4. FIERUL ŞI ALIAJELE FIER-CARBON

4.1 Fierul

Fierul este elementul chimic cu cea mai mare importanţă în ingineria mecanică, el

stând la baza aliajelor cu cea mai largă răspândire în acest domeniu: oţelurile şi fontele.

Deşi în scoarţa terestră fierul are o pondere de 4,7% (fiind al doilea metal ca răspândire, după aluminiu), în natură el nu se găseşte în stare pură decât în cazuri foarte rare (în meteoriţi şi în unele formaţiuni bazaltice) iar producerea sa pe cale industrială este foarte dificilă, chiar şi fierul tehnic pur obţinut pe cale electrolitică conţinând încă impurităţi în proporţie de 0,01 - 0,001%. Cele mai importante minerale

care conţin fier sunt magnetitul (Fe3O4, putând conţine 45-70% Fe), hematitul (Fe2O3, 40-65% Fe), limonitul (Fe2O3

.H2O, 30-60% Fe) şi sideritul (FeCO3, 25-40% Fe).Principalele proprietăţi fizice şi mecanice ale fierului sunt prezentate în

tabelele 4.1 şi 4.2. Proprietăţile mecanice pot să varieze în funcţie de gradul de

puritate şi de granulaţie. Cu cât grăunţii sunt mai mici, cu atât limita de curgere,

rezistenţa la rupere şi duritatea au valori mai mari.

Tabelul 4.1

Proprietăţile fizice ale fierului pur

ProprietateaValoarea şi unitatea de

măsură

Greutatea atomică 55,85

Parametrul reţelei cristaline:

- aFeα la ≈ 20°C

- aFeγ la 950°C

2,86 Å

3,64 Å

Densitatea la 20° C 7860 kg / m3

Temperatura de topire 1538° C

Căldura latentă de topire 64,9 cal / g

Coeficientul de dilatare liniară:

- Feα (între 100…600°C)

- Feγ (între 900…1100°C)

(12,6…16) 10 -6 (° C) –1

≈ 23,4 10 -6 (° C) –1

Conductibilitatea termică între 0…800°C 29…74 W/m∙°C∙s

Rezistivitatea electrică între 0…900°C 98…114 ∙mm

Punctul Curie (modificarea proprietăţilor magnetice) 770° C

Tabelul 4.2

1

Proprietăţile mecanice ale fierului pur

Proprietatea Valoarea şi unitatea de măsură

- Rezistenţa la rupere la tracţiune 280…300 N / mm2

- Limita de elasticitate 190…170 N / mm2

- Alungirea la rupere la tracţiune 40…50%

- Gâtuirea la rupere 70…80%

- Duritatea Brinell 50…80 HB

- Modulul de elasticitate 210000 N / mm2

Curbele de răcire şi respectiv încălzire ale fierului, pentru viteze de răcire şi

încălzire mici, sunt prezentate în figura 4.1.

Fig. 4.1 Curbele de răcire şi respectiv de încălzire pentru fierul pur

Aceste curbe prezintă discontinuităţi (paliere) care marchează temperaturile

corespunzătoare punctelor critice care delimitează domeniile de stabilitate ale

formelor alotropice ale fierului. Temperaturile punctelor critice ale curbelor de

încălzire sau de răcire se simbolizează prin litera A urmată o literă care indică dacă

este vorba despre încălzire sau răcire (c pentru încălzire, r pentru răcire) şi de cifre

corespunzătoare diferitelor puncte de transformare.

La viteze de răcire, respectiv încălzire mai mari, se constată apariţia unor

diferenţe între temperaturile punctelor critice de răcire şi încălzire ale fierului,

fenomen numit histerezis termic.

Fierul are trei stări alotropice distincte:

2

fierul (Fe), stabil de la temperatura ambiantă până la 912C, prezintă o

structură cubică cu volum centrat (c.v.c.) şi parametrul reţelei a = 2,86 Å la

temperatura ambiantă. Până la temperatura de 770°C (punctul Curie), Fe

are proprietăţi magnetice, după care devine paramagnetic.

fierul (Fe), stabil între 912-1394C, are o structură bazată pe celule

elementare cubice cu feţe centrate (c.f.c.), la temperatura de 912°C

parametrul reţelei fiind a = 3,64 Å. Întrucât reţeaua c.f.c. este mai compactă

decât cea c.v.c., transformarea Fe Fe va fi însoţită de o contracţie a

metalului. Diferenţa de compactitate determină şi comportări diferite ale

formelor alotropice în privinţa cantităţii de elemente de aliere pe care le pot

dizolva în reţeaua lor cristalină.

fierul (Fe), identic din punct de vedere structural cu Fe, dar stabil între

1394C şi 1538C. Valoarea parametrului de reţea al Fe se poate determina

prin extrapolarea creşterii valorii parametrului de reţea al Fe pentru

temperaturi mai mari de Ac4.

În figura 4.2 este prezentată evoluţia parametrului de reţea pentru diferitele

forme alotropice ale fierului, în funcţie de temperatură.

Fig. 4.2 Variaţia parametrului de reţea al fierului cu temperatura

Datorită ductilităţii sale ridicate, fierul tehnic pur este utilizat pentru realizarea

unor piese prin ambutisare adâncă, iar datorită proprietăţilor magnetice superioare, el

se foloseşte şi în electrotehnică ca material magnetic moale, pentru fabricarea de

elemente pentru electromagneţi (miezuri şi piese polare), de miezuri de

transformator, ecrane magnetice, membrane telefonice etc.

3

4.2 Sistemul de aliaje fier-carbon

Dintre elementele chimice care se pot asocia cu fierul, carbonul are cea mai

mare influenţă, ducând la obţinerea unor aliaje cu proprietăţi foarte bune şi reuşind să

modifice semnificativ aceste proprietăţi chiar şi atunci când proporţia sa în aliaj

variază relativ puţin.

În aliajele fier-carbon, el se poate găsi sub una din următoarele forme:

- dizolvat în Fe sau Fe; Fe poate dizolva până la 0,0218%C la temperatura

de 727C, formând o soluţie solidă de carbon în Fe numită ferită (F), iar

Fe poate dizolva până la 2,11%C la temperatura de 1148C, soluţia solidă

de carbon în Fe fiind numită austenită (A).

- în combinaţie chimică cu fierul, formându-se carbura de fier Fe3C, numită şi

cementită (Ce), care conţine 6,67%C;

- sub formă de grafit (carbon liber), obţinut prin descompunerea cementitei

în condiţii de temperatură ridicată, viteză de răcire lentă etc., conform

reacţiei de grafitizare:

Fe3C 3 Fe + C (4.1)

Rezultă de aici că grafitul este un constituent stabil, în timp ce cementita este

un constituent metastabil, cei doi constituenţi neputând, în condiţii normale, să se

regăsească în acelaşi timp într-o diagramă de echilibru fier-carbon.

Ca atare, combinaţiile fierului cu carbonul trebuie studiate pe baza a două

diagrame de echilibru diferite: diagrama sistemului metastabil fier-cementită (Fe-

Fe3C) şi diagrama sistemului stabil fier-grafit (Fe-G).

4.2.1 Sistemul metastabil fier-cementită

Diagrama de echilibru a sistemului metastabil Fe-Fe3C (fig. 4.3) face parte din

categoria diagramelor caracteristice sistemelor de aliaje cu solubilitate totală în stare

lichidă şi cu solubilitate limitată în stare solidă.

Diagrama Fe-Fe3C nu prezintă importanţă tehnică decât până la o concentraţie

maximă de 6,67%C, corespunzătoare proporţiei de carbon din cementită.

4

Fig. 4.3 Diagrama de echilibru a sistemului metastabil Fe-Fe3C

5

Linia lichidus a acestei diagrame este ABCD, iar linia solidus este AHJECFD.

De asemenea, diagrama include trei transformări de bază:

- o transformare peritectică în punctul J (1495C şi 0,15 %C):

L + F A

- o transformare eutectoidă în punctul S (727°C şi 0,77 %C):

A (F + Ce)

Amestecul mecanic obţinut în urma transformării eutectoide şi format din

ferită şi cementită se numeşte perlită (P).

- o transformare eutectică în punctul C (1148°C şi 4,3 %C):

L (A + Ce)

Amestecul mecanic obţinut în urma transformării eutectice şi format din

austenită şi cementită se numeşte ledeburită (Le). Ţinând cont de

transformarea eutectoidă a austenitei, la temperaturi de sub 727C,

ledeburita apare ca amestec mecanic între perlită şi cementită.

Corespunzător punctelor de transformare ale fierului pur şi aliajelor fier-

cementită, în diagramă se întâlnesc şi următoarele linii caracteristice: linia PS = A1;

SK = A1,3; MO = A2; GS = A3; NJ = A4; SE = Acem.

Aliajele Fe-C cu un conţinut de carbon de până la 2,11% se numesc oţeluri. În

funcţie de poziţia lor faţă de punctul eutectoid S, oţelurile se clasifică în:

- oţeluri hipoeutectoide, care conţin între 0 şi 0,77 %C

- oţeluri eutectoide, cu 0,77 %C

- oţeluri hipereutectoide, care conţin peste 0,77 %C.

Aliajele fier-carbon al căror conţinut de carbon depăşeşte 2,11% se numesc

fonte. Şi fontele se pot face o clasifica în funcţie de un punct principal de

transformare, de această dată în funcţie de poziţia lor faţă de punctul eutectic C:

- fontele care conţin între 2,11 şi 4,3 %C se numesc fonte hipoeutectice;

- fontele cu 4,3 %C se numesc fonte eutectice;

- fontele cu un conţinut de carbon mai mare de 4,3 % se numesc fonte

hipereutectice.

4.2.1.1 Faze şi constituenţi din diagrama Fe- Fe3C

În diagrama Fe-Fe3C se întâlnesc faze şi constituenţi omogeni: austenita, ferita

şi cementita), dar şi unii constituenţi eterogeni: perlita şi ledeburita (fig. 4.4 şi 4.5).

6

Ferita este o soluţie solidă de carbon în Fe, cu reţea de tip c.v.c. În mod

normal, datorită spaţiilor interstiţiale foarte mici, în reţeaua cristalină a Fe nu ar

trebui să poată pătrunde atomi de carbon; totuşi, la temperatura de 727C ferita poate

conţine până la 0,0218 %C, fapt explicabil prin existenţa unor imperfecţiunilor în

reţeaua Fe .

Ca şi proprietăţi, ferita se apropie de fierul pur, fiind un constituent moale,

tenace şi plastic (Rm = 300 N/mm2, duritatea 80 HB, A5 = 50 %, KCU2 = 2 J/mm2).

La microscop, ferita poate să apară sub formă de grăunţi poliedrici (în oţelurile

cu un conţinut redus de carbon, la răcire lentă), de reţea (în oţelurile hipoeutectoide

cu mai mult de 0,4% C), de lamele (în perlita lamelară), globulară (în unele oţeluri

aliate răcite rapid) sau aciculară (structura Widmannstätten).

Atunci când în reţeaua cristalină a Fe pătrund şi alte elemente chimice în afară

de carbon (N, Mn, P, Mo etc.), constituentul se numeşte ferită aliată şi are proprietăţi

diferite în funcţie de natura şi cantitatea elementului de aliere.

Austenita este o soluţie solidă de carbon în Fe, cu reţea cristalină de tip c.f.c.,

care poate dizolva o proporţie maximă de 2,11% carbon la temperatura de 1148C (în

punctul E al diagramei). Atomii de carbon se poziţionează în centrul celulei

elementare sau pe mijlocul muchiilor.

Austenita are proprietăţi de plasticitate bune, este paramagnetică şi rezistentă la

coroziune. Datorită plasticităţii sale, oţelurile se prelucrează bine la cald (în domeniul

austenitic).

Carbonul, azotul şi borul pot forma cu austenita soluţii solide de interstiţie iar

siliciul, nichelul, manganul şi cromul formează soluţii solide de substituţie.

La microscop, austenita apare sub formă de grăunţi poliedrici, în general de

culoare deschisă, care adesea prezintă macle.

Cementita este un compus chimic, o carbură de fier (Fe3C) cu un conţinut de

6,67%C. Reţeaua cristalină a cementitei este de tip ortorombic.

Cementita este cel mai dur constituent care se regăseşte în aliajele Fe-C (peste

800 HB), şi în acelaşi timp este foarte fragilă.

Peste temperatura de 210°C, cementita devine paramagnetică (punctul Ao).

În funcţie de domeniile şi condiţiile în care se formează, se disting următoarele

tipuri de cementită:

- cementita primară, care cristalizează direct din faza lichidă (în domeniul

DCF);

7

Fig. 4.4 Constituenţi de echilibru ai oţelurilor în sistemul metastabil Fe-Fe3C (atac nital 2%)

a) oţel hipoeutectoid cu 0,01 % C – ferită şi cementită terţiară (300:1);

b) oţel hipoeutectoid cu 0,45 % C – ferită şi perlită lamelară (300:1);

c) oţel hipoeutectoid cu 0,6 % C – ferită în reţea şi perlită lamelară (300:1);

d) oţel eutectoid (0,77% C) - perlită lamelară (500:1);

e) oţel hipereutectoid cu 1,2 % C – perlită lamelară şi cementită în reţea (500:1).

8

a) b) c)

Fig.4.5 Constituenţi de echilibru ai fontelor în sistemul metastabil Fe-Fe3C (atac nital 2%)

a) fontă albă hipoeutectică cu 3 % C – perlită lamelară, cementită şi ledeburită (100:1);

b) fontă albă eutectică (4,3 %C) - ledeburită (100:1);

c) fontă albă hipereutectică cu 5,5 % C – ledeburită şi cementită (100:1)

- cementita eutectică, formată ca fază constitutivă a ledeburitei prin

transformarea eutectică;

- cementita secundară, care se separă din cristalele de austenită sub linia ES

din diagrama de echilibru Fe-Fe3C;

- cementita eutectoidă, formată ca fază constitutivă a perlitei în urma

transformării eutectoide;

- cementita terţiară, formată prin precipitare din ferită, sub linia PQ ES din

diagrama de echilibru Fe-Fe3C;.

După aspectul microscopic, cementita poate fi lamelară, globulară, aciculară,

în benzi, în plăci, în insule sau în reţea.

Perlita este un amestec mecanic de ferită şi cementită, faze care se separă

simultan la temperatura de 727C din austenita de concentraţie eutectoidă.

Perlita are proprietăţi mecanice bune, care depind însă de forma şi mărimea

fazelor componente (Rm = 550..1100 N/mm2, A5=10..25 %, duritatea 185..250 HB).

După aspectul microscopic, perlita poate fi lamelară, globulară sau în rozete.

Ledeburita este eutecticul sistemului fier-cementită, constituit, la temperatura

ambiantă, ca amestec mecanic de perlită şi cementită eutectică, iar la temperaturi de

peste 727C, ca amestec mecanic de austenită şi cementită eutectică.

9

Datorită conţinutului ridicat de cementită, ledeburita are o duritate relativ

ridicată şi este fragilă. La microscop ea prezintă un aspect zebrat sau punctiform.

4.2.2 Sistemul stabil fier – grafit

Atunci când viteza de răcire de la temperatura de turnare este mică, dacă

conţinutul în siliciu este mai ridicat etc., carbonul poate să apară şi sub altă formă, şi

anume cea de grafit (carbon liber).

În prezent, deşi mai există unele controverse în privinţa modului de formare a

grafitului (grafitizarea), ipoteza formării prin descompunerea cementitei este cea

mai plauzibilă, ea fiind susţinută şi de asemănarea dintre structura austenitei şi cea a

cementitei. Ca atare, se consideră că reacţia de grafitizare este:

Fe3C 3 Fe + C (grafit)

Cei mai importanţi factori care favorizează grafitizarea sunt următorii:- conţinutul ridicat de carbon;- conţinutul ridicat de siliciu (Siliciul este deci un element puternic

grafitizant.). Conţinutul în Si al fontelor cenuşii poate varia între 0,3..5%,. - temperatura cât mai înaltă a soluţiei lichide imediat înainte de turnare;

încălzirea peste temperatura de 500C favorizează dizolvarea particulelor de cementită şi a celor nemetalice, micşorând astfel numărul centrelor de cristalizare în jurul cărora se pot forma grăunţi de grafit.

- viteza de răcire cât mai lentă; cu cât răcirea este mai lentă, cu atât procesul de descompunere a cementitei se poate desfăşura mai complet. Ca atare, este importantă şi grosimea pereţilor piesei care urmează a se turna. Cu cât grosimea pereţilor este mai mare, cu atât viteza de răcire este mai lentă, iar cantitatea de cementită descompusă va fi mai mare.

Grafitul este un material complet opac, cu

o bună capacitate de reflectare a luminii şi care

cristalizează în reţea elementară hexagonal-

compactă (“formă de fagure”, fig. 4.6). Straturile

atomice paralele sunt caracterizate printr-o legătură

slabă, şi pot fi deci deplasate relativ uşor unele faţă

de celelalte, astfel că grafitul prezintă caracteristici

de rezistenţă şi duritate slabe, rezistenţa la rupere

fiind de doar cca. 20 N/mm2.Fig. 4.6 Structura cristalină a grafitului

10

Dacă concentraţia de carbon este mai mică de 2%, reacţia de grafitizare nu se poate desfăşura, astfel că sistemul stabil Fe-C are utilizare numai în domeniul fontelor.

Întrucât după formarea sa, grafitul nu se mai poate descompune, şi nici recombina cu alte elemente chimice, el reprezintă o formă stabilă a carbonului în cadrul sistemului de aliaje fier-carbon. Diagrama de echilibru a sistemului stabil fier-grafit este prezentată în fig. 4.7 prin linii întrerupte.

Fig. 4.7 Diagrama de echilibru a sistemului stabil fier-grafit

Se poate observa că liniile din această diagramă au în general un traseu asemănător cu cele din diagrama fier-cementită, dar ele sunt deplasate uşor spre stânga şi în sus în raport cu acestea. De asemenea, în structuri se constată prezenţa grafitului în locul cementitei.

Coordonatele punctelor caracteristice principale din diagrama sistemului fier-grafit sunt redate în tabelul 4.3.

Tabelul 4.3Poziţia punctelor caracteristice principale din diagrama fier-grafit

Punctul % C Temperatura [C]

S’ 0,68 738

E’ 2,08 1154

C’ 4,26 1154

11

Din diagramă rezultă că, printr-o răcire lentă, cementita se descompune astfel:- deasupra liniei P’S’K’: Fe3C SE + C (grafit)- sub linie P’S’K’: Fe3C PQ + C (grafit)Aliajele care se regăsesc în diagrama fier-grafit se numesc fonte cenuşii.

4.3 Oţelurile nealiate

4.3.1 Generalităţi. Clasificare

Conform standardului SR EN 10020-1994, oţelurile pot fi clasificate, în funcţie de

compoziţia chimică şi de principalele caracteristici de utilizare, în două mari categorii:

a) Oţeluri nealiate (numite şi oţeluri carbon), cu următoarele clase de calitate:

- oţeluri nealiate de uz general;

- oţeluri nealiate de calitate;

- oţeluri nealiate speciale (superioare).

b) Oţeluri aliate, cu următoarele clase de calitate:

- oţeluri aliate de calitate;

- oţeluri aliate speciale.

Oţelurile nealiate sunt oţelurile care conţin ca elemente componente

principale doar fierul şi carbonul. Pe lângă acestea, oţelurile nealiate pot conţine şi

alte elemente, care au pătruns în masa oţelului prin procese fizico-chimice inerente

procedeului de elaborare sau au fost introduse voit pentru a îmbunătăţi unele

caracteristici. Aceste elemente suplimentare nu trebuie însă să depăşească anumite

limite indicate tabelar. Oţelurile aliate sunt oţeluri la care se atinge (sau se

depăşeşte) cel puţin una dintre valorile limită indicate în acest tabel.

Oţelurile nealiate de uz general sunt oţeluri care nu necesită o tehnologie de

fabricaţie specială, îndeplinind totodată următoarele 4 condiţii:

- nu necesită tratament termic (fac excepţie unele tratamente termice de recoacere, inclusiv normalizarea);

- caracteristicile produselor livrate în stare laminată sau normalizată corespund valorilor limită indicate tabelar;

- nu se prescrie nici o altă condiţie de calitate (ca, de exemplu, capacitatea de tragere la rece, trefilare, formare la rece etc.);

- nu sunt impuse condiţii particulare pentru nici un element de aliere, cu

excepţia Mn şi Si.

12

Oţelurile nealiate de calitate sunt oţeluri care nu au impuse condiţii pentru o

comportare precizată la tratament termic sau pentru puritate în ceea ce priveşte

incluziunile nemetalice. Ca urmare a condiţiilor în care sunt utilizate, prescripţiile

privind calitatea acestora (de exemplu, tenacitatea la rupere, controlul mărimii

grăuntelui, capacitatea de formare la rece) sunt mai severe decât cele ale oţelurilor de

uz general astfel încât, în timpul fabricării acestor oţeluri, este necesară o atenţie

deosebită.

Oţelurile nealiate speciale (superioare) au o puritate superioară oţelurilor nealiate de calitate, în special în privinţa incluziunilor nemetalice. În majoritatea cazurilor, aceste oţeluri sunt destinate tratamentului termic de călire-revenire sau durificării superficiale şi se caracterizează printr-o comportare precizată la astfel de tratamente (energie de rupere prescrisă în stare călită şi revenită, respectiv adâncime de călire sau duritate superficială prescrisă în stare călită, călită şi revenită sau călită superficial). Caracteristicile superioare ale acestor oţeluri sunt asigurate prin verificarea riguroasă a compoziţiei chimice şi printr-o atenţie specială în fabricaţia şi controlul produsului.

Un alt mod de a clasifica oţelurile nealiate este în funcţie de destinaţie şi de conţinutul de carbon. Această clasificare nu este standardizată, însă este mult utilizată în industrie (fig. 4.8).

Fig. 4.8 Clasificarea oţelurilor nealiate în funcţie de destinaţie şi conţinutul de carbon

4.3.2 Influenţa unor elemente chimice asupra structurii şi proprietăţilor

oţelurilor nealiate

Carbonul este principalul element de aliere al fierului în oţelurile nealiate,

conţinutul în carbon al oţelului fiind determinant pentru proprietăţile mecanice şi

structura acestuia. Aşa cum se poate observa din figura 4.9, pe măsură ce conţinutul de

carbon creşte, proprietăţile de rezistenţă (de exemplu rezistenţa la rupere şi duritatea)

cresc şi ele, iar cele de plasticitate scad. Rezistenţa la rupere creşte liniar şi atinge o

valoare maximă în apropierea concentraţiei eutectoidului, scăderea ulterioară fiind

determinată de prezenţa în structură a unei cantităţi tot mai mari de cementită

13

secundară, care se depune sub forma unei reţele continue la limitele grăunţilor de

perlită, reducând coeziunea dintre aceştia şi mărind în acest fel fragilitatea materialului.

De asemenea, cantitatea de carbon poate

să influenţeze şi unele proprietăţi fizice ale

oţelurilor. Astfel, rezistivitatea şi intensitatea

câmpului coercitiv cresc, iar permeabilitatea

magnetică şi greutatea specifică scad odată cu

mărirea conţinutului de carbon al oţelurilor.

Siliciul poate să apară ca impuritate,

provenind din căptuşeala cuptorului în care a

fost elaborat oţelul, sau poate fi adăugat

intenţionat, sub formă de ferosiliciu pentru

efectul de calmare (dezoxidare). În funcţie de

cantitatea de siliciu pe care o conţin, oţelurile

nealiate pot fi împărţite în oţeluri necalmate,

semicalmate sau calmate. Pentru cazul

oţelurilor de uz general pentru construcţii ale

căror caracteristici sunt reglementate prin

STAS 500/80, limitele dintre aceste categorii sunt următoarele: oţelurile necalmate

conţin mai puţin de 0,07 % Si, oţelurile semicalmate conţin între 0,07 % Si şi 0,17 % Si,

iar în oţelurile calmate se înregistrează un conţinut de Si între 0,17 % şi 0,50 %.

La temperatura ambiantă, Fe dizolvă până la 14 % Si, astfel încât în oţelurile

nealiate obişnuite, Si nu apare ca o fază distinctă şi nu poate fi identificat prin analiza

metalografică.

Siliciul măreşte rezistenţa la rupere şi limita de elasticitate, reducând însă

plasticitatea oţelului. În combinaţie cu oxigenul, siliciul formează silicaţi care se

acumulează la limitele de grăunţi şi care prin deformarea plastică iau o formă

alungită, ducând la apariţia unei structuri fibroase.

Sulful prezintă o solubilitate foarte mică în fier, practic neglijabilă la

temperatura ambiantă. În oţelurile nealiate de uz general se găseşte un conţinut

maxim de 0,055% sulf, provenit din minereu sau din produsele de ardere rezultate pe

parcursul procesului de elaborare al oţelului.

Sulful formează cu fierul doi compuşi: FeS şi FeS2. La temperatura de 985°C şi

pentru un conţinut de sulf de 31%, diagrama de echilibru Fe-S indică prezenţa unui

eutectic Fe-FeS. Fierul pur din cadrul acestui eutectic difuzează către interiorul

Fig. 4.9 Variaţia proprietăţilor mecanice

ale oţelurilor nealiate în funcţie de

conţinutul de carbon

14

grăunţilor, în timp ce sulfura de fier se localizează la limitele grăunţilor unde

formează o reţea caracteristică (aşa-numitele "litere chinezeşti"), de culoare galben-

cafenie.

Sulfura de fier FeS se topeşte la 1190°C şi prezintă o fragilitate deosebită sub

1000°C. Ca atare, la temperaturi peste 1200°C, unde începe topirea sulfurii de fier

localizate la limitele grăunţilor, oţelul devine fragil, fenomen cunoscut sub denumirea

de fragilitate la alb (datorită culorii alb-incandescente a oţelului la aceste

temperaturi). De asemenea, între 800...1000°C apare aşa-numita fragilitate la roşu a

oţelului, îngreunând deformarea plastică la cald a oţelului. În concluzie, prelucrarea

oţelurilor cu un conţinut mai ridicat de sulf prin deformare plastică la cald se poate face

doar în intervalul 1000-1200°C, în care sulfura de fier este mai plastică.

Fragilitatea la roşu devine marcantă pentru conţinuturi de sulf mai mari de

0,05…0,06 %, de la care se constată o diminuare a tenacităţii oţelurilor chiar şi la

temperatura ambiantă. Din această cauză, la oţelurile destinate ambutisării, conţinutul

în sulf se limitează la cca. 0,02 %.

Acţiunea dăunătoare a sulfului poate fi contracarată prin adăugarea de mangan,

care prezintă o afinitate mai mare pentru sulf decât fierul şi formează sulfura de

mangan MnS. Aceasta are o temperatură de topire mult mai ridicată decât FeS

(1610C), prezintă o plasticitate mult mai mare la cald şi ca atare, dacă tot sulful este

legat cu mangan, nu mai apar fenomene de fragilizare în timpul prelucrărilor plastice

la cald. La analiza microstructurală a oţelurilor, sulfura de mangan apare sub forma

unor incluziuni separate cenuşii-albastre care prin deformare plastică se alungesc în

şiruri sau plăci. În cazul unei răciri lente de la temperatura de forjare sau laminare, ferita

preeutectoidă cristalizează de preferinţă pe sulfuri, în şiruri, iar austenita, respectiv

perlita, ocupă spaţiile intermediare. Se formează astfel o structură secundară în şiruri.

Prezenţa acestei structuri poate fi redusă sau chiar eliminată prin răcirea rapidă

după prelucrarea la cald, sau prin aplicarea ulterioară a unui tratament termic de

normalizare.

Datorită insolubilităţii sale în Fe, în timpul solidificării oţelurilor sulful are o

tendinţă pronunţată de segregare, în special către centrul lingourilor.

Pentru punerea în evidenţă a segregaţiilor de sulf se utilizează aşa-numita

amprentă Baumann. Aceasta constă în aplicarea, timp de 0,5...5 minute, pe

suprafaţa de examinat, a unei hârtii fotografice îmbibate în prealabil cu o soluţie

apoasă de 2...5 % acid sulfuric.

Deşi sulfura de mangan este plastică, ea afectează totuşi rezistenţa la oboseală

15

a oţelului, acţionând ca un concentrator de tensiuni.

Prezenţa sulfului determină micşorarea rezistenţei la coroziune a oţelului, dar

îmbunătăţeşte prelucrabilitatea prin aşchiere, sulfura de mangan MnS uşurând

ruperea aşchiei, mărind durabilitatea sculei şi viteza de prelucrare.

Fosforul poate să provină din minereuri, conţinutul său în oţelurile nealiate de

uz general fiind limitat la 0,055 - 0,065 %. Ca şi sulful, fosforul măreşte duritatea şi

rezistenţa oţelului, dar înrăutăţeşte plasticitatea acestuia. Fierul formează cu fosforul

două combinaţii chimice: Fe3P şi Fe2P. Fosforul se dizolvă în ferită în proporţie de

2,6 % P, iar în austenită în proporţie de cca. 0,6 % P.

Datorită intervalului mare de solidificare precum şi vitezei mici de difuziune a

fosforului în fier, este favorizată segregaţia interdendritică a fosforului (conţinutul în P

din spaţiile interdendritice poate fi mult mai mare decât cel din centrul grăunţilor). La

prelucrarea ulterioară prin deformare plastică la cald, dendritele se alungesc şi se

orientează paralel unele faţă de celelalte, astfel că segregaţiile de fosfor sunt dispuse in

şiruri alungite care formează structura primară fibroasă sau fibrajul oţelului,

caracteristic pieselor laminate sau forjate.

Fosforul dizolvat în ferită imprimă oţelurilor o rezistenţă mărită împotriva

coroziunii atmosferice, prin formarea unei pelicule exterioare protectoare, fenomen

sesizabil atunci când conţinutul de fosfor depăşeşte 0,50%.

Deşi datorită fragilităţii pe care o imprimă oţelurilor, fosforul este un

component nedorit, el se adaugă în oţelurile pentru prelucrare pe automate în

concentraţie de până la 0,15%, pentru îmbunătăţirea aşchierii şi a aspectului

suprafeţei prelucrate, iar în oţelul fosforos destinat fabricării prin presare la cald a

piuliţelor chiar până la 0,35%.

Manganul este un element chimic deosebit de activ şi poate să apară astfel sub

forme numeroase de incluziuni nemetalice: MnS, MnO, SiO2 etc. El se adaugă în oţel

pentru dezoxidare şi desulfurare.

La temperatura ambiantă, ferita poate dizolva cca.10 % Mn, formând o soluţie

solidă o ferită aliată, şi ca atare prezenţa Mn în oţelurile carbon nu se poate verifica

prin analiză microstructurală. De asemenea, o parte din Mn se dizolvă şi în

cementită, formând carbura de fier şi de mangan (FeMn)3C. Deoarece la încălzire

această carbură se dizolvă rapid în austenită, oţelurile cu conţinut relativ ridicat de

Mn duc la obţinerea, la temperaturi ridicate, a unei granulaţii foarte grosolane.

Pentru desulfurarea oţelurilor, se consideră că este necesară o cantitate de Mn

de care să fie de cel puţin 6 ori mai mare decât cea de sulf.

16

Manganul îmbunătăţeşte rezistenţa, duritatea şi rezilienţa oţelului. Pentru a-şi

păstra o rezilienţă bună pe un interval mai larg de temperaturi, raportul Mn:C din oţel

trebuie să fie de cel puţin 3:1. Acest raport se limitează însă, din considerente

structurale, la valoarea de 7:1.

Oxigenul poate forma în combinaţie cu fierul trei oxizi: wüstita sau oxidul

feros FeO, magnetita Fe3O4 şi hematita Fe2O3. Dintre acestea, numai ultimii doi sunt

stabili până la temperatura ambiantă, wüstita descompunându-se sub temperatura de

560°C în fier şi magnetită.

La prelucrarea prin deformare plastică la cald, oxigenul poate imprima oţelului

o fragilitate crescută, dar acest fenomen poate fi evitat prin adăugarea unei cantităţi

corespunzătoare de Mn.

Prin combinarea cu alte elemente chimice conţinute în oţelurile nealiate,

oxigenul poate să formeze oxizi ca FeO, MnO, Al2O3, CaO, SiO2 etc., silicaţi de fier

şi mangan, incluziuni de gaze: O2, CO, CO2 etc. În majoritatea cazurilor, incluziunile

de oxizi sunt fragile şi au forme rotunde sau ovale care pot fi detectate cu ajutorul

microscopului.

Azotul provine din mediul înconjurător şi este absorbit de fierul lichid în

cursul elaborării oţelului. De aceea, după solidificare conţinutul în azot al oţelului

poate ajunge la 0,01…0,03%. Solubilitatea azotului în Fe scade mult cu temperatura

iar dacă răcirea sub 590°C se face rapid, se obţine o soluţie suprasaturată de azot în

ferită, care, la răcire lentă sau reîncălzire de durată la 200-300°C, produce

precipitarea nitrurii aciculare Fe4N. Această nitrură produce o durificare structurală

(îmbătrânire), care micşorează mult tenacitatea oţelului.

Tendinţa de îmbătrânire poate fi combătută prin adăugarea, la elaborare, a unei

cantităţi de aluminiu, care formează cu azotul precipitate mai stabile decât nitrurile de

fier. Susceptibilitatea la îmbătrânire a oţelurilor se testează, în laborator, prin

încercări de încovoiere prin şoc a unor epruvete (de obicei de tip Charpy V) care au

fost supuse în prealabil unei îmbătrâniri artificiale prin încălzirea timp de 2,5-3 ore la

200-300°C.

4.4 Fonte

17

4.4.1 Fonte albe

Fontele care conţin carbon legat sub formă de cementită şi a căror

microstructură este descrisă intermediul diagramei de echilibru a sistemului

metastabil Fe-Fe3C se numesc fonte albe datorită aspectului metalic strălucitor

conferit suprafeţelor de rupere ale pieselor din aceste materiale, de către cementită.

Cementita determină o fragilitate ridicată şi o duritate mare a fontelor albe

(duritatea = 350-500 HB, KV = 0), fapt care face ca aceste aliaje să aibă o utilizare

limitată la următoarele două domenii:

- turnarea de piese cu crustă foarte dură şi rezistentă la uzură, cum ar fi: bilele

pentru mori de măcinat, cilindrii de laminor, rolele pentru sape de foraj, roţile de

vagonet etc. Cele mai multe dintre aceste piese trebuie să aibă şi o anumită

rezistenţă la şocuri, astfel că ele nu se fabrică în întregime din fontă albă, ci doar

stratul superficial (crusta) se obţine din acest material, prin turnarea fontei

hipoeutectice în forme metalice şi răcirea mai rapidă a părţii exterioare a pieselor.

- elaborarea fontei maleabile, prin turnarea şi maleabilizarea fontelor albe.

4.4.2 Fonte cenuşii

4.4.2.1 Generalităţi

Fontele în a căror structură apare grafitul se numesc fonte cenuşii, denumirea

provenind de la aspectul cenuşiu, întunecat al suprafeţei de rupere, dat de grafit.

Având în vedere faptul că se folosesc cu precădere în piese turnate, ele se mai

numesc şi fonte de turnătorie.

În funcţie de gradul de grafitizare, structura fontelor cenuşii poate cuprinde doi

sau trei constituenţi: grafitul, perlita şi/sau ferita.

Pentru a caracteriza modul în care concentraţia de carbon şi siliciu poate să

influenţeze structura fontelor cenuşii, au fost elaborate o serie de diagrame specifice,

dintre care mai importante sunt cele elaborate de E. Maurer, E. Greiner şi Th.

Klingenstein, I.G. Ghirşovici, K. Sipp, A. Uhlitzsch şi K. Appel, H. Laplanche etc.

În diagrama Greiner-Klingenstein, de exemplu (fig. 4.10), se pot identifica

cinci domenii:

I - fonte albe (cementită + perlită)

II a - fonte perlito-cementitice (perlită+cementită+grafit), numite şi fonte pestriţe;

18

II - fonte cenuşii perlitice (perlită + grafit)

II b - fonte cenuşii perlito-feritice (perlită+ferită+grafit).

III - fonte cenuşii feritice (ferită + grafit)

Fig. 4.10 Diagrama Greiner-Klingenstein

Atunci când în fontă sunt prezente şi alte elemente chimice pe lângă fier şi

carbon, acestea pot să modifice considerabil structura şi proprietăţile materialului.

Astfel, manganul împiedică grafitizarea prin formarea carburii de mangan (Mn3C) şi

a cementitei aliate (Fe Mn)3C care este stabilă până la temperaturi ridicate.

Sulful are de asemenea o influenţă defavorabilă grafitizării, prin mărirea

stabilităţii cementitei ca urmare a dizolvării în aceasta a sulfurii de fier. Întrucât sulful

înrăutăţeşte proprietăţile de turnare ale fontei prin micşorarea fluidităţii, cantitatea de

sulf se limitează de regulă la 0,08% pentru piesele cu pereţi subţiri şi la 0,15...0,20%

pentru piesele cu pereţi de grosime mare.

Fosforul nu influenţează desfăşurarea procesului de grafitizare. Totuşi, la un

conţinut de peste 0,10% P se pot forma două amestecuri eutectice: un eutectic

fosforos binar fier-fosfură de fier (Fe-Fe3P) şi un eutectic ternar fier-cementită-

fosfură de fier (Fe-Fe3C-Fe3P), cunoscut şi sub numele de steadită. Acest eutectic

ternar se topeşte la 953C şi are o duritate mare (500-600 HB), astfel că prezenţa

steaditei îmbunătăţeşte fluiditatea fontei şi rezistenţa la uzură a acesteia.

Dintre elementele de aliere se menţionează Al, Cu şi Ni care favorizează

grafitizarea şi Cr, Mo, V şi W care frânează grafitizarea prin formarea cementitei şi a

carburilor stabile.

4.4.2.2 Clasificări ale fontelor cenuşii

19

Fontele de turnătorie se pot clasifica în funcţie de gradul de grafitizare şi de

structură în următoarele categorii:

- fonte perlitice, obţinute prin grafitizarea completă a cementitei primare şi a

celei secundare, cu structura formată dintr-o masă de bază perlitică în care sunt

înglobate particule de grafit.

- fonte perlito-feritice, la care s-a grafitizat şi o parte din cementita perlitei,

structura fiind compusă din grăunţi de perlită, ferită şi grafit.

- fonte feritice, caracterizate printr-o grafitizare totală, atât cementita liberă,

cât şi cementita perlitei descompunându-se în fier şi grafit, astfel că structura lor va fi

formată din ferită şi din grafit.

În funcţie de forma grafitului, fontele cenuşii se pot grupa în:

- fonte cu grafit lamelar, la care raportul dintre lungimea şi grosimea

grăunţilor de grafit este l/g 25;

- fonte cu grafit în cuiburi (fonte maleabile), la care raportul l/g = 1,2 – 2;

- fonte cu grafit nodular (sferoidal), la care raportul l/g 1.

Se mai întrebuinţează de asemenea şi termenul de fontă cu grafit vermicular,

pentru a descrie un material în care grăunţii de grafit au o formă intermediară între

cea lamelară şi cea nodulară, cu l/g = 1,5 – 10.

4.4.2.3 Fonte cenuşii cu grafit lamelar

Fontele cenuşii cu grafit lamelar sunt fontele cel mai des folosite pentru

realizarea de piese turnate. Ele pot conţine 2,5 - 3,5 %C, 0,5 - 4,5 % Si, 0,4 - 1,0 %

Mn, 0,1 - 1 % P, 0,02 - 0,15 % S.

Fontele cenuşii cu grafit lamelar pot să prezinte structuri perlitice, ferito-

perlitice sau feritice (fig. 4.11), grafitul fiind repartizat şi orientat în diferite moduri:

separări izolate, în reţea, în rozete, punctiforme etc.

Dacă în fontă se introduce fosfor, în proporţie de peste 0,1 %, acesta formează

în combinaţie cu fierul şi cu carbonul două eutectice: un eutectic binar fier-fosfură

de fier, Fe-Fe3P şi un eutectic ternar fier-cementită-fosfură de fier, Fe-Fe3C-Fe3P,

cunoscut şi sub numele de steadită. Aceasta din urmă are o temperatură de topire de

953oC şi o duritate mare (500…600HB), astfel că prezenţa sa îmbunătăţeşte mult

fluiditatea fontei şi rezistenţa la uzură a acesteia. Fonta în care se regăseşte steadita se

numeşte fontă cenuşie fosforoasă.

20

Fig. 4.11 Fonte cenuşii cu grafit lamelar (500:1, atac cu nital) a. feritică; b. ferito-perlitică; c. perlitică; d. perlitică fosforoasă

Principalele proprietăţi mecanice ale fontelor cenuşii cu grafit lamelar se situează între limitele Rm =100-300 N/mm2, A5 = 0,2-1 %, HB = 150-300. Se observă că aceste valori sunt mult inferioare oţelurilor, aceasta mai ales datorită faptului că lamelele de grafit, fiind de natură nemetalică, constituie discontinuităţi în matricea metalică, ducând la reducerea secţiunii de rezistenţă şi la concentrarea tensiunilor în lungul lor, ceea ce le diminuează considerabil plasticitatea.

Cele mai bune caracteristici mecanice se regăsesc la fontele cenuşii perlitice cu grafit distribuit sub formă de lamele fine şi izolate. Fonta cenuşie perlito-feritică cu grafit lamelar are o rezistenţă ceva mai scăzută, în timp ce proprietăţile fontei feritice cu grafit lamelar fac ca în practica industrială această categorie de materiale să nu poată fi utilizată.

Între avantajele oferite de fontele cenuşii cu grafit lamelar se numără faptul că sunt ieftine, se toarnă foarte uşor în piese cu geometrie complexă şi se prelucrează relativ uşor prin aşchiere. Discontinuităţile provocate de grafit permit fontelor să amortizeze în mod eficient vibraţiile mecanice, motiv pentru care ele sunt larg utilizate în batiurilor şi a altor componente din construcţia de maşini si utilaje supuse vibraţiilor. Totodată, grafitul prezintă şi proprietatea de autolubrefiere, uşurând procesul de aşchiere şi conferind fontelor proprietăţi antifricţiune.

21

4.4.2.4 Fonte modificate

Aşa cum s-a arătat anterior, forma lamelară (şi dimensiunile relativ mari) ale grăunţilor de grafit din fontele cenuşii cu grafit lamelar produc o diminuare semnificativă a proprietăţilor mecanice. Figura 4.12 prezintă comparativ traseele liniilor de tensiune din jurul unei lamele de grafit şi respectiv din jurul unui grăunte sferoidal de grafit.

Ca urmare, pentru a îmbunătăţi proprietăţile mecanice ale fontelor cenuşii este deci necesar să se modifice fie forma, fie dimensiunile grăunţilor de grafit.

Acest lucru se poate obţine,

într-o prima variantă, prin

introducerea, în timpul elaborării

fontei în oala de turnare, a unor

mici cantităţi de elemente chimice

suplimentare, care, la solidificare,

pot determina modificarea dorită a

dimensiunii sau formei grafitului. Procedeul descris se numeşte modificare,

substanţele utilizate în scopul menţionat se numesc modificatori, iar materialul

obţinut se numeşte fontă modificată.

În funcţie de forma grafitului se deosebesc două tipuri de fonte modificate:

- fonte modificate cu grafit lamelar

- fonte modificate cu grafit nodular (sferoidal).

Pentru a obţine fonte modificate cu grafit lamelar fin se introduc, înainte de

turnare, modificatori cum sunt Si, Ca, Al etc. (sub formă de ferosiliciu, silicocalciu

etc.), care formează particule fine de oxizi ce acţionează ca centre de cristalizare

pentru grafit. Forma lamelară a grafitului se va menţine şi în acest caz, dar

dimensiunea lamelelor este mult mai mică, efectul lor asupra structurii de rezistenţă

fiind deci mult mai scăzut decât la fontele cu grafit lamelar obişnuite.

Fontele cu grafit vermicular se obţin prin adăugarea unor modificatori ca Mg,

Ce, Y, Zr ş.a. O altă posibilitate de a obţine grafitul vermicular este desulfurarea

avansată a fontei (S < 0,002%), şi solidificarea cu viteză mare prin turnarea în forme

metalice sau din grafit.

Fig. 4.12 Linii de tensiune în jurul unei lamele de grafit (a)

şi în jurul unui nodul de grafit (b)

22

Fontele modificate cu grafit nodular se obţin prin introducerea de ceriu,

magneziu, calciu sau ytriu. În cazul folosirii ceriului, de exemplu, materia primă este

o fontă cu 3,4 ... 4,1%C, 2,0 ... 2,8% Si, 0,3 ... 1,5% Mn, max.0,5% P şi 0,01% S, iar

după modificare piesele turnate vor conţine 0,02 - 0,06 % Ce. Pentru a obţine o

proporţie mai mare de grafit nodular, se mai adaugă şi ferosiliciu cu cca. 75 % Si. La

modificarea cu magneziu se folosesc de regulă prealiaje de magneziu cu cupru,

nichel, aluminiu etc. care asigură 0,05-0,08 % Mg în fonta turnată. Modificatorii se

adaugă atunci când temperatura şarjei de fontă lichidă este de 1350-1450oC, valoare

la care nu a început încă separarea grafitului primar.

Structura masei metalice a fontelor cu grafit nodular poate fi perlitică, ferito-

perlitică sau feritică (fig. 4.13).

Fig. 4.13 Fonte cenuşii cu grafit nodular (300:1, atac cu nital) a. fontă perlitică; b. fontă ferito-perlitică; c. fontă feritică

Fontele cu grafit nodular prezintă caracteristici mecanice şi de plasticitate mult

mai bune decât fontele cu grafit lamelar, rezistenţa la rupere la tracţiune, de exemplu,

crescând de 2 - 4 ori. De asemenea, grafitul nodular imprimă o rezistenţă la coroziune

mai bună, o compactitate sporită şi o prelucrabilitate prin aşchiere mai bună în

comparaţie cu fonta cu grafit lamelar.

4.4.2.5 Fonte maleabile

O a doua variantă de a obţine o formă de grafit mai compactă, care să confere

fontelor care o conţin caracteristici de rezistenţă şi plasticitate superioare celor oferite

23

de fontele cu grafit lamelar, este aplicarea unui tratament termic de maleabilizare

fontelor albe.

Procesul de elaborare al fontelor maleabile cuprinde două faze. În prima

dintre ele se toarnă o fontă albe cu compoziţie strict limitată: 2-3 % C, 0,5-1,5 % Si,

max. 0,5 % Mn, max. 0,2 % P şi max. 0,1 % S. Această limitare este necesară mai

ales în ceea ce priveşte elementele care ar putea frâna procesul de grafitizare.

Cea de a doua fază constă în tratamentul termic numit recoacere de

maleabilizare, adică recoacerea fontei albe la temperaturi înalte, pe durate lungi de

timp. Această recoacere urmăreşte descompunerea cementitei şi formarea unor

grăunţi de grafit de recoacere, compacţi dar cu margini foarte neregulate, numiţi

cuiburi. Descompunerea cementitei poate fi parţială sau totală, în funcţie de timpul şi

temperatura de recoacere, viteza de răcire etc.

În funcţie de durata, temperatura şi regimul de răcire din timpul maleabilizării

se deosebesc două procedee de obţinere a fontelor maleabile. Variantele de regimuri

de tratament termic pentru cele două cazuri sunt prezentate în figura 4.14.

Fig. 4.14 Regimuri de maleabilizare a fontelor

La maleabilizarea prin grafitizare, cunoscută şi sub denumirea de "procedeul

american", fonta albă se încălzeşte timp de 50-60 de ore la temperaturi de 950-

1000°C, într-un mediu neutru (nisip cuarţos, zgură), după care se aplică o răcire cu

viteză de cca. 20°C/h, până la cca. 750°C, apoi o răcire cu viteză de cca. 2 oC/h în

intervalul 750-720°C, urmată de răcire cu viteză de cca. 20°C/h până la 600°C, sub

această temperatură răcirea făcându-se în aer liniştit (curba a, fig. 4.14).

24

Micşorarea vitezei de răcire în vecinătatea liniei P'S'K' este necesară pentru a

se evita formarea perlitei şi pentru a oferi timpul necesar pentru o grafitizare cât mai

completă.

În urma aplicării acestui procedeu se obţine o fontă a cărei structură este

compusă din cuiburi de grafit dispersate într-o masă de bază feritică. Acest material

se numeşte fontă maleabilă feritică sau fontă maleabilă cu inimă neagră, deoarece

suprafaţa de rupere are o culoare închisă dată de proporţia mare de grafit (fig. 4.14 a).

Fontele maleabile cu inimă neagră (feritice) au rezistenţa la rupere Rm = 300…

400 N/mm2, duritatea de 120...160 HB şi alungirea A5 = 6…18%.

Dacă după încălzirea la temperatură ridicată, fonta este supusă unei răciri mai

rapide (de exemplu în aer liniştit), masa metalică de bază poate deveni preponderent

perlitică, materialul obţinut numindu-se fontă maleabilă perlitică (curba b, fig. 4.14 şi

fig. 4.15 b).

Fontele maleabile perlitice au caracteristicile de rezistenţă mai ridicate, dar

plasticitatea este inferioară fontelor maleabile feritice: Rm = 400...800 N/mm2,

duritatea 150....320 HB iar alungirea la rupere A5 = 1...8%.

Maleabilizarea prin decarburare, numit şi "procedeul european", se efectuează

într-un mediu oxidant (de exemplu prin împachetarea piesei într-o cutie conţinând oxid

de fier) şi este destinat în principal pieselor cu pereţi subţiri. Este vorba, de fapt, de un

tratament termochimic de decarburare (scăderea conţinutului de carbon din piesă) bazat

pe fenomenul de difuzie, care constă în încălzirea piesei timp de 70-100 ore la

temperatura de 900-950C, urmată de o răcire lentă până la temperatura de 600-650C,

continuată cu răcirea în aer liniştit (curba c, fig. 4.14). Prin aplicarea decarburării,

cementita eutectoidă nu se descompune, structura fontei diferind în funcţie de distanţa

faţă de suprafaţa piesei: feritică la suprafaţă (datorită decarburării) şi perlitică sau perlito-

feritică în miezul piesei. Aspectul albicios al miezului în ruptură a dat acestor fonte

denumirea de fontă maleabilă cu inimă albă (fig. 4.15 c).

Fonta maleabilă cu inimă albă are rezistenţa şi duritatea mai mare decât a

fontelor maleabile cu inimă neagră, dar plasticitatea este mai mică decât la acestea:

Rm = 350...500 N/mm2, duritatea 180…240 HB, alungirea A5 = 3...15%. Piesele din

fontă maleabilă cu inimă albă se prelucrează uşor prin aşchiere.

25

a) b) c)

Fig. 4.15 Fonte maleabile (250:1, atac cu picral) [35]

a) fontă maleabilă cu inimă neagră; b) fontă maleabilă perlitică; c) fontă maleabilă cu inimă albă

Utilizarea industrială a fontelor maleabile cu inimă albă este destul de

restrânsă, atât datorită faptului că piesele trebuie să aibă grosimi de perete de cel mult

25-30 mm, cât şi datorită procedeului complex de maleabilizare, de lungă durată şi

deci costisitor. Deoarece însă fonta maleabilă îmbină proprietăţile bune de turnare,

specifice fontelor, cu o rezistenţă şi tenacitate apropiată de cele ale oţelurilor, ea se

utilizează în fabricaţia de maşini textile, maşini agricole, piese de bielete, racorduri

pentru ţevi, carcase, fitinguri, discuri de cuplare etc.

26