice,

presarea cu ultrasunete, presarea prin explozie etc.

Proprietile mecanice i tehnologice ale pieselor i semifabricatelor obinute prin

presare vor depinde de compactitatea i porozitatea acestora. n acest scop se vor determina:

- densitatea aparent la presare, cu ajutorul balanei hidrostatice;

- uniformitatea densitii, fie microscopic prin stabilirea mrimii i cantitii porilor

n diferite zone, fie cu ajutorul razelor X prin nnegrirea neuniform a imaginii

piesei secionate pe un film Roentgen;

- porozitatea total, tot prin metoda cntririi hidrostatice, fcndu-se impregnarea

corpului poros cu un lichid insolubil n ap (ulei, parafin);

- conductivitatea electric care caracterizeaz compactizarea granulelor prin

legturile care s-au format ntre acestea;

- rezistena la compresiune i ncovoiere;

- duritatea semifabricatelor presate, prin metoda Brinell folosind bile cu diametrul

mare (5 sau 10 mm);

- stabilitatea formei semifabricatului dup formare (rezistena muchiilor descris

anterior).

3.4.3. Sinterizarea pieselor i semifabricatelor

Sinterizarea este un proces termic realizat n atmosfer controlat n cursul cruia are

loc consolidarea complet a pulberilor ca urmare a proceselor de sudare prin difuzie.

nclzirea pentru sinterizare se execut la temperaturi superioare celei de recristalizare a

constituentului cel mai greu fuzibil din amestecul de pulberi. n mod curent, sinterizarea se

execut n atmosfer reductoare sau neutr (de hidrogen) care reduce peliculele de oxigen de

la suprafaa particulelor favoriznd difuzia:

MeOn + nH2 Me + nH2O

n figura 3.9, a, b, c, d, e, f, se prezint operaiile de baz ale proceselor de fabricaie a

pieselor metalice prin metodele metalurgiei pulberilor. Acestea sunt operaii de presare i

compactare, de presinterizare, sinterizare, combinate cu procese mecanice de nclzire, de

82

extrudare, rectificare, tratare prin impregnare, tratare prin nanooxidare. Procesul de realizare a

pieselor n form de srm din wolfram thoriat (WThO2), se red n figura 3.9, a.

Fig. 3.9, a Procesul de fabricaie a sistemelor de wolfram

n figura 3.9, b, se red schema procesului de realizare a pastilelor din carburi metalice

pentru scule.

Fig. 3.9, b Procesul de realizare a pastilelor din carburi metalice

83

n figura 3.9, c, se red schema procesului de realizare a pieselor din pulbere metalice

de cupru.

Fig. 3.9, c Proces de realizare a bucelor autolubrifiante cupru-grafit

n figura 3.9, d, se red schema procesului de realizare a filtrelor poroase din metal.

Fig. 3.9, d Proces de realizare a filtrelor poroase din bronz, srm

n figura 3.9, e, se red schema procesului de realizare a pieselor din pulberi de fier

ordinare.

Fig. 3.9, e Procesul de realizare a pieselor din pulberi de fier ordinare

n figura 3.9, f, se red schema procesului de realizare a pieselor din aliaje fier-carbon

i grafit.

84

Fig. 3.9, f Procesul de realizare a pieselor prin sinterizare din pulberi i de aliaje feroase

cu structur de rezisten ridicat

3.4.3.1. Transformri structurale ce au loc n timpul sinterizrii

Un corp presat din pulberi metalice formeaz un sistem termodinamic instabil. n

prima etap a sinterizrii, prin nclzire, crete energia cinetic i mobilitatea atomilor care

ncep s se deplaseze ocupnd poziii de echilibru mai stabile. Consolidarea particulelor n

operaia de sinterizare se realizeaz prin procesele de difuzie ce au loc la suprafaa de contact

dintre particule, respectiv dintre particule i pori. Reducerea energiei libere n vederea

realizrii echilibrului termodinamic se poate obine prin mrirea suprafeelor de contact ntre

particulele comprimatului, diminuarea porozitilor, recristalizarea i creterea grunilor. Au

loc de asemenea o serie de interaciuni chimice avnd ca efect reducere peliculelor de oxizi,

eliminarea produselor rezultate, descompunerea i vaporizarea substanelor introduse la

presare ca lubrifiani i liant precum i alierea prin difuzie a componenilor provenii din

pulberi diferite formndu-se soluii solide i compui intermetalici. Consolidarea i alierea ce

se produc n timpul sinterizrii pot fi explicate prin teoria punilor (fig. 3.10). Astfel la

nceputul sinterizrii particulele neconsolidate prezint doar puncte de contact. La temperatura

de sinterizare datorit creterii mobilitii atomilor, ei difuzeaz de la o particul la alta

stabilind puni de legtur care favorizeaz sudarea particulelor i scderea volumului porilor.

Totodat la limitele particulelor are loc formarea unei noi generaii de gruni care vor crete

85

prin deplasarea limitelor avnd ca efect dispariia granielor ntre fostele particule de pulbere,

comprimatul transformndu-se ntr-o pies masiv n care porii devin izolai.

Fig. 3.10 Consolidarea pulberilor la sinterizarea explicat prin teoria punilor

Durata de sinterizare poate fi micorat i gradul de densificare mrit prin apariia unei

faze lichide la temperatura de sinterizare. Aceast faz ptrunde i umple porii comprimatului

accelernd toate procesele dependente de difuzie: consolidarea particulelor, eliminarea porozitii,

alierea ntre componenii diverselor particule. Faza lichid poate apare n urma topirii unuia sau

mai multor constitueni din amestecul de pulberi sau poate fi infiltrat n porii comprimatului ntr-

o etap a sinterizrii cnd porii au caracter intercomunicant (cazul aliajelor dure de achiere pe

baza de carburi metalice i cobalt care poate fi introdus n stare lichid prin infiltrare).

3.4.3.2. Parametrii tehnologici ai sinterizrii

a. Viteza de nclzire nu prezint restricii, n general poate fi mare deoarece piesele

sunt mici;

b. Temperatura de sinterizare se situeaz ntre 2/3-4/5 din temperatura absolut de topire a componentului principal din amestecul de pulberi;

86

c. Durata sinterizrii este de -1 h, se stabilete experimental n funcie de proprietile dorite (structur, proprieti mecanice, porozitate etc.);

d. Viteza de rcire trebuie s fie mic mai ales la sinterizarea pulberilor din materiale cu clibilitate mai ridicat sau a pieselor de forme complexe care ar putea duce la

apariia unor tensiuni interne;

e. Mediile de sinterizare pot fi neutre (argon sau azot) cnd au fost folosite pulberi lipsite de oxizi, sau reductoare (hidrogen, amoniac disociat, gaz metan ars parial)

folosite n cazul pulberilor metalice cele mai frecvent utilizate (Fe, Cu, Al, Sn,

bronz etc.). Se mai poate utiliza vidul n cazul materialelor sensibile la oxidare;

Cuptoarele utilizate pentru aplicarea sinterizrii sunt: cuptoare tubulare cu band

transportoare, cuptoare tunel cu role transportoare, cuptoare clopot, cuptoare cu inducie,

cuptoare cu tub de grafit. n general sistemul de nclzire este electric cu rezisten sau cu

inducie, mai rar cu flacr, iar alimentarea poate fi continu sau discontinu. Aceste cuptoare

sunt racordate la instalaii de preparare a mediilor protectoare sau pomp de vid.

3.4.4. Operaii aplicate produselor sinterizate

a. Infiltrarea cu metale sau aliaje topite se aplic n cazul n care se urmrete creterea compactitii prin micorarea porozitii i obinerea unor proprieti

mecanice superioare. Pentru infiltrarea pieselor poroase din oel se poate utiliza

cupru pur aplicnd ulterior o clire urmat de revenirea scheletului de oel carbon,

sau un aliaj de cupru cu 8% Mo i 25 Fe urmat de o durificare prin precipitare

pentru aliajul de cupru. Se obine astfel un ansamblu optim de proprieti:

rezisten la traciune 650 N/mm2 corelat cu proprieti bune de plasticitate.

Infiltrarea se poate realiza prin absorbie sau prin scufundare n bi de cupru topit

la 1100-1200C.

b. mbinarea cu lubrifiani lichizi se aplic pieselor sinterizate, poroase pentru a asigura autolubrifierea lagrelor sau pieselor care lucreaz prin frecare. Aceast

mbibare se realizeaz de obicei prin fierbere n ulei pn la ncetarea degajrii

bulelor de aer (mbibare n vid).

c. Calibrarea se aplic n vederea realizrii unei mai mari precizii dimensionale i const ntr-o presare n matrie de calibrare. n timpul calibrrii este necesar s se

asigure o ungere ct mai bun folosind lubrifiani solizi (MoS2) sau lichizi.

87

d. Tratamentele termice se aplic n funcie de compoziia i structura iniial a aliajului sinterizat. Apar restricii doar la utilizarea unor medii lichide de nclzire

la tratamentele termochimice sau a unor medii de rcire, n cazul pieselor cu

porozitate mare.

e. Prelucrarea prin achiere este mai dificil n cazul produselor sinterizate. Se recomand scule armate cu plcue din aliaje dure sinterizate, prelucrare cu viteze

mari (80-300 m/min) i avansuri mici (< 0,3 mm/rot) fr a folosi lichide de

achiere.

3.5. Materiale sinterizate i domenii de utilizare

3.5.1. Aliaje dure sinterizate

Aceste materiale sunt fabricate din pulberi fine de carburi de wolfram i de titan,

utiliznd ca liant de sinterizare cobaltul. Pulberile de materii prime se obin prin: reducerea de

hidrogen a bioxidului de wolfram, amestecarea pulberii de W cu grafit i sinteza carburii de

W n cuptoare electrice; reducerea cu grafit a oxidului de titan i sinteza carburii de titan;

obinerea pulberii de cobalt prin reducerea cu hidrogen a oxidului de cobalt. Prin mcinare i

sortare se obin pulberi foarte fine (< 10 mm) care dup dozare conform reelelor stabilite se

omogenizeaz n mori cu bile n mediu umed timp ndelungat. Urmeaz o granulare n

prezena unui plastifiant (soluie de cauciuc, parafin), compactizarea n matrie i o

presinterizare la 750-1000C n atmosfer protectoare de hidrogen sau amoniac disociat. Dac

este necesar blocurile sau plcuele pot fi prelucrate prin achiere dup care are loc

sinterizarea final la 1350-1550C n cuptoare cu vid. Aliajul astfel obinut are duritate i

rezisten la uzare foarte mari, care se menin pn la temperaturi ridicate. Sculele achietoare

armate cu plcue din aliaje dure sinterizate sunt superioare celor de oel carbon, oel rapid sau

stelit (fig. 3.11) permit realizarea unor viteza de achiere mari, crescnd deci productivitatea

prelucrrilor prin achiere.

Lipirea tare a plcuelor sinterizate pe un suport de oel (scule armate cu aliaje dure)

necesit precauiuni datorit coeficientului de dilataie termic de dou ori mai redus a

acestora fa de oel, tensiunile rezultate din diferena contraciilor la rcire, fiind mari.

88

Fig. 3.11 Variaia duritii cu temperatura a diferitelor materiale de scule achietoare

Din aliaje dure sinterizate mai pot fi realizate filiere pentru trefilare, matrie,

poansoane, sape de foraj. n construciile de mecanic fin, coeficientul redus de dilataie

termic confer pe lng rezistena la uzare i constan dimensional, materialele sinterizate

fiind utilizate la realizarea suprafeelor de contact a instrumentelor de msur, elemente de

ghidare etc.

Plcuele mineralo-ceramice sunt fabricate din pulbere de alumin (98,7% Al2O3,

restul fiind SiO2, CaO, Fe2O3). Pulberea se calcineaz la 1400-1600C, se macin umed pn

la o finee de 1-2 mm, se presar n matrie de oel i se sinterizeaz la 1700-1800C timp de 1

or. Avantajul acestor plcue este duritatea i rezistena ridicat pn la 1000-1100C, dar

rezistena la ncovoiere este mai mic dect a aliajelor dure, sinterizate pe baz de carburi.

Sculele diamantate pentru condiii uoare de lucru se pot fabrica prin nglobarea

granulelor de diamant n liani organici, rini sintetice, cauciuc dur. Sculele diamantate cu

condiii de exploatare (foraj de mare adncime, scule de prelucrare a materialelor foarte dure).

Ca liant metalic se pot folosi: aliaje sinterizate pe baz de Cu, Fe, W, Mo sau pe baz de

carbur de W i Ti cu liant de Co sau Ni.

89

3.5.2. Materialele refractare metalice sinterizate

Pentru a se putea ncadra n categoria materialelor refractare este necesar ca piesele i

semifabricatele sinterizate s ndeplineasc o serie de condiii: temperatur de topire,

temperatur de recristalizare, ridicate, meninerea unor proprieti mecanice ridicate chiar la

temperaturi nalte, rezisten la oxidare la temperaturi ridicate, rezisten la ocuri termice,

limit de fluaj ridicat chiar la temperaturi foarte mari. n acest scop se utilizeaz trei categorii

de materiale:

a. Metale greu fuzibile (W, Mo, Ta, Nb) se obin prin metalurgia pulberilor

prezentnd avantajul unor puriti nalte iar la temperatura de lucru la elaborare s

ating temperatura de topire. Pulberile de wolfram i molibden se obin prin

reducerea oxizilor de W sau de Mo cu hidrogen la temperaturi de max. 900C.

Pulberile astfel obinute cu dimensiuni de 2-8 mm se preseaz i se sinterizeaz n

dou etape, o presinterizare la 1200C iar a doua sinterizare la temperaturi apropiate de cele

de topire (3000C pentru W i 2200-2400C pentru Mo) n H2. Semifabricatele sinterizate

obinute se prelucreaz n continuare prin tehnologii clasice (forjare, trefilare, laminare i

tanare etc.). Pentru obinerea srmelor de W foarte subiri (0,009 mm) dup trefilare se

aplic o dizolvare chimic sau electrochimic n instalaii speciale.

Srmele de W se utilizeaz la fabricarea filamentelor lmpilor incandescente, a

tuburilor fluorescente, elementelor de nclzire n cuptoare electrice, contactelor electrice din

diferite aparate de msur i control i altor produse speciale.

Srmele de Mo se utilizeaz la fabricarea susintorilor pentru filamentele lmpilor

electrice obinuite, elementelor de nclzire din cuptoare electrice pentru temperaturi pn la

1800C, elementelor componente din tuburile electronice, tuburile cinescop ale cuptoarelor i

instalaiilor de prelucrare cu fascicul de electroni i a altor produse specifice tehnicii de vrf.

Srmele de Ta sunt destinate fabricrii termocuplelor pentru temperaturi nalte,

elementelor componente ale aparaturii medicale, utilajelor din industria chimic, capsulelor

pentru depozitarea izotopilor radioactivi, anozilor tuburilor electronice din staiile de emisie

radio-TV etc.

n construcia reactoarelor nucleare i n alte domenii speciale se utilizeaz produse

sinterizate din pulberi de U, Th, Zr sau combinaii ale acstora.

b. Materiale sinterizate refractare pe baz de carburi, boruri, nitruri, siliciuri

utilizeaz ca liant pulberi metalice de Cr, Ni, Mo, Co etc. astfel nct n timpul

90

sinterizrii se formeaz aliaje i pseudoaliaje cu proprieti complexe (mecanice,

termice, electrice, chimice). Un exemplu l constituie fabricarea prin metalurgia

pulberilor a paletelor de turbine cu gaze.

c. Materiale refractare pe baz de cermei (materiale metalo-ceramice). Cermeii sunt

materiale sinterizate din amestecuri de pulberi metalice i pulberi ceramice (oxizi

refractari, carburi, boruri, siliciuri) utiliznd ca liant metalic pulberi de Fe, Ni, Cr,

W, Mo, Nb sau prealiaje pe baz de Fe. Cei mai utilizai cermei sunt pe baz de

oxid de aluminiu fcnd parte din sistemele: Al2O3-Fe; Al2O3-Ni; Al2O3-Cr;

Al2O3-Mo, Al2O3-W; Al2O3-Al (SAP Sinter Aluminium Pulver) i altele. Ca

oxizi superrefractari mai pot fi utilizai: MgO, BeO; ZrO2; TiO2; Cr2O3 dar i

compui de forma 3Al2O3-2SiO2 (mullit); MgO-Al2O3 (spinel); ZrSiO4 (zircon)

etc. Domeniile de utilizare ale cermeilor sunt:

- ca materiale refractare (teci de termocuple, mufle de cuptoare, inele, tije, dopuri

pentru reglarea jeturilor topiturilor metalice, piese pentru rachete i motoarele

acestora etc.);

- ca materiale de achiere pentru armarea sculelor;

- ca materiale de friciune;

- elemente de nclzire ale cuptoarelor electrice pentru temperaturi ridicate;

- straturi acoperitoare de protecie pe alte metale (la sistemele de eapare ale gazelor

fierbini, palete de turbine cu regim greu etc.).

3.5.3. Materiale sinterizate poroase

a. Cuzineii poroi autolubrifiani se fabric din pulberi de fier sau de bronz.

Materialele sinterizate cu baz de Fe conin 0,5-1,5% grafit i 3-12% Cu pur, iar

cele din pulberi de bronz conin 6% Sn, 6% Zn, 3% Pb i 1-4% grafit. Porozitatea

acestor cuzinei este 18-30% i pot absorbi ulei n cantitate de 1,8-3,5% din

greutatea piesei. Impregnarea porilor cu ulei asigur caracteristici funcionale

foarte bune: coeficient de frecare mic (0,004-0,1), cu rezisten bun la uzare i

tendin redus la gripare, funcionare silenioas i economie de lubrifiant.

Cuzineii poroi sinterizai sunt ieftini, pot