tehnologia materialelor - gheorghe gurau

160
tehnologia materialelor GEORGHE GURĂU Extrudare directă Extrudare inversă Presiunea pe poanson Cursa poansonului

Upload: george-ichim

Post on 07-Dec-2014

888 views

Category:

Documents


160 download

DESCRIPTION

tehnologia materialelor

TRANSCRIPT

Page 1: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

tehnologia materialelor

GEORGHE GURĂU

Extrudare directă

Extrudare inversă Pres

iune

a pe

poa

nson

Cursa poansonului

Page 2: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

tehnologia materialelor

GEORGHE GURĂU

Page 3: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

C U P R I N S

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

5

CUPRINS

CUPRINS ................................................................................................................... 5 CAPITOLUL 1 ............................................................................................................ 7 1. INTRODUCERE ÎN TEHNOLOGIA MATERIALELOR ........................................... 7

1.1. Obiective.......................................................................................................... 7 1.2. Procese tehnologice ........................................................................................ 7

1.2.1. Proces....................................................................................................... 7 1.2.2. Proces de producţie .................................................................................. 9

1.3. Rezumat ........................................................................................................ 10 CAPITOLUL 2 .......................................................................................................... 11 STRUCTURA MATERIALELOR .............................................................................. 11

2.1. Obiective........................................................................................................ 11 2.2. Introducere .................................................................................................... 11 2.3. Structuri cristaline .......................................................................................... 11

2.3.1. Tipuri de structuri cristaline specifice metalelor....................................... 12 2.3.2. Imperfecţiuni în cristale ........................................................................... 13 2.3.3. Deformarea în cristalele metalice............................................................ 15 2.3.4 Deformarea agregatelor policristaline ...................................................... 17

2.4. Structuri amorfe ............................................................................................. 18 2.5. Rezumat ........................................................................................................ 20

CAPITOLUL 3 .......................................................................................................... 21 PROPRIETĂŢILE MECANICE ALE MATERIALELOR............................................. 21

3.1. Obiective........................................................................................................ 21 3.2. Introducere .................................................................................................... 21 3.3. Rezistenţa şi plasticitatea .............................................................................. 21

3.3.1. Variaţia tensiunii convenţionale R cu deformaţia specifică e. Curba convenţională .................................................................................................... 23 3.3.2. Variaţia tensiunii σ cu gradul de deformare ε. Curba raţională................ 25

3.4. Alungirea la rupere ........................................................................................ 25 3.5. Gâtuirea la rupere.......................................................................................... 26 3.6. Duritatea ........................................................................................................ 26

3.6.1. Determinarea durităţii prin metoda Brinell ............................................... 26 3.6.2. Determinarea durităţii prin metoda Vickers ............................................. 27 3.6.3. Determinarea durităţii prin metoda Rockwell........................................... 28

3.7. Rezilienţa....................................................................................................... 29 3.8. Rezumat ........................................................................................................ 31

CAPITOLUL 4 .......................................................................................................... 32 MATERIALE UTILIZATE ÎN INGINERIE .................................................................. 32

4.1. Obiective........................................................................................................ 32 4.2. Metalele ......................................................................................................... 32

4.2.1.Oţelul........................................................................................................ 32 4.2.2.Fonta........................................................................................................ 35

4.3. Ceramicele..................................................................................................... 38 4.4.Polimerii .......................................................................................................... 38 4.5.Compozite ...................................................................................................... 39 4.6. Rezumat ........................................................................................................ 40

CAPITOLUL5 ........................................................................................................... 41 PRELUCRAREA MATERIALELOR METALICE....................................................... 41

5.1. Obiective........................................................................................................ 41

Page 4: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

C U P R I N S

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

6

5.2. Obţinerea materialelor metalice ..................................................................... 41 5.2.1. Minereurile şi prelucrarea lor................................................................... 41 5.2.2. Elaborarea fontei..................................................................................... 45 5.2.3. Elaborarea oţelului .................................................................................. 50

5.2. Prelucrarea materialelor metalice prin turnare............................................... 62 5.2.1. Turnarea materialelor metalice în semifabricate masive ......................... 62 5.2.2. Turnarea materialelor metalice în piese .................................................. 65

5.3. Prelucrarea materialelor metalice prin deformare plastică ............................. 80 5.3.1. Fundamentele deformării plastice ........................................................... 80 5.3.2. Laminarea ............................................................................................... 84 5.3.3. Forjarea................................................................................................... 96 5.3.4. Matriţarea.............................................................................................. 110 5.3.5. Extrudarea............................................................................................. 115 5.3.6. Tragerea şi trefilarea ............................................................................. 119

Rezumat ............................................................................................................. 123 CAPITOLUL6 ......................................................................................................... 124 SUDAREA MATERIALELOR METALICE .............................................................. 124

6.1. Obiective...................................................................................................... 124 6.2. Vedere de ansamblu asupra tehnologiei sudării .......................................... 124 6.3. Fizica sudării................................................................................................ 125 6.4.Structura îmbinărilor sudate.......................................................................... 126 6.5. Sudabilitatea materialelor metalice. ............................................................. 127 6.6.Sudarea prin topire cu arc electric ................................................................ 128

6.6.1. Arcul electric la sudare.......................................................................... 128 6.6.2.Echipamentul tehnologic la sudarea cu arc electric ............................... 131 6.6.3.Sudarea sub strat de flux ....................................................................... 134 6.6.4. Sudarea în mediu de gaze protectoare ................................................. 135 6.6.5.Sudarea în baie de zgură ....................................................................... 137

6.7.Sudarea aluminotermică ............................................................................... 138 6.8. Sudarea prin presare şi încălzire prin rezistenţă electrică de contact .......... 138 6.9. Sudarea cu plasmă...................................................................................... 140

7. PRELUCRAREA STICLELOR ........................................................................... 142 7.1. Obiective...................................................................................................... 142 7.2. Procesul obţinerii sticlelor ............................................................................ 142

7.2.1 Materii prime utilizate pentru fabricarea sticlelor .................................... 142 7.2.2. Procesul tehnologic de fabricare a sticlei .............................................. 143

7.3. Fabricarea produselor din sticlă prin suflare ................................................ 145 7.4. Fabricarea sticlelor plane............................................................................. 146 7.5. Fabricarea tuburilor de sticlă ....................................................................... 147 7.6. Rezumat ...................................................................................................... 148

8 PRELUCRAREA CAUCIUCULUI ........................................................................ 149 8.1. Obiective...................................................................................................... 149 8.2. Cauciucul natural şi cauciucul sintetic ......................................................... 149 8.3. Extrudarea cauciucului ................................................................................ 152 8.4. Fabricarea anvelopelor ................................................................................ 153

BIBLIOGRAFIE ...................................................................................................... 155 Anexe ..................................................................................................................... 156

Page 5: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

I N T R O D U C E R E I N T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

7

CAPITOLUL 1

1. INTRODUCERE ÎN TEHNOLOGIA MATERIALELOR

1.1. Obiective În acest capitol îţi voi prezenta ştiinţa Tehnologia Materialelor importanta acesteia precum si conceptul ce stă la baza acestei discipline şi anume conceptul de proces tehnologic. Dezvoltarea economică a unei ţări în contextul unei economii de piaţă funcţionale depinde în mare măsură de tehnologiile industriale de care dispune acea ţară. Spunem aceasta deoarece activitatea industrială într-o ţară precum România ocupă circa o treime din activitatea globală. Într-o organizaţie industrială managementul este asigurat de specialişti în domeniul economic şi speciali în inginerie. Este de înţeles de ce ambele categorii de specialişti şi cu atât mai mult absolvenţii secţiilor de inginerie economică, trebuie să cunoască aspecte din ambele domenii. Tehnologia materialelor face parte din categoria ştiinţelor tehnico aplicative întrucât urmăreşte un scop practic nemijlocit şi anume producerea şi prelucrarea materialelor.

Scopul acestui curs îl constituie transmiterea de cunoştinţe necesare pentru alegerea unui material, formă constructivă, procedeu de prelucrare şi control pentru anumite condiţii de solicitare şi funcţionare ale unei piese sau ansamblu.

1.2. Procese tehnologice 1.2.1. Proces

Conform standardului ISO 9000: 2000 procesul reprezintă ansamblul de activităţi corelate sau în interacţiune care transformă elementele de intrare în elemente de ieşire (fig. 1.1). Elementele de intrare în proces sunt caracterizate printr-o serie de variabilele esenţiale (x1, x2, …, xn). De asemenea, elementele de ieşire ale procesului sunt caracterizate prin variabilele esenţiale ale lor (y1, y2, …, yn). La rândul său, procesul se caracterizează printr-o serie de variabile esenţiale ale sale (z1, z2, …, zn). În desfăşurarea procesului pot interveni factori perturbatori (t1, t2, …, tn). Aceştia influenţează procesul precum şi calitatea elementelor de ieşire.

Procesul se supune unor legi şi reguli prin care variabilele esenţiale ale elementelor de intrare se transformă în variabile esenţiale ale elementelor de ieşire. Pe baza legilor şi regulilor se poate dezvolta un model al procesului. Modelul

Definiţia dată de standard procesului

Page 6: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

I N T R O D U C E R E I N T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

8

este definit prin legătura funcţională dintre variabilele esenţiale ale procesului, elementelor de intrare şi ale elementelor de ieşire şi care ţie cont de factorii perturbatori.

Fig. 1.1. Schema generală a unui proces Procesul este sub control dacă variabilele esenţiale ale

elementelor de ieşire corespund specificaţiilor de calitate. Pentru menţinerea sub control a procesului este necesar un regulator. Pe baza valorilor variabilelor esenţiale ale elementelor de ieşire, atunci când se manifestă o tendinţă de ieşire a procesului de sub control, regulatorul introduce corecţiile necesare asupra variabilelor esenţiale ale procesului. Astfel procesul se readuce şi se menţine sub control.

Calitatea este în mod esenţial determinată de modul în care se organizează şi se conduce procesul. Pentru ca un proces să conducă la un rezultat de valoare este necesar să fie îndeplinite următoarele condiţii: • calitate înaltă a proiectării (constructive şi tehnologice) • aprovizionare corectă - calitatea adecvată a materialelor şi

componentelor folosite • industrializare corectă – calitate adecvată a mijloacelor

(utilaje, scule, echipamente) cu care se desfăşoară procesul • fabricare conformă • asigurarea service-ului la client • calitatea operatorilor – pregătirea profesională, cultura

calităţii • calitatea mediului de lucru • calitatea vieţii personalului

Scopurile managementului proceselor sunt: • menţinerea proceselor sub control • efectuarea a ceea ce este necesar

Page 7: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

I N T R O D U C E R E I N T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

9

• dominarea variabilităţii (dispersie mică a valorilor caracteristicilor de calitate ale produselor)

• stimularea progresului continuu • asigurarea eficienţei economice (minimizarea costurilor) • mărirea productivităţii

1.2.2. Proces de producţie

Procesul de producţie este un proces tehnico economic complex care cuprinde ansamblul activităţilor desfăşurate într-o organizaţie pentru realizarea unuia sau a mai multor produse. Structura unui proces de producţie înglobează procese de organizare şi conducere, procese tehnologice, procese auxiliare, de desfacere etc. Procesul tehnologic reprezintă un ansamblu de operaţii care se pot desfăşura concomitent sau succesiv şi care are drept scop transformarea materiei prime în produs. În figura 1.2. este prezentată structura principalelor procese tehnologice industriale.

Fig.1.2. Clasificarea proceselor tehnologice Procesele tehnologice sunt structurate în mai multe elemente. Astfel din punct de vedere, al evidenţelor normative, operative şi contabile procesele tehnologice cuprind: stadii tehnologice, operaţii tehnologice, faze tehnologice. Stadiile tehnologice reprezintă stările succesive ale transformării materiei prime ca părţi distincte în evoluţia unui proces tehnologic. Operaţia tehnologică reprezintă elementul de bază a unui proces tehnologic şi cuprinde toate activităţile limitate în timp şi spaţiu pe care le desfăşoară operatorul la locul său de muncă pentru prelucrarea sau asamblarea unui produs.

Procesul de producţiecu cea mai importantăcomponentă: procesultehnologic

Page 8: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

I N T R O D U C E R E I N T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

10

Faza tehnologică reprezintă o parte a unei operaţii tehnologice care se desfăşoară fără a schimba regimul de lucru utilajul sau sculele de prelucrare (faza de prelucrare, faza de asamblare). Fazele tehnologice sunt caracterizate de parametrii tehnologici (timp, temperatură, presiune, debit) care pot fi constanţi sau variabili.

Ciclul de fabricaţie reprezintă timpul necesar parcurgerii întregului proces tehnologic de la materie primă la produs finit.

Fluxul tehnologic înglobează toate fazele tehnologice reprezentarea sa grafică purtând denumirea de schema fluxului tehnologic (fig.1.3.)

Fig.1.3. Schema fluxului tehnologic

1.3. Rezumat Tehnologia materialelor este o ştiinţă tehnico aplicativă care are ca scop descrierea transformărilor pe care le suferă diferite materiale în timpul unui proces tehnologic. Procesele tehnologice fac parte integrantă a proceselor de producţie şi pot fi: procese de formare, de îmbunătăţire a proprietăţilor, de prelucrare a suprafeţelor sau de asamblare.

Răspunsuri la întrebări: 1. b

Test de autoevaluare

1. De ce este tehnologia materialelor o ştiinţă tehnico-aplicativă? a. pentru că se adresează viitorilor ingineri b. pentru ca prezintă un scop practic nemijlocit 2. Prezentaţi un număr de cinci grupe de procese tehnologice.

Page 9: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S T R U C T U R A M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

11

CAPITOLUL 2

STRUCTURA MATERIALELOR

2.1. Obiective În acest capitol va voi rezuma o serie de informaţii despre structura intimă a materialelor, despre imperfecţiunile lor precum şi despre mecanismul deformării plastice.

2.2. Introducere Materialele de bază utilizate în inginerie sunt: metalele şi aliajele, materialele ceramice şi polimerii. Combinaţiile dintre aceste trei clase principale de materiale conduc la o a patra clasă , materialele compozite. Toate materialele despre care am amintit sunt formate din atomi şi molecule. Dispunerea atomilor şi moleculelor se poate face dezordonat ca în cazul gazelor sau poate prezenta o ordonare pe distanţă scurtă, cazul lichidelor. În cazul materialelor solide insă atomii şi moleculele se leagă prin intermediul unor forţe de coeziune specifice şi pot prezenta două forme structurale: cristaline şi ne cristaline sau amorfe. Metalele prezintă întotdeauna în stare solidă o structură cristalină definită ca o ordonare periodică a particulelor pe distanţă lungă. Metalele pot avea astfel o structură monocristalină (fig.2.1.) sau policristalină.

Fig. 2.1. Structură policristalină Alte materiale de exemplu sticlele şi alte materiale ceramice, majoritatea polimerilor şi chiar unele aliaje răcite ultrarapid adoptă o structură amorfă care chiar şi în stare solidă prezintă o ordonare a atomilor la mică distanţă asemenea lichidelor.

2.3. Structuri cristaline La solidificarea din stare lichidă sau din topitură atomii şi moleculele din care sunt constituite materialele se compactizează adoptând în multe cazuri o structură foarte

Mateterialele utilizate îninginerie sunt: metalele,aliajele, ceramicele, polimerii şi combinaţiile lor materialele compozite

Page 10: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S T R U C T U R A M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

12

ordonată dar pot adopta de asemenea şi o structură dezordonată. Se pot distinge astfel două structuri fundamentale ale materiei: structura cristalină şi structura amorfă. Când trec din stare lichidă în stare solidă multe substanţe formează cristale. Aceasta este o caracteristică a metalelor dar şi a mai multor materiale ceramice sau polimeri. Într-o structură cristalină atomii ocupă poziţii spaţiale bine determinate care formează un aşa numit motiv sau bază materială a reţelei cristaline şi care se repetă de milioane de ori în volumul unui cristal. Putem să ne imaginăm o structură cristalină ca o reţea de puncte sau noduri formată dintr-un număr nedefinit de puncte aşezate ordonat la distanţe specifice. Aceste puncte sunt ocupate de atomi, ioni sau molecule - motivul cristalin. Structura cristalină a unui material este astfel formată prin repetarea unei celule elementare Celula elementară este cel mai mic poliedru care translat spaţial conduce la obţinerea întregii reţele cristaline (fig.2.2.)

Fig.2.2. Structură cristalină cubica centrata intern a. celula elementara, b. celula elementară având nodurile ocupate cu

atomi, c. motiv repetitiv într-o structură cristalină cub cu volum centrat

2.3.1. Tipuri de structuri cristaline specifice metalelor Marea majoritate a metalelor cristalizează în sisteme cu simetrie simplă: cubic sau hexagonal. Datorită legăturii metalice foarte puternice atomii metalici adoptă un aranjament compact. Astfel pentru metale sunt comune trei tipuri de structuri cristaline( fig.2.3.): cubică centrată intern (c.v.c. – cub cu volum centrat), cubică cu feţe centrate (c.f.c.) şi hexagonal compactă (h.c.)

Fig.2.3. Tipuri de celule elementare ale structurilor cristaline a. CFC, b. CVC, c. HC

În tabelul 2.1. sunt prezentate structurile cristaline ale câtorva metale comune.

Structura cristalină esteo reţea de puncteocupate de atomi, ionisau molecule

CFC, CVC şi HC suntstructurile cristaline alemetalelor cele mai desîntâlnite

Page 11: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S T R U C T U R A M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

13

Tabelul2.1. Structura Metal

Cubică centrata intern(CVC) Cubică cu feţe centrate (CFC) Hexagonal compactă (HC)

Crom Fier Molibden Tantal Wolfram Aluminiu Cupru Aur Plumb Argint Nichel Magneziu Titan Zinc

2.3.2. Imperfecţiuni în cristale Un cristal perfect este acel cristal în care celula elementară se repetă fără întrerupere de un număr infinit de ori. Sunt situaţii în inginerie în care se doreşte obţinerea de monocristale perfecte de exemplu în cazul monocristalelor de siliciu pe care se vor integra ulterior componente electronice microscopice. De cele mai multe ori însă cristalele sunt afectate de imperfecţiuni numite şi defecte ale structurii cristaline. Aceste imperfecţiuni pot pare spontan în timpul solidificării atunci când structura cristalină perfectă este întreruptă de limite care mărginesc grăunţii cristalini (cristalite), sau sunt induse în procesul de fabricaţie cum este cazul introducerii elementelor de aliere care îmbunătăţesc semnificativ proprietăţile materialelor. Din punct de vedere geometric imperfecţiunile structurale se împart în patru categorii:

- 0D- imperfecţiuni punctiforme - 1D- imperfecţiuni lineare - 2D- imperfecţiuni de suprafaţă - 3D- imperfecţiuni volumice

Imperfecţiuni punctiforme. Din cadrul acestei grupe de defecte fac parte: vacanţele, atomii interstiţiali şi atomii de substituţie.

Test de autoevaluare 1. Care sunt cele trei tipuri comune de structuri

cristaline la metale? 2. Numiţi câte un element pentru fiecare pentru

fiecare tip de structură cristalină.

Page 12: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S T R U C T U R A M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

14

Fig.2.4. Imperfecţiuni punctiforme

Vacanţele sunt zone în structura cristalină în care lipsesc atomi. Atomii interstiţiali pot fi atomi identici cu cei aflaţi în nodurile reţelei sau specii diferite de atomi numite impurităţi. Un metal de înaltă puritate 99,999% este de fapt un metal care are o impuritate la 106 atomi. Impurităţile apar în structura cristalină a materialului intenţionat sau neintenţionat. Astfel introducerea unei cantităţi mici de carbon în fier conduce la apariţia unui alt material - oţelul cu proprietăţi superioare fierului pur (fig.2.5.)

Imperfecţiuni liniare - dislocaţiile. Dislocaţiile sunt grupuri de imperfecţiuni punctiforme conectate care formează o linie în structura reticulară a cristalului. Dislocaţiile sunt de două tipuri: dislocaţii marginale şi dislocaţii elicoidale (fig2.6.)

2.6. Imperfecţiuni lineare. a. dislocaţie marginală, dislocaţie elicoidală

Principalele imperfecţiunipunctiforme sunt:

1. vacanţe 2. atom interstiţial 3. atom de impuritate

interstiţial 4. impurităţi de substituţie

Dislocaţiile stau la bazadeformării plastice amaterialelor

Page 13: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S T R U C T U R A M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

15

Dislocaţia elicoidală formează o spirală în jurul liniei dislocaţiei. Ambele tipuri de dislocaţii pot apare în structura cristalină în timpul solidificării de asemenea pot fi iniţiate în timpul deformării plastice a materialelor sau în timpul transformărilor de fază cu variaţie de volum. Teoria dislocaţiilor este deosebit de utilă în explicarea comportării metalelor la deformare plastică. Defectele de suprafaţă sunt imperfecţiuni bidimensionale care formează limite. Cel mai la îndemână exemplu fiind limitele dintre grăunţii cristalini. Chiar şi în interiorul grăunţilor cristalini pot apare limite care separă subgrăunţi la rândul lor formaţi din blocuri în mozaic. Dintre defectele de suprafaţă amintim: limita de grăunte (fig.2.7.), limita de subgraunte, structura de locuri în mozaic, limita de maclă, defecte de împachetare etc.

Fig. 2.7. defecte de suprafaţă Defecte de 3D- volumice sunt reprezentate prin pori microfisuri, sau incluziuni nemetalice. Aceste defecte afectează puternic proprietăţile optice, termice, electrice şi mecanice ale materialelor cristaline.

2.3.3. Deformarea în cristalele metalice Deformarea monocristalelor

Deformarea monocristalelor poate să aibă loc prin alunecare şi prin maclare.

Deformarea prin alunecare constă în deplasarea unor părţi din monocristal în raport cu altele(fig.2.8) pe o direcţie, având densitatea maximă de atomi, numite plane de alunecare.

Test de autoevaluare 3. Care sunt cele patru tipuri de imperfecţiuni

cristaline? 4. De câte tipuri sunt dislocaţiile?

Page 14: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S T R U C T U R A M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

16

Dacă asupra unui monocristal acţionează forţe exterioare, în structură ia naştere o stare de tensiune care conduce în primă fază a procesului la o deformare elastică a întregii reţele.

Fig. 2. 8 Deplasarea prin alunecare a unui plan de atomi faţă de altul

Alunecarea reciprocă a părţilor cristalului are loc de-a

lungul planelor şi direcţiilor cu cea mai mare densitate de atomi. Distanţa pe care se produce alunecarea măsoară unul sau mai mulţi parametri ai celulei,cuprinzând straturi, care, în funcţie de condiţiile deformării, au grosimi cuprinse între

cmşi 83 1010 −− Analizându-se deformarea prin alunecare, s-a putut

constata că o parte a cristalului în raport cu alta, se deplasează pe o distanţă egală cu un număr întreg de distanţe interatomice, deplasarea producându-se pe mai multe plane de alunecare simultan formându-se benzi de alunecare.

Deplasarea atomilor pe planele de alunecare se produce atunci când tensiunea tangenţială atinge o valoare critică maximă.

Deformarea prin maclare

Maclarea constă în deplasarea unei porţiuni din cristal de-a lungul unui plan de maclare (fig.2.9), rezultând două părţi simetrice faţă de acest plan .

Spre deosebire de alunecare, la maclare participă toate

planele atomice din regiunea maclată. Maclarea nu produce deformaţii remanente mari. Prin maclare se modifică orientarea unor porţiuni de grăunţi astfel încât noi sisteme de alunecare vor ajunge în poziţii favorabile faţă de direcţia forţei. Deci însoţeşte de multe ori alunecarea şi o favorizează.

Page 15: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S T R U C T U R A M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

17

Fig2. 9 Schema mecanismului de deformare prin maclare

2.3.4 Deformarea agregatelor policristaline Metalele policristaline sunt conglomerate în care

cristalele sunt orientate întâmplător,având mărimi diferite care depind de limitele dimensionale.

În cazul agregatelor policristaline, deformarea plastică a acestora este însoţită în general de următoarele fenomene:

- deformarea plastică a grăunţilor cristalini, adică deformarea intracristalină, care se realizează prin alunecare şi maclare;

- deplasarea relativă a grăunţilor, sau deformarea intercristalină;

- fragmentarea grăunţilor. O influenţă importantă asupra modului de comportare la

deformare a grăunţilor agregatelor policristaline o au limitele grăunţilor.

Limitele grăunţilor pot determina creşterea sau scăderea rezistenţei mecanice în funcţie de: temperatură, viteză de deformare, grad de puritate etc.

In aceasta situaţie deformarea agregatelor policristaline reprezintă rezultatul deformării fiecărui cristal în parte şi a deplasării şi rotirii relative a cristalelor unele faţă de celelalte. În ceea ce priveşte deformarea fiecărui cristal în parte, aceasta are loc ca şi in cazul monocristalelor, prin alunecare şi maclare.

Efortul necesar pentru deformarea agregatelor policristaline,va fi cu atât mai mare cu cât reţelele cristalografice ale grăunţilor vor avea un număr mai mic de sisteme de alunecare

In ceea ce priveşte comportarea la deformare a agregatelor policristaline se constată deosebiri între situaţia în care toate cristalele acestora sunt dintr-un singur metal şi situaţia în care avem de-a face cu un aliaj

Se presupune că limitele grăunţilor cristalini constituie bariere pentru alunecări, cea ce influenţează în mare măsură creşterea rezistenţei mecanice a agregatelor policristaline.

În grăunţii agregatelor policristalini, planele de alunecare sunt orientate diferit unele faţă de altele. Datorită acestui fapt, sub acţiunea unor forţe exterioare deformarea plastică nu va

Page 16: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S T R U C T U R A M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

18

începe în toţi grăunţii în acelaşi timp, ci în primul rând în grăunţii cu orientarea cea mai favorabilă a planelor de alunecare faţă de direcţia forţei exterioare.

Restul grăunţilor se va deforma elastic. Orientarea cea mai favorabilă pentru începerea deformării plastice o au grăunţii cu planele de alunecare situate la 45˚ faţă de direcţia de acţiune a forţei exterioare. Dacă se continuă deformare, grăunţii deformaţi vor exercita presiuni asupra grăunţilor învecinaţi, vor apare tensiuni care vor produce deformarea plastică a reţelei.

Când deformarea plastică cuprinde întregul volum al metalului, pot apărea deplasări ale grupelor de cristale având ca efect ruperea sau fragmentarea grăunţilor. O deformare în continuare va produce alinierea axelor tuturor grăunţilor faţă de direcţia forţei exterioare. Grăunţii îşi pierd forma iniţială, se alungesc, marginile lor dispar şi structura materialului devine fibroasă. O astfel de structură are ca efect variaţia proprietăţilor fizico-mecanice pe diferite direcţii faţă de direcţia de acţiune a forţei exterioare.

2.4. Structuri amorfe Multe materiale importante de exemplu lichidele şi gazele nu sunt cristaline, apa şi aerul nu au structură cristalină. Metalele şi ele îşi pierd structura cristalină prin topire. Sunt şi excepţii de exemplu mercurul este lichid la temperatura ambiantă întrucât temperatura sa de topire este negativă (- 38 0C). Clase importante de materiale precum sticlele, cauciucul, multe dintre masele plastice nu au structură cristalină în stare solidă, ele se numesc materiale amorfe. Structura amorfă poate fi dobândită şi de unele aliaje atunci când se solidifică ultrarapid – literatura le mai numeşte şi sticle metalice. Structura amorfă va avea ca şi lichidul din care provine grupări de atomi sau molecule ordonate pe scurtă distanţă. În figura 2.10. sunt prezentate alăturat o structură cristalină, compactă, regulată, repetitivă, şi o structură amorfă mai puţin densă în care atomii se aşează la întâmplare.

Test de autoevaluare Care sunt mecanismele de bază ale deformării plastice?

Page 17: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S T R U C T U R A M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

19

Fig.2.10. Structură cristalină (a) şi structură amorfă (b)

Este interesant de studiat transformarea solid - lichid pentru aceste două clase de materiale (fig.2.11.)

Fig.2.11. Modificarea volumului unui metal pur cu structură cristalină

şi a unei sticle cu structură amorfă

Se observă că la temperatura de topire Tm metalul suferă o creştere bruscă de volum creştere însoţită de absorbţie de căldură. Nu acelaşi lucru se observă în cazul materialelor amorfe. Aici trecerea solid lichid se face cu creştere de volum dar nu brusc. Materialul trece mai întâi printr-o stare vâscoasă de lichid subrăcit şi apoi in lichid. La solidificare metalele suferă o contracţie bruscă ca urmare a trecerii la o structură cristalină ordonată puternic compactizată. Solidificare se produce cu cedare de căldură (căldura latentă de solidificare).

Test de autoevaluare 1. Care este diferenţa dintre structura cristalină şi structura amorfă a materialelor? 2. Daţi câteva exemple de materiale amorfe. 3. Daţi câteva exemple de materiale cu structură cristalină. 4. Care este diferenţa dintre procesul de solidificare (topire) în cazul structurii cristaline respectiv a structurii amorfe.

Page 18: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S T R U C T U R A M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

20

2.5. Rezumat Structura cristalină a materialelor determină proprietăţile fizice, chimice, mecanice şi tehnologice ale acestora. Marea majoritate a metalelor cristalizează în sisteme cu simetrie simplă: cubic sau hexagonal. In inginerie sunt necesare cristale perfecte însă marea majoritate a aplicaţiilor folosesc materiale a căror structură cristalină prezintă imperfecţiuni. Aceste imperfecţiuni de exemplu dislocaţiile stau la baza mecanismelor de deformare plastică

Răspunsuri la întrebări: 1a, 2abc, 3b, 4b, 5b,

Test de autoevaluare 1. Care dintre următoarele stă la baza

materiei? a) atomul, b) electronul, c) elementul chimic, d) molecula, e) nucleul 2. Care sunt materialele de bază

utilizate în inginerie? a) metalele şi aliajele, b) materialele ceramice, c) polimerii, d) materialele compozite. 3. Care dintre următoarele defecte nu

este un defect punctiform? a) atom interstiţial, b) dislocaţie marginală, c) vacanţă, d) atom de substituţie. 4. Dislocaţiile sunt: a) defecte punctiforme, b) defecte lineare, c) defecte de suprafaţă, d) cel mai probabil defecte volumice. 5. Care dintre următoarele concepte se

aplică la maclare? a) deformare elastică, b) mecanism de deformare plastică, c) cel mai probabil viteza mare de deformaţie, d) tip de dislocaţie.

Page 19: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R O P R I E T Ă Ţ I L E M E C A N I C E A L E M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

21

CAPITOLUL 3

PROPRIETĂŢILE MECANICE ALE MATERIALELOR

3.1. Obiective Capitolul Proprietăţile mecanice ale materialelor iţi va descrie principalele proprietăţi mecanice ale materialelor şi ce este mai important, modul de determinare a acestora. Îţi voi dezvolta metodele de determinare rezistenţei şi plasticităţii materialelor a durităţii şi rezilienţei.

3.2. Introducere Proprietăţile mecanice ale materialelor reflectă comportarea acestora atunci când sunt supuse unor eforturi mecanice externe. Aceste proprietăţi pot fi proprietăţi de rezistenţă (limită de rupere, limită de curgere, duritate) sau proprietăţi de plasticitate (alungirea la rupere, stricţiunea sau gâtuirea la rupere ). Atunci când un material are pe lângă proprietăţi de rezistenţă şi proprietăţi bune de plasticitate putând absorbi energie în domeniul deformaţiilor plastice este un material tenace. Proprietăţile mecanice sunt deosebit importante atât în proiectare cât şi în alegerea tehnologiilor de prelucrare. Dacă în primul caz materialele trebuie să aibă o rezistenţă suficient de mare pentru a suporta eforturile exterioare astfel încât geometria piesei să nu sufere modificări semnificative, in cazul prelucrării forţele exterioare trebuie să aibă valori mai mari decât rezistenţa la deformare a materialelor. Este de înţeles că proiectanţii îţi doresc materiale foarte rezistente în timp ce specialiştii în prelucrări cei care trebuie sa materializeze aceste proiecte îşi doresc materiale care sa poată fi prelucrate uşor. În acest capitol ne propunem să examinăm proprietăţile mecanice ale materialelor importante în prelucrarea materialelor.

3.3. Rezistenţa şi plasticitatea Rezistenţa este proprietatea materialelor de a se opune acţiunii forţelor exterioare care tind să le afecteze integritate (R). Sub acţiunea forţelor externe în interiorul materialului iau naştere eforturi interne sau tensiuni interne. Astfel sub acţiunea unei forţe F aplicată pe capetele unei probe (fig.1.) în material ia naştere o tensiune s numită şi efort unitar normal întrucât forţa acţionează perpendicular pe suprafaţa transversală S a probei.

Fig.3.1. Corp supus la tracţiune

Page 20: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R O P R I E T Ă Ţ I L E M E C A N I C E A L E M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

22

[Mpa] (1) Plasticitatea este proprietatea materialelor de a suporta deformaţii permanente fără ca în interiorul materialului să apară fisuri. Rezistenţa şi plasticitatea materialelor se pot determina prin mai multe tipuri de încercări mecanice distructive: încercarea la tracţiune, încercarea la compresiune, încercarea la răsucire etc.

În cele ce urmează vom defini principalele proprietăţi de rezistenţă şi plasticitate utilizând încercarea la tracţiune, curba tensiune, deformaţie reprezentând relaţia de bază care defineşte aceste proprietăţi. Încercarea la tracţiune presupune aplicarea lentă şi continuu crescătoare (10 N/s) a unei forţe pe capetele unei probe până la ruperea acesteia.

Proba (fig.3.2.) prezintă o zonă calibrată pe care de la început se marchează prin punctare două repere având între ele distanţa L0 . După rupere cele două capete ale probei se aduc în contact şi se măsoară distanţa dintre cele două repere notată acum cu L.

Fig. 3.2. Maşina de încercare la tracţiune (a), sistemul de vizualizare şi înregistrare a forţei (b), probe după rupere (c)

În timpul încercării se poate înregistra variaţia forţei cu alungirea ΔL (fig.3.3.), unde ΔL este alungirea absolută a probei: 0LLL −=Δ [mm] Dacă alungirea absolută este uniform repartizată pe întreaga zonă calibrată a probei atunci se poate calcula alungirea relativă sau deformaţia specifică a unităţii de lungime pe care o vom nota în continuare cu e şi care se calculează cu relaţia 3.

[%]10010000

0 ⋅Δ

=⋅−

=LL

LLLe

(2)

(3)

SF

Rezistenţa şi plasticitatea sunt proprietăţi în general opuse.

După ruperea probeiputem uşor calculaalungirea absolută şialungirea relativă

Page 21: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R O P R I E T Ă Ţ I L E M E C A N I C E A L E M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

23

Fig. 3.3. Diagrama de variaţie a forţei cu alungire probei obţinută pe

sistemul de înregistrare al maşinii de încercare la tracţiune

Sub acţiunea forţei F proba se lungeşte iar în interiorul materialului ia naştere, după cum am văzut, un efort normal s [MPa] (1). Definirea caracteristicilor materialului se face prin trasarea curbei s=f(e). Deoarece este dificil măsurarea secţiunii probei pe toată durata încercării tensiunea s a fost înlocuită cu o tensiune convenţională R:

3.3.1. Variaţia tensiunii convenţionale R cu deformaţia specifică e. Curba convenţională

Variaţia tensiunii convenţionale R cu gradul de deformare e poartă numele de curba lui Hooke (fig. 3.4.) Punctele specifice pe această curbă se determină prin calcul datele putând fi luate din diagrama prezentată în figura 3.3.sau utilizând sisteme performante de achiziţii de date.

Fig.3.4. Forme tipice de curbe caracteristice a. cu limită de curgere aparentă, b. fără limită de curgere aparentă.

][0

MPaSFR = (4)

Page 22: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R O P R I E T Ă Ţ I L E M E C A N I C E A L E M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

24

Curba caracteristică prezintă o porţiune liniară OA în care alungirea epruvetei este proporţională cu forţa aplicată. Pe această zonă este valabilă legea lui Hooke:

R=e E unde E=tgα

Unde E este modulul de elasticitate longitudinal sau modulul lui Young [MPa] Tensiunea corespunzătoare punctului A poartă numele de limită de proporţionalitate şi se notează Rp. Limita de proporţionalitate se calculează utilizând valoarea forţei Fp din diagrama 3.3. Până în punctul A materialul are o comportare elastică. Astfel îndepărtarea sarcinii pe zona OA face ca epruveta să revină exact la dimensiunile iniţiale, distanţa dintre repere rămânând neschimbată.

Tensiunea corespunzătoare punctului B poartă numele de limită de elasticitate tehnică se notează cu Rp0,01 şi reprezintă tensiunea care determină o alungire relativă neproporţională de 0,2%. Limita de elasticitate tehnică se calculează ca raport dintre forţa F corespunzătoare pentru o alungire ΔL0.01 şi secţiunea iniţială a probei. Alungirea ΔL0.01 se calculează corespunzător unei deformaţii remanente în probă e=0,01%. Tensiunea corespunzătoare punctului C poartă numele de limită de curgere şi se notează Rp0,2. Limita de curgere convenţională reprezintă tensiunea care determină o alungire relativă neproporţională de 0,2% şi se calculează similar limitei de elasticitate tehnică considerându-se de data aceasta o deformaţie remanentă în probă de 0,2%. Palierul CD poartă numele de palier de curgere. Se observă că proba se alungeşte semnificativ fără ca forţa să crească. Doar unele materiale prezintă palier de curgere (Cu, Al) marea majoritate au caracteristică similară cu cea prezentată în figura 3.4.b. Pe zona DE tensiunea convenţională R creşte ca urmare a creşterii forţei. Această creştere se explică prin faptul că materialul se ecruisează (vezi capitolul5.3.1.). Zona dinaintea punctului D poartă numele de zonă de ecruisare. Tensiunea corespunzătoare punctului D poartă numele de rezistenţă la rupere se notează Rm şi se calculează ca raport dintre forţa maximă atinsă pe parcursul încercării şi secţiunea iniţială a probei: La un moment dat pe zona calibrată a probei apare o subţiere, gâtuire, care se accentuează rapid. Deformarea

][0

max MPaS

FRm =

(5)

(6)

Limita de rupere şi limita de curgere, două proprietăţi de rezistenţă ale materialelor

Page 23: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R O P R I E T Ă Ţ I L E M E C A N I C E A L E M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

25

probei se concentrează doar în zona acestei gâtuiri ceea ce face ca forţa să scadă deoarece secţiune probei scade. Ruperea probei survine în punctul E. Un material care are o comportare ca cea descrisă mai înainte se numeşte ductil. Ductilitatea fiind proprietatea materialelor de a suporta deformaţii plastice mari până la rupere. Materiale precum oţelurile călite, oţelurile pentru arcuri, fonta sunt numite materiale fragile Materialele fragile prezintă gâtuiri nesemnificative iar alungirea până la rupere este mică.

3.3.2. Variaţia tensiunii σ cu gradul de deformare ε. Curba raţională Curba raţională exprimă variaţia tensiunii σ (1) cu gradul de deformare ε. Considerând legea volumului constant pe zona calibrată a probei avem: Deformaţia raţională ε se calculează astfel: După depăşirea limitei de elasticitate, deformaţiile mari pe care le capătă epruveta încep să producă o micşorare importantă a secţiunii transversale. Din această cauză, tensiunea reală din probă egală cu raportul dintre forţa de tracţiune înregistrată pe maşină şi aria secţiunii momentane reale este mai mare decât valoarea convenţională obţinută prin raportarea forţei la aria secţiunii iniţiale. Dacă în sistemul de coordonate R, e se obţine o curbă caracteristică convenţională, în coordonate σ ,ε se obţine caracteristica raţională, reală (fig.3.5.). Deşi în punctul D forţa începe să scadă, tensiunea reală creşte în continuare deoarece epruveta se gâtuieşte iar secţiunea acesteia scade rapid.

3.4. Alungirea la rupere Probele, după cum am văzut, prezintă pe zona calibrată două repere între care se consideră lungimea iniţială L0 . Această lungime se alege funcţie de diametrul probei d0 astfel încât raportul n= L0/ d0 numit factor dimensional să aibă valoarea 5 sau 10.

)1()1(

11

)(

0

0

0

0

00

eReSF

SF

eS

LL

SS

LLSLSLS

+=+==

+=

Δ=

=

Δ−=⋅=⋅

σ

)1ln(

lnlnlnln0

0

0 00

e

LLL

LLLL

LdLL

+=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ+==−== ∫

ε

ε

(7)

(8)

Page 24: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R O P R I E T Ă Ţ I L E M E C A N I C E A L E M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

26

Fig.3.5. Curbe caracteristice a. convenţională, b. raţională

Alungirea la rupere se va simbolizează: A5 sau A10, indicele 5, respectiv 10 reprezentând valoarea factorului dimensional. Calculul alungirii la rupere se face cu relaţia:

3.5. Gâtuirea la rupere Notată cu Z, gâtuirea la rupere sau stricţiunea se calculează ca raport dintre diferenţa ariei secţiunii transversale iniţiale şi a secţiunii ultime respectiv a secţiunii în zona gâtuită după rupere şi aria secţiunii iniţiale a probei. Gâtuirea se exprimă în procente.

3.6. Duritatea Duritatea se defineşte ca rezistenţa pe care o opune materialul la acţiunea de pătrundere din exterior a unui corp dur numit penetrator. Metodele de determinare a durităţii se pot clasifica funcţie de forţa cu care se acţionează penetratorul în două categorii:

a. metode statice la care viteza de acţionare este sub 1mm/s şi care se deosebesc între ele în special prin forma penetratoarelor. Dintre aceste metode amintim: metoda Brinell, Rockwell, Vikers

b. metode dinamice • dinamico-plastice (metoda Poldi ) • dinamico-elastice (metoda Shore) •

3.6.1. Determinarea durităţii prin metoda Brinell Duritatea Brinell simbolizată HB (H de la englezescul hardeness, B de la Brinell) apărută la începutul secolului trecut permite determinarea durităţii metalelor netratate termic

[%]1000

0 ⋅−

=S

SSZ

[%]1000

05 ⋅

−=

LLLA (9)

(10)

Alungirea la rupere şi gâtuirea la rupere caracterizează plasticitatea materialului

Page 25: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R O P R I E T Ă Ţ I L E M E C A N I C E A L E M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

27

precum şi a aliajelor cu durităţi reduse şi medii. Metoda constă în imprimarea pe suprafaţa probei a unei bile din oţel cu diametrul D sub acţiunea unei forţe F. Duritatea se calculează ca raport dintre forţa F şi suprafaţa calotei sferice lăsată de penetrator pe probă (fig. 3.6.. Unde d este diametrul amprentei

Fig.3.6. Schema determinării durităţii prin metoda Brinell Deoarece încercarea presupune deformare plastică locală la rece două amprente succesive nu se vor face prea aproape de marginea probei sau prea aproape intre ele (a ≥ 2,5 d, b ≥ 4 d ) de asemenea proba trebuie să aibă o grosime suficient de mare pentru ca materialul să nu se ecruiseze pe întreaga secţiune a probei (H ≥ 8h). Determinarea diametrului d se face utilizând un dispozitiv optic numit lupa Brinell. Alegerea parametrilor încercării se face cu ajutorul standardelor, astfel funcţie de materialul probei şi a diametrului penetratorului standardul recomandă timpul de apăsare precum şi valoarea forţei.

3.6.2. Determinarea durităţii prin metoda Vickers Metoda similara cu cea prezentată mai sus utilizează un penetrator sub formă de piramidă dreaptă cu baza pătrat din, diamant. Denumirea vine de la firma care a construit pentru prima dată acest tip de aparate. Ca şi in cazul durităţii Brinell forţa F este aplicată lent asupra penetratorului (fig.3.7.)aşezat pe suprafaţa probei . Duritatea HV se calculează ca raport intre forţă şi aria suprafeţei laterale imprimată pe probă. În relaţia 13, d reprezintă media diagonalelor amprentei în mm iar F forţa de apăsare [N] Şi în cazul acestei încercări se are în vedere distanţa dintre amprente :a≥3d, b≥ 2.5d.

( )22

2

][

dDDDFHB

MPaSFHB

−−=

=

π (11)

Page 26: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R O P R I E T Ă Ţ I L E M E C A N I C E A L E M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

28

3.6.3. Determinarea durităţii prin metoda Rockwell Metoda apreciază duritatea prin măsurarea adâncimii de pătrundere a unui penetrator din diamant de formă conică (fig.3.10.) sau sferică din carburi dure sinterizate asupra căruia se aplică mai întâi o forţă mică F0(10 daN) pentru a aduce penetratorul în contact perfect cu materialul după care se aplică o forţă suplimentară F1 (150 daN)

HR=E-e, unde e=c-a

Fig.3.10. Schema determinării durităţii prin metoda Rockwell

Fig.3.9. Poziţia a două amprente succesive

Fig.3.7. Schema încercării Fig.3.8. Urmă lăsată de penetrator pe probă

][MPaSFHV = ][1891,0 2 MPa

dFHV = (12) (13)

Page 27: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R O P R I E T Ă Ţ I L E M E C A N I C E A L E M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

29

Se consideră un plan arbitrar ales la 0.2 mm în material: dacă penetratorul, sub acţiunea forţelor F0+F1 nu avansează deloc atunci duritatea este 100 HRC iar daca avansează 0.2 mm sau mai mult duritatea este 0 HRC. Această observaţie a permis gradarea scări unui ceas comparator (fig.3.11.)care urmăreşte deplasarea penetratorului direct în unităţi de duritate Rockwell. Ca şi la duritatea Brinell se are în vedere distanţa dintre două amprente succesive (fig.3.12.) b=3 mm.

3.7. Rezilienţa Determinarea rezilienţei, considerată ca raport între energia consumată pentru ruperea unei probe şi secţiunea acesteia, se face printr-o încercare dinamică la încovoiere. Încercarea este cunoscută ca încercarea la încovoiere prin şoc. Instalaţia (fig.3.13.) este de fapt, un pendul gravitaţional care poartă numele de ciocanul pendul Charpy. Energia potenţială pe care o dezvoltă poate fi de 150 J sau 300 J funcţie de pendulul care se montează. Energia consumată pentru ruperea probei se calculează cu relaţia:

W=G(H-h) [J] şi poate fi citită direct pe cadranul aparatului. Probele prezintă o crestătură în u sau v (fig.3.14) şi sunt rupte dintr-o singură lovitură aplicată pe faţa opusă crestăturii. Dacă se utilizează o probă cu crestătură în u rezilienţa notată KCU se calculează cu relaţia: unde: W este energia consumată pentru ruperea probei şi se citeşte pe cadranul aparatului iar

]/[ 2

0

cmJSWKCU =

Fig.3.11. Vedere frontala unui duritmetru Rockwell

Page 28: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R O P R I E T Ă Ţ I L E M E C A N I C E A L E M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

30

S0 este suprafaţa exprimată în centimetri a secţiunii din dreptul crestăturii. Dacă se utilizează epruvete cu crestătură în v atunci rezilienţa va fi:

KV=W [J] Unde W este energia citită pe cadranul aparatului.

Lungimea l a epruvetelor este de55 mm. Epruvetele normale au secţiunea 10x10 mm, înălţimea b este întotdeauna 10 mm dar lăţimea poate fi diferită, se pot confecţiona astfel epruvete înguste a având valoarea de 7.7 sau 5 mm. De asemenea la epruvetele cu crestătură în u adâncimea h poate varia (2,4,sau 5mm). Simbolizarea rezultatelor încercării va ţine cont de tipul epruvetei folosite. Astfel KCU 150/2/5 = 135J arată că încercarea s-a făcut cu un ciocan cu W0 150 J pe o epruvetă cu crestătura în u cu adâncimea h 2 mm şi lăţime de 5mm.

Fig.3.14. Epruvete pentru încercarea la încovoiere prin şoc a. epruvetă cu crestătură în u, b. epruvetă cu crestătură în v

Dacă s-ar fi utilizat un pendul de 300 J şi o epruvetă

normală atunci simbolul ar conţine doar valoarea adâncimii crestăturii: KCU 2 = 135 J Pentru indicarea rezilienţei pe o epruvetă cu crestătură în v (energia consumată pentru ruperea probei) se foloseşte simbolul KV urmat de valoarea W0 exprimată de data aceasta în daJ şi lăţimea b a probei. De exemplu KV 15/5= 70 J dacă încercarea se face pe probe normale cu un pendul de 30 J simbolizarea se simplifică: KV = 70 J.

Fig.3.13. Pendulul gravitaţional Charpy

Page 29: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R O P R I E T Ă Ţ I L E M E C A N I C E A L E M A T E R I A L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

31

3.8. Rezumat Încercările de duritate, tracţiune şi încovoiere prin şoc ne dau o imagine destul de fidelă asupra proprietăţilor mecanice ale materialelor

Răspunsuri la întrebări: 1ac, 2b, 3b, 4b, 5b

Test de autoevaluare Întrebări 1. Care este dilema între proiectare şi fabricaţie ţinând seama de

proprietăţile mecanice? 2. Care este diferenţa între alungirea absolută şi alungirea relativă la

încercarea la tracţiune? 3. Definiţi tensiunea convenţională R. În ce se exprimă aceasta? 4. Definiţi legea lui Hooke. 5. Definiţi limita de proporţionalitate, limita de elasticitate tehnică,

limita de curgere şi limita de rupere. 6. Definiţi alungirea la rupere şi gâtuirea la rupere. 7. Definiţi duritatea Brinell. 8. Definiţi duritatea Rockwell. 9. Definiţi duritatea Vickers. 10. Definiţi rezilienţa. Specificaţi diferenţa dintre KV şi KCU Chestionar cu răspunsuri multiple

1. Care sunt cele trei tipuri de solicitări la care poate fi supus un material?

a) compresiune, b) curgere, c) forfecare, d) reducerea secţiunii, e) tracţiune, f) duritate. 2. Care dintre următoarele definiţii este corectă? a) rezistenţa la rupere este dată de punctul care face trecerea dintre comportarea elastică şi cea plastică, pe curba tensiune deformaţie, b) rezistenţa la rupere este dată de raportul dintre forţa maximă înregistrată în timpul încercării şi secţiunea iniţială a probei, c) raportul dintre forţa maximă înregistrată la ruperea probei şi secţiunea minimă a probei în zona gâtuirii. 3. Care dintre următoarele eforturi prezintă

valoarea maximă? a) tensiunea convenţională, b) raţională. 4. Zona de curgere a materialului prezintă o

proporţionalitate între tensiune şi deformaţie. a) adevărat, b) fals. 5. Care dintre următoarele materiale au duritatea

mai mare? a) aluminiul, b) diamantul, c) titanul, d) wolframul.

Page 30: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

M A T E R I A L E U T I L I Z A T E Î N I N G I N E R I E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

32

CAPITOLUL 4 MATERIALE UTILIZATE ÎN INGINERIE

4.1. Obiective

În acest capitol identifica principalele materiale utilizate în industrie. Acestea se pot clasifica în trei categorii de bază: metale, materiale ceramice, polimeri. Fiecare dintre aceste materiale prezintă caracteristici chimice, fizice şi mecanice, specifice, precum şi procese de prelucrare diferite pentru a fi transformate în produse finale. În afară de categoriile de bază amintite mai sus mai putem vorbi şi de o treia categorie - materiale compozite. Sunt trei tipuri de bază (fig. 4.1.) de materiale compozite: compozite - metal-ceramice, ceramice – polimeri şi metale – polimeri.

Fig.4.1. Celor trei tipuri de materiale şi materiale compozite

4.2. Metalele În general materialele metalice utilizate în industrie se regăsesc sub forma unor aliaje. Aliajele sunt formate din amestecuri de două sau mai multe elemente din care cel puţin unul este metal. Putem vorbi astfel de două categorii de metale: feroase şi neferoase. Metale feroase – Metalele feroase sunt nişte aliaje care au ca bază fierul. Aceasta categorie de materiale formată din oţeluri şi fonte, constituie grupul de materiale comerciale cel mai important având o pondere de trei pătrimi din totalul metalului utilizat astăzi în lucru. Astfel, deşi fierul pur are o utilizare comercială restrânsă, aliat cu carbonul prezintă cea mai mare valoare comercială, superioară oricărui metal.

4.2.1.Oţelul Oţelul reprezintă categoria cea mai importantă din

grupul metalelor feroase şi se poate defini ca un aliaj al fierului

Page 31: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

M A T E R I A L E U T I L I Z A T E Î N I N G I N E R I E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

33

cu carbonul, carbonul aflându-se în limitele a 0,02% până la maxim 2,11%. Compoziţia chimică a oţelului include frecvent şi alte elemente precum: manganul, cromul, nichelul, molibdenul, pentru îmbunătăţirea proprietăţilor metalului. Oţelul are aplicaţii în cele mai diverse domenii: construcţii civile – poduri, structuri în transporturi – camioane, căi ferate, material rulant pentru transportul feroviar, producţia de bunuri de larg consum (automobile, aparate electrocasnice). Motivele care stau la baza popularităţii oţelurilor sunt: o bună rezistenţa mecanica, cost relativ scăzut comparativ cu celelalte metale, prelucrarea cu uşurinţă în cele mai variate procese de prelucrare.

Clasificarea oţelurilor După destinaţie, oţelurile carbon se clasifică în oţeluri de

construcţie, pentru scule şi cu destinaţie specială. Pot fi livrate în stare turnată sau laminată, cu sau fără tratament termic final. Simbolizarea lor exprimă destinaţia, tehnologia de prelucrare, caracteristicile mecanice sau conţinutul în carbon.

Oţelurile nealiate turnate pentru construcţii mecanice de uz general, prevăzute în SR ISO 3755:1995, se prezintă în anexa1 (tabelul 4.1), în corespondenţă cu mărcile din STAS 600-82. Sunt oţeluri hipoeutectoide, care se livrează în stare recoaptă, după normalizare şi detensionare sau după normalizare, călire şi revenire.

Oţelurile de uz general şi calitate pentru construcţie, conform SR EN 10025+A1: 1994, cuprind mărcile de oţeluri destinate fabricării produselor laminate la cald, sub formă de laminate plate şi bare forjate, pentru construcţii mecanice şi metalice. Sunt oţeluri hipoeutectoide, care se livrează cu diferite clase de calitate şi grade de dezoxidare. Sunt cele mai ieftine oţeluri, cu o largă utilizare, fără alte deformări plastice la cald sau tratamente termice. Sunt uşor prelucrabile prin aşchiere, sudabile, cu capacitate de deformare plastică la rece. În anexa1 (tabelul 4.2) sunt indicate mărcile prevăzute în acest standard, cu mărcile corespondente din STAS 500/2-80 şi principalele domenii de utilizare. Mărcile de oţeluri se simbolizează prin litera S - oţelul de construcţie şi prin litera E – oţelul pentru construcţii mecanice, urmată de trei cifre, care reprezintă valoarea minimă a limitei de curgere exprimată în N/mm2 pentru grosimi ≤ 16mm, urmată de clasa de calitate şi gradul de dezoxidare. Sunt prevăzute patru clase de calitate, care garantează:

- JR - caracteristicile de tracţiune, de îndoire la rece şi valoarea minimă a energiei de rupere determinată la încercarea de încovoiere prin şoc la 20˚C;

- JO - valoarea minimă a energiei de rupere este determinată la încercarea de încovoiere prin şoc la 0˚C;

Page 32: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

M A T E R I A L E U T I L I Z A T E Î N I N G I N E R I E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

34

- J2, K2 - valoarea minimă a energiei de rupere determinată la încercarea de încovoiere prin şoc la -20˚C, cu diferenţă de valoare a energiei de rupere;

- G1 – oţeluri necalmate; - G2 - oţeluri cu altă stare decât cea necalmată; - G3, G4 – cu alte caracteristici garantate (sudabilitate, etc).

Clasa de calitate JR este pentru oţel de uz general, iar clasele JO, J2 şi K2 sunt pentru oţeluri de calitate. Gradul de dezoxidare se notează: FU- oţeluri necalmate, FN- calmate şi FF- calmate suplimentar cu Al. Exemplu: S235 J2G3, FF SR EN 10025+A1: 1994.

Oţelurile de calitate nealiate de cementare, prevăzute în SR EN 10084:2000, sunt prezentate în anexa 1 (tabelul 4.3)., în corespondenţă mărcile din STAS 880-88. Sunt oţeluri de calitate superioare, care conţin sub 0,18%C, max. 0,045%P, 0,020-0,045%S. Se supun îmbogăţirii superficiale în carbon, urmată de călire şi revenire joasă, pentru obţinerea unui strat superficial dur şi rezistent la uzură, asociat unui miez tenace. Simbolizarea cuprinde litera C urmată de două cifre care reprezintă conţinutul mediu în carbon în sutimi de procent, urmate de litera E (dacă sunt oţeluri superioare cu conţinut redus de S şi P) sau de litera R (dacă conţinutul de S este controlat). Exemplu: C10E SR EN 10084:2000.

Oţelurile de calitate nealiate pentru călire şi revenire, prevăzute în SR EN 10083-2:1995, se prezintă în tabelul 4.4. în corespondenţă cu STAS 880-88. Sunt oţeluri de calitate şi superioare, care conţin 0,17-0,65%C, max. 0,045%P, 0,020-0,045%S. Se supun îmbunătăţirii (călire şi revenire înaltă), pentru obţinerea unor piese cu rezistenţă mecanică şi tenacitate ridicate. Simbolizarea cuprinde o cifră, care indică clasa de calitate, urmată de litera C şi de două cifre, care reprezintă conţinutul mediu în carbon în sutimi de procent. Sunt prevăzute 3 clase de calitate: 1 pentru oţelurile carbon de calitate; 2 pentru oţelurile carbon de calitate superioare, cu conţinut redus de sulf şi fosfor; 3 pentru oţelurile superioare, cu conţinut de sulf controlat. De exemplu: 1 C 45 SR EN 10083-2:1995. Aceste oţeluri se livrează în stare: netratată (simbol TU); cu tratament pentru îmbunătăţirea prelucrabilităţii (TS), înmuiată (TA), normalizată (TN), călită şi revenită (TQ+T).

Oţelurile carbon pentru scule, conform STAS 1700-90, cuprind oţeluri prelucrate prin deformare plastică la cald sau la rece sub formă de produse laminate, forjate şi trase, cojite sau şlefuite destinate confecţionării sculelor. Sunt oţeluri care conţin 0,65-1,24%C, folosite cu tratamentul termic final de călire şi revenire joasă. După călire, ating duritatea superficială 60-62HRC. Sunt oţeluri cu călibilitate redusă, pentru că numai sub 10mm diametru se călesc complet în volum, între10-15mm diametru călirea este superficială în limita a 5mm, iar peste

Page 33: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

M A T E R I A L E U T I L I Z A T E Î N I N G I N E R I E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

35

50mm diametru se călesc în limita a 2mm. Stabilitatea termică a structurii este limitată de temperatura de revenire la 150-200˚C. Mărcile şi domeniile de utilizare sunt prezentate în anexa1 (tabelul 4.5.)

Oţelurile carbon pentru scule se simbolizează cu grupul de litere OSC (O-oţel carbon; S-scule; C-de calitate), urmat de una sau două cifre, care indică conţinutul de carbon exprimat în zecimi de procent. În cazul unui conţinut mărit în mangan, se adaugă litera M. Exemplu: OSC 8M STAS 1700-90.

4.2.2.Fonta Fonta este de asemenea un aliaj al fierului cu carbonul

(2 ÷ 4%C) utilizat în general în turnătorii. În acest aliaj întâlnim Si în proporţie de 0,5 ÷ 3% şi frecvent alte elemente cu rol de ameliorare a proprietăţilor pe care produsul final le reclamă. Fontele se clasifică în două mari categorii: fonte albe şi fonte cenuşii. Fontele albe prezintă carbonul legat sub formă de cementită (Fe3C), sunt foarte dure şi fragile şi se utilizează pentru cilindri de laminor, alice pentru sablare sau bile pentru agregatele de măcinare. Fontele cenuşii cristalizează în sistemul stabil fier – grafit. Carbonul este deci prezent în fontă sub formă de grafit ceea ce dă aspectul cenuşiu al acestor fonte în spărtură. După natura masei metalice fontele cenuşii se clasifică în: fonte cenuşii feritice în care alături de grafit lamelar masa metalică este ferită, ferito - perlitice (grafit, ferită şi perlită), perlitice, cementitice sau pestriţe şi fosfroase. După forma grafitului fontele cenuşii pot fi: fonte cenuşii cu grafit lamelar, fonte cenuşii modificate cu grafit vermicular sau cu grafit nodular şi fonte cenuşii maleabile sau cu grafit de recoacere. Modificarea fontelor este un proces de schimbare a condiţiilor de solidificare a grafitului prin introducerea în fonta lichidă a unei cantităţi de circa 2% din masa de fontă a unor elemente numite modificatori: magneziu, calciu, bariu, crom, cupru, staniu etc.

Clasificarea fontelor Fontele cenuşii cu grafit lamelar (obişnuite sau

modificate) turnate în piese sunt prevăzute în standardul SR EN 1561:1999 (tabel 4.6.). Fontele cenuşii cu grafit lamelar sunt caracterizate fie prin rezistenţa la tracţiune, pe probe turnate separate sau ataşate la piesă, fie prin duritatea Brinell pe suprafaţa piesei turnate. Mărcile de fontă cenuşie se simbolizează prin gruparea de litere EN-GJL, urmată de rezistenţa la tracţiune minimă garantată sau duritatea Brinell maximă admisă. De exemplu: EN-GJL-150 sau EN-GJL-HB 175 SR EN 1561:1999.

Proprietăţile fontelor se corelează cu masa metalică, dimensiunile şi forma grafitului. Fonta de rezistenţa minimă 100N/mm2 are masa metalică feritică şi separări grosiere de grafit. Creşterea rezistenţei minime peste 200N/mm2 este

Aliaj premergător oţeluluifonta are maxim 6.67%C

Page 34: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

M A T E R I A L E U T I L I Z A T E Î N I N G I N E R I E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

36

asigurată de masa perlitică şi separări fine de grafit. Rezistenţe peste 300N/mm2 se obţin prin modificare. Rezistenţa la tracţiune şi duritatea Brinell scad cu creşterea grosimii de perete a piesei care se toarnă. Utilizările fontelor cenuşii sunt determinate de proprietăţile acestora: rezistenţă la uzură (batiurile maşinilor unelte, axe, roţi dinţate, cilindri de la motoare Diesel); rezistenţă la coroziune şi refractaritate (creuzete de topire a metalelor, ţevi de eşapament la camioane);capacitate de amortizare a vibraţiilor (plăci de sprijin a fundaţiilor, batiuri); rezistenţă la şoc termic (lingotiere); tenacitate (volanţi, batiurile motoarelor Diesel); compactitate şi rezistenţă la coroziune (cilindri la compresoare şi pompe, organe de maşini ce lucrează la presiuni mari); compactitate (blocul motor la tractoare, automobile, tamburi de frână, discuri de ambreiaj, chiulasa motoarelor Diesel)

Fontele modificate cu grafit vermicular turnate în piese sunt prevăzute în STAS 12443-86 Anexa1 (tabelul 4.7.). Se simbolizează prin grupul de litere Fgv urmat de rezistenţa la tracţiune minimă garantată. Exemplu Fgv 300 STAS 12443-86. Sunt fonte cu rezistenţa mecanică şi rezistenţă la temperaturi ridicate superioare fontelor cu grafit lamelar, cu fragilitate scăzută, care le recomandă la fabricaţia roţilor dinţate, corpurilor de pompe hidraulice, arborilor cotiţi.

Fontele cu grafit nodular (sau sferoidal) turnate în forme din amestec clasic sunt clasificate în SR EN 1563:1999 în funcţie de caracteristicile mecanice ale materialului, rezultate din încercarea de tracţiune şi încovoiere prin şoc mecanic sau prin încercarea de duritate Brinell.

În tabelul 4.8. se prezintă clasificarea fontelor după caracteristicile mecanice rezultate din încercarea de tracţiune şi încovoiere prin şoc mecanic.

Simbolizarea alfanumerică a fontelor este alcătuită din grupul de litere EN-GJS - rezistenţa la tracţiune minimă Rm în N/mm2- alungirea la rupere A în %. Dacă se garantează energia de rupere prin şoc mecanic KV, atunci se adaugă grupul de litere LT-la temperatură scăzută sau RT-la temperatura ambiantă. Exemplu: EN-GJS-350-22-LT SR EN 1563:1999. Dacă caracteristicile mecanice se determină pe epruvete prelucrate din probe ataşate, după valoarea alungirii la rupere, se adaugă litera U. Exemplu: EN-GJS-500-7U SR EN 1563:1999.

În anexa 1 (tabelul 4.9.) se prezintă mărcile de fontă caracterizate prin încercarea de duritate. Simbolizarea alfanumerică conţine în acest caz după grupul de litere EN-GJS-HB valoarea durităţii Brinell. Exemplu: EN-GJS-HB 130 SR EN 1563:1999. În SR EN 1564:1999 anexa1 (tabelul 4.10) se prezintă clasificarea fontelor cu grafit nodular bainitice de înaltă rezistenţă, în funcţie de caracteristicile mecanice determinate pe epruvete prelevate din probe turnate separate.

Page 35: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

M A T E R I A L E U T I L I Z A T E Î N I N G I N E R I E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

37

Utilizarea fontelor cu grafit nodular este în corelaţie cu proprietăţile: rezistenţă la uzură (arbori cotiţi pentru motoare de automobile şi motoare Diesel, segmenţi de piston, piese pentru turbine, roţi dinţate, saboţi de frână, cilindri de laminor semiduri); refractaritate (lingotiere); rezistenţă la coroziune (armături, conducte de apă subterană, tubulatură pentru canalizări); rezistenţă mecanică (utilaje miniere, corpuri de compresoare)

Fontele maleabile sunt clasificate în standardul SR EN 1562:1999, în funcţie de caracteristicile mecanice rezultate din încercarea de tracţiune anexa1 (tabelul 4.11). Se diferenţiază fonta maleabilă cu inimă albă (decarburată) şi fonta maleabilă cu inimă neagră (nedecarburată).

Simbolizarea alfanumerică a fontelor maleabile cu inimă albă cuprinde grupul de litere EN-GJMW, urmat de rezistenţa la tracţiune Rm minimă în N/mm2 şi alungirea la rupere A în %. De exemplu: EN-GJMW-350-4 SR EN 1562:1999. Simbolizarea fontelor maleabile cu inimă neagră cuprinde grupul de litere EN-GJMB. De exemplu: EN-GJMB-300-6 SR EN 1562:1999. Aplicaţiile fontei maleabile cu inimă albă sunt limitate, deoarece se obţin printr-un procedeu mai complicat, se pretează mai puţin la producţia de serie, grosimea pereţilor pieselor este limitată, iar durata tratamentului de decarburare creşte cu grosimea pereţilor. Costul este ridicat. Se pretează la piese mici şi subţiri, dar tendinţa este de a fi înlocuită cu fonta maleabilă cu inimă neagră sau aliaje sinterizate. Principalul avantaj al acestei fonte este sudabilitatea, datorată absenţei grafitului în straturile superficiale. Se foloseşte pentru piese mici de racord la montarea cadrelor de bicicletă, radiatoare pentru încălzire centrală, etc.

Fonta maleabilă cu inimă neagră feritică are o largă aplicaţie în industria automobilului (cutia diferenţialului, suportul fuzetelor, cutia de direcţie, pedala de frână, pedala de ambreiaj, etc) şi al maşinilor agricole. Sunt piese cu forme complexe, rezistenţă ridicată, cu suficientă tenacitate şi ductilitate.

Fonta maleabilă cu inimă neagră perlitică, are rezistenţa la rupere peste 450N/mm2. Se foloseşte pentru piese mai compacte, supuse la uzură abrazivă, cum sunt roţile şi coroanele dinţate, pinioanele. Mărcile cu rezistenţa la rupere 700-800N/mm2 sunt tratate termic prin călire în ulei şi revenire. Metale neferoase Metalele neferoase cuprind ale elemente metalice şi aliaje, aliajele având ponderea cea mai mare comparativ cu metalele pure. Materialele neferoase inclus metale şi aliaje pure de: aluminiu, cupru, magneziu, nichel, staniu, titan, zinc şi alte metale.

Page 36: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

M A T E R I A L E U T I L I Z A T E Î N I N G I N E R I E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

38

Cel mai uşor de procesat este aluminiul iar cel mai dificil nichelul şi titanul.

4.3. Ceramicele Un material ceramic se defineşte ca un compus care conţine elemente metalice (sau nemetalice) precum şi nemetale. Elementele nemetalice sunt: oxigenul, azotul şi carbonul. Materialele ceramice prezintă o mare varietate de materiale tradiţionale şi moderne. Între materialele tradiţionale care se utilizează de mii de ani se află argila, din abundenţă în scoarţa terestră, compusă din particule fine de silicaţi hidrataţi de aluminiu şi ale minerale, şi utilizându-se pentru obţinerea vaselor din ceramica. Alte materiale ceramice tradiţionale: silicea nisipul SiO2 – utilizat în procesul de fabricaţie a sticlelor, alumina Al2O3 şi carbura de siliciu, două materiale abrazive utilizate la obţinerea sculelor abrazive. Materialele ceramice moderne pot include unul din materialele ceramice tradiţionale, de exemplu: alumina (Al2O3) ale cărei proprietăţi sunt îmbunătăţite prin nişte procedee de prelucrare moderne. Materialele ceramice avansate includ carburi metalice, precum carbura de tungsen, carbura de titan, nitruri metalice şi semimetalice precum nitrura de titan, bor, etc. Putem clasifica materialele ceramice astfel: - ceramice cristaline; - sticle. Materialele metalice cristaline se obţin prin diferite procedee, plecând de la pulberi care se sinterizează ulterior respectiv se încălzesc la o anumită temperatură la care unul din componenţi se topeşte înglobând celelalte elemente aranjându-le la răcire. Sticlele ceramice se obţin prin procedeu similar procesului de obţinere a sticlei.

4.4.Polimerii Un polimer este compus format prin repetarea unor unităţi chimice structurale în care atomii pun în comun electroni formând astfel molecule foarte mari. Polimerii în general sunt constituiţi pe bază de carbon şi alte elemente chimice precum: hidrogenul, azotul, oxigenul, clorul. Polimerii se împart în trei categorii: - polimeri termoplastici – aceşti polimeri pot fi supuşi unor cicluri repetate de încălzire şi răcire fără a lise altera proprietăţile, respectiv structura moleculară. În această categorie includem: polietilena, polistirenul, clorura de polivinil şi nylonul. - polimeri termorigizi – aceste molecule se transformă chimic într-o structură rigidă la răcire. Din această categorie: răşinile fenolice, răşinile epoxidice, amino răşinile. - elastomerii – aceşti polimeri prezintă proprietăţi elastice importante de unde şi denumirea de elastomeri. Amintim: cauciucul natural, neoprenul, poliuretanul şi siliconicile.

Page 37: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

M A T E R I A L E U T I L I Z A T E Î N I N G I N E R I E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

39

4.5.Compozite Materialele compozite nu constituie realmente o categorie separată de materiale, ele fiind de fapt combinaţii ale celelalte tipuri de materiale. Un material compozit comun cu doua faze se obţine prin procesarea separata a celor doua faze care apoi se unesc, proprietăţile compozitului astfel obţinut fiind superioare, proprietăţilor celor două componente luate separat. Prin fază se înţelege acea masă de material omogen de exemplu agregat de grăunţi cu o structură identică – un metal. Structura uzuală unui material compozit este formată din particule sau fibre ale unei faze amestecată cu o fază secundară numită matrice. Compozitele pot fi întâlnite în stare naturală (de exemplu lemnul) dar de cele mai multe ori se produc sintetic. Această ultimă categorie este de fapt cea care ne interesează. Putem exemplifica: fibre de sticlă în matrice de polimer – plastic întărit cu fibre; fibre de polimer dintr-o anumită clasă într-o matrice constituită tot dintr-un polimer de exemplu epoxy – Kevlar; materiale ceramice în matrice metalică: precum carbura de tungsten) wolfram în matrice de cobalt. Proprietăţile materialelor compozite depind de componentele acestora precum şi de modul în care ele se îmbină pentru a forma materialul compozit. Unele materiale compozite prezintă o rezistenţa înaltă dublată de o greutate extrem de redusă şi sunt mult utilizate pentru realizarea componentelor avioanelor, caroserii auto, rachete de tenis şi beţe de undită. Alte materiale compozite sunt dure şi au capacitate de a-si menţine această proprietate la temperaturi înalte – exemplu fibrele de carbon cementat.

Test de autoevaluare 1. Care sunt principalele clase de

materiale? 2. Definiţi oţelurile. 3. Definiţi fontele. 4. Clasificaţi fontele. 5. Definiţi materialele ceramice. 6. Ce sunt polimerii? 7. Definiţi şi clasificaţi materialele

compozite.

Page 38: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

M A T E R I A L E U T I L I Z A T E Î N I N G I N E R I E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

40

4.6. Rezumat Metalele şi aliajele lor, ceramicele şi polimerii sunt trei clase de materiale care prin combinaţiile lor dau materialele compozite. Aceste împreună cu materialele de bază acoperă marea majoritate a aplicaţiilor inginereşti.

Răspunsuri la întrebări: 1a, 2a, 3c, 4abc, 5c

Chestionar cu răspunsuri multiple 1. Care este conţinutul de carbon care

face trecerea de la oţeluri la fonte? a) 2,11 b) 6.67 c) 3.4 d) 0.77 2. Care dintre următoarele minerale

conţin aluminiu în cantitate maximă? a) alumina b) bauxita c) corindonul d) cuarţul e) arsenul 3. Materialele ceramice pot fi: a) cristaline b) amorfe c) ambele răspunsuri sunt corecte 4. Care sunt principalele clase de

polimeri? a) termoplastici b) termorigizi c) elastomeri d) nici un răspuns nu este corect 5. În care clasă de materiale încadraţi

lemnul? a) metal b) ceramic ) it

Page 39: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

41

CAPITOLUL5 PRELUCRAREA MATERIALELOR METALICE

5.1. Obiective In acest capitol îţi voi prezenta procesele tehnologice care conduc la obţinerea materialelor metalice feroase şi neferoase plecând de la minereu dar şi principalele tehnologii de prelucrare a acestora precum turnarea, prelucrarea prin deformare plastică şi asamblare.

5.2. Obţinerea materialelor metalice 5.2.1. Minereurile şi prelucrarea lor

În natură metalele se por găsi în stare pură cel mai adesea însă ele se găsesc sub formă de compuşi chimici cu oxigenul, sulful, carbonul, siliciul (oxizi, carbonaţi, sulfuri, silicaţi). Minereul se defineşte ca un conglomerat de minerale în care unul sau mai multe metale se găsesc în cantităţi suficient de mari astfel încât să poată fi extrase economic. Minereurile se compun deci dintr-o parte utilă (sulfuri, oxizi, halogenuri, etc.) pe care o vom numi în continuare simplu utilul şi o parte sterilă – sterilul format din cuarţ, calcită, feldspaţi etc. Minereurile pot fi mono sau polimetalice, feroase sau neferoase. În tabelul 5.1. prezentăm câteva exemple de minerale feroase şi neferoase cu compoziţia chimică şi denumirea lor.

Tabelul 5.1. Pentru a creşte eficienţa procesului de extracţie a metalelor, minereurile se supun unor operaţii de prelucrare care au drept scop: creşterea cantităţii de util prin îndepărtarea cât mai avansată a sterilului, aducerea minereurilor la forme şi dimensiuni precum şi proprietăţi mecanice proprii proceselor de

Mineralul Compoziţia chimică Denumirea Observaţii

Minerale de fier Oxizi anhidri Oxizi hidrataţi Carbonaţi Clorite ferice Sulfuri

(Fe3O4) oxid feric (Fe2O3) oxid feros (2Fe2O3 3H2O (FeCO3) (3FeOAl2O3SiO23 H2O) (FeS)

Magnetit Hematit Limonit Siderit Chamozit Pirita

72.4%Fe,negru , proprietăţi magnetice 70% Fe, culoare roşiatică 63%Fe, culoare galbenă 48.2%Fe 33%Fe

Neferoase Minerale de Cupru Oxizi Sulfuri Minerale de aluminiu

(Cu2O) (CuO) (Cu2S) (Al2O3) (Al2O3 H2O) (Al2O3 3H2O)

Cuprit Tenorit Covelina Corindon Boehmitul Hidralgiritul

70.8%Cu 79.9%Cu 66,4% Cu 100%Al2O3 85%Al2O3 65.4%Al2O3

Page 40: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

42

extracţie ulterioare şi aducerea mineralelor la nişte combinaţii chimice uşor de redus ulterior. Prepararea minereurilor presupune parcurgerea următoarelor etape: preparare mecanică, concentrare, calcinare, aglomerare (fig.5.1.).

Fig.5.1. Etapele preparării minereurilor

Sfărâmarea are rolul de a aduce mineralele care compun minereul la nişte dimensiuni cerute. Sfărâmarea se realizează cu ajutorul concasoarelor cu fălci (fig.5.2.) până la dimensiuni de 20 - 30 mm, dimensiuni mai mici se obţin cu ajutorul concasoarelor conice. Sfărâmarea minereului în concasoarele cu fălci se face între o placă de presiune (3) şi o placa fixă (4). Placa de presiune este fixată pe un braţ oscilant (2). Mişcarea de oscilaţie se obţine prin prinderea excentrică e braţului pe un volant (1) acţionat, în mişcare de rotaţie. După concasare minereul este sortat granulometric pe un grup de site vibratoare numite ciururi cu scopul de a obţine cantităţi suficient de mari de minereu cu aceeaşi dimensiune. Omogenizarea este următoarea operaţie de preparare mecanică care este necesară atunci când se lucrează cu minereuri provenind din surse diferite, cu diferite concentraţii de mineral util. La volume mari de minereu, omogenizarea se realizează gravitaţional cu ajutorul unor benzi transportoare care lansează simultan din acelaşi punct calităţi diferite de minereu.

Fig.5.2. Concasor cu fălci

Page 41: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

43

Măcinarea se face după omogenizare deoarece dimensiunile diferitelor calităţi de minereu pot fi diferite. Uzuale sunt morile cu bile care aduc particulele de minereu sub 0.3, 0.5 mm. Concentrarea este procesul prin care se urmăreşte creşterea concentraţiei utilului prin îndepărtarea forţată a sterilului. Concentrarea se face prin spălare, zeţare, flotaţie sau separare magnetică. Spălarea utilizează un curent de apă pentru îndepărtarea nisipului, argilei sau a părţii pământoase din minereu. Zeţarea este un proces similar cu spălarea doar că de această dată fluxul de apă are o acţiune pulsatorie alternativă, sterilul mai uşor decât utilul fiind antrenat de fluxul ascendent de apă şi evacuat prin supraplin (fig.5.3.) Flotaţia minereurilor este procesul prin care particulele de minereu de data aceasta mai uşor decât sterilul aderă la suprafaţa unor bule de gaz obţinute prin agitare mecanică (fig.5.4.) sau prin suflare. Bulele încărcate cu particule de minereu se colectează la suprafaţa celulei de flotaţie sub forma unei spume bogată în util, sterilul rămânând pe fundul celulei. Spuma aceasta este colectată decantată şi filtrată şi în final este supusă uscării pentru îndepărtarea ultimei cantităţi de apă. Concentrarea magnetică se aplică minereurilor care prezintă o diferenţă de permeabilitate magnetică între util şi steril de exemplu în cazul magnetitei.

Fig.5.5. Schema separării magnetice

Fig.5.3. Celulă de zeţaj 1. supraplin, 2. minereu depus pe o sită metalică,3. piston cu acţiune pulsatorie

Fig.5.4. Celulă de flotaţie 1. spumă, 2. agitator mecanic,3. bule de aer

la care aderă particule de mineral util

Creşterea cantităţii de util se face prin îndepărtarea sterilului

Page 42: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

44

Minereul aflat în buncărul 1 (fig.5.5.) este dozat pe o bandă transportoare care are prevăzut în rola de întoarcere un miez magnetic pe care este aşezată înfăşurarea 3 alimentată în curent alternativ. Se creează un câmp magnetic care face ca particulele magnetice din minereu să rămână mai mult timp în contact cu banda transportore. Traiectoriile celor două tipuri de particule – util (4) steril (5) devin diferite realizându-se în acest fel separarea.

Calcinarea se face în cuptoare specializate unde sub acţiunea căldurii are loc eliminarea substanţelor volatile precum şi evaporarea apei. În minereurile sulfuroase calcinarea poate fi oxidantă (1) sau sulfatizantă (2):

2MeS+ 3O2→2MeO+SO2+Q (1) MeS+2 O2→MeSO4+Q (2)

Pot fi supuse calcinării şi minereurile care conţin carbonaţi:

MeCO2→MeO +CO2 (3) Aglomerarea este procesul de preparare a minereurilor în care o masă pulverulentă obţinută în etapele anterioare este adusă la anumite forme şi dimensiuni precum şi o anumită rezistenţă mecanică proprie proceselor de extracţie a metalului care urmează. Aglomerarea prin sinterizare se realizează prin dozarea pe o bandă de aglomerare (fig.5.6.) a următoarelor materiale: minereu, cocs, fondant, praf de furnal şi material pulverulent retur (7) de la banda de aglomerare. Amestecul acesta în prealabil umezit şi uniform nivelat pe banda de aglomerare este aprins cu ajutorul unui cuptor de aprindere (3). De remarcat că banda de aglomerare este realizată într-o construcţie specială din elemente metalice asamblate sub forma unui grătar flexibil astfel încât să permită întoarcerea pe rolele de acţionare şi întoarcere de la capetele benzii. De fapt cel care se aprinde este cocsul care este în proporţie de 6 – 10% în amestecul de aglomerat. Căldura degajată conduce la disocierea carbonaţilor şi a oxizilor hidrataţi precum şi reducerea Fe2O3 la Fe3O4. Dar totodată are loc o reacţie în fază solidă, deosebit de interesantă şi anume la contactul oxidului de fier cu SiO2 predominant în sterilul din minereu ia naştere un compus numit faialită (4)cu punct de topire relativ scăzut (1000- 1200 0C) care asigură lierea particulelor de aglomerat pulverulent.

2Fe3O4+3SiO2→3(FeO)2 SiO2+2CO (4)

Arderea se menţine pe lungimea benzii de aglomerare prin stabilirea unui curent de aer prin stratul de aglomerat cu ajutorul unor hote de aspiraţie (8).

La răcire faialita se transformă într-o masă sticloasă care asigură rezistenţa mecanică necesară minereului aglomerat. Masa rigidă de aglomerat se sparge în bucăţi mari

Procesul de extracţiedecurge normal dacamaterialele au o anumitărezistenţă mecanică şianumite dimensiuni

Page 43: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

45

prin greutate proprie la capătul benzii dar pentru a aduce aglomeratul la dimensiunile necesare banda de aglomerare este prevăzută cu un dispozitiv rotativ (4). Aglomeratul este apoi cernut pe nişte ciururi vibratoare şi preluat pe o bandă transportoare (6). Praful este preluat de banda transportoare (7).

Fig.5.6. Bandă de aglomerare

Aglomerarea prin peletizare presupune obţinerea unor sfere la cald cu sau fără liant. O metodă de obţinere a peletelor este şi umezirea prin picurare a materialului de aglomerat care se află într-un recipient înclinat în mişcare de rotaţie. Picătura de apă asigură lierea particulelor pulverulente care încep să se rostogolească mărindu-şi astfel diametrul. Sferele astfel obţinute sunt supuse unui proces de calcinare.

Aglomerarea prim brichetare presupune presarea pulberii de aglomerat în forme metalice.

5.2.2. Elaborarea fontei Procesele de elaborare au drept scop obţinerea metalului din minereu. Fabricarea metalului pur sau a metalului industrial se face în două etape: elaborare primară urmată de elaborarea secundară (fig.5.7.).

Fig. 5.7.Schena fabricării metalelor feroase

Fonta se obţine prin elaborare primară într-un cuptor vertical închis – furnalul. După elaborarea primară fonta este supusă unui proces de afinare în care impurităţile sunt

Page 44: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

46

eliminate cu scopul de a obţine metalul industrial. Rafinarea produce o purificare avansată şi conduce la obţinerea metalului pur. Extragerea metalului din minereu se poate face prin trei metode: metode pirometalurgice, hidrometalurgice şi electrometalurgice. Metodele pirometalurgice utilizeză în procesul de elaborare căldura produsă de arderea unui combustibil, cele hidrometalurgice presupun dizolvarea metalului sub forma unui compus chimic în apă sau alte lichide, cele electrometalurgice utilizează efectele curentului electric. Fonta este un aliaj al fierului cu carbonul, conţinutul de carbon fiind cuprins, după cum s-a arătat, între 2.11 şi 6.67%. Obţinerea fontei se face prin procedee pirometalurgice în nişte cuptoare înalte care funcţionează cu suprapresiune în regim închis numite furnale. Căldura necesară procesului se obţine fie prin arderea unui combustibil (cocs metalurgic) fie prin utilizarea energiei electrice. Minereul de fier este introdus în furnal împreună cu fondanţii, cocsul şi aer drept comburant şi este redus la fier pur care ulterior este carburat la Fe3C- cementită. Alături de fontă în furnal se produce zgura de furnal şi gazul de furnal - un gaz combustibil. Cocsul metalurgic este un combustibil cu capacitate calorică ridicată ( 7000 kcal/kg ) şi care în urma arderii produce o cantitate mică de cenuşă (max. 10%). Cocsul se obţine prin carbonizarea la temperaturi ridicate în absenţa aerului, a cărbunilor superiori (huilă) în nişte agregate speciale numite baterii de cocsificare. Pe lângă puterea calorică mare cocsul trebuie să aibă şi o rezistenţă mecanică corespunzătoare proprie proceselor din furnal (180-250 MPa), conţinut de carbon de minim 86% iar conţinutul de sulf şi fosfor nu trebuie să depăşească 1% întrucât aceste elemente sunt considerate impurităţi în fontă. Fondanţii sunt nişte materiale care au rolul de a reacţiona cu sterilul rămas în minereu, respectiv cu cenuşa care rezultă din arderea cocsului şi să formeze zgura de furnal. Fondanţii pot fi acizi (pe bază de siliciu - gresie sau cuarţuri), bazici (pe bază de calciu şi magneziu), sau amfoteri (pe bază de aluminiu). Alegerea fondantului se face astfel încât reacţia steril – cenuşă – fondant să se desfăşoare cât mai uşor. Astfel dacă sterilul este acid fondantul va fi bazic. De fapt aceasta este situaţia cea mai frecventă iar fondanţii uzul utilizaţi în furnal sunt: calcarul sau piatra de var (CaCO3), varul nestins (CaO), sau dolomita (CaCO3 MgCO3). Comburantul respectiv oxigenul necesar arderii cocsului (circa 2-4 Nm3/kg fontă elaborată) se suflă în furnal prin nişte orificii numite guri de vânt cu ajutorul unor turbosuflante. Pentru a creşte productivitatea furnalului aerul este îmbogăţit de la 21% la 30% O2 cu oxigen industrial (95% O2) şi totodată

Pentru obţinerea fonteiavem nevoie de cocs,minereu, fondant şicomburant

Page 45: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

47

preîncălzit (900 – 1100 0C). Preîncălzirea aerului se face în nişte agregate numite recuperatoare Cowper (fig.5.8.).

Fig.5.8. Schema recuperatorului Cowper Cowperele prezintă o masă refractară (4) sub forma unor grătare refractare. Această masă refractară în primă fază este încălzită. Căldura provine de la arderea gazului de furnal adus prin conducta 3, aerul necesar arderii ajungând in recuperator prin conducta 2. Gazele arse trec printre grătarele refractare cedând căldura lor înainte de a fi evacuate la coş (6). Când temperatura masei refractare a ajuns la valoarea prescrisă aerul rece este introdus prin conducta 5 şi parcurge in sens ascendent grătarele refractare încălzindu-se. Aerul cald este condus către turbosuflante prin conducta 1. Timpul de încălzire al unui astfel de recuperator este dublu faţă de timpul de răcire, de aceea un furnal este prevăzut cu patru astfel de agregate. Două se încălzesc unul se răceşte iar cel de al patrulea este de rezervă.

Furnalul Furnalul este un cuptor vertical de dimensiuni mari circa 10 m diametru şi înălţimi de până la 35 m, din cărămidă refractară format din două trunchiuri de con (fig.5.9.) numite cuvă (4) şi etalaj (7) unite printr-o zonă cilindrică cu înălţime mică faţă de diametru - pântecele furnalului (5). La partea inferioară furnalul prezintă o altă zonă cilindrică - creuzetul (9). Toată construcţia se sprijină pe o fundaţie corespunzătoare. Grosimea zidăriei refractare variază de la o zonă la alta şi poate ajunge în unele zone până la 2 m. Susţinerea zidăriei se face cu o manta exterioară din tablă de oţel de cazane executată în construcţie sudată şi care are grosimea intre 15- 35 mm. Pe această manta sunt prevăzute la interior pene metalice care să conducă la răcirea zidăriei. Întreaga construcţie este susţinută cu stâlpi de rezistenţă şi este

Recuperatoarele cowperîncălzesc aerul necesarproceselor din furnal

Page 46: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

48

prevăzută cu platforme la diferite nivele pentru conducerea proceselor din furnal. La partea superioară se află aparatul de încărcare (2,3) care asigură totodată şi etanşarea furnalului. Aerul cald este adus în furnal prin nişte orificii practicate la partea superioară a creuzetului numite guri de vânt ( 11). Gurile de vânt sunt în număr impar si sunt construite din bronz fosforos protejate cu răcitoare tronconice cu apă. Alimentarea gurilor de vânt se face cu ajutorul conductei inelare (6) care înconjoară furnalul în dreptul etalajului. Creuzetul superior şi etalajul sunt răcite cu apă. La partea superioară creuzetul prezintă orificiul de evacuare a zgurii (10) la partea inferioară fiind practicat orificiul pentru evacuarea fonte (8). Perforarea şi astuparea acestor orificii se face cu ajutorul a două maşini speciale, una perforează cealaltă astupă orificiile prin injectarea unei mase ceramice refractare. Fonta lichidă respectiv zgura lichidă este condusă către recipientele de transport prin nişte jgheaburi refractare. Fig.5.9. Secţiune prin furnal (a), detaliu aparat de încărcare (b)

Încărcarea furnalului se face pe la partea superioară. Aparatul de încărcare (fig.5.9.b) este format din două conuri (conul mic 2, si conul mare 3) şi două pâlnii (15,16). Încărcarea se face cu ajutorul unor schipuri, câte două pentru fiecare

Page 47: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

49

furnal. Schipurile sunt acţionate pe un plan înclinat. Cel plin urcă cel gol coboară, întâlnirea lor realizându-se la jumătatea drumului. Pentru ca încărcarea furnalului să se facă uniform, pe secţiunea acestuia, încărcătura care ajunge pe conul mic este uniform distribuită cu ajutorul unui dispozitiv rotativ. Când pe conul mic s-a dozat o cantitate suficientă de material acesta coboară iar materialul cade pe conul mare. Operaţia se repetă până când pe conul mare se atinge masa prescrisă de material. În acest moment se deschide clapeta 1 , gazul de furnal este evacuat iar presiunea din furnal scade până la nivelul presiunii atmosferice condiţie în care conul mare poate coborî iar încărcătura ajunge în furnal. În furnal se desfăşoară un tranzit descendent de material solid şi un tranzit ascendent de gaze. Procese fizico-chimice în furnal Pe înălţimea furnalului deosebim patru zone termice: zona de preîncălzire (fig.5.10), zona de reducere, zona de carburare şi zona de topire. Pe toată înălţimea furnalului are loc reacţia de ardere a cocsului:

Fig.5.10. Zone termice în furnal Zona de reducere:

Fe2O3+CO→2Fe3O4+CO2 Fe3O4+CO →3FeO+CO2

FeO+CO →Fe+CO2 FeO+H2 →Fe+H2O-Q FeO+C →Fe+CO-Q

Zona de carburare 3Fe+C→Fe3C

3Fe+2CO→Fe3C+CO2 Paralel cu reducerea oxizilor de fier în furnal se reduce

si Mn, P, Si, Ti, formându-se zgura de furnal. Evacuarea fontei şi a zgurii se face la intervale de 2- 6 ore, mai întâi zgura şi apoi fonta.

Page 48: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

50

Produsele furnalului sunt fonta brută, zgura şi gazul de furnal. Fonta brută de furnal numită şi fontă de primă fuziune conţine între 2.3 şi 5%C precum şi impurităţi: Si, Mn, S, P. După destinaţie fonta de primă fuziune se împarte în trei categorii: fonta pentru turnătorie, fonta pentru afinare sau fonta pentru oţelărie şi fonta brută specială (anexa 2, ab.5.2).

Zgura de furnal este un amestec de compuşi chimici: SiO, CaO, MnO, Al O, MgO, FeO, CaS, MnS, cu greutatea specifică 2.5- 3 kg/dm3. La solidificare gura devine poroasă. Funcţie de modul de răcire zgura poate fi granulată, sau expandată. Zgura de furnal poate fi folosită la pavarea drumurilor, fabricarea cimentului de zgură, izolaţii termice, cărămizi etc. Gazul de furnal este un amestec combustibil de CO, H2, CH4, H2O, etc. În gazul de furnal se găseşte o cantitate mare de praf (1-40 g/Nm3) care se îndepărtează cu ajutorul unor saci de praf, filtre electrostatice etc.

5.2.3. Elaborarea oţelului Oţelurile sunt, aliaje ale fierului cu carbonul, carbonul

fiind cuprins între 0,0218 şi 2,11%. Funcţie de compoziţia chimică şi structură, oţelurile se clasifică în: hipoeutectoide, (0,0218 - 0,77%C), eutectoide, (aproximativ 0,77%C) şi hipereutectoide, (0,77-2,11 %C). Pe lângă fier şi carbon oţelurile mai conţin şi alte elemente, unele naturale, provenind de la elaborare (Si, Mn, S, P, O, N), altele introduse ca elemente de aliere cu scopul îmbunătăţirii proprietăţilor (Ni, Cr, W, Mo, V).

Obţinerea oţelurilor se face prin două metode: metoda pirometalurgică – elaborare în convertizoare şi metoda electrometalurgică – elaborare în cuptoare electrice.

Materia primă de bază o constituie fonta de primă fuziune. Pe lângă fontă la elaborarea oţelurilor se mai utilizează fier vechi, feroaliaje, fondanţi şi oxidanţi (oxigen fabricat).

Procesul complex de elaborare a oţelurilor cuprinde trei etape principale: afinarea, dezoxidarea şi alierea. Afinarea este etapa tehnologică a obţinerii oţelului în care conţinutul de carbon dar şi conţinutul de elemente însoţitoare (Si, Mn, S, P, O, N), este redus până la anumite valori prescrise pentru marca de oţel care se elaborează. Procesul chimic principal la afinare este oxidarea. Oxigenul necesar acestui proces provine fie din încărcătură sau atmosfera agregatului de elaborare fie prin insuflare de oxigen pur. La elaborarea oţelului participă trei faze (fig.5.11), o fază gazoasă oxidantă - atmosfera agregatului şi două faze lichide: zgura şi baia de metal topit. Ambele mecanisme de oxidare, cel al oxidării directe şi oxidarea indirectă sunt prezente în cazul convertizoarelor cu insuflare de oxigen. În cazul agregatelor de elaborare în care oxigenul provine din atmosferă oxidarea se realizează indirect. Se observă că motorul oxidării carbonului şi a elementelor

Elaborarea oţelului seface în convertizoare sauîn cuptoare electrice

Page 49: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

51

însoţitoare este oxidul feros - FeO care se află atât în zgură cât şi în baia de metal topit. Trecerea oxidului feros din zgură în baie sau invers se face prin difuziune. Sensul acestui proces caracteristic etapei de oxidare sau a etapei de dezoxidare, depinde de concentraţia oxidului în cele două medii respectiv de temperatură. Această relaţie este dată de legea repartiţiei.

Fig.5.11. Mecanismul procesului de oxidare Legea repartiţiei – raportul dintre concentraţia oxidului feros din baia de metal topit şi concentraţia oxidului feros din zgură este constantă pentru o temperatură dată. Expresia de mai sus indică un echilibru, aspect mai rar întâlnit la elaborare. Dacă însă: avem o concentraţie a (FeO) în zgură mai mare decât la echilibru ceea ce indică un transfer de oxid din zgură în baia de metal topit proces propriu oxidării elementelor însoţitoare. Acest proces este mult accelerat prin insuflare directă de oxigen. În acest caz (FeO)în zgură mai mic decât la echilibru iar difuzia se realizează în celălalt sens. Procesul se numeşte dezoxidare prin difuzie. Influenţa concentraţiei elementelor însoţitoare asupra procesului de oxidare este dată de legea acţiunii maselor. Legea acţiunii maselor - în cazul reacţiilor reversibile, raportul produsului concentraţiilor substanţelor care rezultă din reacţie şi produsul concentraţiilor substanţelor care intră în reacţie este constant pentru o temperatură dată.

[ ]FeOL

FeOFeO

=)(

[ ]FeOL

FeOFeO

<)(

[ ]FeOL

FeOFeO

>)(

În general înconvertizoare oxidareaeste directă iar încuptoarele electriceoxidarea este indirectă

Page 50: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

52

Spre exemplu vom plica legea acţiunii maselor considerând reacţia de oxidare a siliciului din baia metalică care se produce după următorul mecanism:

a- alimentarea băii cu FeO din zgură:

b- Reacţia de oxidare

c- Trecerea SiO2 din baie în zgură Însumând obţinem: Aplicând legea acţiunii maselor avem: Deoarece fierul se găseşte în concentraţie maximă el dispare din relaţie considerându-se că are concentraţia 1. KSi scade cu creştere temperaturii ceea ce indică faptul că siliciul se oxidează cu atât mai repede cu cât temperatura este mai scăzută astfel că la sfârşitul elaborării siliciul este aproape total oxidat. Dezoxidarea Când concentraţia carbonului atinge valoarea prescrisă procesul de afinare se consideră terminat. În acest moment însă în baia de metal topit există o concentraţie mare de oxizi care dacă ar rămâne în compoziţia oţelului ar conduce la înrăutăţirea drastică a proprietăţilor acestuia. De exemplu o concentraţie mare de FeO determină fenomenul de fragilitate la roşu al oţelului. Acest fenomen apare prin pierderea coeziunii intercristaline a metalului la încălzirea în vederea deformării plastice deoarece oxidul feros cu o temperatură de topire in jur de 1000 0C solidifică ultimul sub forma unei pelicule la nivelul suprafeţei grăunţilor cristalini. Evident că la încălzire această peliculă se topeşte conducând la fragilizarea materialului. Dezoxidarea se realizează prin trei metode: dezoxidare prin precipitare, prin difuziune şi dezoxidare în vid. Dezoxidarea prin precipitare – se face prin introducerea în baia de metal topit a unor elemente chimice mai avide de oxigen decât fierul. Aceste elemente precum siliciul, manganul sau aluminiul se combină cu oxigenul din FeO dând nişte oxizi cu temperaturi de topire înalte (1300-1400 0C). Introducerea acestor elemente se face sub formă de feroaliaje, ordinea fiind cea a afinităţii faţă de oxigen.

[FeO]+[Fe-Si]→ [Fe] + (SiO2) [FeO]+[Fe-Mn]→ [Fe] + (MnO) [FeO]+[Fe-Al]→ [Fe] + (Al2O3)

][][2][][2 2SiOFeSiFeO +⇔+

][2)(2 FeOFeO ⇔

)(][ 22 SiOSiO ⇔ )(][2][)(2 2SiOFeSiFeO +⇔+

[ ]2

22

22

)(1)(][

][)()(

FeOKSiOSisau

SiFeOFeSiOK

SiSi

⋅=

⋅⋅

=

Page 51: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

53

Dezoxidarea începe în agregatul de elaborare şi continuă în recipientul de turnare. Dezoxidarea prin difuziune presupune difuzia FeO din baia de metal topit în zgură conform legi repartiţiei în măsura în care concentraţia acestui oxid în zgură este mai mică. Dezoxidarea în vid se realizează în nişte agregate speciale, vidate reacţia caracteristică acestui proces fiind:

[C]+[FeC]→ [Fe] + {CO} Alierea Elementele de aliere conferă oţelului proprietăţi deosebite. Introducerea lor în topitură se face sub formă de feroaliaje şi ţine cont de aviditatea acestora faţă de oxigen. Astfel unele elemente de aliere se introduc înainte de dezoxidare (Ni), altele după dezoxidare (Ti, Nb,V). Calculul cantităţii de feroaliaj se face cu ajutorul relaţiei: unde: M- masa de oţel supus alierii m – masa de feroaliaj c -. concentraţia elementului de aliere care se doreşte în oţel

c0 – concentraţia elementului de aliere preexistent în oţel c1 – concentraţia elementului de aliere în feroaliaj ca – concentraţia pierdută prin ardere

Elaborarea oţelurilor în convertizoare Convertizoarele sunt nişte cuptoare basculante în care se obţine oţel plecând de la fontă lichidă. Practic nu mai este nevoie de căldură din exterior întrucât procesele de afinare sunt exoterme. Funcţie de modul în care oxigenul este adus în baia de metal topit convertizoarele se împart în două clase: convertizoare cu aer şi convertizoare cu insuflare de oxigen. Dintre convertizoarele cu aer amintim: convertizoarele Thomas, Bessemer. Aceste convertizoare, datorită dificultăţilor de alimentare cu aer pe la partea inferioară au fost înlocuite de convertizoarele cu insuflare de oxigen: Kaldo, Rotor, L.D. Dintre aceste convertizoare astăzi cel mai utilizat este convertizorul L.D. a cărui denumire vine de la iniţialele uzinelor Linz – Donavitz din Austria unde in 1952 s-a construit prima instalaţie LD. Elaborarea oţelurilor în convertizoarele LD Convertizorul este confecţionat dintr-o manta metalică (8) cu grosimea cuprinsă între 50- 60 mm căptuşit cu cărămidă

a

a

ccccMm

cmcmcMcM

−−

=

⋅−

⋅+

⋅=

1

0

10

100100100100

Page 52: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

54

refractară bazică (7). Bascularea se face cu ajutorul unui grup motor reductor (5) şi a unui sistem de acţionare pinion cremalieră (4). Oxigenul industrial (99.5% O2) se insuflă prin lancea 2 confecţionată din oţel cu pereţi dubli răciţi cu apă şi protejaţi cu elemente refractare inelare. La capătul lancei se află un ajutaj de cupru cu unul sau mai multe orificii. Gazele care se produc în convertizor sunt captate cu hota 1. Convertizorul L.D. este un agregat de mare productivitate, realizând 100-300 t de oţel pe şarjă. Timpul de elaborare a unei şarje fiind de 20- 30 minute. Acest tip de convertizor are posibilitatea să utilizeze în încărcătură până la 30% fier vechi iar fontele lichide pot avea compoziţii în limite largi.

5.13. Diagrama de afinare la convertizorul LD Procesul metalurgic în convertizor se desfăşoară în următoarele faze. Se înclină convertizorul şi se încarcă fierul vechi, var, bauxită, după care se toarnă fonta lichidă. Se aduce convertizorul în poziţie verticală şi se iniţiază procesul de afinare prin insuflare de oxigen. Mecanismul oxidării este cel prezentat în figura 5.11. Oxidarea se realizează cu degajare de

Page 53: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

55

căldură astfel încât temperatura din convertizor creşte. Timpul de suflare a oxigenului este de circa 20 minute. Datorită presiunii oxigenului are loc o agitare puternică a băii iar viteza de oxidare creşte. Astfel la sfârşitul acestei perioade concomitent cu decarburarea are loc şi reducerea conţinutului de fosfor la valori prescrise (fig.5.13)

Test de autoevaluare Capitolul 5.1. Întrebări 1. Ce sunt minereurile? 2. Care sunt etapele preparării minereurilor? 3. Care este principiul de funcţionare al concasoarelor cu fălci? 4. Care este principiul aglomerării prin sinterizare? Banda de aglomerare. 5. Care sunt principiile concentrării prin flotaţie, zeţare şi magnetice? 6. Cocs, fondant şi comburant. Care este principiul de funcţionare al recuperatorului Cowper? 7. Principiile constructiv-funcţionale în furnale. 8. Care sunt principiile fizico-chimice care se desfăşoară în furnal? 9. Care sunt procesele care au loc la afinarea oţelurilor? 10. Definiţi legea repartiţiei şi legea acţiunii maselor. 11. Definiţi procesele care au loc la dezoxidarea şi alierea oţelurilor. 12. Descrieţi procesele care au loc la elaborarea oţelurilor în convertizorul LD. 13. Definiţi principiile constructiv funcţionale ale cuptoarelor electrice. 14. Principiile elaborării cuprului şi aluminiului. Capitolul 5.1. Chestionar cu răspunsuri multiple 1. Zeţarea este un proces de concentrare a minereurilor care se aplică minereurilor în care sterilul este mai greu decât utilul? : a) adevărat, b) fals. 2. Concentrarea magnetică se bazează pe: a) diferenţa de densitate util-steril, b)diferenţa de permeabilitate magnetică, c) diferenţa de rezistenţă electrică. 3. Aglomerarea prin sinterizare se bazează pe obţinerea unui eutectic cu punct de topire redus numit faialită. Acest compus se obţine prin: a) reacţia oxidului de fier cu dioxidul de siliciu, b) reacţia sterilului cu utilul, c) reacţia fondantului cu cenuşa rezultată din arderea cocsului. 4. Recuperatorul Cowper încălzeşte aerul necesar proceselor din furnal: a) prin arderea gazului de furnal, b) electric, c) prin recuperarea căldurii gazului de furnal cu ajutorul unor grătare refractare. 5. Încărcarea furnalului se face la o presiune egală cu presiunea atmosferică: a) adevărat, b)fals.

Page 54: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

56

Elaborarea oţelurilor în cuptoarele electrice Faţă de elaborarea în convertizor, elaborarea în cuptoarele electrice prezintă o serie de avantaje cel mai important rămâne insă cel legat de puritatea oţelului. Încărcătura poate fi formată doar din fier vechi, de cele mai multe ori oţel supus procesului de reciclare. Aceasta face ca fosforul şi sulful să aibă valori reduse. Pe de altă parte alierea se poate face în limite largi iar conducerea procesului este uşoară şi sigură prin modificarea parametrilor electrici ai sursei. Dezavantajul este acela legat de preţ - oţelurile electrice fiind scumpe datorită preţului energiei electrice. Elaborarea în cuptoarele electrice urmează următoarea succesiune de etape: încărcare, topire, afinare, dezoxidare, aliere, evacuarea şarjei. Căldura necesară procesului se obţine fie prin efectul caloric al curentului electric – efectul Joule-Lenz, fie cu ajutorul căldurii arcului electric. Încărcarea se face cu ajutorul unor recipiente cilindrice cu fund flexibil care ajung pe fundul cuptorului. Se încarcă mai întâi fierul vechi greu după care se încarcă fierul vechi uşor (şpan metalic, table etc.) astfel încât în apropierea electrozilor să nu ajungă bucăţi metalice masive care să-i deterioreze (obs. în convertizor ordinea este inversată deoarece acolo se doreşte protejarea zidăriei convertizorului).

Fig.5.14. Tipuri de cuptoare electrice Topirea poate fi cu oxidare totală, cu oxidare parţială şi fără oxidare funcţie de natura încărcăturii cuptorului. Topirea cu oxidare totală se face atunci când încărcătura este de calitate slabă, oţel ruginit cu mult sulf şi fosfor. Oxigenul necesar oxidării cu difuzie este furnizat de oxizii metalici din încărcătură şi oxigenul din atmosfera cuptorului. După formarea zgurii negre aceasta este îndepărtată şi se aduce la nivelul suprafeţei băii un strat de cocs sau spărtură de electrozi pentru recarburare apoi se introduce var şi minereu formându-se zgura proprie proceselor ulterioare Dacă oţelurile din încărcătură au un conţinut limitat de sulf şi fosfor oxidarea este

În cuptoarele electriceoţelul obţinut este maiscump dar se utilizează 100% fier vechi înîncărcătură

Page 55: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

57

parţială sau poate lipsi. Dezoxidarea se face cu var şi florură de calciu. Se numeşte şi dezoxidare cu zgură albă datorită culorii pe care o are la solidificare. Alierea se face prin introducerea de feroaliaje în timpul fierberii (W) sau în recipientul de turnare (Ti, V, Nb) Clasificarea cuptoarelor electrice este prezentată în figura 5.14. Cuptorul electric cu arc cu încălzire directă fără încălzirea vetrei Topirea încărcăturii în acest cuptor se face datorită căldurii arcului electric care poate atinge temperaturi de 3500 0C. Arcul electric se stabileşte între electrozii cuptorului (2) (fig.5.15) şi încărcătură (7).

5.15. Schema cuptorului electric cu arc cu încălzire directă Electrozii din grafit sunt alimentaţi prin nişte cabluri flexibile (1) de la un transformator trifazat coborâtor de tensiune. Bolta (9 şi 5) prezintă nişte orificii prin care electrozii pot fi coborâţi după încărcarea cuptorului. La sfârşitul elaborării topitura se basculează cu ajutorul unui sistem hidraulic (7), cuptorul fiind sprijinit pe o şină curbată (6). Cuptorul electric cu arc cu încălzire directă cu încălzirea vetrei este prezentat în figura 5.16 b. Încălzirea se face prin dublu efect o dată prin căldura arcului electric format între baia metalică şi electrozi a doua oară prin efectul termic al curentului electric care străbate încărcătura cuptorului. Şi aceasta deoarece arcul electric este alimentat prin intermediul unor electrozi plasaţi în vatra cuptorului. Acest tip de cuptor este utilizat în cazul elaborării oţelurilor aliate cu wolfram, deoarece feroaliajul greu de topit se depune pe vatra cuptorului care de data aceasta este caldă. Cuptorul electric cu arc cu încălzire indirectă. Arcul electric se formează între cei doi electrozi plasaţi înclinat în bolta

Page 56: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

58

cuptorului (Fig.5.16. a.). Căldura arcului electric se transmite prin radiaţie la suprafaţa încărcăturii topind-o. 5.16 Schema cuptorului electric cu arc cu încălzire indirectă (a), schema

cuptorului electric cu arc cu încălzire directă şi încălzirea vetrei (b) Cuptorul electric cu inducţie cu miez magnetic Cuptorul funcţionează pe principiul unui transformator coborâtor de tensiune (fig.5.17.) care are în secundar o singură spiră în scurtcircuit formată chiar de încărcătura metalică a cuptorului. Înfăşurarea primară cu N1 spire, alimentată la tensiunea U1, şi parcursă de curentul I1 dă naştere în miezul magnetic unui flux magnetic variabil în timp ф. Acest flux magnetic induce în încărcătura metalică o tensiune U2 =- dф/dt care determineă apariţia curentului I2. Datorită rezistenţei electrice R proprii a încărcăturii acest curent determină încălzirea acesteia prin efect termic, până la topire: Q2=RI22t [J] ( t timpul).

Fig.5.17. Cuptor cu inducţie cu miez magnetic Cuptorul nu are un randament deosebit deoarece în procesul de încălzire se încălzeşte şi miezul magnetic fluxul magnetic fiind diminuat.

Page 57: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

59

Cuptorul electric cu inducţie fără miez magnetic Acest tip de cuptor prezintă un creuzet (fig.5.18. 3) refractar care este înconjurat de un inductor (2) din ţeavă de cupru răcită cu apă. Inductorul este alimentat de la un generator de curent alternativ.

Fig.5.18. Cuptor cu inducţie fără miez magnetic În încărcătura metalică se induce o tensiune U care dă naştere unui curent turbionar I. Acest curent conduce la topirea încărcăturii şi totodată la agitarea acesteia. Cuptorul este utilizat pentru topire sau pentru elaborarea aliajelor neferoase. Nu se poate utiliza la afinare deoarece zgura nu poate participa la reacţii întrucât este mai rece , aceasta din cauză că în zgură inducţia magnetică este mult diminuată.

5.1.4. Elaborarea materialelor metalice neferoase Elaborarea cuprului Cuprul se găseşte în natură sub formă de minereuri (tab 5.1.) După prepararea minereurilor următoarea etapă este extragerea cuprului. Metoda de extragere se alege funcţie de concentraţia metalului în minereu. Se folosesc astfel, metode pirometalurgice dacă minereul este bogat sau hidrometalurgice atunci când minereul este sărac..

Fig.5.18. Cuptor cu inducţie fără miez magnetic

Page 58: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

60

Extragerea cuprului prin metode pirometalurgice, presupune utilizarea temperaturii pentru extragerea cuprului. Procesul se desfăşoară în cuptoare speciale unde minereul de cupru topit este redus la cupru brut (max 20% impurităţi). Reducerea impurităţilor sub 1% se face prin rafinare. Prezentăm mai jos schema de extragere pirometalurgică a cuprului din minereuri conţinând oxizi sau carbonaţi de cupru Extragerea cuprului prin metode hidrometalurgice Metoda hidrometalurgică presupune dizolvarea minereurilor de cupru fie cu acid sulfuric diluat în cazul minereurilor care conţin o parte sterilă acidă, fie cu o soluţie apoasă de amoniac. Soluţiile obţinute sunt diferite de aceea extracţia metalului se face prin metode diferite care urmăresc obţinerea de anozi de cupru brut care sunt supuşi electrolizei cu anod solubil rezultând în final cuprul pur. Elaborarea aluminiului Aluminiul are o largă utilizare în industrie fie ca metal pur fie sub formă de aliaje cu baza aluminiu. În natură aluminiul nu se găseşte sub formă de metal pur ci numai sub formă de minereu. Cel mai important mineral fiind bauxita din care se extrage circa 95% din aluminul utilizat astăzi. În bauxită aluminul se găseşte sub formă de alumină Al2O3 hidratat cu două molecule de apă. Separarea aluminiului din alumină este foarte dificilă deoarece temperatura de topire a aluminei este foarte ridicată ( circa 2000 0C). În aceste condiţii aluminiul se extrage prin electroliza amestecului topit de alumină, criolit şi fluorină. Temperatura acestei topituri nu depăşeşte 1000 0C. Schema cuptorului de electroliză a aluminei este prezentată în figura 5.19.

Fig.5.19. Cuptor pentru electroliza aluminei 1. catod din grafit, 2, catod de oţel, 3. anozi de grafit

Page 59: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

61

Sub acţiunea câmpului electric, alumina se descompune în ioni pozitivi (2Al) şi ioni negativi (3O) dirijaţi către electrozii de semn contrar. Aluminiul metalic se va depune pe fundul băii. Aluminiul se evacuează fie prin sifonare fie printr-un orificiu practicat la nivelul vetrei cuptorului. Puritatea aluminiului obişnuit astfel are o puritate de 99.5%, impurităţile principale fiind Fe şi siliciul. Aluminiu pur – 99% Al se obţine prin rafinare electrolitică.

Test de autoevaluare Întrebări 1. Definiţi principiile constructiv funcţionale ale cuptoarelor electrice. 2. Principiile elaborării cuprului şi aluminiului. Chestionar cu răspunsuri multiple 6. Care dintre următoarele au punctul de topire maxim? a) aluminiul, b)alumina, c) wolframul, d) cuprul 7. Care este mineralul din care se extrage cuprul? a) hematita, b) limonita, c) covelina

Page 60: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

62

5.2. Prelucrarea materialelor metalice prin turnare Turnarea este procesul prin care un metal în stare lichidă datorită forţei gravitaţionale sau a unei alte forţe, pătrunde într-o formă de turnare căpătând după solidificare configuraţia acesteia. Turnarea metalelor este unul dintre cele mai vechi procedee de prelucrare a metalelor fiind cunoscut cu 6000 de ani în urmă. Principiul turnării este relativ simplu, se topeşte metalul după care se toarnă într-o formă în care se solidifică prin răcire. Turnarea metalelor include turnarea semifabricatelor masive – lingou, bramă turnată continuu - şi turnarea pieselor. Turnarea semifabricatelor masive este asociată cu industria metalelor primare unde trebuie prelucrate continuu cantităţi mari de metal topit. Posibilele avantaje ale turnării sunt: - se pot realiza piese cu geometrie complicată, inclusiv geometrie interioară, - prin unele procedee de turnare se obţin piese finite care nu mai necesită prelucrări ulterioare, - se poate turna orice metal care prin încălzire ajunge în stare lichidă, - se pot fabrica piese mari de ordinul zecilor şi chiar a sutelor de tone - unele procedee de turnare se pot adapta producţiei de serie mare şi masă.

5.2.1. Turnarea materialelor metalice în semifabricate masive Turnarea lingourilor. Lingourile sunt semifabricate

masive obţinute prin solidificarea metalului lichid în nişte forme metalice numite lingotiere. Lingourile sunt prelucrate apoi prin forjare sau prin laminare, forma lingoului fiind diferită funcţie de procedeul de prelucrare pentru care este destinat. Solidificarea lingoului începe la suprafaţa de contact cu lingotiera si continuă spre axa sa, solidificarea fiind afectată de fenomene precum contracţia la solidificare sau segregaţia care creează o neomogenitate chimică şi structurală a lingoului. 5.20 Tipuri de lingotiere Fig.5.21 Placă de turnare

Turnarea metaluluilichidse face însemifabricate masivesau în piese

Page 61: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

63

Fig.5.22. Recipient de turnare

Profilul şi dimensiunile lingotierelor se aleg funcţie de procesul de deformare plastică ulterior turnării, mărimea agregatului de turnare, tipul oţelului care se toarnă (fig.5.20.). Astfel o lingotieră cu secţiune rotundă permite obţinerea unui lingou destinat fabricării ţevilor, secţiune pătrată pentru sârme, profile, dreptunghiular pentru table etc. Lingotierele pot fi direct conice (cu baza mare în jos) sau invers conice. De asemenea pot fi prevăzute cu maselotiere care asigură la partea superioară a lingotierei un rezervor suplimentar de metal lichid cu rol de prevenire a apariţiei retasuri,i un defect datorat contracţiei la solidificare. Funcţie de tipul turnării directe sau în sifon lingotierele se aşează pe plăci de turnare sau pe poduri de turnare. Placa de turnare(fig.5.21) asigură formarea parţii inferioare a lingoului (piciorul lingoului). Turnarea directă prezintă inconvenientul că pe pereţii lingotierei apar picături metalice datorită împroşcării, care se imprimă pe suprafaţa lingoului sub formă de stropi reci. Procedeul este utilizat la turnarea lingourilor mari deoarece lingourile mici ar solicita dispozitivul de închidere a recipientului de turnare (oala de turnare) (fig.5.22.)

Recipientele de turnare sunt căptuşite la interior cu zidărie refractară şi sunt utilizate pentru transportul şi turnarea metalului lichid. Golirea se face cu ajutorul unui dop ceramic plasat la capătul unei tije metalice protejată cu elemente refractare inelare. Tija este acţionată cu un sistem cu pârghii. Podurile de turnare asigură turnarea simultană a două sau mai multe lingouri admisia metalului lichid făcându-se pe la partea inferioară a lingotierei.

Metoda deosebit de productivă asigură o calitate superioară a lingourilor umplerea lingotierei făcându-se liniştit. Dezavantajul este acela că se pierde o cantitate de metal prin canalele de alimentare O astfel de instalaţie este prezentată schematic în figura 5.23

După solidificare lingourile sunt extrase din lingotiere cu ajutorul unei instalaţii montată pe un pod rulant şi care poartă numele de maşină de stripaj. Această instalaţie (fig.5.24.) fixează lingotiera (3) cu ajutorul a două braţe (2) şi presează lingoul (4) cu ajutorul unui dorn (1) Turnarea continuă Turnarea continuă este un proces de turnare de mare productivitate prin care se obţin brame turnate continuu. Bramele sunt produse lungi (2-6 m) cu secţiune

Page 62: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

64

dreptunghiulară cu grosimea mai mare de 150 mm şi lăţimea mai mare de 1000 mm.

După turnare bramele pot intra direct în laminare pentru obţinerea tablelor groase. Turnarea continuă a înlocuit aproape în totalitate turnarea lingourilor deoarece economiseşte timp şi energie. Un lingou mare se răceşte în 10-12 ore iar deformarea plastică prin laminare (slebing) presupune reîncălzirea acestuia. Oţelul lichid este adus la maşina de turnare continuă în recipiente de turnare. O maşină de turnare are două astfel de recipiente, aşezate pe un turn rotitor, din primul recipient se toarnă, celălalt, plin este în aşteptare.

Fig.5.25 Maşină de turnare continuă cu fir curb

Fig.5.23.Pod de turnare 1. Pâlnie de turnare, 2. maselotieră, 3. lingotieră, 4.

placa de turnare, 5. canale de alimentare, 6. platformă de transport.

Fig.5.24. Maşina de stripaj

Turnarea continuăeste un proces de mareproductivitate

Page 63: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

65

Oţelul lichid curge într-un distribuitor căptuşit cu cărămidă refractară şi care poate alimenta unul sau mai multe fire de turnare. Din distribuitor oţelul lichid ajunge în cristalizator. Cristalizatorul este un recipient confecţionat din cupru, are pereţi dubli răciţi cu apă şi care se află într-o mişcare oscilantă pe verticală. Oţelul lichid curge din distribuitor în cristalizator prin intermediul unor tuburi din grafit imersate în cristalizator. La contactul cu pereţii cristalizatorului oţelul se solidifică sub forma unei cruste care nu aderă datorită mişcării oscilante a cristalizatorului. Această crustă creşte pe măsură ce brama coboară. Accelerarea acestui proces se face într-o cameră de răcire prin stropire cu apă. Brama turnată continuu este sprijinită de un sistem de role. După îndreptare brama este tăiată la dimensiune cu ajutorul unui sistem de debitare cu flacără oxiacetilenică. Amorsarea procesului de turnare continuă se face cu ajutorul unei brame false care se introduce pe firul curb în sens invers sensului de deplasare a bramei reale şi care obturează cristalizatorul. Se începe turnarea oţelului brama falsă coboară, în urma ei venind brama reală.

5.2.2. Turnarea materialelor metalice în piese Noţiuni de teoria proceselor de turnare

Procesul de turnare începe logic cu realizarea formelor de turnare. O formă conţine o cavitate a cărei geometrie determină geometria ulterioară a piesei turnate. Această cavitate trebuie proiectată uşor supradimensionată, în principal pentru a permite contracţia metalului în timpul solidificării. Cum fiecare metal în parte are coeficienţi de contracţie diferiţi forma va trebui proiectată pentru fiecare metal în parte. Formele se realizează din diferite materiale. În cadrul procesului de turnare se încălzeşte metalul la o temperatură suficient de mare pentru a trece complet în stare lichidă după care se toarnă direct în cavitatea formei de turnare. Într-o formă deschisă metalul lichid se toarnă simplu până la umplerea formei, în cazul unei forme închise admisia metalului în forma se face prin intermediul unei reţele de turnare. (fig.5.26.)

Fig.5.26 Forme de turnare a. deschisă, b. închisă cu reţea deturnare

Turnarea pieselor este un proces de bază în industria constructoare de maşini

Page 64: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

66

După turnare metalul topit din formă începe să se solidifice în timpul solidificării apar transformări de fază care se fac cu disipare de căldură. După solidificare piesa astfel obţinută se scoate din formă fie prin distrugerea formei (forme temporare), fie prin desfacere, în cazul formelor permanente metalice realizate din două sau mai multe părţi. Formele temporare se realizează din amestecuri de formar, compuse din nisip şi un liant, de cele mai multe ori un material argilos şi apă. Aceste forme se utilizează la o singură turnare. Deşi formele de metalice permanente se utilizează pentru mai multe turnări, ele sunt mai scumpe datorită prelucrărilor complexe pe care le necesită realizarea lor. De aceea procedeul de turnare cel mai utilizat este procedeul de turnare în forme temporare. Formele temporare

O astfel de formă este prezentată în figura 5.26.b. Cele două semiforme sunt separate prin intermediul unui plan de separaţie care de cele mai multe ori, este şi planul de simetrie al piesei. Forma se realizează utilizând un model din lemn, plastic sau metal cu o formă similară cu a piesei ce va rezulta din turnare. În general sunt supradimensionate pentru compensarea contracţiei la solidificare a metalului din formă dar şi pentru a compensa cantitatea de metal ce va fi îndepărtată prin prelucrări mecanice ulterioare. Aceste prelucrări sunt necesare fie pentru a asigura o calitate superioară a suprafeţei piesei, precizie dimensională sau pentru a realiza detalii care nu se pot obţine direct din turnare (caneluri, canale de pană, găuri cu diametre mici, filete etc. Practic cavitatea formei se va realiza prin extragerea acestui model, la fel realizat din două jumătăţi (semimodele) asamblate şi centrate la nivelul planului de separaţie, dintr-o masă de amestec de formare aflat într-o ramă de formare. Cavitatea formei de turnare dă metalului lichid prin solidificare configuraţia exterioară a piesei turnate. Configuraţia interioară este dată de miezul formei.

Reţeaua de turnare - este un canal sau o reţea de canale prin care fluxul de metal topit ajunge din exteriorul formei în cavitatea acesteia. Reţeaua de turnare prezintă o pâlnie de turnare cu piciorul pâlniei de turnare prin care metalul ajunge în canalul de alimentare, canalul colector de zgură şi de aici în cavitatea principală a formei. Pâlnia de turnare este prevăzută pentru a permite curgerea liniştită a metalului în formă. În general pâlnia de turnare are formă conică, dar ea poate prezenta şi alte forme. Sunt situaţii în care reţeaua de turnare conţine şi o maselotă care este de fapt o rezervă de material prevăzut pentru a umple golurile rezultate datorită contracţiei la solidificare.

Formele temporare sefolosesc la o singurăturnare

Page 65: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

67

Fig.5.27. Elementele reţelei de turnare 1. pâlnia de turnare, 2. canalul colector de zgură, 3. canale de

alimentare, 4. piesa turnată, 5. maselotă Încălzirea metalului pentru topire Pentru încălzire se folosesc diferite tipuri de cuptoare care să furnizeze temperatura necesară topirii. Energia calorică necesară este formată din: • căldura pentru ridicarea temperaturii metalului până la

punctul de topire. • căldura de topire pentru trecerea metalului din stare solidă

în stare lichidă • căldura necesară pentru ridicarea temperaturii metalului

topit la temperatura de turnare.

Q = ρV {Cs(tt – t0) + Qf × Cl(tp – tt)

unde: Q – căldura totală necesară ridicării temperaturii până la temperatura de topire, ρ - densitate [g/cm3], Cs – căldura specifică pentru metalul solid, tt – temperatura de topire[ oC], t0 – temperatura mediului ambiant [ oC], Qf – căldura de topire, Cl – căldura specifică a materialului lichid, tp – temperatura de turnare[ oC], V – volum [cm3] Turnarea metalului topit Introducerea metalului topit în formă este un punct critic în procesul de turnare deoarece materialul trebuie să rămână fluid până în momentul în care întreaga formă, oricât de complicată ar fi, va fi plină. Factorii care influenţează turnarea sunt: temperatura de turnare, viteza de turnare şi turbulenţa.

Temperatura de turnare - este temperatura metalului topit în momentul introducerii lui în formă. Importantă este diferenţa dintre temperatura de turnare şi temperatura de început de solidificare a materialului respectiv punctul de topire

Doar piesa turnată seprelucrează maideparte. Reţeaua deturnare se returneazăîn proces ca fier vechi

Page 66: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

68

al metalului pur sau temperatura lichidului pentru un aliaj. Această diferenţă de temperatură este numită adesea subrăcire.

Viteza de turnare - se referă la viteza volumetrică cu care materialul pătrunde în formă. Dacă această viteză este prea mică materialul se poate solidifica înainte ca întreaga cavitate a formei să fie complet umplută, iar dacă este prea mare poate apare fenomenul de turbulenţă cu implicaţii majore în procesul de turnare.

Turbulenţa - este dată de variaţii ale vitezei în structura transversală a curentului de metal topit şi care poate genera curenţi neregulaţi în loc de o curgere liniară. O curgere turbulentă a metalului în formă determină o serie de probleme precum eroziunea formei care determină apariţia în piesă a incluziunilor nemetalice, problema fiind cu atât mai gravă dacă se produce o curgere turbulentă în cavitatea principală a formei. O curgere turbulentă accelerează producerea oxizilor metalici care se vor regăsi ca defecte în piesele turnate. Diferite relaţii matematice guvernează fluxul de metal topit în sistemul de turnare din interiorul formei. O relaţie importantă este teorema lui Bernoulli care stabileşte că suma energiilor ( presiunea dinamică, energie cinetică şi frecare) în două puncte ale unui lichid sunt egale :

h1 + (P1/ρ×g) + (v12/2g) + F = h2 + (P2/ρ×g) + (v2

2/2g) + F unde : h – înălţimea [cm], P - presiunea [N/cm2], ρ - densitate [g/cm3], v - viteza fluidului [cm/s], g - acceleraţia gravitaţională [9,8 N/kg], F - forţa de frecare, Ecuaţia lui Bernoulli se poate simplifica în diferite moduri, dacă ignorăm frecarea F şi presiunea P avem :

h1 + (v12/2g) = h2 + (v2

2/2g)

Această ecuaţie se poate utiliza pentru determinarea vitezei metalului fluid la baza piciorului pâlniei de turnare. în aceste condiţii dacă vom defini un punct x1 la partea superioară de turnare şi un punct x2la baza acesteia şi vom considera punctul x2 drept punct de referinţă şi h2=0, h1 va fi înălţimea piciorului pâlniei de turnare. În punctul unu viteza v1=0 rezultă:

h1 = (v22/2g)

ceea ce duce la: ghv 2=

unde: h - înălţimea piciorului pâlniei de turnare, g -

acceleraţia gravitaţională. O altă ecuaţie importantă în studiul curgerii metalului

topit în timpul turnării este ecuaţia de continuitate care stabileşte că viteza volumetrică a fluidului rămâne constantă. Debitul de metal topit în timpul turnării este constant, adică :

Page 67: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

69

Q = v1A1 = v2A2

Q- debit [cm3/s], v – viteza, A - aria secţiunii transversale a lichidului Ecuaţiile 5şi 6 indică faptul că pâlnia de turnare trebuie să aibă o secţiune variabilă descrescătoare care conduce la accelerarea metalului pe măsură ce coboară în piciorul pâlniei de turnare. Dacă secţiunea ar creşte ar determina practic antrenarea de volume de aer, cu efecte dintre cele mai nedorite (goluri, oxizi, turbulenţe, etc.). În aceste condiţii se proiectează o pâlnie de turnare cu o conicitate care să asigure un debit v A constant la partea superioară a pâlniei cât şi la baza piciorului pâlniei de turnare. Dacă acceptăm că alimentarea de la piciorul pâlniei de turnare până în cavitatea formei se face printr-un canal orizontal cilindric, caz în care debitul la intrare în cavitate este acelaşi cu debitul de la baza piciorului pâlniei de turnare atunci putem estima timpul necesar umplerii cavităţii formei considerată de volum V.

TUF =V/Q unde: TUF - timpul de umplere a formei, V.- volum cavitate, Q - debitul de metal lichid TUF calculat cu această ecuaţie va fi considerat minim deoarece relaţia nu ţine cont de frecarea metalului în formă sau eventualele ştrangulări în formă. Fluiditatea Fluiditatea este o caracteristică a metalului topit care indică capacitatea acestuia de a umple o formă înainte de solidificare. Fluiditatea este inversul vâscozităţii. Pe măsură ce fluiditatea creşte vâscozitatea scade şi invers. Există metode normalizate în vederea determinării fluidităţii metalului topit ca de exemplu forma spiralată (fig.5.28) unde se măsoară lungimea canalului înainte de solidificare.

Fig.5.28.Formă spirală pentru determinarea fluidităţii Factorii care influenţează fluiditatea sunt : timpul de solidificare, compoziţia chimică a metalului, vâscozitatea metalului.

Dacă fluiditatea estecorespunzătoare piesaturnată este de calitateîn caz contrar piesarezultă imcompletă

Page 68: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

70

Fluiditatea este afectată în bună măsură de temperatura de turnare care cu cât este mai mare cu atât fluiditatea este mai bună. Totuşi o creştere a temperaturii de turnare conduce la creşterea susceptibilităţii, la oxidarea materialelor cu efecte dintre cele mai nedorite, precum şi o structură de turnare neadecvată. Compoziţia chimică de asemenea influenţează fluiditatea, astfel, metalele cu punct de topire fix au o fluiditate foarte bună, de asemenea aliajele eutectice. Spre deosebire de acestea aliajele cu solidificare într-un interval de temperatură au fluiditatea variabilă încetinită de prezenţa în faza lichidă, a cristalelor de faza solidă a căror volum este din ce în ce mai mare cu scăderea temperaturii. Timpul de solidificare Atât în cazul metalelor pure cât şi în cazul aliajelor, solidificarea se desfăşoară în timp. Timpul total de solidificare este timpul necesar ca metalul topit să se solidifice după turnare. Acest timp depinde de mărimea şi forma piesei turnate şi este dat de o relaţie empirică sub numele de relaţia lui Chvorinov :

TTS=Cm( V/A)2 unde : TTS - timpul total de solidificare, Cm - coeficient care depinde de materialul din care este făcută forma, proprietăţile termice ale topiturii, temperatura de turnare ( Cm se determină experimental), V - volumul piesei, A - suprafaţa piesei turnate Regula Chvorinov - indică faptul că o piesă cu raportul V/A mai mare se solidifică mai repede decât o piesă cu raportul V/A mai mic. Această relaţie permite proiectarea maselotelor care pentru a putea îndeplini funcţia de rezervor suplimentar de metal lichid trebuie să aibă timpul total de solidificare mai mare decât al piesei principale. Contracţia la solidificare Contracţia la solidificare se produce în trei etape: contracţia lichidului în timpul răcirii înainte de solidificarea totală, contracţia în timpul transformării de faza numită şi contracţia la solidificare, contracţia piesei turnate la răcire până la temperatura ambiantă (fig.5.29)

Fig.5.29. Contracţia la solidificare

Page 69: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

71

Câteva valori pentru contracţia la solidificare şi contracţie termică sunt prezentate în tabelul 5.3.

Tabelul 5.3.

În aceste condiţii la realizarea modulelor şi a cutiilor de miez se va ţine seama de contracţia la solidificare. Practic se măresc dimensiunile formei cu un adaos de contracţie de care se ţine seama la construirea modelului. Adaosurile de contracţie deşi nu se trec pe desenul modelului sunt considerate prin utilizarea unui metru special numit metru de modelărie mai lung decât metrul standard, special pentru fiecare material în parte. Pentru evitarea efectelor nedorite ale contracţiei la solidificare respectiv apariţia retasurilor, formele se execută în aşa fel încât să se producă solidificarea dirijată în zonele cu cel mai mare volum de material respectiv cele care solidifică ultimele şi sunt expuse la apariţia retasurilor. Pentru aceasta se utilizează maselote şi sisteme de răcitori ( tije metalice ) care pot fi interni sau externi. Răcitori interni determină solidificarea materialului ce intră în contact cu aceştia, răcitorii externi se aşează în formă astfel încât transferul de căldură în zona lor să se facă mai rapid. Amplasarea maselotelor în formă se face în nodurile termice (fig. 30 a). Se observă că prin amplasarea maselotei retasura se formează în afara piesei respectiv în rezervorul de metal care se solidifică ultimul.

Fig.5.30. Retasuri în piesele turnate a. retasuri în noduri termice, b. răcitori externi pentru evitarea

retasurilor prin răcire dirijată

Procedee de turnare a metalelor Procedeele de turnare se împart în două categorii: turnarea în forme temporare, turnarea în forme permanente

Metal

Contracţia la solidificare

%

Contracţie termică a solidului

% Aluminiu Aliaje tipice de aluminiu Fontă cenuşie Oţel cu conţinut redus de carbon Cupru Bronz cu staniu

7 7

1.8 3

4.5 5.5

5.6 5 3

7.2 7.5 6

Page 70: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

72

Turnarea în forme temporare presupune distrugerea formei pentru extragerea piesei turnate. Viteza de realizare a acestui procedeu este limitată, totuşi datorită costurilor reduse acest procedeu de turnare este foarte agreat. Turnarea în forme permanente se face cu o productivitate superioară dar cu costuri mai mari. Turnarea în forme temporare

Obţinerea pieselor prin turnare în forme temporare presupune parcurgerea unor etape pregătitoare prezentate în figura 5.31.

Fig. 5.31 Scheme procesului de turnare în forme temporare Modelele şi cutiile de miez sunt nişte dispozitive speciale construite din lemn, plastic sau metale uşoare cu ajutorul cărora se realizează cavitatea formei de turnare respectiv miezurile formei. Se vopsesc pentru a rezista la contactul cu amestecul de formare umed, culoarea vopselei indicând totodată şi metalul care se va turna în forma respectivă (roşu pentru fontă, albastru pentru oţel, galben pentru materiale metalice neferoase). Asamblate în general la nivelul planului de separaţie modelele se pot monta de o parte şi de alta a unei plăci rezultând plăcile de model pe care se pot fixa totodată şi elementele reţelei de turnare (canalul colector de zgură, canale de alimentare). Amestecurile de formare sunt materiale granulare formate în bună parte din nisip alături de care se folosesc lianţi naturali sau fabricaţi, apă şi materiale de adaos pentru creşterea proprietăţilor acestora. Pot fi amestecuri de model, amestecuri de umplere, amestec unic, amestec de miez. Funcţie de natura lianţilor amestecurile pot fi naturale, sau sintetice. Nisipul principalul component al amestecurilor de formare este constituit din granule de silice-SiO2 alături de care întâlnim praf de piatră, argilă coloidală şi argilă plastică care formează partea levigabilă a nisipurilor. Funcţie de procentul de substanţă levigabilă deosebim următoarele categorii de nisipuri: nisip cuarţos sau foarte slab (max2%), nisip slab (2-

Page 71: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

73

10%), semiargilos (10- 20%), argilos respectiv nisip gras (20-30%) şi nisip foarte gras (30-50%) Analiza nisipurilor se face prin de analiza granulometrică care oferă atât informaţii cu privire la clasele de mărime ale granulelor care formează nisipul dar şi cu privire la forma particulelor. Lianţii pot fi organici sau anorganici. Dintre lianţii organici amintim:

- argila-este un liant natural format din silicaţi de sodiu hidrataţi (caolin). Având în stare uscată particule foarte fine argila acoperă granulele de nisip cu un strat subţire care prin umezire se umflă şi devine plastic. Plasticitatea argilei conduce la legarea, lierea granulelor refractare de nisip;

- bentonita este tot un liant argilos de natură vulcanică care are însă dimensiuni extrem de mici ale granulelor (< 0.1 mm). Capacitatea de liere a bentonitei este de două trei ori mai mare decât a argilei ceea ce face ca şi cantitatea de liant să scadă în aceeaşi proporţie;

- cimentul folosit îndeosebi la piese mari prezintă inconvenientul extragerii greoaie a piesei din formă;

- silicatul de sodiu - Na2O nSiO2 pH2O - Amestecul de formare cu silicat de sodiu se întăreşte rapid prin suflare de CO2. În reacţia dintre silicatul de sodiu şi bioxidul de carbon rezultând un gel de silice, care acţionează ca liant, şi apa de constituţie.

Dintre lianţii organici amintim: uleiurile vegetale (floarea soarelui, in, cânepă), uleiuri minerale (petrol), răşini sintetice etc.

Proprietăţile amestecurilor de formare. Dintre proprietăţile amestecurilor de formare amintim: permeabilitatea la gaze, refractaritate, rezistenţa mecanică. Această din urmă proprietate este privită ca un complex de proprietăţi de rezistenţă la compresiune întindere şi forfecare şi care se determină pe probe din amestecuri de formare pe o maşină de încercare specială. Creşterea rezistenţei mecanice a amestecurilor de formare se face prin îndesare care poate fi urmată de uscare.

Formele de turnare temporare se pot realiza manual – formare manuală sau mecanizat – formare mecanică. În acest capitol ne vom referi cu precădere la metodele de fabricare mecanizată a formelor temporare.

Formarea mecanică se pretează la producţia de serie mare şi presupune parcurgerea a două etape: formarea propriu zisă şi extragerea modelului din formă. După modul în care se face îndesarea maşinile de formare se clasifică în:

a. maşini de formare prin scuturare b. maşini de formare prin presare c. maşini de formare prin aruncare d. maşini de formare prin suflare e. maşini combinate.

Page 72: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

74

Maşina de formare prin scuturare şi presare Această instalaţie (fig.5.32) face parte din ultima categorie şi prezintă un ciclu de funcţionare compus din scuturare urmat de presare. Prin scuturare amestecul de formare (1) este îndesat la partea inferioară a ramei de formare (2). Atât rama cat şi modelul (3) sunt fixate pe masa maşinii. Instalaţia prezintă trei elemente principale: un cilindru (6) în care sunt introduse două pistoane (5 şi 4). Ciclul de scuturare (fig.5.32.a.) presupune insuflarea aerului sub presiune prin canalul A. Aerul ajunge sub pistonul 4 prin intermediul fantei C şi îl ridică până în dreptul canalului B din pistonul 5, moment în care aerul părăseşte instalaţia iar pistonul 4 pe care este fixată rama de formare cade cu şoc. Îndesarea după cum se observă şi în graficul 5.32.c. se realizează la partea inferioară a ramei. Pentru ca amestecul de formare să fie compactat şi la partea superioară (fig.5.32b.) prin orificiul D se trimite aer sub presiune astfel că ansamblul 4,5 se ridică, rama de formare fiind trimisă către un poanson fix. Îndesarea maximă se produce, de data aceasta la partea superioară a ramei (fig.5.32d.). Instalaţia este de mare productivitate şi este recomandată atât pentru formele mari cât şi pentru cele mici.

Fig.5.32. Maşina de formare prin scuturare şi presare

Maşina de formare prin aruncare prezentată în figura 5.33. este prevăzută cu un capăt aruncător care poate fi deplasat pe toată suprafaţa ramei de formare şi prevăzut cu o paletă rotitoare (3), care preia un anumit volum de amestec de formare prin canalul 1 şi îl aruncă cu putere în rama de formare.

5.33. Maşina de formare prin

aruncare 5.34. Maşina de formare prin

suflare

Page 73: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

75

Amestecul de formare vine pe o bandă transportoare. Instalaţia este deosebit de utilă la fabricarea formelor mari. Maşina de formare prin suflare este prevăzută cu o ramă specială (fig.5.34) care permite evacuarea aerului prin nişte orificii 6. Un debit important de aer este trimis în buncărul 1 care conţine amestec de formare. Amestecul de formare este suflat cu putere prin orificiile 3 ale plăcii 4. care se află între buncăr şi rama de formare. Viteza imprimată particulelor de amestec de formare produce îndesarea acestuia la nivelul ramei de formare înglobând modelul. Turnarea în forme temporare speciale Necesitatea reducerii consumurilor de amestec de formare respectiv necesitatea creşterii productivităţii a determinat apariţia unor forme temporare speciale dintre care amintim: forme coji, forme scoici, forme cu modele uşor fuzibile. Fabricarea formelor coji este un procedeu de formare fără plan de separaţie ceea ce conduce la creşterea preciziei dimensionale la ± 0.25 mm, prelucrările mecanice ulterioare putând fi eliminate. Modelul (fig.5.35, 1)este fabricat prin presare la cald dintr-un amestec de stearină şi parafină sau în cazuri speciale din mercur îngheţat.

Fig.5.35. Procesul de fabricare a formelor coji

Modelul este imersat într-o baie (2) formată dintr-un amestec de silicat de sodiu (50%) şi particule fine de cuarţ sub 0.1 mm (50%). Pe suprafaţa modelului se formează o peliculă refractară (3) care se întăreşte prin introducere într-o baie de NH4Cl- clorură. Procesul se repetă de 4-6 ori până când crusta refractară devine suficient de groasă. În acest moment peste model se suflă aer cald sau se imersează în apă fierbinte iar modelul de ceară se scurge (6) lăsând forma de turnare. Forma astfel obţinută se supune unui proces de calcinare la 200- 300 0C după care se introduce într-o cutie metalică în care se toarnă ulterior nisip uscat. Urmează turnarea metalului lichid (4) care se solidifică. Piesele se desprind apoi de pe reţeaua de turnare (5). Fabricarea formelor scoici Procedeul foloseşte nisip cuarţos acoperit cu un liant pe bază de răşini termoreactive. Acest nisip peliculizat (fig.5.36.) (3) este adus în contact cu modelul metalic (1) fierbinte (250-

Page 74: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

76

5500C). Particulele de nisip se lipesc formând o crustă refractară în contact cu modelul. Crusta (4), se desprinde obţinându-se o jumătate a formei de turnare. Cealaltă jumătate se obţine la fel. Cele două jumătăţi se asamblează şi se introduc într-o cutie metalică în care ulterior se toarnă nisip uscat. Se toarnă metalul lichid (5), iar după solidificare se extrage piesa turnată.

Fig.5.36. Procesul de fabricare a formelor scoici

Fabricarea formelor cu modele uşor fuzibile De asemenea avem un proces de fabricare a formelor temporare cu pereţi subţiri fără plan de separaţie. Modelele, din polistiren se vaporizează instantaneu la turnare. Fig.5.37. Procesul de fabricare a formelor cu modele uşor fuzibile Modelul din polistiren (1) (fig.5.37) se acoperă cu o peliculă refractară prin pulverizare (2) după care se introduce într-o cutie care se umple ca şi în cazurile precedente cu nisip uscat. Turnarea metalului lichid vaporizează modelul (4). Procedeul este folosit la turnarea în serie a blocurilor motor la motoarele cu ardere internă. Turnarea în forme permanente Din punct de vedere economic turnarea în forme temporare este superioară şi numai pentru faptul că nu este necesară câte o formă pentru fiecare piesă. Procesul presupune utilizarea unor forme metalice, deosebit de precis realizate care se închid şi se deschid cu uşurinţă care permit realizarea de piese deosebit de complexe cu pereţi subţiri şi suprafaţă foarte bună şi care se utilizează pentru un număr mare de turnări. Dezavantajele sunt acelea că aceste forme sunt scumpe şi datorită conductibilităţii termice mari, metalul se solidifică rapid existând pericolul umplerii incomplete. Totodată miezurile acestor forme trebuie astfel proiectate încât să poată

Page 75: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

77

fi uşor extrase din piesa solidificată. În unele cazuri se utilizează miezuri din amestecuri de formare. În acest caz formele se numesc semipermanente. Metalele care se toarnă frecvent în forme permanente sunt: aluminiul, magneziul, aliajele cu baza cupru. Turnarea oţelului şi a fontelor presupune supraâncălziea aliajului ceea ce face impropriu acest procedeu de turnare. Turnarea sub presiune este un proces de turnare în care metalul intră în formă cu viteză mare astfel încât transferul termic să nu conducă la solidificare locală. Există două procedee de turnare sub presiune: turnare sub presiune cu cameră rece (fig.5.38) şi turnare sub presiune cu cameră caldă(fig.5.39.)

Fig.5.38 Turnarea sub presiune cu cameră rece Turnarea subpresiune cu cameră rece presupune injectarea unui volum de metal lichid cu o presiune cuprinsă între 14-140 MPa cu ajutorul unui sistem cilindru – piston (3). Metalul lichid (2) este adus în camera de injecţie după care pistonul este acţionat astfel încât întreaga cantitate de metal este trimisă în formă. După solidificare forma se deschide iar piesa (5) este desprinsă cu ajutorul unui sistem 4. Turnarea sub presiune cu cameră caldă a cărei schemă este prezentată în figura 5.39 utilizează un sistem de injecţie vertical care dezvoltă o presiune de 7-35 MPa.

Fig.5.39 Turnarea sub presiune cu cameră caldă

Metalul topit curge gravitaţional în incinta de injecţie prin orificiul 3 până la umplere. Pistonul 2 este acţionat iar metalul este injectat cu presiune în formă (1). După solidificare forma se deschide, sistemul de deschidere fiind astfel proiectat încât să desprindă automat piesa turnată (5). Turnarea centrifugală presupune în principiu turnarea unui volum de metal lichid intr-o formă care se roteşte. Forţa

Turnarea sub presiunepermite realizarea depiese cu pereţi subţiri

Page 76: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

78

centrifugă dezvoltată face ca metalul lichid să se depună pe pereţii formei. Turnarea centrifugală propriu - zisă este turnarea cu ax orizontal (fig. 5. 39.a.). Mai sunt două variante ambele cu ax orizontal una semicentrifugă când piesa are formă tubulară alimentată din centrul formei, cealaltă turnare centrifugată (fig.5.40.b.) folosită la turnarea pieselor mărunte şi în care metalul lichid este trimis către cavitatea piesei a cărei simetrie nu mai este importantă de data aceasta.

Fig.5.40 Schema turnării centrifugale

La turnarea centrifugală cu ax orizontal , metalul curge intr-o formă care se roteşte cu o viteză de rotaţie N, piesa obţinută fiind tubulară. Forţa centrifugă dezvoltată este:

RmvF

2

=

unde F- forţa [N], R- raza interioară a formei, v- viteza [m/s]. Considerând : G=mg greutatea materialului de turnat (m-masa, g- acceleraţia gravitaţională), putem defini un factor k, raport între forţa centrifugă şi greutate care va avea expresia:

Rgv

Rmgmv

GFk

22

===

Viteza v se poate scrie:

30602 RNRNv ππ

==

unde N – viteza de rotaţie [rot/min] În aceste condiţii factorul k devine:

g

NRk

2

30⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=

π

Page 77: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

79

Găsim astfel viteza de rotaţie N care să asigure o turnare centrifugală corespunzătoare pentru o cantitate de metal dată:

DgkN 230

π=

Unde: D este diametrul interior al formei iar k ia valori cuprinse între 60-80. De exemplu pentru turnarea centrifugală a tuburilor k=65. Test de autoevaluare

Capitolul 5.2. Întrebări 1. Care sunt principalele procese de obţinere a lingourilor metalice? 2. Care este principiul constructiv-funcţional al turnării continue? 3. Care unt elementele unei forme de turnare? 4. Cum se determină fluiditatea unui metal topit? 5. Ce sunt amestecurile de formare şi din ce se compun? 6. Descrieţi principiile constructive şi funcţionale ale maşinii de format prin: aruncare, scuturare, presare, suflare. 7. Cum se obţin formele coji, scoici şi cele cu modele uşor fuzibile? 8. Care sunt principiile constructive şi funcţionale ale turnării sub presiune cu cameră rece respectiv cu cameră caldă? 9. Care este principiul constructiv-funcţional a turnării centrifugale? Capitolul 5.2. Chestionar cu răspunsuri multiple 1. Care este cel mai utilizat proces de turnare? a) turnarea centrifugală, b) turnarea sub presiune, c) turnarea în forme temporare. 2. Care dintre următorii compuşi chimici sunt prezenţi în nisipul utilizat în turnătorii? a) Al2O3 b) SiO, c) SiO2 d) SiSO4. 3. De ce formele temporare din amestecuri de formare se numesc crude? a) pentru că amestecul de formare are culoarea verde, b) pentru că amestecul de formare este umed, c) pentru că amestecul de formare este uscat. 4. Care dintre următoarele definiţii este proprie turnării în forme scoici? a) operaţie de turnare care presupune iniţierea solidificării metalului sub forma unei mici scoici, b) formă în care miezul are aspectul unei scoici, c) procesul de turnare prin care se obţin piese sub formă de scoici marine, d) procesul de turnare care utilizează forme cu pereţi subţiri din nisipuri acoperite cu răşini. 5. Care dintre următoarele procese de turnare folosesc forme permanente? a) turnare în forme scoici, b) turnare în forme coji, c) turnare sub presiune, d) turnare cu modele uşor fuzibile, e) turnare centrifugală. 6. Care dintre următoarele metale se toarnă bine în forme permanente? a) oţelul, b)fonta, c) aliajele eutectice, d) aluminiul, e) zincul f) wolframul 7. Care dintre următoarele sunt avantaje ale turnării în forme permanente faţă de turnarea în forme temporare? a) temperatura de turnare mai înaltă, b) productivitate mare, c) utilizarea formelor la un

Page 78: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

80

5.3. Prelucrarea materialelor metalice prin deformare plastică

5.3.1. Fundamentele deformării plastice Vedere de ansamblu asupra proceselor de deformare

plastică Procesele de deformare plastică urmăresc în general schimbarea formei unui semifabricat metalic. Aceasta se face cu ajutorul unor eforturi de deformare care sunt superioare limitei de curgere a materialului şi care se aplică asupra unor scule de deformare plastică. În general materialul ia forma sculelor de deformare iar eforturile de cele mai multe ori sunt de compresiune. Buna desfăşurare a unui proces de deformare plastică ţine de proprietăţile metalului care se deformează şi anume o limită de curgere scăzută şi o bună ductilitate, proprietăţi puternic influenţate de temperatură. Vom vorbi astfel, funcţie de temperatura de recristalizare, despre procese de deformare plastică la cald şi procese de deformare plastică la rece. Alţi factori care influenţează procesele de deformarea plastică sunt: viteza de deformaţie, gradul de deformare şi condiţiile de frecare. Putem încadra procesele de deformare plastică în două mari categorii: procese de deformare plastică în volum şi procese de deformare plastică a tablelor şi benzilor. Procesele de deformare plastică în volum sunt caracterizate de o deformare plastică semnificativă iar raportul dintre suprafaţa şi volumul semifabricatului supus deformării este relativ mic. Dintre procesele de deformare plastică volumetrică amintim: laminarea, forjarea liberă şi în matriţă, extrudarea precum şi tragerea şi trefilarea. Procesele de deformare plastică a tablelor şi benzilor sunt caracterizate de un raport suprafaţă volum mare. Din această categorie amintim: îndoirea tablelor şi benzilor, ştanţarea şi ambutisarea. Comportarea la deformare plastică a materialelor metalice Deformare plastică la rece, deformare plastică la cald, ecruisare, recristalizare Limita dintre deformarea plastică la cald şi deformarea plastică la rece este dată de temperatura de recristalizare. Astfel dacă deformarea se face la o temperatură mai mare decât temperatura de recristalizare vorbim despre deformare plastică la cald altfel deformarea plastică este la rece. Acest parametru, temperatură de recristalizare nu est o constantă fizică ci depinde de gradul de deformare suportat anterior de material, de compoziţia chimică şi puritatea acestuia. În tabelul 5.3. sunt date temperaturile de recristalizare ale câtorva metale. Astfel un oţel deformat la 200 0C este deformat plastic la rece iar la 800 0C este deformat la cald, în timp ce plumbul

În procesele dedeformare plasticălimita de curgere amaterialului estedepăşită

Page 79: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

81

deformat la temperatura ambiantă este de fapt deformat plastic la cald.

Tabelul5.3. Material Temperatura de

recristalizare [0C] Aluminiu (99.7%)

(99,9%) (99,9%) (99,9%)

Zinc (99%) Cupru (99%) Nichel(99%) Titan(99%)

Wolfram(99%) Staniu(pur) Plumb(pur)

240 200 100 -45 60 200 350 450

1200 Sub 0 Sub 0

Ecruisarea. La deformarea plastică la rece cu cât creşte gradul de deformare cu atât limita de rupere respectiv limita de curgere şi duritatea materialului vor căpăta valori mai mari. Concomitent alungirea la rupere şi gâtuirea la rupere scad. În consecinţă cu cât materialul va fi deformat mai mult cu atât mai mult el va deveni mai rezistent, mai puţin plastic şi se va opune mai mult deformării, mergând până la rupere. Fenomenul se numeşte ecruisare. Ecruisarea apare datorită blocării mişcări dislocaţiilor. Această blocare se produce ca urmare a apariţiei în material, în timpul deformării, a unor bariere în calea dislocaţiilor. Aceste bariere apar ca urmare a interacţiunii dislocaţiilor cu alte dislocaţii, cu precipitate aflate în material, cu limite la nivelul grăunţilor sau subgrăunţilor. Alinierea incluziunilor nemetalice pe direcţia deformării plastice, formează fibrajul de impurităţi, definit ca linii de slabă rezistenţă în material Recristalizarea. Structura ecruisată a materialului rezultată în procesul de deformare plastică este o structură în afară de echilibru. Readucerea proprietăţilor de plasticitate la valorile iniţiale se face prin încălzire când se întrunesc condiţiile ca materialul să treacă într-o stare de energie internă mai joasă spre echilibru. Recristalizarea este un proces de anulare a efectelor deformării care se desfăşoară la o temperatură mai mare decât o temperatură limită numită temperatură de recristalizare.

Trecr=αTtop

Unde Ttop este temperatura de topire a materialului metalic iar α o constantă cu valori cuprinse între 0.36- 0.45. Recristalizarea trebuie înţeleasă ca un proces de germinare şi creştere care nu se desfăşoară ca în cazul cristalizării din topitură, ci ca o a doua cristalizare de data aceasta în stare solidă. Legi de comportare la deformare la rece Procesul deformării la rece este caracterizat după cum arătam de ecruisare. Pe măsura ce gradul de deformare creste , se măreşte densitatea dislocaţiilor,se micşorează viteza

Ecruisarea şi recristalizarea:două procese opuse

Page 80: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

82

medie de mişcare a acestora ca urmare a măririi densităţii obstacolelor. Ca rezultat al interacţiunii dislocaţiilor, rezistenta la deformare a materialului creşte cu gradul de deformare. Temperatura de deformare fiind scăzuta nu pot avea loc procese de dezecruisare. Ca urmare variaţia temperaturii in cazul deformării la rece (Td<Trecr) are influenta mica asupra rezistentei la deformare .De aceea comportarea la deformare la rece a materialelor metalice este descrisa de o lege de ecruisare. În coordonate σ-ε legea de ecruisare poate lua o forma care se apropie de una din curbele reprezentate in figura 5.41 .

Fig.5.41 Reprezentarea grafică a legilor de comportare la deformarea plastică la rece

Principalele legi de ecruisare sunt: 1.Legea Hollomon ( curba 1 ) valabila in cazul materialelor metalice ca limita de curgere relativ redusa si este descrisa de o funcţie de putere de forma:

σ ε= C n1 (1)

unde n este exponent de ecruisare (n d lopg d= ( ) / (log )σ ε ) 2.Legea Ludwick ( curba2 ) valabila in cazul materialelor metalice cu limita de curgere mare si cu valoare foarte mare a modulului lui Young , respectiv cu valoarea neglijabila a deformaţiilor elastice. Aceasta este exprimata matematic prin expresia:

σ σ ε= +cnC2 (2)

3.Legea Swift ( curba 3 ) aplicabila aceleiaşi categorii de materiale ca si legea Ludwick si este exprimata prin ecuaţia:

σ ε ε= +C n2 0( ) (3)

4.Legea lui Hartley ( curba 4) sub forma exponenţiala exprimata prin relaţia:

σ σε εε

=+⎡

⎣⎢⎤

⎦⎥00exp

*

n

(4)

5.Legea Voce ( curba 4 ) stabilita pe baza unui model fizic al evoluţiei structurii si densităţii dislocaţiilor:

Page 81: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

83

σ σ ε= + − −0 1A e n( ) (5)

6.Legea Goff-Saada ( curba 2 ) reprezentând o dependenta logaritmica a rezistentei la deformare cu gradul de deformare :

σ ε ε= + +A B1 0ln( ) (6 7.Legea Ramberg-Osgood (curba 5 ) pentru materiale cu comportare la deformare elasto-plastică cu ecruisare:

εσ σ

= +⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

EC

E

n

3 (7)

În relaţiile de mai sus C1,C2,n, εo,ε, σo ,ε* ,A,A1,B,C3 sunt constante de material ,E-modulul lui Young. Folosirea uneia sau alteia dintre legile de ecruisare prezentate se face in funcţie de curba de ecruisare experimentala a materialului metalic.

Test de autoevaluare 1. Care este diferenţa dintre deformarea plastică la cald şi deformarea plastică la rece? 2. Ce este ecruisarea? Dar recristalizarea?

Page 82: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

84

5.3.2. Laminarea Laminarea este procesul de deformare plastică la cald

sau la rece care se realizează între cilindri de laminare în mişcare de rotaţie, antrenând astfel prin frecare, materialul în zona în care are loc deformarea. Utilajul de lucru poartă denumirea de laminor, procesul de deformare laminare, iar produsul rezultat laminat.

Laminarea are ca scop pe de o parte modificarea geometriei semifabricatului supus deformării, pe de altă parte modificarea structurii şi implicit a proprietăţilor aceluiaşi semifabricat.

Procedeele de laminare se împart în două categorii: laminare longitudinală (fig.5.43) şi laminare transversală sau elicoidală (fig.5.44.)

Prin laminare longitudinală se deformează aproape întreaga cantitate de oţel carbon şi slab aliat, pornindu-se de la lingouri sau semifabricate turnate continuu şi ajungându-se la semifabricate plane, (tablă sau bandă) sau profile cu destinaţie generală şi specială, ţevi, şine de cale ferată etc. Laminarea se poate efectua între cilindri netezi, în cazul produselor plate sau în canale inelare numite calibre, practicate în corpul cilindrului de lucru, în cazul profilelor. Pentru cazul cel mai răspândit al laminării longitudinale, cilindrii au sensuri diferite de rotaţie, axele cilindrilor fiind paralele între ele şi plasate în plan vertical.

În cazul laminării transversal - elicoidale, cilindrii

bitronconici (fig. 4.44.) au acelaşi sens de rotaţie, axele fiind în plan orizontal decalate la un unghi α, pentru a asigura mişcarea de avans a semifabricatului. Prin acest procedeu se obţin ţevi laminate, laminorul purtând denumirea de laminor perforator de ţevi.

Semifabricate folosite la laminare Prin semifabricat se înţeleg produsele intermediare

obţinute prin laminarea lingourilor, sau prin turnare continuă, destinate unei prelucrări ulterioare prin deformare plastică. Din această categorie fac parte: blumurile care sunt semifabricate de secţiune pătrată cu dimensiunea laturii a≥150mm÷400mm şi lungimea, L=2÷6m obţinute prin laminare din lingouri,

Fig. 5.43. Laminarea longitudinală 1. cilindri de lucru;2. semifabricat

Fig. 5.44. Laminare transversală-elicoidală 1-cilindri de lucru bitronconici, 2-semifabricat, 3- eboşă, 4- dorn perforator, 5-bara port dorn.

Prin laminare se obţinproduse plate (bandăşi tablă) dar se obţin şiprofile, ţevi şi chiarbile de rulmenţi.

Page 83: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

85

sleburile - semifabricate cu secţiune dreptunghiulară obţinute pe laminoare numite slebinguri, (H=100÷300mm, B= 500-1800mm, L= 1,5-9m), bramele,cu aceleaşi dimensiuni ca şi sleburile, se obţin prin turnare continuă, ţaglele - semifabricate cu secţiune pătrată sau rotundă obţinute pe laminoare de semifabricate (latură a= 40÷140mm, diametrul 14040 ÷=Φ , lungimea L=4÷12) şi în final ţaglele plate care sunt destinate laminării ulterioare în bare şi benzi (grosimea h=35÷70mm, lăţimea B=140÷280mm, lungimea L=1,5÷6m)

Clasificarea laminoarelor Prin laminor se înţelege, în cazul cel mai simplu, maşina

de sine stătătoare care execută procesul de deformare plastică a materialului de prelucrat între cilindri. Clasificarea laminoarelor se poate face după mai multe criterii. După destinaţie laminoarele sunt: a. degrosisoare: • bluminguri • slebinguri • laminoare de semifabricate

b. laminoare de profile • uşoare • mijlocii • grele (şine şi grinzi)

c. laminoare de tablă groasă şi laminoare de tablă subţire în foi d. laminoare de benzi la cald şi la rece e. laminoare de ţevi

• fără sudură laminat la cald • sudate pe generatoare • sudate elicoidal • de ţevi la rece f. laminoare cu destinaţie specială

• de roţi pentru cale ferată • de roţi şi bandaje • de bile • de roţi dinţate • de profile periodice

După numărul şi poziţia cilindrilor în cajă laminoarele pot fi:

• laminoare duo cu cilindri orizontali (Fig.5.45.a.) • laminoare duo cu cilindri verticali • laminoare cu trei cilindri care se utilizează la obţinerea

tablelor subţiri (trio Lautth) (Fig.5.45.b.) • laminoare quatro (cu patru cilindri) utilizate la laminarea

tablelor groase şi subţiri (Fig.5.45.c) • laminoare cu şase cilindri utilizate la obţinerea tablelor

foarte subţiri şi a foliilor;(d)

Page 84: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

86

• laminoare cu mai mulţi cilindri (12, 20); obţinându-se table şi benzi late (200-1000) şi subţiri 0,02-0,2 din oţeluri şi aliaje neferoase. Datorită faptului că diametrul cilindrilor de lucru este foarte redus 3-50mm aceştia nu sunt antrenaţi, punerea lor în mişcare se realizează prin frecare(Fig.5.45.d).

• laminoare planetare care sunt formate din doi cilindri de sprijin acţionaţi şi din două sisteme compuse din cilindri de lucru al căror lagăre sunt închise într-un cadru cu angrenaj dinţat care asigură deplasarea cilindrilor de lucru în jurul cilindrilor de sprijin. Cajele acestor laminoare se utilizează pentru laminarea benzilor şi tablelor aplicând reduceri mari într-o singură trecere până la 90-95%. (Fig.5.45.e)

• laminoare cu caje universale compuse din cilindri orizontali şi verticali pentru obţinerea profilelor de dimensiuni mari.

• laminoare pentru obţinerea plăcilor dinţate. • laminoare speciale pentru obţinerea roţilor monobloc, a

bandajelor mari, pinioanelor etc.

Fig.5.45. Diferite configuraţii de caje de laminare

Bazele teoretice ale laminării Elementele geometrice ale zonei de deformare la

laminarea longitudinală În timpul deformării plastice la laminarea longitudinală

datorită tensiunii exterioare care acţionează asupra materialului, acesta se deformează, în general, pe toate cele trei direcţii (fig.5.46.) modificându-şi dimensiunile. Notând cu h0, b0, l0- dimensiunile iniţiale ale semifabricatului şi h, b, l- dimensiunile după deformare, introducem următoarele noţiuni: Mărimi ce caracterizează modificarea înălţimii: reducerea absolută hhh −=Δ 0

Pe caje policilindrice se laminează materiale greu deformabile obţinându-se produse foarte subţiri (folii)

Page 85: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

87

reducerea relativă 0

0

hhh

h−

coeficientul de reducere hh0=λ

Mărimi ce caracterizează modificarea lăţimii: lăţirea absolută bbb −=Δ 0

lăţirea relativă 00

0

bb

bbb

=−

coeficientul de lăţire 0b

b=β

Mărimi ce caracterizează modificarea lungimii: alungirea absolută 0lll −=Δ

alungirea relativă 00

0

ll

lll

=−

coeficientul de alungire 0ll

Fig.5.46 Schema laminării longitudinale Calculul coeficientului de frecare la laminare - m Considerând α - unghiul de prindere şi lC - proiecţia lungimii de contact putem determina coeficientul de frecare considerând triunghiul AOC

Dh

Rh

R

hR

OACBOB Δ

−=Δ

−=

Δ−

=−

== 12

12OAOCcos α

Deci:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ−=

Δ−= 1arccos 1cos

Dh

Dh αα

Page 86: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

88

În aceste condiţii coeficientul de frecare va fi:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ−=

Dhtg 1arccosμ

Calculul proiecţiei lungimii arcului de contact - lc Acest parametru se determină considerând teorema lui Pitagora în triunghiul AOC:

222 OCAOAC −=

2

-2

222

22 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ−Δ⋅+=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ

−−=hhRRR

DhRRlC

hRlC Δ≈ sau

Rh

RhR

RRlC

Δ=

Δ=

=⇒−=

α

αα

sin

sinl 1sin C

Eforturi la laminare. Prinderea la laminare

Procesul de laminare prezintă trei faze: o fază tranzitorie în care materialul ajunge în faţa cajei de laminare şi este prins, prin frecare, între cilindrii în mişcare de rotaţie (această fază durează până în momentul în care zona de deformare este ocupată complet cu material), o fază staţionară, cea a laminării propriu-zise şi o fază tranzitorie în care materialul părăseşte zona de deformare. Aceste trei faze ale procesului sunt caracterizate de unghiului de prindere α, unghiului de frecareϕ , şi de variaţia reducerii absolute (fig.5.47 ).

Fig.5.47. Schema prinderii la laminarea longitudinală În prima fază, reducerea absolută Δh se modifică de la o valoare egală cu zero la o valoare constantă egală cu Δh=h0-h (5.47.a). Unghiul de frecare pϕ (la prindere) este unghiul format

Procesul de laminare se bazează pe frecarea dintre material şi cilindrii de laminare

Page 87: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

89

de rezultanta R cu normala N, care scade până la o valoare egală cu unghiul de frecare φc. Acest stadiu este nestabil caracterizat prin variaţia reducerii Δh şi a unghiului de frecare pϕ .

Faza a doua, este faza laminării propriu-zise, caracterizată de unghiul de frecare φc=ct, Δh=h0-h=ct pe tot parcursul laminării (5.47.b).

Faza finală a procesului, este nestabilă şi caracterizată prin variaţia reducerii Δh de la o valoare constantă. la zero şi a unghiului de frecare φc de la o valoare constantă la zero.

În momentul prinderii caracterizat de unghiul de frecare φp=φc=α între forţa normală N şi forţa de frecare tangenţială T există relaţia:

T=μfN Pentru ca prinderea să aibă loc este necesar ca proiecţia

pe axa x a componentei T să fie mai mare decât proiecţia pe axa a normalei N sau Rx > 0.

xx NT ≥ αcosTTx =

ααα sinNcosT ;sin ⋅≥⋅⋅= NNx

αμααα tgtg

NT

NT

≥≥≥ f ; ;cossin la limită.

În momentul prinderii, unghiul de prindere pp ϕα ≤ care variază către valoarea constantă αϕ =c (are loc laminarea propriu-zisă) astfel ff tgtg ϕα ≤ .

Pentru ca materialul să fie antrenat între cilindri este necesar ca unghiul de prindere pp ϕα ≤ .

Factorii care influenţează procesul de prindere sunt: suprafaţa cilindrilor de lucru, structura materialului, diametrul cilindrilor de lucru, reducerea aplicată, temperatura de deformare şi viteza de laminare. Avansul şi întârzierea la laminare Dacă considerăm un moment al laminării şi presupunem că laminarea se face într-un timp infinit mic, fără deplasări de material, în vecinătatea suprafeţei de contact cilindri-material există zone staţionare. În focarul de deformare, distribuţia eforturilor pe lungimea arcului de contact este diferită. La intrarea materialului între cilindri N are valoarea maximă iar la ieşire forţa normală N = 0 (fig.5.48.a.). Aceasta face ca în vecinătatea materialului să acţioneze tensiuni de reţinere ce duc la o oarecare întârziere. Volumul de material din zona I va avea o întârziere la laminare iar volumul de material din zona II va avea un avans (datorită tensiunilor de avans şi de reţinere ce au rezultat din zonele staţionare haşurate) (fig. 5.48.b).

Page 88: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

90

Zona I - este zona de întârziere unde viteza particulelor de material din zona de deformare este mai mică decât proiecţia pe orizontal a vitezei periferice a cilindrilor de lucru. Zona II – este zonă neutră unde viteza particulelor de material este egală cu viteza periferică a cilindrilor. Zona III – zonă de avans unde viteza particulelor de material este mai mare decât viteza periferică a cilindrilor de lucru (fig. 5.48. c).

1;60

11 −=−

==pp

pap V

VV

VVSDnV π

ααα

cos1

coscos 00

pp

pi V

VV

VVS −=

−=

Fig. 5.48. Schema distribuţiei eforturilor în zona de deformare

Schema liniei de laminare

Caja de laminare este utilajul de bază într-un laminor iar linia după care se amplasează aceasta se numeşte linia principală a laminorului (fig. 5.49).

Motoarele de acţionare a laminoarelor sunt motoare electrice atât de curent continuu cât şi de curent alternativ, cu puteri cuprinse între 6-12000 kW, la laminoarele mari scăzând până la 100-700 kW la cele de profile mici.

Motoarele de curent continuu. se folosesc la laminoarele reversibile la care este necesară o variaţie în limite largi a vitezei de laminare (bluminguri, slebinguri).

Page 89: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

91

Motoarele de curent alternativ sincrone şi asincrone se folosesc la laminoarele ireversibile ce necesită puteri mici şi mijlocii.

Cuplajul motorului face legătura între axul motorului şi a reductorului, având rolul de a transmite mişcarea de rotaţie de la motor la reductor.

Fig.5.49. Schema cinematică a cajei de laminare 1-motor acţionare, 2- cuplaj, 3- reductor, 4- cajă angrenare, 5- bare de

cuplare, 6- cilindri de lucru, 7-mifabricat

Reductorul se foloseşte la laminoarele ireversibile când turaţia cilindrilor este mai mică de 200-250 rot./min, având deci rolul de a reduce numărul de rotaţii de la motor la cilindri de lucru, reductoarele putând fi cu una, două sau trei trepte de reducere.

Caja de angrenare are rolul de a transmite mişcarea de rotaţie de la reductor la cilindri de lucru şi de a împărţi momentul motor în mod egal pe cei doi cilindri de lucru şi de a schimba sensul de rotaţie.

Cajele de angrenare pot fi cu doi cilindri dinţaţi (cilindrii de lucru având sensul de rotaţie diferit) şi trei cilindri dinţaţi,(cilindrii de lucru având acelaşi sens de rotaţie laminare transversal-elicoidală).

Barele de cuplare au rolul de a transmite mişcarea de rotaţie de la cajele de angrenare la cilindri de lucru.

Linia de laminare este deservită de o sumă de utilaje specifice pentru fiecare laminor în parte. În figura 5.50. este prezentă schema unui laminor de tablă groasă de pe platforma Mital Steel Galaţi În componenţa unui astfel de laminor intră: 1(v)- caja verticală de refulare, 2(d)- caja degrosisoare cvarto, 3(f) caja finisoare cvarto, 4- cuptoare cu propulsie, 5- instalaţie de desţunderizare, 6- pat de răcire pentru sleburi şi table peste 40 mm, 7- foarfece pentru sleburi, 8- stivuitor pentru sleburi, 10-maşină de îndreptat la cald, 11, 12, 35, 36- paturi de răcire, 13-pat de răcire şi control, 14- răsturnător de table, 15,16- paturi de control şi curăţire, 17- instalaţie de control cu ultrasunete, 18- maşină de trasat, 19- foarfece de probe şi şutare la rece, 20- foarfece disc pentru tăierea marginilor, 21- foarfece disc pentru tăiere longitudinală, 22- foarfece ghilotină pentru tăierea marginilor, 23- foarfece de debitare, 24- cântare, 25- stivuitoare pentru table scurte, 26- stivuitoare pentru table

Page 90: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

92

lungi, 27- cuptoare de normalizare pentru table cu grosimea de până la 100 mm, 30- maşină de îndreptat la rece, 32 – instalaţie de tăiere autogenă pentru tablele cu grosime mai mare de 40 mm, 33- cuptor de revenire, 34- cuptor de călire.

Fig. 5.50. Schema de amplasare a laminorului de tablă groasă de 3300

mm de la Mital Steel Galaţi Elemente de tehnologia laminării

Stabilirea dimensiunilor semifabricatului iniţial. La ieşirea din caja de laminare semifabricatul are marginile neregulate. Se impune deci ajustarea acestora (fig.5.51.). Ajustarea generează o pierdere de material de care se va ţine seama la dimensionarea semifabricatului iniţial prin intermediul unui coeficient k. Vom nota cu 0 indicii semifabricatului iniţial şi cu 1 indicii semifabricatului final.

Fig.5.51.Semifabricat laminat

- înălţimea semifabricatului iniţial: h0.>h1 - lăţimea semifabricatului iniţial: există situaţii în care lăţimea iniţială are valori mici comparativ cu lăţimea pe care dorim să o obţinem ( b0<b1), în aceste condiţii semifabricatul este rotit la 900 , se fac câteva treceri pe lăţime după care urmează o nouă rotire. Semifabricatul este adus în poziţia iniţială dar are acum o lăţime mult mai mare ca la început - lungimea semifabricatului iniţial se determină din legea volumului constant considerând pierderile prin ajustare:

Page 91: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

93

00

1111

111000

hbkhbll

khblhbl

⋅⋅⋅⋅

=

⋅⋅⋅=⋅⋅

Stabilirea regimului de încălzire. Regimul termic de încălzire ţine seama de compoziţia chimică a materialului, de dimensiunile semifabricatului de pornire cât şi de frecvenţa de încărcare a agregatului. Stabilirea numărului de treceri. Obţinerea dimensiunilor finale se face prin deformări succesive ale semifabricatului iniţial de fiecare dată reducând înălţimea acestuia. Considerând un coeficient de alungire mediu: λ= 1.2- 1.25 avem:

12

1

2

3

1

2

0

1

00 −−

− ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅===n

f

n

nfftotal A

AAA

AA

AA

AA

AA

ll

λ

Putem scrie:

ntotal λλλλλ ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅= 321 deci

nm

fftotal A

All

λλ ===00

prin logaritmare Stabilirea schemei de laminare, presupune de fapt repartizarea gradului de deformare total pe numărul de treceri determinat anterior. Dacă volumul reducerii este limitat de unghiul de prindere neţinând seama de modificarea diametrului şi a coeficientului de frecare, se poate considera gradul de deformare egal pe toate trecerile, respectiv mari la sfârşitul laminării.(fig. a). Când gradul de deformare este limitat pe tot parcursul laminării de puterea motoarelor, atunci se începe laminarea cu grade de deformare mici acare por apoi creşte uşor (fig.b). Când gradul de deformare este limitat de plasticitatea materialului care la primele treceri este minimă datorită structurii de turnare, după câteva treceri atinge un maxim după care scade atunci se poate adopta o schemă de laminare ca în figura c.

m

f

mf

mnf

nAAn

nnAAAA

λ

λ

λ

lnln

lnln

lnln

0

0

0

−=

=−

=

Page 92: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

94

La oţelurile înalt aliate cu plasticitate redusă se porneşte cu grade de deformare mici care se pot mări pe parcurs (d,c).

n n

λ λ

d) e)

λm λm

Calculul forţei la laminare. Forţa la laminare se consideră ca fiind produsul dintre presiunea medie şi suprafaţa de contact cilindru – material..

hRbplbpF mmcmm Δ== pm - presiunea medie bm - lăţimea medie a suprafeţei de contact lc - lungimea arcului de contact

( ) RhhbbSC ⋅−+

= 1010

2

Dacă între cilindri există o diferenţă mare între diametre, suprafaţa de contact se calculează cu relaţia:

( )1021

2110 22

hhRRRRbbSC −

+⋅+

=

Lăţimea b1 a semifabricatului după laminare se poate stabili aproximativ cu relaţia:

clhhhCbb ⋅

−+=

0

1001

unde C = 0,35÷0,45, pentru oţeluri C = 0,35, pentru aluminiu C = 0,45 În practică, pentru calculul forţei de laminare o mare utilitate o are formula lui Ekelund care dă rezultate bune la laminare la cald pentru temperaturi mai mari de 8000C.

F = pmSc

AR ( )mkp mm ++=•

1)( εη E Kk = Rezistenţa la deformare la temperatura de deformare în daN/mm2

n n n

λ λ λ

a) c) b)

λm λm λm

Page 93: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

95

η – vâscozitatea materialului smmdaN

⋅2

mε& – viteza medie de deformaţie m– coeficient ce depinde de R h, , Δfμ Pentru cazul laminării la rece a benzilor pentru calculul presiunii de deformare se foloseşte formula lui Stone.

( )m

eKpm

m1−−

În care: K - rezistenţa la deformare,σ - tensiunea medie în bandă, m - coeficient care ţine cont de factorii geometrici.

Test de autoevaluare

1. Ce este laminarea? 2. Care sunt procedeele de laminare pe care le cunoaşteţi? 3. Ce este avansul şi întârzierea la laminare? 4. Ce este o schemă de laminare?

Page 94: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

96

5.3.3. Forjarea Este procesul de deformare plastică prin care materialul este comprimat între două scule numite nicovale. Cunoscută din antichitate (anul 5000I.H.) forjarea este şi astăzi unul dintre cele mai importante procese de deformare plastică. Prin forjare se obţin astfel componente de înaltă rezistenţă utilizate în construcţia de autoturisme, industria aerospaţială, industria energetică. Procesele de forjare se clasifică după mai multe criterii. Unul dintre acestea este temperatura de deformare. Marea majoritate a proceselor de forjare se desfăşoară la cald la temperaturi superioare temperaturii de recristalizare, pentru a reduce eforturile necesare deformării plastice cu toate avantajele care decurg de aici. O bună parte dintre produsele forjate se obţin însă prin forjare la rece, rezultând componente de mare rezistenţă. Un alt criteriu de clasificare este viteza cu care se aplică efortul de deformare respectiv utilajul de deformare. Prin impact în cazul forjării pe ciocane de forjă sau lent în cazul forjării pe prese. O altă diferenţă între procesele de forjare o constituie modul în care este limitată curgere materialului. Ţinând cont de acest criteriu avem două tipuri de procese forjare: forjarea liberă în care sculele mai mult sau mai puţin plane nu restrâng în nici un fel curgerea materialului (decât la contactul scule – material) şi forjarea în matriţă sau matriţare. Matriţarea fiind matriţare deschisă sau cu bavură, în care sculele se imprimă în material, şi matriţare închisă, fără bavură sau matriţare de precizie.

Forjarea liberă Prin forjare liberă se obţin piese cu configuraţie relativ simplă şi precizie dimensională redusă precum: discuri, arbori, inele sau tuburi. Aceste tipuri de semifabricate forjate se obţin prin combinarea unor operaţii de forjare liberă dintre care amintim: refularea, întinderea, găurirea.

Refularea Refularea este operaţia prin care semifabricatele îşi

micşorează înălţimea în favoarea creşterii secţiunii transversale. Prin refulare semifabricatele sunt comprimate în direcţia axei lor longitudinale, scopul fiind: • mărirea gradului de deformare plastică, pentru a obţine o

structură cât mai fină mai ales atunci când se pleacă de la semifabricate turnate, caracterizate de o structură de turnare cu grăunţi grosolani.

• obţinerea pieselor cu secţiune transversală mai mare decât a semifabricatului iniţial;

• reducerea anizotropiei caracteristicilor mecanice; • ca operaţie prealabilă în vederea găuririi.

Ca operaţie de bază a proceselor tehnologice de forjare, refularea poate fi considerată uniformă (fig.5.52) numai în anumite condiţii. Acestea se referă atât la proprietăţile

Prin forjare liberă se pot obţine piese masive cu configuraţie relativ simplă

Page 95: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

97

materialului cât şi la condiţiile în care se desfăşoară procesul, şi anume: • se presupune ca materialul supus deformării este omogen şi

izotrop. • când deformarea se realizează la cald se presupune că se

realizează o distribuţie uniformă a temperaturii în întregul volum al materialului.

• în timpul executării refulării nu există zone în semifabricat care să rămână în afara acţiunii directe a sculelor.

• între suprafeţele de contact dintre scule şi semifabricat nu există frecare care să conducă la crearea de forţe exterioare suplimentare.

Dacă toate aceste condiţii sunt îndeplinite refularea se realizează cu deformare uniformă.

5.52. Refulare uniformă a unui semifabricat cilindric supus deformării în condiţii ideale

Întrucât din punct de vedere practic toate condiţiile

impuse mai sus nu pot fi îndeplinite, înseamnă că, în realitate, trebuie să se considere numai refularea cu deformaţie neuniformă (Fig.5.53). Neuniformitatea deformaţiei la refulare se poate reduce prin ameliorarea condiţiilor de frecare scule - material, adoptarea unor soluţii constructive pentru nicovale sau prin refularea simultană a două produse. În cazul acesta se adoptă o deformare în două etape aplicând jumătate din gradul de deformare programat în fiecare etapă.

5.53. Refulare neuniformă a unui semifabricat cilindric

Refularea stă la bazamultor prcese deforjare liberă

Page 96: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

98

După prima deformare semifabricatele se rotesc astfel încât la contactul cu nicovalele să ajungă partea semifabricatului cu suprafaţă transversală maximă. La refularea cu deformare neuniformă, se are în vedere de asemenea ca raportul h0/d0< 3, în caz contrar apare pericolul flambări semifabricatului

Calculul forţei la refulare Pentru a determina forţa de apăsare la presă se

consideră că aceasta trebuie sa fie egală cu produsul dintre presiunea necesară refulării şi suprafaţa de contact

P=pA [N];

p=σc(1+ hd

3μ ) [N/mm2];

σc’ = W·M·σc

în care: σ’c este rezistenţa la deformare a materialului forjat; μ - coeficientul de frecare: μ=0,2÷0,35; σc - limita de curgere a materialului forjat; W - coeficientul de corecţie funcţie de viteza de deformare; M - coeficientul de corecţie funcţie de mărimea semifabricatului.

În cazul refulării pe ciocane de forjă este necesar să se calculeze masa părţii căzătoare a ciocanului.

Lucru mecanic de deformare este dat de relaţia lui Siebel:

L=V·pm ·ln1

0hh

;

în care: ln 1

0

hh , ε =

0

10

hhh − ,

pentru grade mici de deformare; L=V· mp ·ε, V - volumul semifabricatului supus deformării; pm - presiunea medie de deformare. Cunoscând lucrul mecanic de deformare plastică a masei părţii căzătoare a ciocanului, se determină energia de lovire:

E=2

2mv

în care: m-este masa părţii căzătoare în Kg; v-viteza de cădere sau de impact [m/s]. Admiţând că:

L=E·η => ε⋅⋅ mpV =2

2mv ·η

m=η

ε

⋅⋅⋅2

2

v

pV m η=0,75÷0,85

Întinderea Întinderea prin forjare liberă este operaţia prin care se

micşorează secţiunea transversală a semifabricatelor în favoarea lungirii lor.

Sculele principale cu care se execută întinderea sunt nicovalele, care, pot fi:

Page 97: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

99

• - cu suprafeţe plane şi paralele; • - cu suprafeţe rotunjite; • - cu suprafeţe combinate; • - cu suprafeţe profilate cu unghiul cavităţii cuprins intre

95÷120º. În funcţie de tipul urmărit şi configuraţia semifabricatului sau a piesei forjate, întinderea poate fi executată în mai multe variante: întinderea simplă, întinderea cu lăţire, întinderea profilată, întinderea cu dezaxare, întinderea pe dorn cu menţinerea diametrului interior constant, întinderea pe dorn cu modificarea diametrului interior.

Întinderea simplă constituie operaţia prin care se realizează micşorarea secţiunii transversale cu valori constante pe întreaga lungime a semifabricatului. Această operaţie se poate execută fie cu o rotire alternativă la 90º după fiecare lovitură, fie cu rotire în spirală (fig.5.54.)

Primul procedeu fiind mai simplu, se foloseşte pentru majoritatea oţelurilor; al doilea fiind mai greu de executat se foloseşte mai mult la oţelurile cu plasticitate redusă. La primul procedeu, rotirea la 090 nu este obligatorie după fiecare lovitură sau reducere ci poate fi executată după n lovituri sau reduceri parţiale de-a lungul semifabricatului

În ceea ce priveşte productivitatea şi uşurinţa de execuţie întinderea cu rotire după n lovituri este cea mai productivă. Pentru a mări productivitatea în cazul întinderii simple lungimea de prindere trebuie să fie astfel aleasă încât să se obţină un raport optim între intensitatea cu care se produce alungirea şi lăţirea,raport care să asigure un număr minim de lovituri de ciocan.

1 3 5 7 9 11 13

2 4 6 8 10 12 14

1 5 9 13 17 212 6 10 14 18 22

Fig.5.54. Întinderea între nicovale plane şi paralele În afara modului de rotire, alternativă sau în spirală la

efectuarea operaţiei de întindere simplă trebuie avut în vedere şi felul de manevrare a piesei sau semifabricatului .Astfel, în cazul pieselor sau semifabricatelor grele înaintarea acestora pe nicovală se face înspre forjor. În acest caz piesa în spatele utilajului de forjat este susţinută printr-un lanţ sau un suport şi manevrată cu ajutorul podului rulant.

Page 98: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

100

a b

c d

Fig.5.55. Modul de crestare a semifabricatelor la întindere Întinderea cu lăţire este operaţia prin care se urmăreşte

atât alungirea semifabricatului cât şi lăţirea secţiunii transversale a acestuia. În acest scop lungimea de prindere a semifabricatului între scule trebuie să fie cât mai mare, iar suprafaţa de lucru plană. Întinderea cu lăţire în concordanţă cu legea minimei rezistenţe, pe măsura creşterii lungimii de prindere scade alungirea şi creşte lăţirea

Dacă totuşi la valorile maxime ale raportului dintre lungimea de prindere a semifabricatului între scule şi lăţimea acestuia raportul dintre lăţire şi alungire se menţine nesatisfăcător pentru mărirea în continuare a lăţirii se folosesc scule adecvate acestui scop

Întinderea profilată sau întinderea cu gâtuiri sau proeminenţe este operaţia prin care se urmăreşte alungirea semifabricatului însoţită de modificarea diferită a mărimii şi formei secţiunii transversale. Pentru întinderea profilată, în funcţie de felul profilării este necesară execuţia unor operaţii preliminare de crestare (figura 5.55).

Acest fel de întindere se întâlneşte în cazul pieselor cu secţiune variabilă,piese care formează marea majoritate a produselor forjate

Întinderea cu dezaxare constituie operaţia de forjare prin care se urmăreşte atât întinderea semifabricatului cât şi deplasarea unor porţiuni faţă de axă. În general, întinderea cu

Page 99: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

101

dezaxare se execută mai mult la prese, întâlnindu-se foarte frecvent la forjarea arborilor cotiţi (figura 5.56).

P P

Fig.5.56. Modul de crestare şi dezaxare la întindere Întinderea pe dorn cu menţinerea diametrului interior constant se execută în cazul pieselor cilindrice găurite, cu scopul de a mări lungimea şi a micşora diametrul exterior, inclusiv grosimea pereţilor (figura 5.57.a).

PB

g

d

P dorn

a b

flanşăextractor

Fig.5.57. Întinderea pe dorn cu menţinerea diametrului interior constant

Pentru uşurarea extragerii dornului, acesta se execută cu o conicitate 1/100÷1/150 şi o flanşă care are rol de extractor (figura 5.57.b). Întinderea pe dorn cu modificarea diametrului interior se execută pentru piesele inelare în cazul când este necesară mărirea diametrului interior şi exterior pe seama micşorării grosimi peretelui cu sau fără alungirea piesei (figura 5.58.a). În cazul intensificării curgerii materialului în direcţia dorită la întinderea cu modificarea diametrului interior lăţimea nicovalei B trebuie sa fie cât mai mare. În cazul pieselor inelare cu diametrul interior mare, în scopul uşurării efectuării operaţiei de întindere, al micşorării diametrului dornului şi al simplificării dispozitivelor între dorn şi piese se introduce o bucşă intermediară. Coroiajul Prin coroiaj se înţelege raportul dintre secţiunea transversală iniţială şi finală a semifabricatului.

C = f

i

AA

Page 100: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

102

În cazul forjării în trepte, pe lângă noţiunea de coroiaj total se foloseşte şi noţiunea de coroiaj parţial. Prin coroiajul parţial se înţelege coroiajul necesar pentru forjarea unei trepte.

123

4

12

3

4

g

d

L

B

P P

Fig.5.58. a Întinderea pe dorn cu modificarea diametrului interior

Din figura de mai sus se observă că pentru a trece de la o secţiune iniţiala A0 la o secţiune finală Az este necesar ca forjarea să se facă în mai multe trepte (figura 5.59.). Prima treaptă o constituie forjarea de la A0 la A1 rezultând valoarea

coroiajului C1=1

0

AA .

A0

0h

b0

A1'

h 1'

b1'

0hh 1

h0-Δh

A1

b0'2bΔ /

A1'A2'

A2

A1

A2' 'Az

Az

Fig.5.59. Succesiunea operaţiilor şi forma semifabricatului la întindere

În mod similar C2=2

1

AA ; C3=

3

2

AA … Cz=

z

z

AA 1− .

Produsul coroiajelor parţiale C1·C2·C3…·Cz=1

0

AA ·

2

1

AA ·

3

2

AA ·...

z

z

AA 1− =

zAA0 = C

Stabilirea numărului de trepte de forjare

Page 101: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

103

Se numeşte treaptă de forjare operaţia de întindere prin forjare pe două laturi, adică întinderea realizată până şi după întoarcerea pe cant. Prin număr de trepte se înţelege numărul coroiajelor parţiale Cp necesare pentru obţinerea coroiajului total. Numărul de trepte z de la secţiunea iniţială A0 până la cea finală Az se calculează folosind ecuaţia generală a coroiajului.

C = zA

A0 =1

0

AA ·

2

1

AA ·

3

2

AA ·...

z

z

AA 1−

C = C1·C2·C3…·Cz

Adoptând o valoarea constantă a coroiajelor parţiale Cp necesare realizării fiecărei treceri, vom obţine:

C = 1

0

AA ·

2

0

AA ·

3

0

AA …= z

pC = zA

A0

Logaritmând, vom obţine: zlgCp = lgA0 – lgA

z = p

z0

lgClgA - lgA

Coroiajul parţial variază între limitele Cp = 1,4÷1,7

Găurirea este operaţia de forjare prin care se urmăreşte obţinerea unei găuri pătrunse sau nepătrunse în semifabricatul sau piesa forjată. La forjare cel mai frecvent se întâlneşte găurirea pătrunsă, adică găurirea efectuată pe întreaga înălţime a semifabricatului. Găurirea nepătrunsă, respectiv găurirea efectuată numai pe o porţiune a înălţimii semifabricatului se întâlneşte, de obicei, în cazul matriţării.

Operaţia de găurire se poate executa cu dornuri pline pentru găuri mai mici de 500 mm şi dornuri tubulare pentru găuri mai mari de 500 mm.

Găurirea poate fi deschisă sau închisă. În cazul găuririi deschise, semifabricatul este aşezat liber pe masa presei sau a ciocanului, materialul dislocat de dorn curge lateral ducând la mărirea diametrului, în timp ce înălţimea scade, aceste modificări ale dimensiunilor semifabricatului în timpul operaţiei de găurire fiind influenţate de raportul D/d (fig.5.60.a). Unde: d- diametrul dornului, 00 , HD - dimensiunile iniţiale ale semifabricatului, 11, HD = dimensiunile după găurire

2minmax

1DDD +

=

01 DDD −=Δ

10 HHH −=Δ Înainte de găurire, semifabricatul se supune refulării care are ca scop reducerea înălţimii şi mărirea diametrului, ceea ce

Page 102: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

104

uşurează efectuarea operaţiei de găurire precum şi îndepărtarea suprafeţelor frontale (a capetelor) pentru uşurarea fixării şi centrării dornului.

dP

H0

D0

H1

D1

dP

D1

H0

D0

H1

Fig.5.60.Găurirea deschisă(a) şi închisă (b) Găurirea cu dornuri pline se efectuează în mai multe

etape: lingoul refulat se aşează pe nicovala sau masa presei cu retasura în jos ca astfel în deşeul(dop) care se înlătură să se găsească majoritatea impurităţilor care se află în lingou.

H1H0

D0 D1

h

P P P1 2 3

a b c

Fig.5.61 Succesiunea operaţiilor la găurire

După aşezarea lingoului sau a semifabricatului refulat (1) pe nicovală, se centrează dornul (2) cu baza mică în jos (figura 7.11.a.) şi se execută o cavitate, apoi dornul este scos şi în cavitatea formată se presară praf de mangan sau grafit, cu scopul de a micşora frecarea în timpul găuririi şi de a uşura scoaterea dornului. După depunerea prafului de cărbune se execută găurirea (dornul fiind cu baza mică în jos) până la o înălţime h=(0,25÷0,3)·H0 . În cazul când dornul este mic, găurirea se execută cu dornuri intermediare (fig.7.11.b) a căror diametru este cu 10÷15 mm mai mic decât a dornului de străpungere (3). După ce dornul a

Page 103: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

105

pătruns până la înălţimea h, semifabricatul se întoarce la 180º (figura 7.11.c.) se îndreaptă suprafaţa devenită convexă şi pe porţiunea mai întunecată din cauza răcirii mai intense se centrează alt dorn aşezat cu baza mare în jos pentru a se efectua străpungerea .

Pierderea de material în deşeu (dop) fiind calculată cu relaţia:

0

2

4)3,025,0( HdVd ⋅

⋅⋅÷=π

Găurirea cu dornul plin are dezavantajul deformării formei şi dimensiunilor iniţiale a semifabricatului.

Această deformare constă în micşorarea înălţimii iniţiale, mărirea diametrului exterior şi obţinerea formei convexe în partea de jos şi concavă în partea de sus,care este cu atât mai pronunţată cu cât este mai mare diametrul dornului exterior a semifabricatului supus găuririi. Forţa necesară găurii se calculează cu relaţia:

)ln15,11)(311(; 1'

dD

hdAPpAP cpp ⋅+⋅

⋅+⋅=⋅=μσ

în care: pA este aria dornului [mm2]

1D - diametrul exterior al semifabricatului refulat în [mm] μ - coeficientul de frecare

)311('

hdA cp⋅

⋅+⋅μσ forţa necesară refulări materialului cu

dimensiunile d şi h

dD1ln15,11 ⋅+ multiplu care arată de câte ori se măreşte

forţa la refulare în cazul găuririi închise 22

01 dDD += . Îndoirea este operaţia prin care semifabricatul sau piesa forjată se curbează pe axa longitudinală după conturul şi direcţia indicată în desenul de piesă finită sau forjată. Îndoirea se întâlneşte fie într-un complex de operaţii fie ca o operaţie unică pentru obţinerea piesei respective. La forjare, îndoirea se execută de obicei la maşini de îndoit, prese hidraulice, ciocane şi uneori în cazul pieselor mici şi de serie mică se execută manual. Indiferent de modul în care se execută aceasta operaţie, cu sau fără dispozitive ajutătoare la presă sau la ciocan etc. în timpul îndoirii materialului se creează, simultan în zona de curbură, atât tensiuni de întindere, cât şi tensiuni de comprimare (figura 7.12).

Ca o consecinţă a tensiunilor ce se creează în zona de curbură, secţiunea transversală a semifabricatului se denaturează subţiindu-se în exterior şi îngroşându-se în interior. Simultan cu aceste subţieri şi îngroşări ale semifabricatului în partea interioară se încreţeşte, iar în partea exterioară se alungeşte.

Page 104: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

106

d1 R

Rc

12

o

o''o'

dσ1

σ2

σ3

σ1

σ2

σ3

ε1ε3

ε2

ε2

ε3

ε11

2

Fig.5.62 Starea de tensiuni şi deformaţii la îndoire

Pentru evitarea denaturării, respectiv subţierii secţiunii

transversale, se recomandă ca înainte de îndoire în partea exterioară a semifabricatului să fie îngroşată (fig.5.63)în zona de curbura.

înainte de îndoire

dupăîndoire

Fig.5.63 Variante de fasonare a semifabricatelor la îndoire

Forţa necesară îndoirii se determină pe baza

momentului de încovoiere care în cazul îndoirii la cald poate fi calculată cu relaţia :

rwr

KKM σ⋅⋅+= )2

(6,0 01

în care: 1K este coeficientul de forma şi are valoarea: 1.5- secţiuni dreptunghiulare; 1.7- secţiuni rotunde; 2.0- secţiuni pătrate îndoite pe muchie; 0K =coeficientul de rezistenta

r

KKσ⋅

=6,0

20 ;

Unde:r = raza de curbura, w=modulul de rezistenta, rσ =limita de rupere, =2K constanta funcţie de rσ şi temperatură

Răsucirea este operaţia prin care o parte a semifabricatului se roteşte faţă de altă parte, în vederea obţinerii unei decalări unghiulare. Pentru ca operaţia de răsucire să se facă în bune condiţii este necesar să se cunoască următoarele aspecte : momentul

Page 105: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

107

necesar răsucirii; eforturile remanente la răsucire; unghiul maxim de răsucire admis de material fără să apară fisuri în piesă.

În esenţă, operaţia de răsucire constă în încastrarea (calarea) unui capăt al porţiunii ce urmează a fi supusă răsucirii şi rotirea în jurul axei longitudinale a celuilalt capăt al porţiunii respective. Tăierea este operaţia de forjare liberă prin care se realizează separarea parţială sau totală a unor părţi ale semifabricatului. Crestarea este o formă de tăiere prin care se machiază de exemplu tronsoanele unui arbore ce urmează apoi să fie deformate prin întindere (fig.5.64.). Scule şi utilaje pentru forjare liberă Dintre sculele de forjare liberă menţionăm nicovalele (fig.5.65. a,b), matriţe (c ) pentru finisarea suprafeţei, dălţi(d ), topoare şi dornuri (e ),întinzătoare (f ).

Fig.5.65. Scule utilizate în procesul de forjare liberă Alături de aceste scule la forjarea liberă se utilizează o sumă de echipamente de susţinere, transport, manipulare a piesei în timpul procesului de forjare. Instrumentele de măsură asigură controlul dimensiunilor pieselor forjate în timpul procesului şi după finalizarea acestuia (compasuri, echere, şublere speciale)

Utilajele pentru forjare liberă se împart în două mari clase: ciocane şi prese. Ciocanele asigură o viteză a părţii active cuprinsă între 5-10 m/s şi pot fi mecanice (pentru piese mici), pneumatice (piese mici şi mijlocii) sau cu abur sau aer comprimat (piese mari). Presele asigură viteze mai mici (sub 5 m/s) şi pot fi: cu fricţiune (pentru piese mici de serie mică), cu excentric (piese mici de serie mare) sau hidraulice (piese mari şi foarte mari.

Fig.5.64. Tăierea prin forjare liberă

Page 106: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

108

Ciocan cu dublu efect şi doi montanţi tip portal. Acest utilaj foloseşte ca sursă de energie aburul sub presiune (7-9 atm.) care ajunge în pistonul de lucru (1) aflat la partea superioară (Fig.5.66.).

Fig.5.66. Ciocan cu dublu efect şi doi montanţi tip portal Schema constructivă -1. cap de lucru în care se află pistonul, 2. tija

pistonului, 3. nicovală superioară, 4. ghidaje, 5. nicovală inferioară. b. Schema funcţională – 1. piston 2. nicovală superioară, 3. piesă, 4.

şabotă, c. schema sistemului de comandă Funcţionarea acestui agregat este simplă. Cu ajutorul

unui dispozitiv de distribuţie cu sertar aburul sub presiune sau aerul comprimat, după caz, este trimis deasupra pistonului determinând coborârea acestuia sau la partea inferioară când presiunea exercitată determină urcarea pistonului. Pentru stabilirea tipului de ciocan, respectiv mărimea acestuia se pleacă de la mărimea piesei ce urmează a fi forjată, respectiv volumul V sau masa m a piesei. La nivelul pistonului se dezvoltă o forţă:

Unde: p- presiunea aburului, S- suprafaţa pistonului Forţa de deformare la impactul cu piesa va fi:

SpF ⋅=

aMgMSpFd ⋅=⋅+⋅=

Page 107: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

109

Unde: M- este masa părţii căzătoare a ciocanului, g- acceleraţia gravitaţională, a- acceleraţia masei M. Găsim că acceleraţia a este: Înlocuind în ecuaţia lui Galilei valoarea acceleraţiei de mai sus avem: Energia cinetică a masei M se transformă în lucru mecanic de deformare Ld, sub un randament η. Lucrul mecanic de deformare exercitat asupra piesei de volum V are expresia: Unde Rd- rezistenţa la deformare a materialului, ε=ln (h0/h1) gradul de deformare real al piesei. Scriind legea de conservare a energiei în acest caz vom avea: În expresia de mai sus s-a înlocuit volumul piesei cu raportul masă, densitate. Considerând valoarea vitezei determinată mai sus avem: Dezvoltând vom găsi în final valoarea masei, M capabilă să deformeze plastic cu un grad de deformare ε o piesă de masă m, cu o rezistenţă la deformare Rd, de forma: Presa hidraulică, este un utilaj de mare putere utilizat pentru forjarea pieselor mari. Forţa necesară procesului este dezvoltată în pistonul de lucru 7, fixat pe traversa fixă superioară 5. Pistonul principal primeşte ulei sub presiune de la pompa hidraulică 12, prin intermediul unui acumulator de presiune 11 şi a unui distribuitor 14. Presa este prevăzută cu trei traverse două fixe, (1,5) şi una mobilă(4), rigidizate cu două coloane (9).

gMpS

MMgpSa +=

+=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +== g

MpShahv 222

ηε ⋅⋅⋅= VRL dd

ρηε

ηε

ηmRVRLMvE ddd

c ====2

2

ρηεmRg

MpSHMMvE d

c =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +== 2

22

2

gpS

ghmRM d −=ηρε

Page 108: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

110

Fig.5.67. Schema de principiu a unei prese hidraulice Nicovalele sunt fixate, una (2) pe traversa fixă inferioară cealaltă (3) pe traversa mobilă 4. Revenirea respectiv ridicarea traversei mobile se face prin intermediul a doi cilindri hidraulici suplimentari (6), care primesc ulei sub presiune sub pistonul de lucru.

5.3.4. Matriţarea Forjarea în matriţă numită şi matriţare este un proces de deformare plastică în care materialul se deformează simultan în tot volumul iar curgerea acestuia este funcţie de configuraţia sculelor. Sculele numite matriţe prezintă forma inversă a piesei (fig.5.68). Calitatea pieselor matriţate este superioară şi prezintă două aspecte: unul se referă la calitatea deosebită a suprafeţei pieselor, cel de al doilea aspect se referă la proprietăţile mecanice deosebite care derivă în special din aceea că fibra materialului este continuă indiferent de configuraţia piesei. Matriţarea deschisă numită şi matriţare cu bavură sau prin imprimare parcurge trei etape: metalul încălzit suferă un procese de refulare, după care intră în contact cu pereţii matriţei şi în final se formează bavura ca un volum de metal dispus pe tot conturul piesei. Bavura este foarte importantă deoarece restricţionează fluxul de metal din cavitatea piesei către magazia bavurii întrucât, materialul se răceşte mai pronunţat pe acea porţiune. Acest lucru conduce la creşterea locală a rezistenţei la deformare şi determină umplerea sigură a cavităţii piesei.

Page 109: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

111

Între matriţarea închisă şi matriţarea cu bavură există o distincţie tehnică importantă. Lipsa bavurii impune procesului nişte toleranţe strânse în cea ce priveşte volumul de metal supus deformării care trebuie să fie egal cu cavitatea piesei. În caz contrar piesa fie rezultă incomplet formată fie, dacă volumul de metal este mai mare, apare pericolul distrugerii matriţelor.

Fig.5.68. Secvenţă de operaţii în timpul procesului de matriţare (a) matriţare cu bavură 1- semimatriţă superioară, 2- semimatriţă

superioară, 3- piesă matriţată (b) matriţare de precizie 1- poanson, 2-semifabricat, 3- matriţă

Elemente de proiectare a procesului de matriţate Întocmirea desenului piesei matriţate. Se pleacă de la desenul piesei finite pe care se aplică o serie de adaosuri (fig.5.69): adaosuri tehnologice, se prevăd pentru simplificarea geometriei piesei sau pe acele porţiuni cu detalii care nu se pot realiza direct din matriţare (găuri, caneluri etc,). Tot adaosuri tehnologice sunt şi adaosurile prevăzute pentru a uşura extragerea piesei din matriţă.

Fig.5. 69. Adaosuri prevăzute la o piesă matriţată Alături de adaosurile tehnologice se prevăd adaosuri de prelucrare , care apar ca volume suplimentare de metal care se îndepărtează prin prelucrări mecanice ulterioare matriţării şi care asigură precizie dimensională sporită sau o rugozitate dată pe unele suprafeţe. Toleranţele dimensionale se prevăd la toate piesele matriţate şi ţin de mărimea şi configuraţia piesei, de uzura matriţelor şi a utilajelor de matriţare.

Planul de separaţie este planul la nivelul căruia se desfac matriţele din două bucăţi pentru ca piesa să fie extrasă. Alegerea planului de separaţie trebuie să aibă în vedere umplerea rapidă a matriţei fără deplasări relative a celor două

Page 110: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

112

jumătăţi. În cazul pieselor simetrice planul de separaţie este planul de simetrie al piesei(fig.5.70)

Fig.5.70 Poziţia planului de separaţie în cazul sferei şi a cubului Planul de separaţie se alege funcţie de configuraţia piesei şi condiţiile de lucru dar astfel încât cavitatea matriţei să asigure o adâncime minimă şi o lăţime maximă. Totodată planul se separaţie trebuie să asigure o suprafaţă plană (fig.5.71. III,) şi nu una complicată, (IV ) pentru a uşura execuţia matriţelor dar şi pentru a tăia cu uşurinţă bavura.

Fig.5.71 Plan de separaţie drept sau frânt Alegerea masei semifabricatului iniţial are în vedere pe lângă masa piesei finite (Mpf), masa de metal pierdută prin ardere în timpul încălzirii (Ma), masa bavurii (Mb) şi masa adaosurilor(Map).

M= Mpf + Ma + Mb + Map Forma semifabricatului de pornire se determină plecând de la desenul piesei forjate care se intersectează cu un număr de plane perpendiculare pe lanul de separaţia al piesei (fig.5.72). Fiecare intersecţie determină o suprafaţă mai mult sau mai puţin complicată. Această suprafaţă se echivalează cu o suprafaţă circulară.

Diametrul acestor suprafeţe se distribuie la fel ca în figura 5.72 obţinându-se forma semifabricatului de pornire. Funcţie de această formă se alege mai departe succesiunea operaţiilor de matriţare şi se proiectează locaşurile de matriţare (5.73) care pot fi de profilare, de întindere, îndoire sau retezare.

4

2i

idA π

=

Page 111: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

113

Fig.5.72. Alegerea formei semifabricatului de pornire în cazul pieselor

complicate care se realizează pe mai multe perechi de matriţe

După matriţare piesa este supusă îndreptării după care este debavurată. Debavurarea se execută cu ajutorul unei matriţe cu muchii tăietoare (fig.5.73). Utilaje pentru matriţare. Presa cu şurub După ciocane, presele cu şurub au cea mai mare răspândire având aceeaşi caracteristică de variaţie şi viteză în funcţie de cursă ca a ciocanelor. De asemenea, ca şi ciocanele, ele deformează metalul ca urmare a energiei cinetice furnizată de un volant, matriţarea având loc prin lovire.

În mod uzual, presele cu şurub sunt construite pentru forţe de deformare cuprinse între limitele 0,4…40 MN, corespunzând unor energii de deformare de 146…70.000 MPa.

Din punct de vedere constructiv funcţional, această categorie de utilaje se realizează în mai multe variante ca de exemplu: prese cu şurub şi fricţiune cu două discuri (fig. 5.74.); prese cu şurub fără discuri cu acţionare directă de la ansamblul

Fig.5.72. Locaş de profilare 1. cleşte, 2. planul de separaţie, 3 semimatriţă inferioară, 4. piesa, semimatriţă superioară

Fig.5.73 Schema debavurării unei piese matriţate

Page 112: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

114

motor – reductor – cuplaj; prese cu două discuri şi cadru mobil; prese cu şurub cu acţionare hidraulică.

În figura 5.74 cei doi volanţi verticali sunt puşi în mişcare de un motor electric prin intermediul unui sistem de transmisie cu curele. Volanţii sunt montaţi pe un ax care permite alături de mişcarea de rotaţie şi o mişcare de translaţie.

Aceasta face ca unul şi apoi celălalt volant să intre în contact cu volantul orizontal (4), determinând după caz rotirea acestuia prin frecare într-un sens sau altul. Şurubul (5) este fixat pe volantul (4) şi se roteşte odată cu acesta. Şurubul angrenează cu piuliţa (10 )fixă, ceea ce face ac să se deplaseze în jos – lovire sau în sus – ridicarea matriţei.

Fig 5.74. Presă cu şurub şi fricţiune cu două discuri 1 – disc; 2 – ax; 3- pârghie cu două braţe, 4- volant, 5-şurub, 6- berbec,

7-batiu, 8-tijă, 9- mâner, 10- piuliţa, 11- cuplă rotitoare de presiune

Test de autoevaluare 1. Ce este forjarea liberă? Care sunt principalele operaţii de forjare

liberă? 2. Ce este matriţarea? 3. Cum se întocmeşte desenul unei piese matriţate? 5. Bavura la matriţarea deschisă nu are nici un rol şi este nedorită

deoarece necesită efort suplimentar pentru îndepărtarea ei şi implică consum de metal suplimentar. a) adevărat, b) fals.

Page 113: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

115

5.3.5. Extrudarea Extrudarea este procesul de deformare plastică prin compresiune în care materialul este forţat să curgă prin deschiderea unei matriţe căpătând astfel o anumită secţiune transversală. Deşi este cunoscută încă de la 1800, extrudarea rămâne şi astăzi un proces modern prin care se obţin o mare varietate de produse, în special la extrudare la cald, cu o mare precizie dimensională .Prin extrudare se ameliorează structura cristalină a materialului şi prin aceasta proprietăţile mecanice. Pierderile de material în procesul de extrudare sunt foarte reduse. Tipuri de extrudare. Un criteriu de clasificare este configuraţia fizică a procesului. Avem astfel două tipuri de extrudare: extrudare directă şi extrudare inversă. Un alt criteriu este temperatura de deformare: extrudare la cald, extrudare la rece. În final extrudarea poate fi continuă sau discretă. Extrudare directă şi extrudare inversă Extrudarea directă (fig.5.81.) presupune împingerea unui volum de metal cu ajutorul unui poanson prin deschidere calibrată a unei matriţe de extrudare. Se observă că semifabricatul extrudat se deplasează în acelaşi sens cu sensul de avans al poansonului. La acest tip de extrudare se observă o porţiune de material care nu poate fi extrudată şi care poartă numele de capăt, capătul semifabricatului care este separat de produsul extrudat la nivelul ieşirii din matriţă. O problemă la extrudarea directă este forţa de frecare la nivelul containerului şi al matriţei care conduce la creşterea importantă a forţei care trebuie dezvoltată în proces. Totodată la deformarea la cald frecarea aceasta este accentuată de pelicula de oxizi la nivelul suprafeţei pastilei de extrudat. Problema se rezolvă introducând între material şi piston un bloc metalic cu diametrul mai mic decât diametrul pistonului şi care permite trecerea unei cantităţi de material, în marea majoritate oxizi, pe lângă poanson, lăsând în acest fel suprafaţa materialului curată de oxizi.

Fig.5.75. Schema extrudării directe

1. poanson, 2. bloc de extrudare, 3. container, 4. matriţă de extrudare, 5,6 semifabricate extrudate

Prin extrudare directă se obţin produse pline dar se pot obţine la fel de bine produse tubulare închise sau deschise

Page 114: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

116

(fig.5.75.) (6.). În acest din ultim caz semifabricatul de extrudat este găurit astfel încât să permită intrarea unui poanson special. Forma poansonului respectiv a golului matriţei permite obţinerea prin extrudare a unei varietăţi infinite de produse. Extrudarea inversă (fig.5.76) prezintă matriţa aşezată sub poanson iar materialul curge în golul creat de matriţă şi container dar în sens invers sensului de avans al poansonului. În acest proces frecarea este mult diminuată deoarece nu mai există frecare material – container. Forţa necesară procesului fiind mai mică decât în cazul extrudării directe. Problema este de rigiditate a poansonului tubular respectiv susţinerea semifabricatului extrudat.

Fig.5.76. Schema procesului de extrudare inversă a. 1. poanson tubular, 2. container, 3. matriţă de extrudare, 4

semifabricat plin extrudat, b. 1. poanson, . bloc de extrudare, 3. container,4. semifabricat tubular extrudat

Extrudare la rece şi extrudare la cald. La cald se extrudează zincul, cuprul, staniul, aluminiul şi aliajele lor. Aceste materiale se pot însă extruda şi la rece. Oţelurile se extrudează la cald de deoarece plasticitatea materialului creşte şi în acest fel se pot obţine produse complexe cu forţe de extrudare scăzute. Extrudare continuă şi extrudare discretă. Extrudarea continuă sau mai corect semicontinuă presupune obţinerea de produse lungi care se supun tăierii ulterioare în piese. Extrudarea discretă presupune obţinerea unei singure piese la un ciclu de extrudare - cazul extrudării prin impact care este o extrudare la rece de mare viteză. Calculul forţei la extrudare Schema pentru stabilirea forţei de extruziune este dată in figura 5.77.

F=FD+Fα+Fd+Pd

Unde: D – diametrul containerului, α – unghiul conului de deformare, d – diametrul orificiului de calibrare, h – înălţimea pragului activ, FD – forţa de frecare pe zona containerului, Fα – forţa de frecare pe zona conică de deformare, Fd – forţa de frecare pe zona de calibrare

Page 115: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

117

Fig.5.77 Schema pentru calculul forţei la extrudarea directă Explicitând avem: Reprezentarea grafică a variaţiei forţei la extrudarea directă respectiv extrudarea inversă este prezentată în figura 5.78.

Fig.5.78. Grafic tipic de variaţie a forţei de extrudare cu avansul poansonului

Valoarea cea mai mare se obţine la extrudarea directă datorită frecării pe containerul matriţei.

Se observă ca la extrudarea directă forţa creşte până când atinge un maxim corespunzător momentului în care

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

1

0

1

0

ln14

ln14

AA

tgdhRdFe

AA

tgdh

DHRdFe

inversa

directă

αμμ

αμμ

Page 116: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

118

primele straturi de material tind să iasă din zona calibrată matriţei respectiv atunci când toate componentele forţei de frecare devin efective (forţa de frecare pe container, forţa de frecare pe zona conică de deformare, forţa de frecare pe zona calibrată a matriţei). Din acest moment forţa scade deoarece înălţimea materialului în container scade şi implicit scade şi componenta de frecare pe container. La finalul procesului tendinţa de creştere a forţei este accentuată deoarece capătul rămas în matriţă are tendinţa de durificare fie prin creşterea rezistenţei la deformare datorită scăderii temperaturii de deformare la deformarea plastică la cald, fie prin ecruisare la deformarea plastică la rece. La extrudarea inversă forţa creşte până când primele straturi de material părăsesc matriţa după care rămâne constantă. Aceeaşi tendinţă de creştere la final se manifestă şi în acest caz. Test de autoevaluare

1. Ce este extrudarea şi câte tipuri de extrudare cunoaşteţi? 2. Ce este tragerea şi trefilarea.

6.Tuburile se obţin prin extrudare directă dar nu şi prin extrudare inversă. a) adevărat, b) fals.

Extrudarea inversă seface cu eforturi maimici pentru ca forţa defrecare pe containernu se manifestă

Page 117: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

119

5.3.6. Tragerea şi trefilarea În contextul deformării volumice a materialelor metalice tragerea este procesul prin care secţiunea transversală a unei bare se reduce la trecerea prin deschiderea unei scule numită matriţă de tragere (fig. 5.79).

Un caz special de tragere este trefilarea sârmelor. Diferenţa dintre tragere şi trefilare este dată de diametrul produselor care se procesează. Tragerea barelor se referă la materiale cu diametru mare pe când tragerea sârmelor - trefilarea se aplică sârmelor cu diametru mic care sunt trase printr-o sculă numită filieră.

Pe lângă efortul de tracţiune şi efortul de compresiune

joacă un rol important pentru că metalul se comprimă pentru a putea tece prin matriţa de deformare.

Fig.5.79 Schema procesului de tragere Analiza teoretică a procesului de tragere Calculul forţei la tragere. Forţa necesară în procesul de tragere prezintă trei componente: o componentă de deformare Fd şi două componente de frecare Ffα (componenta de frecare pe zona conică de deformare şi Ffi (componenta de frecare pe zona de ieşire a matriţei).

Ftr=Fd+Ffα+Ffi

Unde: Rd- rezistenţa la deformare a materialului, m – coeficientul de frecare, A0 şi A1 secţiunea semifabricatului înainte şi după tragere. Calculul gradului de deformare

( ) ( )101

0

1

11 ln14 AA

AAtg

dlRAF dtrtr −⎥

⎤⎢⎣

⎡⋅++=⋅= αμμσ

Page 118: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

120

( )101 AAA comptr −≥⋅ σσ ; ( )21

20

21

44ddd

comptr −≥⋅πσπσ

( )21

20

21 ddd comptr −≥⋅ σσ ⇒ ( ) 2

02

1 dd compcomptr σσσ =⋅+

comptr

compddσσ

σ+

⋅= 20

21

Fig.5.80. Schema calculului gradului de deformare la tragere Din condiţia de plasticitate: ck σσσ ≈=− 231

ccomptr σσσ ≈= ⇒ 212

02

1 ⋅= dd ⇒ 2

101 ⋅= dd

deci, 2

101 ⋅≥ dd ⇒ 01 75,0 dd ≥

Coeficienţii de deformare la tragere. Determinarea

numărului de trageri.

Coeficientul de reducere relativă: 0

1

0

10 1dd

dddd −=

−=

Coeficientul de alungire 0

1

ll

=λ .

Pentru n deformări, 0AAn << , deformarea de la A0 la An nu se poate face dintr-o singură tragere, fiind necesar să se aplice un număr de trageri succesive respectându-se la fiecare tragere condiţia de tragere 175,0 −≥ ii dd

n

n

ntot A

AAA

AA

AA

AA 1

3

2

2

1

1

00 −⋅⋅⋅⋅== Kλ

ntot λλλλλ ⋅⋅⋅⋅= K321

medλλλ K2≈

nmed A

An 0lglg =λ ⇒ med

nAAnλlog

loglog 0 −=

Scule şi utilaje de tragere şi trefilare Sculele de bază pentru tragerea şi trefilare a produselor

rectilinii sunt filierele (fig.5.81.) şi matriţele (fig.5.82.). Pentru tragerea ţevilor pe lângă matriţe, din sculele de

tragere mai fac parte dornurile lungi sau scurte. Filierele

Page 119: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

121

prezintă două părţi constructive: manşonul (I) şi filiera propriu-zisă (II). Dacă manşonul este executat din oţeluri obişnuite, filiera propriu-zisă se realizează din materiale speciale, în general din carburi dure sinterizate dar pentru aplicaţii speciale se fac chiar din diamant.

Unghiul conului de formare, α - are valori cuprinse între 4 – 12o, l2 - lungimea conului de deformare (0,5 – 0,7) l1, unde l1 este lungimea părţii de calibrare, l1 = (0,3 – 1) d iar l3 > 0,15 h. Zona de ungere prevăzută pentru a permite intrarea lubrifiantului în partea de lucru a filierei se execută de formă conică cu unghiul γ = 40 – 60o iar zona de ieşire poate avea formă conică sau sferică, unghiul β se adoptă (β = 60 – 90o).

Fig.5. 81 Aspecte constructive ale unei filiere

1-zona de intrare, 2-zona de ungere, 3-conul de deformare, 4-zona de calibrare, 5-zona de ieşire

Atunci când diametrul barelor depăşeşte 10 mm în proces se utilizează matriţe (fig.5.78.)

Fig.5. 82. Matriţă pentru tragere α- unghiul conului de formare, α = 6 – 18o, l1 - lungimea părţii de

calibrare, l1 = 1 – 8 mm, β- unghiul zonei de ieşire, β= 600

Filiera este sub formaunei pastile activedeoarece materialeledin care se realizeazăsunt scumpe

Page 120: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

122

Instalaţiile de tragere sau trefilare pot fi singulare (o

singură filieră - fig.5.83.) utilizate pentru tragerea sârmelor groase sau multiple pentru sârme cu diametru mic, atunci când instalaţia este prevăzută cu două sau mai multe filiere( fig. 5.80).

Fig.5.83. Maşină de trefilat simplă 1. tobă de alimentare, 2. lubrifiant, 3. filieră, 4. angrenaj cu roţi dinţate

conice, 5. motor electric de acţionare

Diametrul tobei este determinat de forma şi dimensiunile produsului finit, astfel, de exemplu, la o sârmă cu diametrul de 4mm, diametrul tobei va fi de 450mm. Viteza de tragere pe instalaţia cu o tobă este de 1-5 m/s, iar forţa de tragere cuprinsă între 5 – 10.000 MPa.

Fig.5.84. Maşină de trefilat multiplă 1. filiere, 2. tobe de tragere, 3. cutii cu lubrifiant

În figura 5.84. este prezentată o maşină de trefilat multiplă cu tobele de tragere amplasate orizontal. O astfel de instalaţie simplificând mult procesul de trecere a sârmelor prin filiere precum şi extragerea colacilor de sârmă. Vitezele de tragere de la o tobă la alta trebuie bine corelate: 021122

1

2

2

12

0110

1

1

01

vkkvkvvv

AAk

vkvvv

AAk

==⇒==

=⇒==

Page 121: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

123

Similar: v3=k1k2k3v0,

Vitezele se determină cu uşurinţă, adoptându-se un coeficient de deformare mediu: k=1.1-1.2

Fig.5.85. Banc de tragere a barelor, acţionat hidraulic

Procesul tehnologic de trefilare cuprinde o serie de etape, prima dintre acestea fiind decaparea sârmei. Decaparea are rolul de a îndepărta de pe suprafaţa sârmei a oxizilor. Decaparea se face într-o soluţie de acid sulfuric în apă 15-18% H2SO4. Temperatura băii de decapare este de cca. 650C, iar timpul de decapare în baie variază între 20 şi 30 min. După decapare se realizează neutralizarea urmelor de acid cu prin imersare într-o baie de hidroxid de calciu - Ca(OH)2 (var stins). Urmează procesul de ascuţire care se execută pe o instalaţie similară cu o mini cajă de laminare la care cilindrii prezintă nişte profile variabile. Urmează apoi trefilarea propriu-zisă. Capătul unui nou colac de sârmă este sudat prin presare de precedentul. După trefilare urmează tratamentul termic al sârmelor pentru a elimina efectele ecruisării, apoi CTC şi expediţie.

Rezumat În acest capitol se face o trecere în revistă a proceselor de obţinere a metalelor şi aliajelor din minereuri precum şi principalele procese de prelucrare.

Răspunsuri la chestionare: Cap5.1- 1b, 2b, 3a, 4a, 5a, 6b, 7c. Cap.5.2.- 1c, 2c, 3b, 4d, 5ce, 6d,. Cap5.3- 1cde, 2acd, 3bce, 4abd, 5b, 6b

Test de autoevaluare

1. Ce este tragerea şi trefilarea.

Page 122: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S U D A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

124

CAPITOLUL6

SUDAREA MATERIALELOR METALICE

6.1. Obiective În acest capitol vom sistematiza principalele procedee de sudare a materialelor metalice. Vom ilustra procese de sudare clasice precum sudarea manuală cu arc electric dar şi procedee speciale de sudare precum sudarea în medii de gaze protectoare, sudarea sub strat de flux sau sudarea cu plasma alături de alte procedee de sudare

6.2. Vedere de ansamblu asupra tehnologiei sudării Sudarea este o metodă de îmbinare nedemontabilă a două corpuri solide prin stabilirea în anumite condiţii de temperatură şi presiune, a unor forţe de legătură între atomii marginali aparţinând celor două corpuri de îmbinat. De obicei sudarea se realizează pe piese din acelaşi metal dar pot fi unite prin sudare şi piese din metale diferite. American Welding Society (Societatea Americană de sudură) a clasificat mai mult de 50 de tipuri de operaţiuni distincte de sudură, care utilizează diferite combinaţii energetice. Putem însă împărţi procesele de sudare în două grupuri principale: sudare prin topire şi sudare în stare solidă Sudarea prin topire foloseşte căldura pentru a topi local metalul de bază. În multe procese de sudare prin topire se aduce din exterior metal de adaos cu aport de volum dar şi de rezistenţă. Sudarea prin topire include următoarele grupuri generale:

- sudare cu arc electric – se referă la un grup de procese care utilizează căldura arcului electric pentru topirea locală a pieselor de sudat. Marea majoritate a acestor procese folosesc material de adaos

- sudare prin rezistenţă proprie sau prin presare – căldura necesară procesului se obţine prin efectul termic al curentului electric care străbate suprafaţa de contact dintre cele două piese pe care este aplicată o presiune scăzută.

- sudare cu flacără – căldura se obţine prin arderea unui amestec de gaz combustibil, în general acetilena, şi oxigen.

Sudarea în stare solidă se referă la îmbinarea care se obţine prin presare şi încălzire locală de cele mai multe ori, dar sub temperatura de topire. Câteva procese reprezentative din această categorie:

- sudarea prin difuziune – combină o presiune joasă aplicată la nivelul suprafeţei de sudare şi temperatură

- sudarea prin frecare – căldura necesară sudării apare prin frecarea celor două corpuri de îmbinat

sudare ultrasonică – se realizează prin aplicarea unei presiuni medii supra corpurilor care se sudează şi o vibraţie cu

Sudarea se poate face prin topire dar şi stare solidă

Page 123: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S U D A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

125

frecvenţă ultrasonică paralel cu suprafaţa de sudare. Combinarea dintre presiunea de contact şi mişcarea oscilatoria conduce la crearea de legături atomice între atomii marginali ai pieselor de asamblat. Tipuri de îmbinări. Sunt cinci tipuri de bază de îmbinări pentru a integra două părţi în una singură: cap la cap (fig.6.1.a.), îmbinare în colţ(b), îmbinare prin suprapunere(c), îmbinare în T (d) şi îmbinare cu margine comună(e).

Fig.6.1. Cinci tipuri de bază de asamblare

Îmbinările sudate pot prezenta mai multe variante funcţie de procedeul de sudare astfel la sudarea prin topire îmbinarea cap la cap poate fi pe o parte (fig.6.2.f.) sau pe ambele părţi, sudarea în colţ poate fi interioară (a) sau exterioară(b), putem avea de asemenea sudare în găuri (e). Sudarea poate fi în puncte (h)sau în linie dacă se utilizează procedeul prin presare şi încălzire prin rezistenţă proprie

Fig.6.2. Sudură prin topire şi în punte 6.3. Fizica sudării

Apariţia forţelor de coeziune între două corpuri metalice se explică prin faptul că atomii dispuşi pe suprafaţa celor două corpuri au legături libere şi pot intra în interacţiune atunci când distanţa devine de ordinul razelor atomice. Realizarea acestei condiţii de proximitate presupune două soluţii: încălzirea corpurilor care urmează a fi îmbinate şi exercitarea unei presiuni exterioare asupra corpurilor de îmbinat. Prin încălzire mobilitatea atomilor creşte, creşte de asemenea plasticitatea materialului. În condiţiile în care temperatura este mare, ea poate realiza singură îmbinarea. Prin topire locală atomii celor două corpuri se amestecă într-o baie de metal topit, solidificarea acestei băi conduce la apariţia cordonului de sudură. Asigurarea forţelor de coeziune prin presare fără încălzire, nu conduce la sudare deoarece la suprafaţa liberă a celor două repere ia naştere un film monoatomic de gaz care

a c d e

g f

b

h

La baza procesului desudare stă interacţiunea lanivel atomic

Page 124: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S U D A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

126

împiedică coeziunea celor două metale chiar la presiuni foarte mari. Concluzia că se poate realiza sudare prin presare, dar sudarea trebuie să fie activată termic cu ultrasunete, prin frecare etc. Pe de altă parte pentru ca sudarea să aibă loc se va aplica o energie calorică de înaltă densitate suficientă pentru a produce încălzirea locală chiar până la topire la nivelul suprafeţei metalului de bază. Densitatea calorică va fi definită ca raportul dinte energia transferată în timpul procesului şi suprafaţa de încălzit (W/mm2). Timpul necesar încălzirii este invers proporţional cu densitatea de putere. Densitatea de energie necesară pentru marea majoritate a proceselor de sudare este de 10 W/mm2. Creşterea densităţii de energie la 10000 W/mm2 conduce la vaporizarea locală a materialului. Valoare densităţii de energie se calculează cu relaţia:

]/[ 2mmWSPDE =

Unde: P- puterea, S suprafaţa Câteva valori pentru densitatea de energie caracteristică pentru un anumit proces de sudare sunt date în tabelul 6.1.

Tabelul 6.1. Procesul de sudare Densitatea de

energie [W/mm2] Sudare cu flacără oxiacetilenică Sudare cu arc electric Sudare prin presare Sudare cu laser Sudare cu jet de electroni

10 50 1000 9000 10000

Astfel în timpul procesului de sudare cu flacără se

dezvoltă temperaturi de 35000C, iar la sudarea cu arc electric care produse energie pe o suprafaţă mai mică temperatura poate ajunge la 66000C. Din motive metalurgice sunt preferate procesele care utilizează densităţi de energie cât mai scăzute

6.4.Structura îmbinărilor sudate Zona de îmbinare are, mai ales în cazul îmbinărilor sudate prin topire, o structură diferită de a materialelor care se sudează. La sudarea cu material de adaos în zona sudurii întâlnim material de adaos şi material de bază.

Fig.6.3.Secţiune transversală printr-o sudură prin topire

Page 125: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S U D A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

127

La sudare prin topire au loc o serie de procese precum: oxidarea anumitor elemente, alierea cu aport de elemente de aliere din materialul de adaos, absorbţia de gaze din atmosferă. După solidificare, în zona îmbinării sudate prin topire observăm urătoarele domenii: cusătura (fig.6.3.) (1.), zona de trecere (2), zona influenţată termic – ZIT (3) şi material de bază (4). Cusătura sau cordonul de sudură– are o structură tipică deturnare cu cristale columnare orientate perpendicular pe curbele de aceeaşi temperatură (fig.6.3.a.). Zona de trecere – are o structură de difuziune cu atât mai evidentă cu cât este mai mare diferenţa între compoziţia chimică a metalului de bază şi compoziţia chimică a materialului de adaos (fig.6.3.b.). 3. Zona influenţată termic – este zona de metal netopit din apropierea cusăturii, care suferă încălziri şi răciri rapide şi care conduc la apariţia unor transformări structurate, fără modificarea compoziţiei chimice. În această zonă au loc recristalizări, transformări de fază, difuziune, etc. Structura zonei influenţate termic prezintă: zona de supraîncălzire(fig.6.3.c.), zonă de normalizare(fig.6.3.d.), zona de recristalizare incompletă , zona de recristalizare şi zonă de fragilizare la albastru (fig.6.3.e.).

6.5. Sudabilitatea materialelor metalice. Sudabilitatea este proprietatea materialelor metalice care defineşte capacitatea acestora de a se constitui în îmbinări sudate. Noţiunea de sudabilitate este condiţionată atât de proprietăţile metalului (compoziţie chimică, tehnologii de prelucrare anterioară etc.) cât şi de modul în care se realizează sudarea (proiectarea îmbinării sudate, soluţiile constructive şi execuţia propriu-zisă). Pentru aprecierea sudabilităţii nu există o metodă cantitativă ştiinţifică unitară, astfel pentru fiecare categorie de materiale metalice există criterii de apreciere care diferă de la o ţară la alta. În România oţelurile sunt clasificate în trei grupe de sudabilitate:

Tabelul 6.2.

A Sudabilitate bună necondiţionată < 0,2% C I

B Sudabilitate bună condiţionată 0,2 ÷ 0,3% C II Sudabilitate posibilă 0,35% C III Sudabilitate necorespunzătoare > 0,35% C

Aprecierea sudabilităţii se face prin compararea proprietăţilor materialului de bază cu proprietăţile zonei

Page 126: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S U D A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

128

influenţate termic, de exemplu o astfel de proprietate este duritatea : În aceste condiţii în îmbinările sudate se evită utilizarea oţelurilor cu conţinuturi mari de carbon. Dintre fonte se sudează doar fontele cenuşii cu măsuri speciale care să asigure grafitizarea cusăturii: introducerea de elemente grafitizante; preâncălzirea pieselor înainte de sudare. Cuprul se sudează bine la un conţinut de oxigen - O ≤ 0,4 – cu măsuri speciale de prevenire a disipării de căldură. Alamele se sudează greu deoarece conţin de zinc, un element uşor fuzibil. Aluminiul se sudează de asemenea greu se sudează greu datorită oxidului care se formează la suprafaţă

6.6.Sudarea prin topire cu arc electric 6.6.1. Arcul electric la sudare

Arcul electric este o descărcare electrică stabilă în mediu gazos la o tensiune relativ mică (10 ÷ 102 volţi) densităţi mari de curent (A/cm2 10) şi o lungime de ordinul milimetrilor până la maxim 2 cm. Puterea arcului electric variază de la câţiva watt până la 200 – 300 kW. Arcul electric poate fi cu acţiune directă sau indirectă (fig.6.5.). În cazul arcului direct materialul de adaos poate proveni din electrod când acesta este fuzibil, sau se aduce din exterior atunci când se utilizează electrozi din wolfram, nefuzibili.

Fig.6.5.Arc electric a. arc electric direct - electrod fuzibil, b. arc electric direct - electrod

nefuzibil, c. arc electric cu acţiune indirectă

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 %C

HB [MPa] 500 200

Fig.6.4. Variaţia durităţii cu creşterea conţinutului de

carbon în cazul unor oţeluri recoapte (a) şi în ZIT(b)

a.

b.

electrod

piesă

Material de adaos

Page 127: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S U D A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

129

Arcul electric cu acţiune indirectă se stabileşte între doi electrozi din wolfram, topirea materialului de adaos şi a materialului de bază realizându-se cu ajutorul căldurii dezvoltate de arcul electric. Funcţionarea arcului electric

Arcul electric cel mai utilizat este arcul electric în curent continuu cu acţiune directă şi electrod fuzibil. Funcţionarea arcului electric prezintă trei faze: • aprinderea arcului electric– perioada tranzitorie de

amorsare a arcului electric; • perioada arcului staţionar; • stingerea arcului electric – perioada tranzitorie a stingerii

arcului electric Aprinderea arcului electric, este prezentată în figura 6.6. Electrodul legat la polul minus al sursei de sudare (catod) este adus în contact cu piesa legată la polul plus al aceleiaşi surse (anod). În circuitul de sudare apare, un curent de scurtcircuit care prin efect Joule conduce la încălzirea locală a capătului electrodului respectiv a piesei.

Fig.6.6. Aprinderea arcului electric

În acest moment electrodul este depărtat la circa 2mm

de piesă. Se iniţiază emisia termoelectronică. Electronii emişi de catod vor fi acceleraţi în diferenţa de potenţial produsă de sursă ciocnind anodul respectiv piesa. Energia cinetică a electronilor se transformă în căldură. Cantitatea de căldură va fi suficient de mare pentru topirea locală a piesei de sudat. În drumul lor electronii ciocnesc atomii elementelor aflate în gazul în care se realizează descărcarea conducând la ionizarea acestora. Ionii de oxigen, argon, etc. purtători de sarcină pozitivă se vor deplasa de data aceasta către catod respectiv către electrod. La ciocnirea ionilor de catod apare acelaşi fenomen ca cel descris mai sus, electrodul se încălzeşte până la topire. Pe electrod se formează pata catodică, iar pe piesă se formează pata anodică. Aceasta din urmă are suprafaţa mai mică dar temperatura mai mare deoarece energia cinetică a electronilor este mai mare. Conectarea electrodului la minusul sursei poartă numele de conexiune directă şi se recomandă la sudarea pieselor masive. Conexiunea inversă se utilizează la

_ catod

+

anod

_

+

_

+

2 mm

a. b. c.

Isc

Page 128: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S U D A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

130

sudarea tablelor subţiri pentru a evita perforarea acestora, temperatura maximă dezvoltându-se pe electrod.

Fig.6.7. Repartizarea tensiunii pe lungimea arcului electric. 1. electrod; 2. pata catodică; 3. coloana arcului; 4. învelişul arcului; 5.

pata anodică; 6. material de bază; 7 – cordonul de sudură. Perioada arcului staţionar este perioada în care arcul arde stabil la o tensiune Ua şi o intensitate Isudare. Arcul electric poate funcţiona stabil la valori diferite ale tensiunii (Ua) arcului, ale curentului de sudare Is şi valori diferite ale lungimii arcului. Legătura între Ua, l, Is este dată de caracteristica arcului, care se reprezintă sub forma unor curbe (fig.6.8.) Ua = f(I) având l- lungimea arcului electric drept parametru. Stingerea arcului electric Stingerea arcului electric se produce prin variaţia lungimii arcului-l în două cazuri extreme: l = 0 arcul electric se stinge dar se reaprinde atunci când electrodul se depărtează de piesă şi lungime mare a arcului electric când sursa nu poate ioniza un volum atât de mare de aer caz în care ionizarea mediului scade până când arcul se stinge.

UK UCA UA Ua

l

U [V]

(-)

(+)

1

2

3

4 5

6

7

0 25 150 175 300 Ia [A]

Ua [V] 80 60

40

20

Fig.6.8. Caracteristica statică a arcului electric

(l1<l2<l3)

l1

l2

l3

Page 129: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S U D A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

131

Funcţionarea arcului electric în curent alternativ În curent alternativ condiţiile de menţinere a descărcării mari sunt mai dificile întrucât perioadele de aprindere şi de stingere se succed – cu dublul frecvenţei tensiunilor de alimentare. De aceea se iau măsuri pentru ca mediu gazos să aibă un potenţial de ionizare mai scăzut şi să se realizeze un defazaj f între Ualimentare şi Uarc astfel încât trecerea prin zero a curentului să se facă la Uarc > Ualim.. Tensiunea Ua are un vârf la prindere după care rămâne constantă. Curentul I este în faza de tensiune dar prezintă o întârziere la aprindere.

Calcularea vitezei de avans a electrodului Q – căldura dezvoltată de arcul electric.

Q = UA Is t Qu = Qînc. + Qtop + Qs = ( )KmTcm λ+Δ

Căldura Q – nu este folosită integral pentru topire. ( )( )

( )

( ) AKTcIU

v

ttIUKTc

tlA

AlVtIUKTcAlVm

tIUKTcmmQQ

sA

sA

sA

sAu

ρλη

ηλρ

ηλρρ

ηλη

+Δ=

++Δ

=+=+Δ⇒=

+=+Δ⇒+

1

6.6.2.Echipamentul tehnologic la sudarea cu arc electric Surse de curent pentru sudarea cu arc electric Funcţionarea stabilă a arcului este condiţionată de legile de variaţie ale tensiunii şi curentului în circuitul electric, format de sursa de sudare şi rezistenţa neliniară a descărcării. Pentru ca sudarea să poată avea loc, sursei de sudare i se impune să aibă o caracteristică statică înţelegând prin caracteristica statică variaţia tensiunii la bornele sursei funcţie de curent, atunci când sursa debitează pe o rezistenţă cunoscută. Se observă (fig.6.9.) că funcţionarea stabilă a arcului nu poate avea loc decât în punctele de intersecţie în care arcul se autoreglează.

Ua [V]

l1

I [A]

l2l3

Caracteristica Sursei

Caracteristicile arcului

A1 A2 A3

Fig.6.9. Caracteristici statice ale arcului electric respectiv a

sursei de sudare

Page 130: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S U D A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

132

În afară de caracterul coborâtor al caracteristicilor externe sursa de sudare trebuie să mai îndeplinească următoarelor condiţii: • să funcţioneze timp îndelungat în regim de scurtcircuit; • să permită reglarea curentului în limite largi; • să aibă tensiunile de mers în gol mari, suficiente pentru

amorsarea arcului; • să aibă randament ridicat, etc.

Clasificarea surselor de sudare

a. surse de curent continuu – redresoare; generatoare de curent continuu; convertizoare;

b. de curent alternativ – transformatoare de sudură.

Convertizor de sudură cu excitaţie separată şi înfăşurare serie antagonistă Polii principali ai generatorului au două feluri de bobinaje: un bobinaj de magnetizare Wm – cu număr mare de spire alimentat de la o sursă separată de curent continuu şi un bobinaj de demagnetizare cu număr mic de spire Wdm străbătut de întregul curent al rotorului fiind conectat în serie cu circuitul de sudare. Forţele electromagnetice care produc fluxurile Φm (fluxul bobinajului magnetizant) şi Φdm (fluxul bobinajului demagnetizant) sunt de sensuri contrare. La creşterea curentului în circuitul de sudare, creşte Φdm, antagonist cu Φm, ca urmare tensiunea indusă scade. Reglarea curentului de sudare se face prin reglarea curentului de excitaţie prin reostatul R. Redresorul de sudură – redresor în punte trifazată. Scăderea tensiunii se realizează prin intercalarea unei bobine de reacţie Br, înte secundarul unui transformator trifazat şi redresor. Curentul de sudare se reglează prin reglarea excitaţiei în curent continuu a unei bobine de comandă Bc aşezată pe miezul fiecărei bobine de reacţie. Tehnologia sudării manuale cu arc electric Fazele procesului tehnologic de sudare sunt următoarele: 1. Stabilirea condiţiilor şi a regimului de sudare

Φm

R

Wdm

Wm

Φdm

Ue

+

+

-

- Fig.6.10. Convertizorul de

sudură cu excitaţie separată şi înfăşurare serie antagonistă

Page 131: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S U D A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

133

a. Funcţie de forma şi dimensiunile pieselor se stabilesc: dimensiunile cusăturilor, poziţia în care se execută, numărul de straturi, ordinea de executare a cusăturilor, etc. b. alegerea diametrului electrodului de sudare: d=1,5 g ; g – grosimea pieselor de îmbinat c. se alege sursa de sudare: Is = (α + βd)d; α = 20; β = 6 la electrozii obişnuiţi. d. se alege viteza de sudare – lăţimea cusăturii fiind invers proporţională cu viteza de sudare. e. se alege polaritatea ţinând cont că polul plus se încălzeşte mai tare. Astfel – piesele grele se sudează cu polaritate directă iar cele subţiri cu polaritate inversă.

Fig.6.11. Redresor trifazat pentru sudură 1. înfăşurări primare, 2. înfăşurări secundare, 3. bobine de reacţie, 4.

bobine de comandă, 5. redresor trifazat Pregătirea pieselor pentru sudare a. se îndepărtează oxizii, vopseaua, uleiul, zgura din zona de sudare; b. se pregătesc marginile prin tăiere cu flacără sau prin aşchiere. Funcţie de forma rostului avem următoarele tipuri de cusături: I,V,X,Z,U Executarea sudării: a. sudarea orizontală – electrodul se ţine înclinat la 300 – 150 în sensul de sudare b. sudarea în poziţie verticală; c. sudarea pe plafon – la sudarea pe plafon arcul se menţine scurt executându-se mânuiri rapide ale electrodului. d. sudarea în cornişă – la sudarea în cornişă se asigură încălzirea suplimentară a piesei superioare, electrodul se ţinându-se mai mult pe piesa de deasupra. e. Pentru micşorarea deformaţiilor la sudare se recomandă sudarea „pas de pelerin” sau în salturi. După sudare se execută următoarele operaţii: a. tratament termic de detensionare;

+ 5 3 2

4

6

1

-

Page 132: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S U D A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

134

b. îndepărtarea supraînălţărilor prin aşchiere; c. curăţirea pieselor de stratul zgură; d. CTC.

6.6.3.Sudarea sub strat de flux La sudarea sub strat de flux, arcul electric se formează între materialul de adaos – sârma electrod (4) şi materialul de bază(1)(fig.6.12). Datorită temperaturii mari a arcului electric, sârma electrod şi o parte a materialului de bază se topesc, formând o baie de metal topit (5) care se solidifică formând cordonul de sudură (8). De asemenea stratul de flux (2) se topeşte formând o baie de zgură topită care se solidifică la suprafaţa cordonului de sudură (7). La sudarea sub strat de flux se degajă vapori de apă, gaze, care formează o cavitate, arcul electric fiind practic acoperit.

Procedeul prin însăşi concepţia sa presupune automatizarea în sensul că este imposibil ca sub stratul de flux să se asigure manual atât o viteză de avans a sârmei cât şi o viteză de înaintare în condiţiile păstrării constante a lungimii arcului electric. În acest sens avansul sârmei electrod este asigurat cu ajutorul unor capete de antrenare cu role, capete de antrenare care se întâlnesc în două variante constructive: cap de antrenare cu avans constant al sârmei şi cu avans variabil al sârmei electrod 1. Mecanism de antrenare cu avans variabil. La acest mecanism sursa de alimentare are o caracteristică puternic căzătoare. Astfel că la variaţii mici ale lungimii arcului electric, sursa asigură variaţii mari ale tensiunii de alimentare. Motorul electric de antrenare are turaţia funcţie de tensiunea UA astfel la scăderea lungimii arcului electric, căderea de tensiune determină mărirea avansului pe când la creşterea lungimii determină mărirea turaţiei respectiv creşterea vitezei de avans a sârmei electrod. 2. Mecanism de antrenare cu avans constant În acest caz se observă că la variaţii mici ale lungimii arcului electric se obţin variaţii mari ale intensităţii curentului electric în circuitul de sudare. Astfel presupunând că lungimea arcului scade, curentul înregistrează o creştere astfel încât viteza de topire a

Fig.6.12. Schema sudării sub start de flux

1

4

3

2 7

6

5

8

Page 133: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S U D A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

135

electrodului creşte autoreglându-se astfel lungimea arcului electric. Procedee speciale de sudare sub strat de flux Creşterea randamentului la sudarea sub strat de flux se poate face prin topirea concomitentă a două sau mai multe sârme (fig.6.13.)

Fig.6.13. Sudare sub strat de flux cu mai multe sârme electrod a. topirea într-un singur arc electric, b. arc electric separat

Procedeul presupune utilizarea unei singure surse de sudare, ambele sârme fiind trecute prin aceeaşi duză de alimentare sau cu surse separate (b). Cele două sârme sunt trecute prin duze separate dar arcul electric se produce într-un cap de sudare comun.

6.6.4. Sudarea în mediu de gaze protectoare Sudarea în mediu de gaze protectoare se caracterizează prin aceea că arcul electric este acoperit de o pătură de gaz care nu are nici o interacţiune chimică cu metalul topit, rolul său fiind acela de a proteja arcul electric. Cele mai utilizate gaze în acest scop sunt argonul şi heliul. La sudarea în mediu de gaze protectoare deosebim două procedee: procedeul de sudare cu electrod nefuzibil WIG, procedeu de sudare cu electrod fuzibil MIG

Procedeul WIG – wolfram inert gaz Arcul electric se formează între electrodul nefuzibil (W) (Fig.6.14.-5) şi piesa de sudat (3), fiind protejat de o peliculă de gaz protector (Ar) care înveleşte arcul electric. Polaritatea la sudare este directă iar tensiunile de alimentare sunt ceva mai mari ca urmare a prezenţei argonului care se ionizează mai greu decât aerul. Materialul de adaos (2) este topit indirect prin încălzire în arcul electric. Capul de sudare – pistolet (4) este răcit cu aer, cu ajutorul gazului care îl străbate sau cu apă la curenţi de sudare mai mari de 120 A. Procedeul este recomandat la sudarea aluminiului, cuprului sau a oţelurilor inoxidabile.

+ + + - - -

a. b.

Page 134: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S U D A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

136

Fig.6.14. Schema procesului de sudare în mediu de gaze protectoare a. WIG- wolfram-inert-gas, b. MIG- metal-inert-gas

Procedeul de sudare MIG Ca material de adaos la acest procedeu se utilizează o sârmă neânvelită (8) cu diametru între 0,6 – 2mm antrenată mecanic printr-un tub de cupru (6) cu rol de ghidaj şi de contact electric. În jurul electrodului se suflă o perdea circulară de gaz inert. Tehnologia sudurii în argon este asemănătoare de cea a sudării în arc electric obişnuit. La piesele cu grosimi peste 8 mm se recomandă o preîncălzire la 150 – 2000C. Se sudează cu densităţi de curent de circa 2 A/mm2 şi tensiuni de 50 V cu pătrunderi de 5 ÷ 25 mm. Sudarea în hidrogen atomic La acest procedeu arcul electric se formează între electrozii de wolfram alimentaţi la bornele unei surse de curent. Zona arcului electric este acoperită de o peliculă de H2 molecular care se disociază în arcul electric după o reacţie de forma: H2 →2H-Q

1 2

5

4

3 7

6 8

Ar Ar

(+)

(-)

(-)

(+)

Fig.6.15. Schema procesului de sudare în hidrogen atomic

Fig.6.16. Schema procesului de sudare MAG – metal-actif-gas

(+)

(-)

(+)

(-)

1

2

Page 135: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S U D A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

137

Reacţia este endotermă cu efect de luminiscenţă - disc strălucitor (Fig-6-14.-1). Atomii de hidrogen se recombină in zona 2 . Această recombinare este un proces exoterm cu aport de căldură ce duce la topirea materialului de adaos şi a metalului de bază. Se realizează astfel un transfer termic din zona electrozilor în zona de îmbinare cu efect de mărire a durabilităţii electrozilor şi de creştere a randamentului sudării. Sudarea în mediu de bioxid de carbon MAG – metal activ gaz La acest procedeu gazul are un rol de protecţie dar şi un rol activ participând la reacţii chimice în procesul de sudare (fig.6.15.). Bioxidul de carbon disociază după următoarea reacţia chimică, gradul de disociere fiind funcţie de temperatură.

⎭⎬⎫

+→

+→−+ OHHOH

OCOCO

2

2 în arcul electric

⎭⎬⎫

+++→+++++→+

)()(][],,[}[}{}{)()(][],,,,[

2

2222

MnOSiOCOFeMnSiOFeOSOOHSiOMgOFeOHSSiMnFeO

metalul topit Transferul metalului topit în coloana arcului se realizează în următoarele variante: a. cu arc scurt – transferul metalului lichid se face prin scurtcircuit, diametrul picăturii fiind egal cu cel al coloanei arcului – table subţiri; b. cu transfer globular – pierderi mai mici decât lungimea arcului c. cu transfer prin pulverizare – pierderi de diametru mic, densitate mare de curent 200 A/cm2 – table groase.

6.6.5.Sudarea în baie de zgură Procesul sudării în baie de zgură topită se realizează în următoarea succesiune de etape: amorsarea procesului de topire; topire în regim staţionar; finalizarea sudării. Arcul electric se amorsează între electrodul fuzibil (fig. 6.17.-4) şi placa de bază (6) din cupru răcită cu apă. Arcul electric fiind similar celui de la sudarea sub strat de flux. Căldura degajată conduce pe de o parte la topirea electrodului iar pe de altă parte la topirea zgurii, formând o baie de zgură topită. Circuitul electric se formează între electrod baia de zgura şi baia de metal topit şi se închide prin metalul de bază. Încălzirea băii de zgură (3) se face prin efect Joule, căldura degajată duce la topirea electrodului precum şi topirea locală a material de bază (5). Metalul se solidifică datorită plăcilor de cupru răcite şi a pieselor de îmbinat conducând la formarea cordonului de sudură (1).

Page 136: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S U D A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

138

Fig.6.17. Schema sudării în baie se zgură La final sudarea nu se închide la suprafaţa liberă a piesei de îmbinat ci continuă între nişte plăci tehnologice pentru a se evita apariţia retasurii în cordonul de sudură.

6.7.Sudarea aluminotermică Procedeul de sudare se mai numeşte şi sudarea cu

termit sau sudare prin turnare şi are la bază efectul puternic extrem al reacţiei:

3Fe3O4 +8Al → 9Fe + 4Al2O3 + Q Amestecul de pulberi, respectiv pulbere de aluminiu şi pulbere de oxid de fier se dozează conform reacţiei de mai sus într-un creuzet cu capac (Fig.6.18-4). Amestecul se aprinde cu ajutorul unui chibrit special de magneziu. În urma reacţiei rezultă o cantitate de fier supraîncălzit (3). Metalul lichid se toarnă într-o formă (2) în care sunt prinse capetele celor două piese de sudat (1). Zgura (5) şi reţeaua de turnare (6) se îndepărtează de la suprafaţa cordonului de sudură (7) după solidificare şi răcire.

Fig.6.18. Schema sudării aluminotermice

6.8. Sudarea prin presare şi încălzire prin rezistenţă electrică de contact

Este un proces de sudare utilizat pe scară largă în construcţia de autoturisme şi în industria bunurilor de larg consum. Cunoscută ca sudarea electrică prin rezistenţă

1

1

(+)

6

5

4 3

2

(-)

1

2

5 4

6

7

3

H2O

H2O

Page 137: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S U D A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

139

procedeul prezintă trei variante: sudare în puncte sudarea cap la cap (fig.6.19) şi sudarea în linie.

Fig.6.19. Schema sudării prin presare şi încălzire prin rezistenţă electrică de contact

a. sudare în puncte, b. sudare cap la cap

În circuitul de sudare rezistenţa R4 este mult mai mare decât restul rezistenţelor din circuit, datorită rugozităţii suprafeţei sau a unor impurităţi sau pelicule izolante. Această rezistenţă aflată la contactul dintre piesele de asamblat (2) determină încălzirea locală prin efectul Joule al curentului electric. Rezistenţa de contact depinde de proprietăţile materialelor care se sudează dar si de presiunea aplicată prin intermediul electrozilor (1). Sudarea în puncte se realizează în principiu prin trecerea unui curent electric important furnizat de un transformator de sudură (3), prin piesele de sudat (2) presate cu o forţă F cu ajutorul unor electrozi din cupru (1). Contactul dintre piese se încălzeşte şi sub acţiunea forţei are loc o deformare plastică locală care aduce atomii în poziţii favorabile realizării de noi legături atomice. În figura 6.20 se poate observa că abia după ce forţa devine efectivă, în circuit se stabileşte curentul de sudare. De asemenea se observă că forţa nu se îndepărtează decât după un anumit interval de timp de la întreruperea curentului. Sudarea în puncte prezintă mai multe variante: cu electrozi plasaţi pe ambele părţi ale semifabricatelor care se sudează, sau aşezaţi pe aceeaşi parte când piesele de sudat se aşează pe o placa de cupru.

3

R3

R1

R2

2

1

R4¤

R5¤

R3

R1

R2

R4¤

R5¤

F

F

F F

Page 138: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S U D A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

140

Sudarea în linie poate fi văzută tot ca o sudare în puncte la care punctele au o densitate mare şi se suprapun, electrozii fiind de data aceasta sub formă de role.

Fig.6.20. Etapele sudării în puncte

Sudarea cap la cap utilizată mult în industria sârmei, foloseşte acelaşi principiu. Încălzirea locală din capetele celor două sârme permite refularea unui volum de metal cuprins între electrozi ceea ce duce la sudare.

6.9. Sudarea cu plasmă Plasma termică se obţine prin comprimarea radială şi alungirea axială a arcului electric. Plasma topeşte marginile presei, rezultând o baie de metal lichid în care îşi formează un orificiu sub formă de pâlnie. Acest orificiu apare nu prin îndepărtarea materialului ci prin suflarea materialului pe margini şi în spate unde este menţinut de tensiunea superficială. Pe măsură îndepărtării jetului, în sensul de sudare, metalul lichid se solidifică formând cusătura. Pentru protecţia cusăturii întrucât debitul de gaz plasmagen este insuficient se insufla printr-un orificiu inelar gaz de protecţie (Ar, He sau H2).

1 2 3 4 5

1 2 3 4 5Ciclul sudării în puncte

t Forţă

, Cur

ent

Curen

Forţă

Fig.6.21. Schema unui cap se sudare cu plasmă 1. electrod, 2. ajutaj, 3. corp duză, 4. plasmă

1

3

2

4

+

-

apa

apa

gaz plasmagen

Page 139: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

S U D A R E A M A T E R I A L E L O R M E T A L I C E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

141

Răspunsuri la chestionare: 1a, 2bce, 3bd, 4a, 5ac, 6c, 7a

Test de autoevaluare Întrebări 1. Ce este sudarea? 2. Care sunt fenomenele care conduc la sudare? 3. Care este structura unei îmbinări sudate? 4. Care este parametrul de clasificare a oţelurilor în clase de sudabilitate? Daţi exemple. 5. Care este principiul de funcţionare al arcului electric? 6. Ce este caracteristica arcului electric? Dar caracteristica sursei de sudare? 7. Care este principiul constructiv funcţional al convertizorului de sudură cu excitaţie separată? Dar al redresorului de sudură? 8. Care este principiul constructiv funcţional al sudării sub strat de flux? 9. Care este principiul de sudare în mediu de gaze protectoare? 10. Care este principiul de sudare în mediu de hidrogen atomic? Dar în mediu de dioxid de carbon? 11. Care este principiul sudării aluminotermice? Dar al sudării în baie de zgură? Chestionar cu răspunsuri multiple 1. Diferenţa dintre sudarea prin topire şi sudarea în stare solidă este că la sudarea prin topire marginile pieselor se topesc. a) adevărat, b) fals. 2. Care dintre următoarele procese de sudare se realizează prin topire? a) sudare în puncte, b) sudare sub strat de flux, c) sudare în mediu de gaze protectoare, d) sudarea cap la cap, e) sudarea aluminotermică. 3. Care dintre următoarele procese de sudare se realizează în stare solidă? a) sudarea în baie de zgură, b) sudarea în puncte, c) sudarea în mediu de hidrogen, d) sudarea cap la cap, e) sudarea manuală cu arc electric, f) sudarea cu flacără. 4. Arcul electric este o descărcare stabilă în gaz. a) adevărat, b) fals. 5. Care dintre următoarele procese de sudare folosesc electrozi fuzibili? a) MIG, b) WIG, c) MAG 6. Care dintre următoarele sunt utilizate ca gaze protectoare? a) H2, b) CH4, c) Ar, d) CO2, 7. Sudarea prin presare dezvoltă căldura necesară procesului prin efect Joule la nivelul interfeţei dintre cele două piese unde rezistenţa electrică este maximă? a) adevărat, b) fals

Page 140: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A S T I C L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

142

7. PRELUCRAREA STICLELOR

7.1. Obiective În acest capitol îţi voi prezenta un material cunoscut de multă vreme şi totuşi la fel de actual - sticla. Vei vedea care este materia primă care se foloseşte la fabricarea sticlelor. Totodată îţi voi explica principiile de funcţionare a utilajelor pentru producerea sticlelor.

7.2. Procesul obţinerii sticlelor Producerea comercială a sticlelor se face astăzi într-o varietate aproape nelimitată de forme. Unele produse precum becurile, sticla plană pentru ferestre, ambalajele din sticlă se fabrică în cantităţi mari, producţie de masă, alte produse precum lentilele de telescop se produc individual. Unul din materialele ceramice de bază alături de ceramicele tradiţionale şi de noile materiale ceramice este sticla.

7.2.1 Materii prime utilizate pentru fabricarea sticlelor Materiile prime pentru fabricarea sticlelor se împart în două categorii: materii prime naturale şi materii prime industriale. Dintre materiile prime naturale amintim: nisipul, calcarul, feldspatul, dolomita, alabastrul. Aceste materii prime se extrag din cariere şi parcurg un proces de preparare prin concasare, măcinare şi sortare, spălare, etc. Materiile prime industriale nu se găsesc ca atare în natură ci se obţin în urma unor procese tehnologice plecându-se de la alte materii prime. Din această categorie amintim: soda calcinată, sulfatul de sodiu, boraxul, seleniul metalic. După rolul pe care îl au la obţinerea sticlei materiile prime se împart în: vitrifianţi, fondanţi, acceleratori de topire sau coloranţi. Sticlele se clasifică în: sticlă pentru ambalaj; sticlă pentru construcţii; sticlă pentru laborator; sticlă optică; sticlă pentru tehnică nucleară; fibră de sticlă.

Vitrifianţii, fondanţii, acceleratorii de topire şi coloranţii

Test de autoevaluare

Care este compusul chimic predominant în sticle?

Page 141: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A S T I C L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

143

7.2.2. Procesul tehnologic de fabricare a sticlei O secvenţă tipică de obţinere a sticlelor este prezentată în figura 7.1. Fabricarea sticlei include prelucrarea materiilor prime, topire şi procesarea sticlelor topite prin laminare, presare sau alte metode după cum vom vedea în continuare Din punct de vedere chimic sticla este o combinaţie între bioxidul de siliciu, oxidul de sodiu, oxidul de calciu. Oxidul care transmite sticlei caracterul specific vitros este bioxidul de siliciu care se află în proporţie de peste 98% în nisipul cuarţos. Prin topirea nisipului cuarţos la temperatura de peste 17000C se obţine sticla de cuarţ cu bune proprietăţi fizico-chimice. Fabricarea sticlei de cuarţ pe cale industrială este limitată de faptul că temperatura de topire a dioxidului de siliciu este foarte ridicată şi necesită cuptoare speciale foarte costisitoare.

Fig.7.1. Secvenţă clasică de prelucrare a sticlelor 1. prepararea materiei prime, 2. topire, 3. fabricarea produselor din

sticlă, 4. tratament termic

Pentru obţinerea sticlelor cu punct de topire scăzut se utilizează fondanţi de tipul oxidului de sodiu. Sticla astfel obţinută are o rezistenţă scăzută putându-se dizolva chiar şi în apă. În acest caz se adaugă şi alţi oxizi introduşi prin calcar şi dolomită (CaCO3; CaMg(CO3)2). Procesul tehnologic de obţinere a sticlei presupune: prepararea materiei prime; topirea şi obţinerea masei de sticlă, fabricarea produselor, tratament termic. Respectiv, amestecarea materiilor prime; topirea şi obţinerea masei de sticlă; prelucrarea sticlei; răcirea articolelor prelucrate; finisarea produselor.

Fabricarea pieselor din sticlă se poate face în cadrul unor procese tradiţionale respectiv prin turnare, prin centrifugare, prin presare, prin suflare sau procese speciale. În cadrul acestor procese amintim fabricarea produselor plane şi tubulare din sticlă sau fabricarea fibrelor de sticlă. Fabricarea pieselor de sticlă prin turnare Dacă sticla este suficient de fluidă ea se poate turna în forme. Prin această metodă se obţin obiecte relativ masive

1 2. 4. 3

Iată ce este sticla!

Page 142: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A S T I C L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

144

precum lentilele şi obiectivele telescoapelor astronomice. Aceste piese se vor răci extrem de lent pentru a evita apariţia tensiunilor interne şi posibile fisuri. După răcire aceste piese se şlefuiesc pentru a li se da forma finală. Turnarea se limitează în general la astfel de piese deoarece fluiditatea sticlelor este limitată ceea ce împiedică curgerea prin orificii înguste. Fabricarea pieselor prin centrifugare – este similară cu turnarea centrifugală a materialelor (fig.7.2.).

Fig.7.2.Fabricarea produselor din sticlă prin centrifugare 1. formă metalică, 2. sticlă topită, 3. dispozitiv de rotire, 4. piesă

prelucrată

Metoda se utilizează pentru obţinerea tuburilor catodice pentru televizoare şi monitoare de calculator. Forma este din oţel, în interiorul său se aşează o masă de sticlă topită vâscoasă. Forma se roteşte puternic şi se formează tubul cinescop. Partea din faţă a ecranului se aplică ulterior prin ambutisarea unei folii de sticlă cu punct de topire scăzut. Fabricarea pieselor de sticlă prin presare

Procedeul este utilizat pentru obţinerea pieselor în serie mare şi masă. Produsele obţinute prin acest procedeu sunt: faruri de automobile, ecrane de televizor, veselă sau alte articole relativ plane. Tehnologia presupune dozarea corectă a unei cantităţi de sticlă topită în cavitatea unei forme metalice (fig.7.3.). Acest lucru se realizează cu ajutorul unui alimentator. Poansonul coboară si realizează piesa. Procedeul se pretează foarte bine la automatizare.

Fig.7.3. Fabricarea produselor din sticlă prin presare 1. poanson, 2. semimatriţă superioară, 3, sticlă topită, . semimatriţă

inferioară, 4. produs finit din sticlă

1

2

3

1

3

2

4

4

Turnarea se foloseşte doar pentru piese masive

Page 143: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A S T I C L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

145

7.3. Fabricarea produselor din sticlă prin suflare Fabricarea produselor de sticlă prin suflare este un procedeu înalt automatizat şi nu o operaţie manuală. Suflarea manuală se realizează doar la obiecte de artă. Fabricarea prin suflare se prezintă în figura 7.4.

Fig.7.4. Fabricarea produselor din sticlă prin suflare

Produsul, de exemplu un borcan de sticlă este adus la o formă intermediară (5) (eboşă) prin presarea într-o formă metalică (4) a unei mase de sticlă topită (3) precis dozată. Sistemul este prevăzut cu un colier (2) care permite ridicarea produsului şi aşezarea pe o matriţă de suflare (6). Pe acest colier se apasă apoi capul de suflare (1) iar produsul capătă forma finită (7) aşezându-se pe pereţii matriţei(8)

1

2

3

5 4 7

8

6

Aer sub presiune F

v

Test de autoevaluare

1. Care dintre următorii termeni se referă la sticle? a) cristalin b) policristalin c) amorf d) vitros e) vitrificat 2. Turnarea sticlelor este un proces de mare productivitate. a) adevărat b) fals 3. Care dintre următoarele procese se utilizează la fabricarea sticlelor? a) procesul Colburn b) procesul Danner c) procesul de centrifugare

Page 144: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A S T I C L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

146

7.4. Fabricarea sticlelor plane

Sticlele plane utilizate sunt pe scară largă în construcţii, pentru ferestre. În antichitate se fabrica prin suflare un glob de sticlă cu diametru mare care era aşezat pe o masă similară cu roata olarului care avea în mijloc o bară metalică. După reîncălzire globul era rotit puternic până la aplatizare. Se putea obţine un disc subţire cu un diametru de până la un metru care era ulterior tăiat şi montat la ferestre. Astăzi sticlele plane se pot realiza sticle plane prin trei metode: prin tragere, prin laminare şi prin flotaţie. În cele ce urmează vom analiza cele mai importante metode utilizate la ora actuală pe scară largă. Fabricarea sticlelor plane prin laminare Practic sticla topită(5) curge din cuptorul 7 între doi cilindri (Fig.7.5.3) în mişcare de rotaţie şi având sensuri contrare. Cilindrii de laminare se vor supune lustruirii şi curăţirii pentru a obţine sticle perfect plane cu suprafeţe lise şi paralele. După laminare sticla se taie în foi care se introduc în nişte cuptoare de recoacere.

Fig.7.5. Laminarea sticlelor plane c. Fabricarea sticlelor plane prin flotaţie. Este un proces relativ nou (1950) care permite obţinerea de suprafeţe cu o planeitate foarte bună.

Fig.7.6. Fabricarea sticlelor plane prin flotaţie Sticla topită (fig.7.6.7) curge direct din cuptorul de topire (8) pe suprafaţa unei băi de staniu topit (3). Sticla bine fluidizată se întinde în formă omogenă la suprafaţa băii de staniu căpătând o grosime uniformă şi suprafeţe perfect plane. Deasupra băii de staniu topit instalaţia prezintă două zone o

4

5

1 2 3

4 5

1 2 3

8

7

6

Page 145: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A S T I C L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

147

zonă de încălzire – 5, prevăzută cu atmosferă de protecţie şi o zonă de răcire 6. Avansând pe o suprafaţă mai rece a băii, sticla se solidifică. Mai departe este preluată pe o cale cu role (2) şi ajunge într-un cuptor de recoacere, după care se taie la dimensiuni.

7.5. Fabricarea tuburilor de sticlă Cunoscut drept procesul Danner –obţinerea tuburilor de sticlă presupune turnarea sticlei topite (fig.7.7.-2) pe suprafaţa unui cap de suflare (1) în mişcare de rotaţie. Se pot obţine tuburi lungi de până la 30 m. Diametrul variază funcţie de debitul de aer care se suflă. Tubul răcit (3) este preluat pe calea cu role (4).

Fig.7.7. Fabricarea tuburilor din sticlă Fabricarea fibrelor de sticlă. Fibrele de sticlă se pot obţine prin aspersiune centrifugată sau prin tragerea filamentelor continui. Prin tragere se obţin fibre continui de sticlă (fig.6.6.-3) cu diametru extrem de mici 0,0025 mm (de ordinul micronilor). Înainte de tragere sticla topită (1) trece prin orificiile practicate într-o placă de platină (2) încălzită. Răcirea este accelerată prin insuflare de aer Tragerea este rapidă peste 50 m/s. Fibrele de sticlă sunt acoperite cu diferite substanţe pentru lubrifiere şi protecţie.

2

3 4

aer

Test de autoevaluare Sunt mai multe procese de fabricaţie a sticlelor plane. Descrieţi-le.

Page 146: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A S T I C L E L O R

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

148

7.6. Rezumat Sticla cunoscută din cele mai vechi timpuri este un material foarte actual datorită aplicaţiilor sale de la cele mai comune la cele avansate. Sticlele se obţin prin procesarea termică a unei încărcături în care conţinutul maxim este dioxidul de siliciu din nisipul cuarţos. După elaborare sticla se poate turna în piese masive sau poate fi laminată sau presată în piese dintre cele mai diverse. O aplicaţie de mare importanţă pentru industria materialelor compozite este fibra de sticlă.

Răspunsuri la întrebări: 1 c d, 2b, 3 b, 4 c, 5b.

Fig.7.8. Fabricarea fibrelor din sticlă

Test de autoevaluare 1. Care este compusul chimic predominant în sticle? 2. Descrieţi procesul de fabricare a sticlelor prin centrifugare. 3. Sunt mai multe procese de fabricaţie a sticlelor plane. Descrieţi-le. 4. Care este principiul constructiv-funcţional al fabricaţiei sticlelor prin suflare. 5. Cum se obţin tuburile din sticlă? 6. Cum se obţin fibrele din sticlă? 7. Fabricarea fibrelor din sticlă utilizează o placă găurită din: a) aur b) argint c) platină 8. Tuburile catodice pentru monitoarele de calculator se fabrică prin: a) presare b) centrifugare c) suflare

Page 147: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A C A U C I U C U L U I

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

149

8 PRELUCRAREA CAUCIUCULUI

8.1. Obiective În cele ce urmează vei face cunoştinţă cu un material utilizat de la guma de mestecat la tălpile pantofilor până la anvelopele aeronavelor. Von identifica principalele procese de producere şi prelucrare a cauciucului

8.2. Cauciucul natural şi cauciucul sintetic Industria cauciucului este dominată de un produs de

mare importanţă – anvelopele auto. Automobil, avion sau bicicletă, toate au nevoie de anvelope şi încă in cantităţi deosebit de mari. Anvelopele s-au inventat în anul 1888, industria cauciucului cunoscând o mare dezvoltare după 1839 când se descoperă vulcanizarea cauciucului. Vulcanizarea este procesul care transformă cauciucul natural moale cu rezistenţă scăzută la uzură, într-un material deosebit de rezistent cu proprietăţi de elasticitate, prin stabilirea de legături transversale între moleculele polimerului. Dacă la începutul anilor‚ ’90 industria cauciucului procesa doar cauciuc natural – NR – natural rubber – astăzi se procesează în cea mai mare parte cauciucuri sintetice. Cauciucurile sintetice au fost descoperite în timpul celui de al doilea război mondial. Dintre cauciucurile sintetice amintim: cauciucul butilic, cauciucul butadieno-stirenic, cauciucul butadienic, etc. Categoria cauciucurilor mai includ şi unii elastomeri termoplastici şi unii poliuretani. Industria cauciucului s-a dezvoltat pe două nivele: obţinerea cauciucului, fabricarea produselor de cauciuc. Obţinerea cauciucului de poate face pe două căi: prin procesarea cauciucului natural; prin procesarea cauciucului sintetic .Diferenţa este materia primă astfel în timp ce cauciucul natural are o provenienţă eminamente agricolă – arborele de cauciuc – Hevea brasiliensis – cauciucul sintetic este un derivat din petrol. Fabricarea produselor din cauciuc presupune: stabilirea compoziţiei, omogenizarea cauciucului, fabricarea produselor din cauciuc şi în final vulcanizarea. Practic aceste etape se respectă fie că este vorba de cauciuc natural, fie că este vorba de cauciuc sintetic, singura diferenţă reprezentând-o vulcanizarea. Cauciucul natural se obţine prin extragerea latexului din coaja arborelui de cauciuc, Malaezia fiind cel mai mare producător de cauciuc natural. Latexul este o suspensie de particule coloidale solide de polimer poliizoprenic. Această substanţă chimica care va forma cauciucul se găseşte în latex în proporţie de 30%.

Page 148: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A C A U C I U C U L U I

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

150

Metoda preferată pentru recuperarea cauciucului din latex este coagularea. Primul pas este diluarea latexului cu apă, aproximativ aceeaşi cantitate pe care o conţine deja, după care se adaugă acid acetic(CH3COOH) sau acid formic – HCOOH, care va provoca coagularea latexului. După circa 12 ore se colectează nişte bulgări moi care se trec printre nişte role – se elimină apa iar grosimea scade la 3 mm. Se obţin nişte plăci rotunde moi care se aşează pe suporturi din lemn şi se usucă în afumători. Fumul cald conţine creozot care previne oxidarea cauciucului. Este nevoie de un număr de zile pentru uscare. Se obţine un cauciuc crud de culoare maro închis care va fi procesat ulterior.

În unele cazuri cauciucul laminat se usucă în aer cald şi are o culoare castaniu deschis, este considerat cel mai bun. Cauciucul sintetic – se produce plecând de la petrol prin tehnici de polimerizare. Stabilirea compoziţiei – cauciucul conţine întotdeauna aditivi. Funcţie de aceşti aditivi cauciucul va căpăta o anumită destinaţie, de exemplu pentru anvelope sau pentru tălpi de pantof. Aditivii se introduc pentru îmbunătăţirea proprietăţilor mecanice precum şi pentru îmbunătăţirea procesului de vulcanizare. Unul dintre cei mai importanţi aditivi este negrul de fum obţinut prin descompunerea termică a hidrocarburilor. Negrul de fum creşte rezistenţa la rupere a cauciucului precum şi rezistenţa sa la uzură abrazivă. Creşte de asemenea protecţia contra radiaţiilor ultraviolete. Cum marea majoritatea cauciucurilor conţin negru de fum –culoarea cea mai răspândită este negru. Alţi aditivi: caolin, silice (SiO2), (CaCO3), polimeri (PVC), etc. Oricum toţi aceşti aditivi nu depăşesc în cauciuc 10%. Se mai folosesc substanţe antioxidante, pigmenţi, coloranţi, antiderenţi pentru uşurinţa extragerii ulterioare a pieselor din forme etc. O bună parte din cauciucuri sunt întărite cu fibre pentru a reduce extensibilitatea. Produsele cele mai cunoscute care sunt armate cu fibre fiind benzile transportoare şi anvelopele. Fibrele pot fi din celuloză, nailon, fibre de sticlă sau oţel. Aceste armături nu se introduc în cauciuc ca aditivi prezentaţi anterior ci prin procedee speciale. Amestecarea – omogenizarea cauciucului Aditivii trebuie amestecaţi perfect în masa de cauciuc. Amestecarea se realizează mecanic ceea ce poate duce la creşterea temperaturii cauciucului peste 1500C, ceea ce poate conduce la o vulcanizare prematură dacă în cauciuc sunt prezenţi agenţi de vulcanizare. În aceste condiţii amestecarea cauciucului cu aditivii doriţi se face în două etape – prima dată se introduc aditivii precum negrul de fum şi alţii – se răceşte masa de cauciuc amestecat după care se reia procesul introducându-se de data aceasta agenţi de vulcanizare.

Page 149: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A C A U C I U C U L U I

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

151

Procesul de amestecare se realizează în două tipuri de agregate: moară cu două role şi omogenizatorul tip Banbury (fig.8.1.). Amestecătorul cu role (fig.8.1.a.) prezintă două role acţionate cu aceeaşi viteză sau cu viteze uşor diferite şi care pot fi deplasate pe orizontală astfel încât să se poată regla distanţa dintre ele. Masa de cauciuc este antrenată şi amestecată. Amestecătorul intern (fig.8.1.a.) are două rotoare montate într-o carcasă. Aceste rotoare sunt acţionate cu viteze diferite şi sensuri contrare. Amestecătorul Banbury este extrem de eficient dar produce temperaturi mari care necesită canale de răcire practicate în pereţii incintei. Tranzitul de materiale se face prin intermediul unei pâlnii plasate la partea superioară şi un piston care aduce masa de cauciuc în zona de lucru. Evacuarea cauciucului procesat se face pe la partea inferioară.

Fabricarea produselor din cauciuc se bazează pe patru procese de bază:extrudare, calandrare, impregnare, matriţare prin presare şi prin injecţie.

Fig.8.1. Utilaje pentru amestecarea cauciucului (a) amestecător cu role, (b) amestecător tip Bambury

role

cauciuc

a. Sistem de evacuare

Rotoare

Pâlnie de alimentare

Poanson

F

b.

Carcasă răcită

Test de autoevaluare

1. Cum se extrage cauciucul natural din latex? 2. Ce aditivi se utilizează la fabricarea cauciucului sintetic?

Page 150: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A C A U C I U C U L U I

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

152

8.3. Extrudarea cauciucului Se utilizează dispozitive de extrudare cu melc (fig.8.2.)

Avansul materialului se face cu ajutorul unor cilindri, a căror raport lungime diametru nu trebuie să depăşească valoarea 10, 15 deoarece s-ar produce un fenomen de vulcanizare prematură.

Calandrarea –este procesul de trecere a cauciucului printre nişte cilindri în mişcare de rotaţie şi care au distanţa dintre ei descrescătoare. Prin calandrare se obţin produse plate din cauciuc. Se poate de asemenea utiliza procedeul pentru impregnarea de materiale textile cu cauciuc. Impregnarea. Impregnarea cu cauciuc a diferitelor substraturi este unul dintre procesele cele mai importante în industria cauciucului. Aceste materiale compuse se utilizează de la benzi transportoare şi anvelope auto până la bărci de cauciuc şi impermeabile de ploaie.

Fig.8.2. Procesul de extrudare a cauciucului urmat de laminare

Impregnarea prin calandrare: se obţin produse plate din cauciuc întărite. Calandrarea poate fi înlocuită prin depunerea prin imersie a suportului într-o baie în care se află cauciuc fluid. După depunere urmează uscarea. Matriţarea – prin matriţare se obţin produse precum tălpile pentru încălţăminte. Matriţarea prin presare si prin injecţie. Presarea este procedeul care se utilizează şi în tehnica obţinerii anvelopelor.

Cilindri

Produs extrudat

Alimentator cu l

Test de autoevaluare

1. Menţionaţi ptru procese de bază la fabricarea produselor din cauciuc?

Page 151: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A C A U C I U C U L U I

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

153

Vulcanizarea – este tratamentul termic care produce reacţia chimică care generează legături transversale între moleculele de cauciuc. După vulcanizare cauciucul devine mai rigid şi mai rezistent reducându-şi totodată şi elasticitatea. La scară submicroscopică se observă că intre lanţurile lungi de molecule de cauciuc se creează legături transversale. Cu cât numărul lor creşte, creşte şi rigiditatea cauciucului. Vulcanizarea a fost inventată de Goodyear – se produce la 1400C şi presupune amestecarea cauciucului cu ZnO oxid de zinc şi acid esteric C18H36O2. Timpul de tratament termic este 15 – 20 min.

Fig.8.3. Acoperirea cu cauciuc folosind un proces de calandrare

8.4. Fabricarea anvelopelor Anvelopele reprezintă cel mai important produs al industriei cauciucului. Practic reprezintă circa trei sferturi din toată cantitatea de cauciuc procesat. Urmează apoi tălpile pentru încălţăminte şi benzile transportoare, vine apoi echipamentul sportiv, cauciucul spumă, etc. Anvelopele sunt elemente critice în construcţia automobilelor, tractoarelor, avioanelor, bicicletelor – ele suportă greutatea vehiculului, a pasagerilor şi încărcăturii, transmit mişcarea de rotaţie şi absorb vibraţiile. O anvelopă este un ansamblu format din multe părţi componente: de exemplu: o anvelopă de excavator conţine 175 de piese individuale.

Rolă de calandrare

Alimentare cu cauciuc

Substrat cauciucat Substrat

Fig.8.4. Secţiune printr-o anvelopă de tip radial

Page 152: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

P R E L U C R A R E A C A U C I U C U L U I

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

154

Anvelopele de tip radial prezintă către exterior benzi armate cu oţel. Construcţia radială permite o flexibilitate mai bună a cauciucului reducând eforturile între benzi. Dă o durată mai lungă de funcţionare anvelopei şi o stabilitate mai bună în curbe. Fiecare anvelopă prezintă un înveliş de cauciuc solid cu grosime mare în zona de rulare a cauciucului. De asemenea anvelopele prezintă şi la interior un strat de cauciuc care la anvelopele fără cameră trebuie să fie de o permeabilitate scăzută.

Răspunsuri la chestionare: 1c, 2c, 3b, 4a, 5cd

Test de autoevaluare

1. Ce se întâmplă cu cauciucul pin vulcanizare? 2.Explicaţi cum funcţionează utilajele pentru amestecarea cauciucului. 3.Ce este calandrarea? 1. Cele mai importante produse din cauciuc sunt: a) benzile transportoare b) tălpile pentru încălţăminte c) pneurile auto d) mingile de tenis 2. Care este denumirea compusului chimic care se extrage din latex? a) polibutadiena b) poliizobutilena c) poliizoprenul d) polistirenul 3. Care dintre următorii aditivi este mai important? a) cauciucul reciclat b) negrul de fum c) antioxidanţii d) plastifianţii 4. Negrul de fum se introduce în cauciucuri pentru îmbunătăţirea procesului de vulcanizare şi pentru mărirea rezistenţei mecanice. a) adevărat b) fals. 5. Prin calandrare se obţin: a) inele din cauciuc b) bare din cauciuc c) produse plate din cauciuc d) produse impregnate cu cauciuc e) tuburi din cauciuc

Page 153: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

B I B L I O G R A F I E

T E H N O L O G I A M A T E R I A L E L O R

156

bibliografie

1. Stoian,L., Tehnologia Materialelor,EDP, Bucureşti, 1988 2. Nanu, A., Tehnologia Materialelor, EDP, Bucureşti, 1983 3. Amza, G., Dumitru, G.,M.,Rîndaşu, V.,O., Amza, C.,G. Tratat de tehnologia materialelor, Editura

Academiei Române, 2003 4. Cananau, N., Petrescu, V., Dima O., Tehnologia materialelor – îndrumar de laborator, vol I, UGAL,

1985 5. Cananau, N., Petrescu, V., Dima O., Gurau, G., Tehnologia materialelor – îndrumar de laborator,

vol II, UGAL, 1993 6. Grower, M.,P., Fundamentos de Manufactura Moderna, Prentice Hall Hispanamerica, 1997 7. Kalpakjian, S., Manufacturing Engineering and Technology, Addison-Wesley Publishing, 1992 8. Flinn, A., Engineering Materials and their applications, Hughton Mifflin, Boston 1990 9. Levcovici, S., M., Studiul Materialelor, Editura Fundaţiei Universităţii Dunărea de Jos, Galaşi, 2002 10. Zgură, G., Severin, I., Tonoiu, I., Materiale compozite cu matrice metalică. Tehnologii de

prelucrare, Editura Academiei Române, 2000 11. Cananau, N., Gurau, G., ş.a., Calitate Totală, EDP, Bucureşti, 2005 12. Moldovan, P., Brabie, V., - Tehnologii metalurgice, EDP, Bucureşti, 1979; 13. Cananau, N., Gurau, G., Comportarea la deformare a materialelor metalice, Editura Evrika, Braila,

1996 14. Atanasiu, C., Încercarea Materialelor, ET, Bucureşti, 1982 15. Vam, S., Oprea, D., Dragomir, I., - Metalurgie generală, EDP Bucureşti, 1996; 16. Metals Handbook, 10 th ed., Vol1, Properties and Solutions, Iron, Steels, and High Performance

Alloys, ASM International, Metals Park, Ohio, 1990 17. Paltalvi, A., Mehedinteascu M.,- Tehnologia materialelor, EDP, Bucureşti 1985; 18. Rău, A., Oprea, F.,s.a. - Manualul inginerului metalurg, vol.I, II, E.T. Bucureşti, 1978 19. Godeanu, S., - “Tehnologii ecologice si ingineria mediului”, Bucuresti, Ed. Bucura Mond, 1998. 20. Constantinescu, D., Vasilescu, D.S, Ciocea, N., Ştiinţa materialelor, EDP, Bucureşti, 1983. 21. Petrescu, S.,. Popa, I.M, Baciu, M., Baciu, C. Ştiinţa materialelor, Editura „Gh. Asachi” Iaşi, 1995. 22. Pop, G. T., Carcea, I., Materiale compozite anorganice, Editura Tehnica-Info, Chişinău, 2001. 23. Pop, G., Chiriţă, M., Pop, M., Materiale bioceramice, Edit. Tehnopress, Iaşi, 2003. 24. Metals Handbook, 9th, ed., vol 15, Casting, ASM International, Metals Park, Ohio, 1990 25. Popescu, C., A. Ifrim, S. Cedighian, Materiale electrotehnice; Proprietăţi şi utilizări, Editura Tehnică,

Bucureşti, 1976. 26. Gânju, D., Substanţe tehnice anorganice, Centrul de multiplicare Univ. “Al.I.Cuza”, Iaşi, 1997. 27. Askeland , D.R., The science and Engineering of Materials - PWS Publishers, 1996. 28. Tanase, D., Prelucrarea Plastică a Materialelor, Editura, Galateea, Galaţi, 2002 29. Lawrence H. Van Vlack – Elements of Materials Science and Engineering Sixth Edition. 30. Anderson, J.C., Leaver, K.D., Rawlings, R.D.,. Alexander, J.M, Materials Science, Fourth edition,

Chapson and Hall, London, 1990. 31. Kelzim, E., Metalcasting and Molding Processes, American Fondryman’s Society, Des Plaines,

1991 32. Ionescu, C., Paris, A., Moga, V.- Tehnologia Materialelor, Teste, Intrebari , Aplicatii, Editura BREN,

2002 33. Cananau, N., Teoria deformării plastice, UGAL 1994 34. Hofman, W., Rubber Technology Handbook, Hasser Publishers, Munich, Germany, 1989 35. Blaw, C., Rubber Technology and Manufacture, Butterworth Scientific, London, 1982 36. Hosford, W., Metalforming Mechanics and Metallurgz, Prentice Hall, Englewood Clifs, 1993 37. Mielnik, E., M., Metalworking Science Engineeringi, Mc Grow Hill, New Zork 1991

Page 154: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

A N E X E

M A T E R I A L E U T I L I Z A T E Î N I N G I N E R I E

Tabelul 4.1. Oţeluri nealiate turnate pentru construcţii mecanice de uz general

(prin bunăvoinţa colectivului Studiul Materialelor )

Compoziţia chimică [%]

Caracteristici mecanice Marca de oţel

SR ISO 3755:1995

Marca de oţel STAS 600-82

C Mn ReH, Rp 0,2 [MPa]

Rm [MPa]

A min. [%]

Z min. [%]

KV min [J]

200-400 OT 400-3 - - 30 200-400W OT 400-3 0,25 1,00

200 400- 550

25 40 45

230-450 OT 450-3 - - 25 230-450W OT 450-3 0,25 1,20

230 450- 600

22 31 45

270-480 OT 500-3 - - 270-480W OT 500-3 0,25 1,20

270 480- 630

18 25 22

340-550 OT 550-3 - - 340-550W OT 550-3 0,25 1,50

340 550- 700

15 21 20

Tabel 4.2. Produse laminate la cald din oţeluri de construcţie nealiate

Compoziţia chimică pe produs [%]

Marca de oţel SR EN 10025 +A1: 1994

Marca STAS 500/2-80 C max. Nn max.

Exemple de domenii de utilizare

- OL 30.1

- - Elemente de structuri metalice de uz general supuse la solicitări mici: plăci de fundaţie, parapete pentru scări, balustrade, flanşe la recipiente de joasă presiune.

S185 OL 32.1

- - Elemente de structuri metalice de uz general supuse la solicitări moderate: suporţi, rame, tiranţi, armaturi, nituri, lanţuri, flanşe.

- OL 34.1

- - Elemente de structuri portante de maşini agricole, tiranţi, suporţi, clicheţi, lanţuri, armături, cârlige de tracţiune, oţel beton, plase sudate pentru beton armat.

S235 JR, FU S235 JRG1, FU S235 JRG2, FN S235 JO, FN S235 J2G3, FF S235 J2G4,FF

OL 37.1 OL 37.2 OL 37.3k OL 37.3k OL 37.4kf OL 37.4kf

0,21-0,25 0,21-0,25 0,19-0,23 0,19 0,19 0,19

1,50 Elemente de construcţii metalice sudate sau îmbinate prin alte procedee: ferme, poduri, rezervoare, stâlpi, batiuri sudate,lanţuri, plase sudate pentru beton armat, structuri portante de maşini şi utilaje.

- -

-

-

OL 42.1 OL 42.2 OL 42.3k OL 42.3kf

-

- Organe de maşini supuse la solicitări moderate: biele, manivele, axe, arbori, roţi dinţate, piese canelate şi filetate, otel beton, ferme metalice uşor solicitate.

S275 JR, FN S275 JO, FN S275 J2G3, FF S275 J2G4, FF

OL 44.2k OL 44.3k OL 44.3kf OL 44.4kf

0,24-0,25 0,21 0,21 0,21

1,60 Elemente de construcţii metalice sudate, supuse la solicitări mecanice relativ ridicate şi care trebuie să prezinte o suficientă garanţie la ruperea fragilă.

S355 JR, FN S355 JO, FN S355J 2G3, FF S355 J2G4, FF S355 K2G3, FF S355 K2G4, FF

OL 52.2k OL 52.3k OL 52.3kf OL 52.4kf OL 52.4kf OL 52.4kf

0,27 0,23-0,24 0,23-0,24 0,23-0,24 0,23-0,24 0,23-0,24

1,70 Elemente de construcţii metalice puternic solicitate: stâlpi pentru linii electrice aeriene, căi de rulare, macarale, şasiuri la autovehicule, rezervoare de mare capacitate

E295, FN OL 50 - - Elemente de construcţii mecanice supuse la solicitări ridicate: bare de tracţiune, arbori drepţi şi cotiţi, arbori pentru pompe şi turbine, cârlige de macara, menghine, piuliţe, şuruburi de precizie, roţi dinţate pentru viteze periferice mici

E335, FN OL 60 - - Elemente de construcţii mecanice supuse la solicitări mai ridicate arbori drepţi şi cotiţi, şuruburi de precizie, roţi dinţate pentru viteze periferice moderate.

E360, FN OL 70 - - Organe de maşini supuse la uzură: arbori canelaţi, pene, cuplaje, roţi melcate, melci pentru transport, fusuri pentru prese, roţi de lanţ, cuie de centrare.

Page 155: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

A N E X E

M A T E R I A L E U T I L I Z A T E Î N I N G I N E R I E

157

Tabel 4.3. Oţeluri carbon de calitate pentru cementare

Compoziţia chimică pe oţel lichid [%]

Marca SR EN 10084: :2000

Marca de oţel

STAS 880-88 C Mn Pmax S

HB max.

Domenii de utilizare

≤0,045 0,040 0,020-0,040

≤0,035

- - - -

OLC8 OLC8S OLC8X OLC8XS

0,05 0,12

0,35 0,65

0,035 0,020-0,040

131 Cuzineţi

≤0,045 0,040 0,020-0,040

≤0,035

- - C10E C10R

OLC10 OLC10S OLC10X OLC10XS

0,07 0,13

0,300,60

0,035 0,020-0,040

143 Piese cementate cu rezistenţa redusă în miez: şaibe, clicheţi, furci, pene de ghidare, culbutoare, supape, discuri, bucşe şi role pentru lanţuri de tracţiune.

≤0,045 0,040 0,020-0,040 ≤0,035

- - C15E C15R

OLC15 OLC15S OLC15X OLC15XS

0,12 0,18

0,300,60 0,035

0,020-0,040

149 Piese cementate cu rezistenţa redusă în miez: bolţuri, pârghii, chei, pene de ghidare.

C16E - ≤0,035 C16R -

0,12 0,18

0,60 0,90

0,035 0,020-0,040

156 Piese cementate cu rezistenţa redusă în miez: bolţuri, şaibe, bucşe.

≤0,045 0,040 0,020-0,040 ≤0,035

- - - -

OLC20 OLC20S OLC20X OLC20XS

0,17 0,24

0,300,60

0,035 0,020-0,040

156

Piese cementate cu rezistenţa redusă în miez: bolţuri, şaibe, bucşe.

Notă: duritatea HB în stare recoaptă Tabel 4.4. Oţeluri de calitate nealiate pentru călire şi revenire

Compoziţia chimică pe oţel lichid

[%] Marca SR EN 10083-2:1995

Marca de oţel

STAS 880-88 C Mn Pmax S

Stare

Rm

[MPa]

Domenii de utilizare

≤0,045 0,040 0,020-0,040 ≤0,035

1 C 22 - 2 C 22 3 C22

OLC20 OLC20S OLC20X OLC20XS

0,17 0,24

0,400,70

0,035 0,020-0,040

N CR

≥430 500-650

Piese cementate cu rezistenţa redusă în miez: bolţuri, şaibe, bucşe.

≤0,045 0,040 0,020-0,040 ≤0,035

1 C 25 - 2 C 25 3 C 25

OLC25 OLC25S OLC25X OLC25XS

0,22 0,29

0,400,70

0,035 0,020-0,040

N CR

≥470 550-700

Piese tratate termic, slab solicitate: axe, arbori, flanşe, manşoane, buloane.

≤0,045 0,040 0,020-0,040 ≤0,035

1 C 30 - 2 C 30 3 C 30

OLC30 OLC30S OLC30X OLC30XS

0,27 0,34

0,50 0,80

0,035 0,020-0,040

N CR

≥510 600-750

Piese tratate termic cu utilizări diverse în construcţia de maşini.

≤0,045 0,040 0,020-0,040 ≤0,035

1 C 35 - 2 C 35 3 C 35

OLC35 OLC35S OLC35X OLC35XS

0,32 0,39

0,500,80

0,035 0,020-0,040

N CR

≥550 630-780

Piese tratate termic mediu solicitate: arbori cotiţi cu dimensiuni mici, biele, butuci sudaţi pentru roţi, cilindri de prese, bandaje.

≤0,045 0,040 0,020-0,040 ≤0,035

1 C 40 - 2 C 40 3 C 40

OLC40 OLC40S OLC40X OLC40XS

0,37 0,44

0,500,80

0,035 0,020-0,040

N CR

≥580 650-800

Piese tratate termic cu utilizări diverse în construcţia de maşini.

≤0,045 0,040 0,020-0,040 ≤0,035

1 C 45 - 2 C 45 3 C 45

OLC45 OLC45S OLC45X OLC45XS

0,42 0,50

0,500,80

0,035 0,020-0,040

N CR

≥620 700-850

Piese tratate termic de rezistenţă ridicată şi tenacitate medie: discuri de turbină, arbori cotiţi, biele, coroane dinţate, roţi cu clichet, volanţi, pene de ghidaj, melci.

≤0,045 0,040 0,020-0,040 ≤0,035

1 C 50 - 2 C 50 3 C 50

OLC50 OLC50S OLC50X OLC50XS

0,47 0,55

0,600,90

0,035 0,020-0,040

N CR

≥650 750-900

Piese tratate termic puternic solicitate: roţi dinţate, bandaje, coroane, arbori, bolţuri de lanţ.

≤0,045 0,040 0,020-0,040 ≤0,035

1 C 55 - 2 C 55 3 C 55

OLC55 OLC55S OLC55X OLC55XS

0,52 0,60

0,600,90

0,035 0,020-0,040

N CR

≥680 800-950

Piese tratate termic cu rezistenţă ridicată, dar fără solicitări mari la şoc: pinioane, tije, came.

≤0,045 1 C 60 -

OLC60 OLC60S

0,57 0,65

0,600,90

0,040 0,020-0,040

N CR

≥710 850-

Piese tratate termic cu proprietăţi de rezistenţă

Page 156: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

A N E X E

M A T E R I A L E U T I L I Z A T E Î N I N G I N E R I E

≤0,035 2 C 60 3 C 60

OLC60X OLC60XS

0,035 0,020-0,040

1000 ridicată combinată cu elasticitate: excentrice, bandaje, bucşe elastice, roţi dinţate.

Notă: N- normalizare; CR – călire şi revenire înaltă.; Valorile rezistenţei la tracţiune sunt pentru produse cu diametru sau grosime ≤ 16mm.

Tabelul 4.5. Oţeluri carbon pentru scule

Compoziţia chimică [%]

Marca de oţel STAS 1700-90 C Mn

Duritatea HB max.

Stare recoaptă

Domenii de utilizare

OSC 7 0,65-0,74

207 Scule supuse la lovituri şi şocuri, cu tenacitate mare şi duritate suficientă:burghie, matriţe pentru oţeluri moi sau mase plastice, scule de tâmplărie, şurubelniţe, dălţi, foarfece, vârfuri de centrare pentru maşini unelte.

OSC 8 0,75-0,84

0,10-0,35

207 Scule supuse la lovituri, cu tenacitate mare şi duritate mijlocie:

burghie pentru metale semidure, poansoane, cuţite pentru lemn, cleşti pentru sârmă, nicovale pentru forjat scule, dornuri de mână, dălţi pentru minerit şi cioplit piatră, scule de debavurat la cald, ace de trasat, foarfece pentru tablă, piese de uzură pentru maşini textile.

OSC 8M 0,80-0,90

0,35 0,80

207 Pânze de fierăstrău pentru lemn, cuţite de rândea, matriţe pentru injectat mase plastice, sârmă de înaltă rezistenţă, piese de uzură pentru maşini agricole.

OSC 9 0,85-0,94

207 Scule supuse la lovituri, cu tenacitate mare şi duritate mijlocie: burghie pentru ciocane perforatoare, punctatoare, scule pentru prelucrarea lemnului, matriţe pentru îndreptare, cuţite pentru maşini agricole, sârmă trefilată pentru arcuri.

0SC 10 0,95-1,04

221 Scule care nu sunt supuse la lovituri puternice: burghie pentru perforat roci dure, scule de aşchiat metale moi, scule de tragere la rece a metalelor, piese pentru maşini textile

OSC 11 1,05- 1,14

221 Scule supuse la lovituri mici: role de roluit materiale metalice, calibre, fierăstraie mecanice, matriţe pentru ambutisare, scule de aşchiat oţeluri moi, articole de bucătărie, piese pentru maşini textile.

OSC 12 1,15-1,24

0,10 0,35

221 Scule cu duritate deosebită, cu muchii de tăiere foarte ascuţite, care nu sunt supuse la lovituri scule de trefilat, pile, alezoare, burghie, instrumente chirurgicale, piese de uzură pentru maşini textile.

Tabel 4.6. Fonte cu grafit lamelar

Denumire

Compoziţie

chimică Observaţii

Fontă pentru turnătorie

Fontă cenuşie sau silicioasă

3.5-5%C

Grafitul sub formă de foiţe îi dă o bună fluiditate. Se livrează sub formă de lingouri. Greutate specifică 7- 7.3 kg/dm3

Fontă pentru oţelărie Fontă pentru afinare

Fontă albă sau manganoasă

2.3- 3% C 1-3%Mn

Fluiditate redusă . Greutate specifică 7.4- 7.7 kg/dm3

Fontă oglindă 5-25% Mn Silicioasă 5-15% Si

Fonta brută de furnal

Fontă de primă fuziune

Fonte brute speciale Feroaliaje > 25%

element de aliere

Feromangan, ferosiliciu, feroaluminiu etc.

Page 157: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

A N E X E

M A T E R I A L E U T I L I Z A T E Î N I N G I N E R I E

159

Page 158: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

A N E X E

M A T E R I A L E U T I L I Z A T E Î N I N G I N E R I E

Tabel 4.7. Fonte cu grafit vermicular

Marca fontei STAS

12443-86

Rezistenţa la tracţiune Rm min. [N/mm2]

Alungirea la rupere

A5 min. [%]

Limita de curgere

convenţională Rp0,2 min. [N/mm2]

Duritatea Brinell HB

Microstructura masei metalice

Fgv 300 300 2 200 130-180 Preponderant feritică Fgv 350 350 1 240 160-240 Ferito-perlitică Fgv 400 400 1 280 200-280 Preponderant perlitică

Tabel 4.8. Fonte cu grafit nodular caracterizate pe probe turnate separate

Simbolizare SR EN 1563:1999 KV min [J]

alfanumerică numerică Rm min.

[N/mm2]

Rp0,2 min. [N/mm2]

A min. [%]

Valoare medie

Valoare individuală

EN-GJS-350-22-LT EN-JS1015 350 220 22 12 la -40˚C

9 la -40˚C

EN-GJS-350-22-RT EN-JS1014 350 220 22 17 la 23˚C

14 la 23˚C

EN-GJS-350-22 EN-JS1010 350 220 22 EN-GJS-400-18-LT EN-JS1025 400 240 18 12

la -20˚C 9

la -20˚C EN-GJS-400-18-RT EN-JS1024 400 250 18 14

la 23˚C 11

la 23˚C EN-GJS-400-18 EN-JS1020 400 250 18 - - EN-GJS-400-15 EN-JS1040 450 250 15 - - EN-GJS-450-10 EN-JS1030 450 310 10 - - EN-GJS-500-7 EN-JS1050 500 320 7 - - EN-GJS-600-3 EN-JS1060 600 370 3 - - EN-GJS-700-2 EN-JS1070 700 420 2 - - EN-GJS-800-2 EN-JS1080 800 480 2 - - EN-GJS-900-2 EN-JS1090 900 600 2 - -

Tabel 4.9. Fonte cu grafit nodular caracterizate prin încercarea de duritate Brinell

Simbolizare SR EN 1563:1999 Alte caracteristici (informativ)

alfanumerică numerică Interval

de duritate Brinell HB

Rm [N/mm2]

Rp0,2 {N/mm2]

EN-GJS-HB130 EN-JS2010 ≤ 160 350 220 EN-GJS-HB150 EN-JS2020 130-175 400 250 EN-GJS-HB155 EN-JS2030 135-180 400 250 EN-GJS-HB185 EN-JS2040 160-210 450 310 EN-GJS-HB200 EN-JS2050 170-230 500 320 EN-GJS-HB230 EN-JS2060 190-270 600 370 EN-GJS-HB265 EN-JS2070 225-305 700 420 EN-GJS-HB300 EN-JS2080 245-335 800 480 EN-GJS-HB330 EN-JS2090 270-360 900 600

Tabel 4.10 Fonte cu grafit nodular bainitică

Simbolizare SR EN 1564:1999

alfanumerică numerică Rm min. [N/mm2]

Rp 0,2 min. [N/mm2]

Amin. [%]

EN-GJS-800-8 EN-JS1100 800 500 8 EN-GJS-1000-5 EN-JS1110 1000 700 5 EN-GJS-1200-2 EN-JS1120 1200 850 2 EN-GJS-1400-1 EN-JS1130 1400 1100 1

Tabel 4.11. Fonta maleabilă cu inima albă (W) şi inimă neagră (B)

Simbolizare SR EN 1562:1999 alfanumerică

numerică

Diametru epruvetă

d [mm]

Rezistenta la tracţiune Rm min. [N/mm2]

Alungire la rupere

(Lo=3d) A[%]

Duritate Brinell HB

(informativ)

EN-GJMW-350-4 EN-JM1010 6 9

12 15

270 310 350 360

10 5 4 3

max.230

Page 159: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

A N E X E

M A T E R I A L E U T I L I Z A T E Î N I N G I N E R I E

161

EN-GJMW- 360-12 EN-JM1020 6 9

12 15

280 320 360 370

16 15 12 7

max.200

EN-GJMW- 400-5 EN-JM1030 6 9

12 15

300 360 400 420

12 8 5 4

max.220

EN-GJMW-450-7 EN-JM1040 6 9

12 15

330 400 450 480

12 10 7 4

max.220

EN-GJMW- 550-4 EN-JM1050 6 9

12 15

- 490 550 570

- 5 4 3

max.250

EN-GJMB-300-6 EN-JM1110 12 sau 15 300 6 max.150 EN-GJMB-350-10 EN-JM1130 12 sau 15 350 10 max.150 EN-GJMB-450-6 EN-JM1140 12 sau 15 450 6 150...200 EN-GJMB-500-5ª EN-JM1150 12 sau 15 500 5 165...215 EN-GJMB-550-4 EN-JM1160 12 sau 15 550 4 180...230 EN-GJMB-600-3ª EN-JM1170 12 sau 15 600 3 195...245 EN-GJMB-650-2 EN-JM1180 12 sau 15 650 2 210...260 EN-GJMB-700-2 EN-JM1190 12 sau 15 700 2 240...290 EN-GJMB-800-1 EN-JM1200 12 sau 15 800 1 270…320

Page 160: Tehnologia Materialelor - Gheorghe Gurau

GALAŢI 2005