sttinta mat

ŞTIINŢA MATERIALELOR

Titular curs Prof.univ.Dr.ing. Dolphi Drimer

Autor curs: Prof.univ.Dr.ing. Gheorghe Amza

Completări curs: Prof.univ.Dr.ing. Dolphi Drimer

Studenlii facultalii de Inginerie Manageriald qi a Mediului au solicitat sdaibd la dispozitie un material bibliografic pe un supot electronic. Am oscilat ina scfle un rezumat al notelor de curs gi a adopta un curs elaborat de unspecialist cu renume. Am ales a doua cale, adopt6nd cursur profesoruluiGheorghe Amza de Tehnologia materialelor, editat in Editura priniech in anul2007 si predat la Universitatea politehnicd Bucuregti qi nu numai. in r9i0,9a1d am inceput sd predau Tehnorogia materiarelor, gi eu gi asistentur de atunciGh Amza am awt drept cdlFnzd cursul profesorului Aurel Nanu de laPolitehnica din Timigoara, cdruia ii aduc Ai acum recunogtinla mea.

cursul cuprinde: $tiinta materialelor, Tehnologia materialelor )rPrelucrdri gi Recondiiondri prevdzute in planul de invalimAnt la U.E.B.in semestrele I, II qi III, cu un total de 2 + 1 + 1 ore x 14 sdptpdmani. Amadbugat la cursul inilial un capitol introductiv gi capitole privind materialeleamorfe qi materialele lichide. Elemente noi predate in cursuri - cum ar fi:conceptul de disponibilitate ai produselor tehnice, fiabilitatea umand, elementede inginerie financiard, inginerie ecologicd, inginerie vitalogicd - ar puteaconstit-tri un material aparte.

Ii mullumesc qi pe aceastd cale profesorului Gheorghe Arnza, care aacceptat folosirea ca baz\. a materialului tipirit de el gi urez studenilor care vorfolosi cD-Romul mult succes. Dar sd fie convingi c6 aceasta nu este toa6bibliografia cursului. Este mult mai mult, la care se adaugd cuvinteleprofesorului qi inteligenfa inlelegerii, acum la inceput de secol XXI, aconceptului,,inginerie".

Cuvf,nt inainte

Prof.univ.Dr. ing. Dolphi Dnmr

Ianuarie 2010

Introducere

este o ramurd a qtiinelor naturiiqr anume aceea in caredenunut inginer deslEqoard urmdtoareleactivrtSli:ncepfie

rolectare(produc!ie)

loatareffeFnere

ecuperare (recondilionare)masa sau,/gi biotehnomasa.

mgmen ecologic5, ingineria vitalogicd (a vieii) etc.T

deosebipe scaracelor

L materiilor prime este:

e -' Biogeneza --+ Minereuri -+ Biosolubilizare

rdzboi).RdspTehnolodintrebar

mAna"ingrneribanilor

Materiale compuseMetal - PolimerPolimer - Metal

Metale, PolimeriCeramice

umfea de inginer vine de la cuvjnful anglez,,engme,, (magind deT.tl_::::I,

in actrvrtatea sa rdspunsul f"" i^t*ianr. ,,ce,, 9i ,,c61,,.Ia intrebarea ,,cum,, este dat in special;; *,;.ili ddffi*::::. : t1-.^ :,

actwitdlrtor umane .in_care, prin ap ticirea gtiingelor, s"emodul de realizue a tehnomasei. peste tot ,.' ;";;;;ft;ii;,,K";_r).^.ig:l]:* 0.. ,,management. care se refera ia gtiingaii. Dealtfel cuv6nrul prov'e tot Jin hnAa engeza^-;';#"#;;

isurile- cu cai de pe podur Londrei. Sigur terJmenur a evoruat. Las-a addugat-modern qi cuv'ntul ,,financiit,'care se referd la circulatia-:,19="1t-oj1 nnangiale, ..gf id:.11g bunuri. De

"..;;;; ; ;;;;;omasa este totalitatea realizirilor umane pe planeti _ spre a o!l:.ir? care este producfia naturald. gioteirnomasa, apirutd recent.*:iTt,y,11., reprezrntd bunuri integrate om_naturd de exemplul

i:::^_q,i-tl:jehnologie, inginerie geneticd etc. Schema formdrii qi

BiodepuneriBiocoroziuneBiodeteriordri

de gtiinla umani este rolul bacteriilor in produclie.

.t

Incd pulin

1-10 pm

Acumularela suprafali

ADNplasmid

Gene alecoduluimetalului

Ioni metalici

Minereuri

Enzimeexcrelate

Proteine

Biogenez6,BiosolubilizareBiocoroziuneBiodeteriorare

Biogenezb 15-3 0 nmMetaleMinereuri

membranecelulard

Materie prim[

Ioni metalici

Polimer / MinereuComposit

Produseextrldate

ElectronS enzor

Pompdacumulare

Pompi deAcumulare

microprocesor

Schema ,,uzinei vii"

Fermentatie

toit atot

(ADN plasmid)

Fermentatie

Extr[dareMateriale

Iocui

de tehnomasd pe pdmant este aproximativ2000-3000 t pedec6t greutatealocuitor Terrei. de aproximativ 30.000 de ori mai mare

diferiteplanetei. Aproximativ 1000-2000 t de tehnomasS se gdseqte pe

ite tn sistemkul solar gi cateva sute de kg in afara acestuia.

transfl

inceput tehnologra materialelor se confunda cu invdtdtura de-aexecuta abilitate un lucru potrivit, confom unui ansamblu de norme.

invafatura constituia ,,re!ete de fabricalie" ap5rate de bresele qimal de organizafii statale prin brevete. Obiectele realizate erau prezentateca umane in lupta cu mateia, constituind prilej de m6ndrie pentrur qi de admirafie pentru utilizatori.

materialelor se refderd la comportarea materialelor pentru a fiin obiecte gi apoi obiectele in exploatare gi recliclare.

ele au evoluat de la lemn - ceramicd - bronz fier - fontd - otel- aliaje neferoase - polimeri - polimeri armaJi fibre - compozite (cuwhis i) - ceramicd plasticd.

magnetl

En Denffu transformarea materialelor a evoluat: manuald -- eoliand - maree - chimicd - abur - explozie gaze - electricd -- fascicul de particuie - pascicul de lumind (laser) - jeturi (de apd)

$tii tehnologiei a inceput cu inspiralie - experien(e - relete - procese(brevete) - sisteme tehnologice - sisteme asistate de calculatortehnologi

(robofi) - management - rnfluenla mediului.R

produs.este cel mai mic element cu proprietdli funcfonale intr-un

: E ansamble : X X subansarnble : I X E reperei j i j k

(i, j, k > 0---+ R)

- material - compozilie chimica (C)- structurd (S)- suprafald (Protectie) (P)- reintegrare in naturd (R)

- formd geometricd (F)

ii tehnologiceitie ctumrcd ---+ obtinerea materialului

(S) Struc

minereu - blocuri - lingouri - pulbere(semrfabricat)

--+ tratamente termice, termochimice gi/sau termomecanlce--+ depuneri de protecie qi/sau estetice(P) S

(R) Rei in naturd --+ concordanla cu mediul ambiant(F) Fo geometricd ---+ prelucrdri

- ;il1?J,1H?#1,. microvolume (pV).nanovolume (nV)

fiile realizirii reperuluiC - - S - - - + F - - + P - - + R

C --- S' --- F' ---- $ - !'---+ RC - - - + F - - - + S + P - - + RC --- P' --- S' ---+ F --+ S ---+ RC' --+ F ---+ (C + S) ---+ P -+ R(C+S) -+ S ---> P ---+ RQ' ---+ (F+C+C) --+P---+R

clasic, cAnd nu se impunpropriet5li specialecaracteristici mecanice specialepulberipulberi^;-^, , ; t - in+amatavr l lJur tv lnLv6rqrv

metale lichideceramici plastice

(3) c',(4) transformdri simultane (C+S / (C+S+F)(5) (R) poate integra in material sau/Ei formd

lie privind natura forelor de legituri in materiale

(1) C, P(2) F, S

Forfele

R lainceput 9i sfArgit de lan!igi pot schmba ordinea

', F' elemente intermediare

Iegdturd in materiale pot fi:vitalionale (Newton, 1687)

FN : G Mm (6 : 6.67 l0- t t- ---- 'r-

_ _ )Nm-:----Kr

lectroslalice (Coulomb I 785)

-L sQF ^ : t , '

F* -_l- (dipoli)

tice (Yukawa I960) tari si slabeF,:K" r '

acceptd cd natura forfelor de legdturd este electroSt aliclt farttcAmpul magnetic qi cdmpul dinamic centrifugal din corpul solid.calculeazd energia maximd de legdturd:

-R: K r f " * K z f '

atraclie(o. F) (Kt K2, u, B > 0)

respmgere

derivarea9-U61 qi egalarea cuzero se obline*j l

- distanla stabilitafii maxime a corpului solid este:

- Fe o: 2,808 A- Cu :3,608 A- A1 :4,0421 A

4

teoreticd la care rezistd un material fEri sd se dezintegrezermax - lmax

Sintindere_ ^ 2-=:f

r t .i 2 +

1 a

6 d

- 104 daN / mm" (oL 37 :37 ddi-,,-2)

e : 5 . 1 0 - 1 0 a e s ( C S )(ro 2 . 1 0 - 1 0 m ;

iderlm materialul ca o relea de ioni prin care circuld electronielectronului:9,109 10 " kg

,,clasicd" a electronului : 2,81 .10-" cmumul sferei electronului : 4.18 13 : 10-37 cm3

itatea electronului : 9 : M = 10' ke/dm3Deci el ii sunt particule super dense (de tip pulsar in astronomie

Le intre ionii pozitivi se face printr-un tren de unde - prin cotoni - emigide electroni. i legdturile din materiale sunt prin emnergie gi nu prin mase.

Aleger unui material printr-un reper din ansamblul unei maqini se desfEqoardpebaza i algoritm:

106 - l01sg/cmRezultd

pulsarul el

1 .2 .3 .

4 .

5 .

electronii emit unde - denumim coton trenul de unde emis de

funcflonalitdlii reperului ?n ansamblu, subansamblu gi produs.carea proprietS,tilor dorite inJr-un caiet de sarcini.

carea valorilor efective ale proprietdlilor din caietul de sarciniun sistem de notare arbitrar ales (1, 2,3 sau l-10 sau l-100).

proprietdfii (1or) funcgionale directoare gi stabilireaor - p. - ale proprietSlilor in mullimea acestora.

ea materialelor cunoscute in ordinea proprietdlii funclionaleoAnd la valoarea limita de acceptare in functionalitatea

tuturor proprietililor materialelor (flurc,tionale, tehnologiceomice) si codificarea cu note - n* - a valorilor efective.

7 . ea materialelor cu nY : 0 sau 1.culeazd produsele - py fl* - pentru fiecare material

eazd penIru fiecare material X n* Ptoneazd materialele in ordinea valorii - X n'pu

Ultimel 3 puncte de mai sus se executd pe calculator.rezultatele

II

1|

,1 materialul optim este acel cu max. I n* p,,2 materialele cu nx : 0 (excluse Ia pct.1) care pot fi imbundtSite.3 posibilitdti de inlocuire economrcl

8. Se9. Se

10 . Se

1) Se

Un astf de program de calcul inlocuieste rutinaalegerii materialelor cu aceeaa experienjei cel pulrn o verificd.

In ultimaterialelor.

trnp a cdpdlat un doesebit interes un algoritm pentru proiectarea

ea condifrilor funcfionale ale reperului.l . De2. Co

de

Vali4. Sim

fatit model.7 . R tehnico-economicd.8.Impl entarea materialului in formd geometrici solicitatd.

irea modelului ideal pe bazarealitdlilor de calcul drntre conditiileionare_gi proprietSlile funclionale ale materialului (z : f 1"1)3 . S i modelului de material in condilii de funcfionare reale.

geomEvalu

modelului.posibilitdrlor de transformare a modelului materialului in forma

ica solicitatd. Validarea tehnologiilor de prelucrare lz: f 6.y).)a economicd a materia-lului model.ia chimico-metalurgicd a materia.lului gi apreciereadiferen!elor

teriale metalice amorfe

amorJd metalicd ordinea aqezdrli atomilor este limitatd la cAtevazecl atomice (20-80 A).

de coordinafie al structurii amorfe este de 11-13 ori mai mare decAtefe sau ex (1 ). Densitatea de impachetarea atomilor - 0,68 aproape de modelul

dar mai mare decAt densitatea reald ateoretic al ii cristalrne (0,68-0,74)"(0,4)

static al struchrii metalice amorfe are la bazd, conceptul de chister (roie 3+1 sfere rigide cu 3 puncte de tangentd.

strulnd e c

Nr

Modede atomi) $i

sferice ce expSimilar

structurl amtaze tonlcetermicd aconduc6nd50"C sub

Stareaforma unortoprtd.

MetodaMetoda

Un de chister ldrgit cu 3999 de atomi duce la oblinerea unei formevalori experimentale ale Ni gi Fe in stare amorfi.

eJelelor cristaline s-au imaginat 5 tipuri de poliedre care pot formaatat pentru metale pure cat qi pentru aliaje. Atomii de metaloizi cu

mari se pot plasa in interviorul poliedrilor de bazd,, mdrind stabilitateai amorf. Starea amorfb este instabild la cresterea temperafurii.

o anumiti limitd la starea cristaiinl (de obicei la o temperaturd deCurie a materialului)..

1960 prin experienle pe aliaje Aug6 Si26 subqi ld1ime de 40-50 mm obfinute direct din stare

s-a remarcat dupd

vid - de exemplu Pb cu grosime de 4-5 pm sau la unele aliajele sistemului periodic III (8, Al), IV (C, Si, be), V (P, As, Sb) qi VI

inetici, controlAndu-se viteza de rdcire $i modul de cristalizare.structurald, controlAndu-se aranjarea geometricd, legdtudle inter-

de grosime 30-40pm

Starea orfb era cunoscutd anterior la metale in straturi foarle subfiri ob[inuteprin depuneretemare din(S, Se, Te) sticle calcogene cu aplicafi in electronicd.

Obrill stdrii amorfe la metale se face prin doud metode complementare.

atomice qi di iunile atomilor.Posib apariliei cinetice a structurii amorfe rezultd din curbe de

solidificare a rialelor metalice.

L a , \ (metalului lichi

Lichid

Temperatura de transformare L-S

Solid

ratura la care mdrimrea deplasdrilor atomilor estemai micd decAt dimensiunile 1or.

mperatura de amorfizare) - trebuie sd existe un solid cu arhitecturain starea amorfb.

temperaturd redusd de amorfizare.

la silicagr 9i polimeri5-0,5 la metaletezei de rdcire

temperatura de topire

curbe de inceput de cristalizare

curbe de sfdrgit de cristalizare

A' cristlizare normali

A cristalizare rapidd

Structuri cristaline

Vra"ir") 10' k/s.V,u"i'." Fe 2000-800 : 1800 k/sV.a"i." ) 20 s.

odului de cristalizare

A A

Av c

Oru : 0,O r u : 0

l) Controlul

Posibile

Vra"ir" S

2) Controluleu_

)

Oru : 0"

a ^ t /!a de salt a atomilor) : cemt la metale -.la temperatura de topire - (0,25-0,5).

d 0" tinde cdtre eu tinde cdtre 0u deci la temperaturi de cristalizare

7

0*+ 1

Eutecti e profunde vor fi capabile sd permitd stdri amorfechiar la vitezemaIridicate de . De ex. Fes6 P13 Ct (Aa:710 k, 42 : 1280 k)

Cu6e Zra6 (Aa : 900 k Ac : 1550 k)Au31 Si12 (Aa: 300 Ac: 620 k)Cuos Al:s (Aa: 550 Ac : 810 k)

Metode rapi de solidificareire ultrarapidd

ndensare atomicdlantare ionicd

dament cu laserrapidd din stare lichidd (R S T)

In 1960 - Kl ent a objinut aliaje Au Si amorf cu vteze de rdcire de 106-1010 C/s.Grosim crrttcd, a benzii este stabilitd de o relaie sinecticd sub forma

: ( D . 0 t p ; ' " ) "

v.r - \ - termicd a topiturii (- 0,2 crrth)De exemplu 0 : 1000"c.

: 0.2 1000 --- V,: 106 k/s pentru obfinerea unui g", = 0,1 mm.\ /

] " in care n: 7 . . .2

PrSimilar se ob

ob,tinerii benzilor este foarte mare, de ex. 2000 cu bandd amorfh./min.sifire metalice amorfe.

Posibilitatea ritiei strucfurale1) Exi fa unui nemetal favorizeazd

Au-Si, Ca-P, F -P:-C).2 ) s structurii amorfe creste dacd intre mdrimea atomilor care

compun existb o diferenfd de max. 10%. (Excepfii: Co-Zn 9i Cu-Zr).Formule de compozlge sunt:

. amorf: Er EzE: EaEsEeEr

nemetal de tipul Si, Ge, P, B, C etc.metal de tipul Li, Mg, Ca etc.metal de tipul Be, Ca,Zn,Al, Ag, Au etc.metal de trwuilre de lainceputul seriei Sc, Ti, V etc.metal de tranzilie de la sfArqitul seriei Fe, Ca, Ni etc.semimetal Su. Sb etc.

lantanida sau actinidS, La, Gd, U.Pentru propri i magentice trebuie sd existe Fe, Ni, CaPentru proprie i mecanice trebuie sd existe B. Si- P. GePentru propriCa, M.

In careE1 esteEz esteE3 esteEa esteE5 esteE6 esteE7 este

electrice si rezistente la coroziune trebuiesd exrste Ni, Cu, Pd, Pt,

1 )

2)

Gaz ineret0,1-10 mm Hg

Exempl de instalatii

Vid 1-50 mm col Hg

Alimentare+ _ , . .mcazltor

topitura metalicd

infigurdtor de banddsau sArmd

RbcireCilindru

roatA banddde soli

solidificate

(disc 6' 500 mm 4'70 rotimin v : 8,'75 m/s saubandd cu v: 40 m/s.)

metalului topit in medii de rdcire violentd gi obfinerea de pulberiid.

metal topit

particulef. fine(RS)

metal topit

jet metal topitJet

gazrdcfiedisc?nrotatie

terialelor amorfer de umplere a strucfurii mari 0,68 fa\d, de 0,4

(densitate mai mare)omogend (vezi la coroziune)

defecte structurale (limite grdunle) (energie de rupere maridicatd)

opie spaia16 care permite rezistenfd mecanicl ridicatd la

gazracfe

ProprietifileRezultd din -

gaz racrIe

pulbere(RS)

- hlicitdri ciclice alternative.

ProprietdliRezi

ceIa coroziune deosebitd prin formarea unei pelicule uniforme

p.rotectoare (d ex. penfu atacul cu lIzSOa, HNO:, FeCh).vitezele de coroziune ale ofelurilor inoxidabile in NaCl sunt de 16-ce Fe72 Crs P13 C7, Fe1() Cr16 P13 C7, Fe65 Crro Nis Pp C7 au iteze---+ protecie nave.

Proprietrii ectriceoizolante,

Proprietifi1) Duritatea qi in special duritatea la cald este foarte ridicatb.

Fe76 Cr1si 42,5 uni

Mo2 Be Si are HRC la20'C:44 kuniteti

$r numai 1l V u l a 1IA inalte.

2) Rezistenlagi energie105 erg l

3) E este mait

de coroziune n

rupere a aliajelor pebazd de Fe: 25oo-3500 M parupere 10E erg lcm2 (fad de 600-1200 M pa 9ila materiale policristaline).rc cku 20-40o/o decAt la materialele policristaline, insd variazd cumai pufind (4-10*lk la policristale).

i la 650"C, in timp ce oelul 0,3 C

ologiceilitate buna

vialiei - reducerea w 6-700/o a greut. Aeronaveihimicd - placdri pentru reducere oleluri inoxidabile

0,4 v,3, Cr 9,5 W are HRC la2joC:49.5 uu la 650oC sau ofelul cu 0,55 Cw care a1unge de la r 6,5 HRC la 20 HRC

Ncn? la

gnetice

fie superconductoare (Au27 La76 ZrnPd3s 2176 (Ca Ni Cr10 k sau chiaryLa Cu O superconductorla 1890 k).

ProprietitileStabili moment megnetic.Curbd magnetizu e dreptunghiularaPierderi ice mici (de 10 ori fald de mag. metalicd)

Ferite, m ii, disp. Magnetoelectrice.

Proprietdfi- d e- maleab bund - chiar materiale de lipit.

Utiliziri de Au, Ag, Pt, Ph 91rezistive

ezun transiomatoareuatori de ultrasunete.

Industrialndustria

k

gi materiale plastice.

Materiale in stare lichidlAparifia

necesitali unobicei in tehnostructurii solitehnologiaa struchrii lirnteratomice WIn gaze reale giacflune. Funcfiauna de cealaltd,sistem de coorcuprmsd inhe R

dP

Condi4iar jV

Dacd ?n

J\I -

ale lui R, ob,trnem

loooLegdtara

densitdlii 6 (R)

w (R)

medie a moleculelPentru

examrneazd sensulIn cantl

) : w @ ; = _ -V

normare a lui w (R) este:"" w(R) +tR.2 dR: r

n ultimele decenii a materialelor utilizate in stare lij;?'ffi iil.i3:'J;f ':1XT'1T't"'$i;l;;;;:#:IH:$1r'$::,, 1: i" r: *1;i' ;;#J,_"Fi::9:'iilfj:ff ';:t,:.".''

ff Tjffi li.'Hil'.,TJ:ff i'f ::-l-i'*l:";;;;;;"riereacant*arivdf, ,[J :tfl:':.g #il::if . ,::Ui1r!',1,]lf :t' " il;;;;;,t .i i; JfI." T,"jil ffi :l i :L1 u ; ttln ru i?i";#;:#ru;l,l.ffiT:?il,':,.??:T:'iiiilTffi,T."l-Till:*ij

4IIR'

in stratul dat va fi:sferic de mai sus se afld dN molecule, concentralia partrculelor

r

dN: ?rnran de unde

acestea sd se apropioriunde in afara sfe;

5-+]1lo* 9i, dacd integrdm dupd roate valorle posibilelndrrra de normare pen tru frurctia"dN: --r* !vq'v v

' l f n l a n : N - t : N

funcfia radiald de distribufie W(R) qi firncla de distriburie a

-Ec)j(R):p undey.: N reprezintd.densitatea

* t:,mr1l yin aromi ,uurnol..r"X. p. *,:a deosebirilor dintre st

" ut ..tuplto. o. JJi'rJr. "'*tu gazoasd' lichidd 9i solidd se

r romate din molecule sferice^rigide de razd, o probabilitate cal"r: :;."rSrI;

,^1:.,,. nura, rn rrmp ce dispunerea moleculelorincdt dacd,p G) :

i de razd R :2r, u"e"d "";e;;;;;; #,T;"#ff:::fiqi W(R) : S. Reprezentarea g.ut"a ".i" ;utd i-n n'*u ,u,

avea un pentru valoarea R:2r. va tindesazului este suficient de

> 2r (fig 1b).

distanfele la care moleculele se afld cuamorlizat in jurul valorii 1, rezult6nd insddistand. Cunosc6nd funclia W(R ) sau

gaz real

Rfig 1b

marc (gazul real), firnclia W (R) vacdtre zero pentru W(R) < 2r gi cdtre

o probabilitate mai micd.existenla in l ichide a uneip (R ) se pot determina

de stare, compresibilitatea,

w(R)

Daca d

1 pentru W(RIn cazul

nr.deatomi

minimele indiW (R) oscilordoniri laproprietSlileenergra r

Funcliaajutorul difralidin studiul cri

gaz ideal

4 t 6 r Rfig. la

w(R)

istalelor brd defecte, dacd se neglljeazd miqcarea termicd, dispunereaatomilor in re este perfect ordonatd; atomii cristalului se afld la distan(d binedetermtratdIa distanta 2r"Probabilitateazero. Funclia de distribulie are un caracter discret cainfrg.2a.

de atomul de referinfd. De exemplu in structura cfc 12 atomi se afldla distanla 2r ' l Z ,24 la distana Zr tr 3,12 la distanfa 4r q.a.m.d.a gdsi atomi la alte distange decdt cele indicate este teoretic egal5 cu

cfc cristale sol ide crc

Ftg.2a. Fig.2b.

dreptele dinline seama gi de miqcarea termicd a atomilor in reea, atunci2 trebuie inlocuite cu niqte curbe de tip Gauss de aceeagi ldrgime care

tine seama cd ele atomilor din reea sunt deplasate fala de pozilia de echilibrudatoritd or (fig. 2b).

Molecul le in stare lichidd oscileazd in jvnl poziliilor de echilibru, av6ndamplitudineasolidelor. Fun

scilaliilor cu mult mai mare dec6t amplitudinile intAlnit e in caztlia radiald, de distribufie W(R) este continud datoritd migrdrii prin

translatie a mo elor qi are forma din fig. 3.

Maxime din aceastd curbd indicd distanele cele mai probabile dintre atomi,

Dacd

e ale lichidelor cum ar fi: ecuatia

adiald de distribuie se determind ca qi ?n cazul corpului solid cui razelor X, insd cu alte formule de calcul, de exemplu relalia clasicd.alelor solide. 2 d sin 0 : nl. este in cazi lichidelor cu o impachetaremilor 2 d sin 0r : 1,23 )" (relatia lui Ekenfest), iar pentru cazuri maicompactd a at

obabilitatea unei aranj 5ri preferenliale este remarcabila gi simetricd,mai sc5zutd in rt cu un volum mai mare.

Materialle cu suport de proprietd.ti se fiilizeazd din doud motive:- fie ori faptul ca legdtura interatomicb este deosebitd qi are fie proprietafi

complexebazate perea relativd asugereazd cisubliri, unde

mecalllce sau e- fie cI

Strual moleculeloroptic6. Efecteexterioare

indice de

interpretdri ale curbelor de intensitate. De asemenea existd metodecosinus-Fourier pentru studierea simehiei locale sau dispune-. Forma specificd a impachetdrii moleculelor in stare lichiddar fi utilizate in aplicagile tehnologice indeosebi in straturi

ectrice, sau optice etc. remarcabile;tzotropia naturald sau provocatd este deosebitd qi se obin variafii

remarcabile in oprietdfile electrice, magnetice, termice, optice etc.Material le solide au constituit mai intAi ,jnveliguri" sigure qi

supremalia in licalii mecanice qi oarecum electrice, materialele lichiderAnd propri termice, magnetice, optice, dar nu se exclud utilizarile qielectric sau c mecarric (de ex. tdierea in jet de apa).

Prop ile materialelor lichidee proprietSi ale materialelor

iqi menfinau in primulin domeniul

termice, electri . magneuce, meczllxce- oplrce,lichide sunt rezultatul cu fenomene

nucleare.

Propri file opticemajoritelii mezofazelor constd dintr-un aranj ament aproximativ parlelcu o form6 alungitd gi prezintd astfel proprietali de birefringeni

optice provin din modificarea structurii ca rdspuns la influenJelematerialului. Aceste influene pot fi electrice, magnetice, termice,

axa opticAindice de refraclie maxim

minim[mezofaze nemairce.

cAmpului undunui fascicul de luminS, se constatd cd componenta electricd E a

or luminoase deplaseazd electronii atomilor in rapoft cu nucleele,eculele devin dioolielectrice. Efectul este denumit polarizarea electro-astfel inc6t mo

acustlcevibratie

sau ice din suport. Materialul lichid are o ax6 opticd numitd direc.tie dece corespunde la indicele de refiaclie maxim. Lumina ce se propagd

de-a lungul i directi poate vibra cu egalS uqurind in toate direcliile qi astfel nusuferd dubl5 re LIE.

In cazul cel mai simplu al moleculelor de formd alungrtd, formate dintr-opereche de situate la distante relativ mari unele de altele. oentu a nu lnter-acliona,

nilor. Polari se modificd continuu corespurzdtor cu oscilatiile cdmpului. Gradulde poluizarelimitl sunt indi

inde gi de direclia de vibrafie a luminii (direclia lui E). Cazurilein figura l.

+

+E

E ll cu axa une$tecentrul

In primelectromagneticu E, mediullungul acestei

Ordonarilelecitind sau

e gi indice de refiaclie minim pentru direclii normale la'aceasta.cu proprietatea de birefringenld opticd se remarcd qi fenomenul de

rotalie optic6.extrem de mic

cazul cristalelor solide - pasul spiralei atomilor de cdliva A esterotaf;ile luminii nu depSgesc 250 pentru grosimi de 1 mm, in timp

cristalele col ice avSnd pasul spiralei de acelaqi ordin de mdrime cu lungimea )" aluminii vizibile o componentd a lumii polarizatd ce se rotegte in material.

Prop !i electro-magnetice

placi de stil6sff at conductor ff ansparentmezofazddistanlier

fir contact electricmaterial pentru ermetizor

Principal e proprietdJi ce pot fi remarcate in celula standard din fig. 1 suntanizotropiafazelor. Un

ptibititlfi diamagnetice gi anizotropia dielectrici a mezo-ren;]tat il constituie efectele de aliniere ale materialului in c6mo

magnetic Ai v in cdmp electric.Mezo se poate orienta pe un suport solid in doud moduri: cu axele lungi ale

(orientare homeotropi) sau cumoleculelor iculare pe suprafafa suporliloraxele lungi ele (orientare homotropd).

placi sticlistrat conductor transparent

ordonare etropa ordonare homotropd

E l- pe axa ce une$tecentrul atomilor

caz momentele dipolilor sunt mai mari qi de asemenea inducliatn raport cu cel de-al dollea caz. C6nd axa moleculelor este paraleldavea un indice de refractie maxim pentru lumina ce vibreazd de-a

blin prin adilionarea supreafe,telor

$1de1 r ce

) v a

"Y:se

impurific are a controlatd a mezofazei.corpului solid, de exemplu cu

Me poate uda solidul cAnd intre transmisiuniledoud corpuri relatia

Tt> "' lspe suprafafa solidului se formeazd picdturi cu

unde T estesusprafala p

0 : r [ 1 - b ( y , - y r )parametru care craate zeazd plwreitatea suprafelei egal cu 1 pentrufrrd, zgdrietwi qi b - un parametru empiric.: "lz - "'ltergiei libere care favorize azd, orientarea normald sau paraleld aide pe suprafaa solidului. Dacb ys > y2 , se obline o ordonareergra supreafelei este minimd dacd mezofaza udd solidul, iar

yTAl" cu supreafala solidului. Se obline o bund ordonare c6nd

electric exterior poate modifica, dupd modul de aplicare, ordonareaLatice pe suport gi, ca atare, influenleaza proprietdfie lor optice. Sunttrei efecte: efectele dielectrice, piezoelectrice gi electrodinamice,,a a numeroase aplicatii.le colesterice ciimpul electric are ca principal efect modificarea

electrici ai luminii incidente gi reflectate se rotesc in direcfii opuse, inrotale nu este afectatd prin reflexie pe cristale solide;tn unele cazuri franjuri alternante de lumind denumite

prietafi sunt sensibile la aranjamentul moleculelor, aranJ rrment carer fi modificat pe cale chimicd, electricd, magneticd,termicd etc.

in caz contrardate de relalia:

este mdsuramoleculelor lihomeotropd.moleculeleA y : ( s - l s ) I

mezofazelorcunoscute astflcare constituie

+rn mezo

- vectoriice directia- form

Grandjean.Aceste

la rAndul lui

Un

superficiale 1 ale celor

unghiurile de contact 0

plane

structurii elicoi e. Pasul elicei lichidelor colestericeare valori mai mari de 1000 A(ln solide peri citatea refelei este de numai c6liva A). Datorita periodicitdjii spaialemezofazele col ce au urmdtoarele proprietdfi optice.:

suportului (opti- putere

ce de refraclie minim c6nd axa opticd este normald pe suprafalauniaxiale);rotafie a luminii de ordinul a sutede rotafii complete de I mm fatd

de cuar! care ar 24"lmm- o r e de reflexie a luminii polarizale:

trmp

Rolul şi importanţa tehnologiei. Principiile tehnologiei 21

ROLUL ŞI IMPORTANŢA TEHNOLOGIEI.

PRINCIPIILE TEHNOLOGIEI

1.1. GENERALITĂŢI

Lexiconul tehnic român atribuie cuvântului ,,tehnologie’’ două sensuri: - ştiinţa metodelor şi mijloacelor de prelucrare a materialelor; - ansamblul proceselor, metodelor, procedeelor, operaţiilor etc. utilizate în

scopul obţinerii unui anumit produs cu o anumită utilitate socială. Analizând cele două definiţii şi luând în considerare şi alte sensuri

întâlnite în texte de specialitate, se constată că semnificaţia termenului ,,tehnologie’’ a evoluat de la sensul restrâns al ştiinţei metodelor de producţie, la înţelesul larg al ştiinţei tehnicilor umane. Se poate spune că asistăm la o dublă expansiune a noţiunii de tehnologie:

- o expansiune a conţinutului care, limitat iniţial la metodele de muncă, a înglobat treptat şi mijloacele tehnice de producţie pentru ca, în ultima vreme, să cuprindă o sistematizare ştiinţifică a tuturor cunoştinţelor necesare elaborării unor scheme logice, coerente, care să constituie sistemele tehnologice moderne;

- o expansiune a domeniului de acţiune care, limitat iniţial la producţia de bunuri materiale, a inclus apoi prestaţiile de servicii cu caracter tehnic (reparaţiile, transporturile, gospodăria casnică etc.), pentru ca astăzi să se extindă şi în sfera producţiei spirituale (creaţiile artistice, organizarea timpului liber, sportul, turismul etc.).

Având în vedere aceste fenomene se poate afirma că tehnologia este ştiinţa aplicării tuturor ştiinţelor. O definiţie mai pe scurt şi cuprinzătoare ar fi: tehnologia este ştiinţa care studiază toate transformările la care este supusă

1

Tratat de tehnologia materialelor 22

substanţa în procesele tehnologice de lucru şi modalitatea conducerii acestor transformări în vederea obţinerii produselor necesare societăţii, în condiţii tehnico-economice optime.

Datorită ariei foarte largi pe care o cuprinde şi a multitudinii de fenomene pe care le foloseşte tehnologia, se pune întrebarea dacă tehnologia este sau nu o ştiinţă. Răspunsul vine imediat, dacă admitem că la baza ei stau o serie de legi şi principii general valabile, care o deosebesc de celelalte ştiinţe.

Tehnologia se deosebeşte de celelalte ştiinţe prin următoarele: - este o ştiinţă tehnică aplicativă deoarece urmăreşte un scop practic

nemijlocit (sunt foarte multe cunoştinţe despre gama largă de fenomene ale naturii, dar pentru a le utiliza în vederea realizării de produse este necesară această ştiinţă − tehnologia). De exemplu, legea gravitaţiei se cunoaşte de peste 300 de ani, dar utilizarea ei în vederea obţinerii de produse utile societăţii a fost posibilă numai odată cu dezvoltarea tehnologiilor cosmice;

- este dependentă de timp şi de spaţiu deoarece oricare descoperire a legilor naturii este făcută utilă societăţii printr-o anumită tehnologie, iar modul de utilitate este perfecţionat în timp tot de o tehnologie (de exemplu: ideea calculatorului este cunoscută cu mii de ani înainte de Cristos, dar atingerea performanţelor actuale, în forma actuală de prezentare, a fost posibilă numai datorită evoluţiei tehnologiei). Dependenţa de spaţiu se bazează pe modul cum gândesc şi acţionează oamenii locului de muncă respectiv, pe experienţa acestora, pe posibilităţile concrete ale locului de muncă şi, mai ales, pe scopul urmărit (de exemplu: autoturisme se fac şi în România şi în Germania şi în Rusia, dar tehnologia de fabricaţie este diferită cu toate că se lucrează la acelaşi produs, cu aceleaşi destinaţii şi utilitate socială);

- nu rezolvă problema realizării unui singur produs, ea rezolvă problemele obţinerii unei producţii industriale, de serie diversificată, cu aceeaşi utilitate socială, devenind în acest fel o condiţie esenţială a dezvoltării societăţii umane. Această caracteristică a tehnologiei a condus în ultima vreme la apariţia expresiei: ,,tehnologia este principala cale de risipă prin care omenirea îşi consumă resursele’’ - ţinând cont de semnalul de alarmă tras de criza de energie, criza de materii prime, criza de protecţie şi criza de încredere. În acelaşi timp a apărut însă şi expresia: ,,tehnologia − principală sursă de economie’’, pentru că numai prin valorificarea imenselor resurse de economii ascunse în tehnologie, prin îmbunătăţirea cercetării tehnologice şi optimizarea proceselor de producţie este posibilă soluţionarea crizei energetice, de materii prime, crizei de protecţie şi crizei de încredere, care de fapt formează o criză tehnologică. Eforturile tehnologiei sunt canalizate acum în două direcţii cunoscute: pe de o parte, reducerea consumurilor şi, pe de alta, crearea de noi resurse;

- aplică toate legile celorlalte ştiinţe ale naturii în vederea transformării


substanţei în produse social utile, dar este guvernată şi de o serie de principii care fundamentează orice tehnologie. Aceste principii sunt: principiul multidimensional, principiul eficienţei, principiul informaţiei şi altele.

1.2. PRINCIPIILE TEHNOLOGIEI

1.2.1. Principiul multidimensional

Orice tehnologie este o sumă de procese multidimensionale, cu foarte mulţi parametri, rezultaţi din interacţiunea concretă a unor materiale reale cu mijloacele de transformare ale acestora. Pentru a înţelege multitudinea de factori care apar într-o tehnologie trebuie definit procesul de producţie.

1.2.1.1. Procesul de producţie

Pentru existenţa sa şi pentru progresul societăţii omul crează în permanenţă în urma unor procese de muncă bunuri materiale şi spirituale. Rezultatele proceselor de muncă în care omul acţionează asupra obiectelor muncii (materiale, piese etc.) cu ajutorul mijloacelor de muncă (scule, maşini-unelte, aparate etc.) poartă denumirea de produse.

Noţiunea de produs este foarte largă, ea cuprinzând mijloacele de producţie (maşini, utilaje, scule, aparate etc.), bunurile materiale naturale (minerale, vegetale, animale), bunurile de consum etc. Orice produs este o sumă de repere, fiecare reper caracterizându-se prin proprietăţi şi prin formă (fig.1.1). Proprietăţile rezultă din natura materialului cu o anumită structură şi compoziţie chimică, iar forma se obţine în urma interacţiunii cu mijloacele de transformare. Forma şi proprietăţile sunt implicate sau implică un anumit rol funcţional.

Produs = Reperei

n

====∑∑∑∑

1

Material Compoziţiechimică

Rolul funcţional

Formă

Prescripţiitehnologice

Structură

Interacţiunea cumijloacele detransformare

Proprietăţi

Fig. 1.1. Structura unui produs.


Crearea oricărui produs este rezultatul unui proces de producţie, definit ca fiind un proces tehnico-economic complex, care cuprinde întreaga activitate desfăşurată într-un loc de muncă (fig.1.2).

Componenta principală a unui proces de producţie o constituie procesele de bază, care contribuie direct la transformarea materiilor prime în produse finite, ca de exemplu: obţinerea de semifabricate turnate, forjate, sudate etc., prelucrarea prin aşchiere a semifabricatelor pentru obţinerea pieselor finite, tratamentele termice sau termochimice, asamblarea pieselor şi subansamblelor reprezentând produsul finit, repararea şi recondiţionarea acestuia în vederea recăpătării sau schimbării rolului funcţional.

Procesele auxiliare ajută la buna desfăşurare a proceselor de bază cuprinzând: construirea de scule, dispozitive şi verificatoare (SDV-uri); întreţinerea şi repararea maşinilor şi utilajelor folosite în cadrul proceselor de bază; transportul pieselor, semifabricatelor şi materialelor pe teritoriul întreprinderii etc.

Pentru buna desfăşurare a procesului de producţie sunt necesare şi alte activităţi, ca de exemplu, cele de pregătire a proceselor de bază şi auxiliare, activităţi de conducere şi activităţi de desfacere şi livrare. Practic, un proces de producţie nu se consideră încheiat până când produsele realizate nu au fost desfăcute pe piaţă şi testate din punct de vedere al cerinţelor.

Proces de producţie

Procese deconducere

Proceseauxiliare

Procesede bază

Procese de pregătire a proceselorde bază şi auxiliare

Procese delivrare şidesfacere

deservireProcese de

Proceseanexe

Pregătireorganizatorică

Pregătiretehnică

Pregătireeconomică de fabricare

de reparare şirecondiţionare

de elaborare

de semifabricare

de tratament

de control

de asamblare

Fig. 1.2. Structura unui proces de producţie.

Fiecare din aceste procese este influenţat de o serie de parametri f1, f2, …,

fn, astfel încât tehnologia de realizare a produsului este o funcţie de forma


( )T F f f fn= 1 2, ,... , . (1.1)

Schema generală de obţinere a unui produs se prezintă în figura 1.3. Nu este obligatorie întotdeauna respectarea acestei ordini, în foarte multe situaţii sunt scurtcircuitări (I, II ... VI etc., depinde de produsul ce se vrea obţinut şi de scopul propus). De exemplu, în cazul I, când scopul final îl reprezintă obţinerea unui semifabricat sunt necesare doar etapele 1 şi 2. Când scopul final îl constituie obţinerea unei piese turnate sau deformate se poate pleca de la un semifabricat iniţial (cazul II) sau de la materia primă sub formă naturală (cazul III), scurtcircuitând anumite etape. De asemenea, se poate pleca de la un material sub formă primară (de exemplu, un lingou) şi să se treacă direct la o prelucrare dimensională prin turnare sau deformare plastică (cazul IV).

Ieşire

Intrare

1

2

3

4

5

6

7

8

9

IV

V

VI

I

II

III

Materiale sub formă primară (lingouri, blocuri, pulberi etc.)

Semifabricate (bare, plăci, table etc.)

Tratament termic primar

Prelucrare dimensională (turnare, deformare, aşchiere etc.)

Tratament termic final (recoacere, călire, revenire,

stabilizare dimensională)Prelucrare finală

Control final

Asamblare repere

Control final

Produsul

Materia primă sub formă naturală

Fig. 1.3. Schema generală de obţinere a unui produs.

În fiecare etapă de obţinere a produsului interacţionează foarte mulţi

parametri g1, g2, …, gi, foarte multe variabile de material, de maşini şi utilaje, de calificarea muncitorului, de natura prelucrării, de anotimp şi chiar de starea de moment a muncitorului, astfel încât tehnologia devine o funcţie de forma

T = F [f1 (g1, g2, …, gi), f2 (g1, g2, …, gi), … , fn (g1 , g2, …, gi)]. (1.2)


O tehnologie optimă de obţinere a unui produs presupune utilizarea unor metode de determinare a interdepenedenţelor dintre multitudinea de parametri ce apar în fiecare etapă a procesului de transformare a substanţei (metoda corelaţiei multiple, metoda celor mai mici pătrate, metoda factorialelor etc.).

Pentru buna desfăşurare a procesului de producţie, întreprinderea constructoare de maşini, ca de altfel orice societate economică a unei ramuri a oricărei economii, trebuie să dispună de o organizare corespunzătoare scopului propus (fig.1.4). Produsele şi procesele de producţie sunt concepute, proiectate, organizate şi conduse, din punct de vedere tehnico-economic, de specialişti cu calificare corespunzătoare.

Decizianecesităţii realizării

produsului

Dezvoltareaexperimentalăa produsului

Prototip, experimentare,acceptare

DA

NU

Pregătireaşi realizareaseriei zero

Omologareaseriei zero

DA

NU

Elaborarea documentaţiei tehnologiceCompletări pregătire

Decizia deproducţie

DANU

NU

Organizareaproducţiei

Activitateade producţie

NU

- Cercetare aplicativă

- Studii tehnico-economice- Studii marketing

Cercetarea tehnologicăa realizării produsului

Deciziatehnologică

DA

NUDA

Tema de necesitate Cercetare fundamentală

în

Fig. 1.4. Schema organizării activităţii inginereşti într-o întreprindere industrială.

Componenta de bază în organizarea unei întreprinderi este secţia. În funcţie de profilul lor, secţiile pot fi: de pregătire a fabricaţiei − în care se întocmeşte toată documentaţia necesară procesului de producţie; de bază −−−− în care


se desfăşoară o parte a procesului de producţie (procesele de bază), în scopul obţinerii unei părţi a unui produs sau a întregului produs; auxiliare − în care se desfăşoară procesele auxiliare; de deservire − în care se desfăşoară procesele de deservire a secţiilor de bază sau auxiliare.

1.2.2.2. Procese tehnologice

Procesul tehnologic este o parte componentă a procesului de producţie în decursul căruia se efectuează logic şi treptat modificările şi transformările materialelor necesare obţinerii produsului. În cadrul procesului tehnologic, materia primă, cu proprietăţile neadecvate utilizării directe, este supusă unui şir lung de transformări fizico-chimice în vederea obţinerii unui produs cu proprietăţi şi funcţii bine stabilite, conform cu o anumită utilitate socială.

Transformările fizico-chimice efectuate au loc atât în procesele tehnologice de extracţie, care se execută asupra resurselor naturale şi au ca rezultat obţinerea materialelor brute, cât şi în procesele tehnologice de fabricare ce se exercită la început asupra materialelor brute şi au ca rezultat obţinerea produselor (fig.1.5).

Resurse naturale Elaborare

Materialebrute Fabricare

Produsfabricat

Fig. 1.5. Schema generală a realizării produselor fabricate.

În funcţie de scopul urmărit, procesele tehnologice utilizate în construcţia de maşini şi aparate pot conduce la:

− modificarea proprietăţilor fizico-chimice şi fizico-mecanice ale materialelor;

− modificarea formei, dimensiunilor, poziţiei reciproce şi calităţii suprafeţelor semifabricatelor şi pieselor.

Se pot deosebi astfel, următoarele categorii de procese tehnologice (fig.1.6):

− de prelucrare, prin care materiile prime îşi modifică treptat starea, compoziţia, forma, dimensiunile, rugozitatea şi poziţia reciprocă a suprafeţelor (fig.1.7). Procesul tehnologic de prelucrare poate fi:

− de elaborare − se efectuează pentru a se extrage metale sau aliaje industriale brute (elaborare primară) sau de puritate înaltă (elaborare secundară);

− de semifabricare şi prelucrare dimensională − se efectuează pentru obţinerea de semifabricate sau piese, prin modificarea formei, dimensiunilor, poziţiei reciproce şi calităţii suprafeţelor;


− de tratament − se efectuează pentru modificarea proprietăţilor fizico-chimice şi fizico − mecanice ale unui material, fie în întreaga masă, fie numai în straturile de suprafaţă; − de asamblare − prin care piesele sunt grupate ordonat în subansamble şi

apoi în ansamble, de regulă reprezentând produsele finite (fig.1.8);

PROCES

de semifabricarede prelucrare dimensională

de elaborare materiale

de tratament

de prelucrare

TEHNOLOGIC

de asamblaredemontabilănedemontabilă

de control distructivnedistructiv

de reparare şirecondiţionare

pentru acelaşi rol funcţionalpentru un alt rol funcţional

Fig. 1.6. Principalele categorii de procese tehnologice.

Materiiprime

Materialebrute

Piesa

Procese tehnologice de prelucrare mecanică şitratament termic

Procese tehnologice de elaborare

SemifabricatSemifabricat

Procese tehnologice de semifabricare

finită

Fig. 1.7. Structura procesului tehnologic de prelucrare.

− de control − prin care se determină precizia geometrică şi calitatea semifabricatelor, pieselor şi respectiv a produselor, în conformitate cu documentaţia tehnologică;

− de reparare şi recondiţionare − prin care pieselor sau subansamblelor care s-au degradat în timp, ca urmare a solicitărilor din timpul funcţionării, li se restabilesc caracteristicile iniţiale.

Elementul de bază al oricărui proces tehnologic îl constituie operaţia tehnologică, definită ca fiind o activitate ordonată şi limitată în timp, efectuată de către un muncitor sau o echipă de muncitori fără întrerupere, la un singur loc de muncă, cu uneltele şi utilajele necesare, asupra unuia sau mai multor materiale sau obiecte, în scopul modificării proprietăţilor fizico − chimice, formei, dimensiunilor, netezimii şi aspectului suprafeţelor. Operaţiile la rândul lor se


subdivid în faze, care sunt deci părţi ale operaţiei şi care se realizează într-o singură aşezare şi poziţie a piesei de prelucrat, cu aceleaşi unelte de lucru şi cu acelaşi regim de lucru. În timpul fazelor de lucru operatorul execută treceri şi mânuiri (totalitatea mişcărilor efectuate în timpul lucrului). Prin urmare, orice proces tehnologic are structura generală prezentată în figura 1.9.

De exemplu, un proces tehnologic de obţinere a unei piese finite presupune parcurgerea mai multor etape de prelucrare a unui semifabricat iniţial (fig.1.10).

Piesafinită 1 finită 2

Piesa Piesafinită finită

PiesafinităPiesa

Subansamblul Subansamblul Subansamblul

finităPiesa

Ansamblu = Produs finit

i j k n

NBA

Fig. 1.8. Schema unui proces tehnologic de asamblare.

= Operatii Faze Trecerii

l

i jj

m

i

l

kk

n

j

m

i

l

= == ===

∑ ∑∑ ∑∑∑= = =

1 11 111

= ∑∑∑∑= = = =

l

i

m

j

n

k

q

ppMãnuiri

1 1 1 1

Fig. 1.9. Structura generală a unui proces tehnologic.

OperaţiaDebitare

OperaţiaForjare

1 2

DanturareOperaţia

GăurireOperaţia4 5

OperaţiaStrunjire

3

Tratament termicOperaţia 6

Fig. 1.10. Succesiunea operaţiilor de obţinere a unei piese finite.

Semifabricatul poate fi definit ca fiind o bucată de material mai mult sau mai puţin apropiată ca formă de piesa care urmează a fi obţinută şi care a suferit o

Proces tehnologic


serie de prelucrări înainte de a se ajunge la piesa finită. De regulă, ultimele operaţii aplicate semifabricatului au ca scop îndepărtarea unui surplus de material, prin aşchiere, pentru a se obţine precizia geometrică necesară şi gradul de netezime cerut.

Dimensiunile semifabricatului sunt întotdeauna mai mari decât cele

corespunzătoare piesei finite, prin urmare masa semifabricatului Msf este mai mare

decât masa piesei finite Mpf

pfsf MM > . (1.3)

Se defineşte astfel noţiunea de randament de utilizare a materialului

ηM ca un raport între masa piesei finite şi întreaga masă de material ce se consumă pentru realizarea ei:

[%] 100×=ηsf

pf

MM

M. (1.4)

Randamentul de utilizare a materialului este funcţie de procedeul tehnologic şi de numărul de produse ce se vrea realizat.

Bineînţeles că nu întotdeauna este posibilă obţinerea unui randament maxim, pentru că în final el stabileşte o anumită tehnologie de prelucrare (de exemplu, randamentul de utilizare a materialului la piesa din figura 1.10 este 0,4 dacă se foloseşte aşchierea din bară laminată; 0,65 la turnare; 0,75 la matriţare; 0,85 dacă s-ar obţine prin sudare din două părţi componente etc.).

Un semifabricat este cu atât mai bun din punct de vedere al randamentului de utilizare a materialului, cu cât el se apropie mai mult de piesa finită, atât ca formă, cât şi ca dimensiuni. De exemplu, semifabricatul din figura 1.11. a, (debitat dintr-o bară laminată) este mai puţin bun decât semifabricatul din figura 1.11.

Aşchiere Turnare Deformareplastică

a b c d

Piesa 2Piesa 1

Adaos de prelucrare

Fig. 1.11. Dependenţa randamentului de utilizare al materialului ηM de procedeul tehnologic: a - aşchiere; b - turnare; c - deformare plastică (matriţare); d - sudare.

b, obţinut prin turnare, care la rândul lui este mai puţin bun decât semifabricatul din figura 1.11. c, obţinut prin matriţare de precizie etc. (fig.1.11), deoarece surplusul de material care trebuie îndepărtat, denumit adaos de prelucrare,


necesită în acest scop mai mult timp, mai multă energie şi un consum mai mare de scule.

Piesa finită poate fi considerată ca fiind unitatea de bază a unui produs, iar obţinerea pieselor finite − scopul direct al majorităţii proceselor tehnologice aplicate în construcţia de maşini şi aparate. Orice piesă poate fi caracterizată prin trei elemente: compoziţie, structură şi formă.

Compoziţia piesei este corespunzătoare de fapt compoziţiei materialului piesei care precede în general structura şi forma. Ea se poate realiza în două moduri:

− prin schimbare de stare fizică, incluzând starea lichidă; − fără schimbare de stare fizică (în stare solidă). Structura piesei trebuie să asigure proprietăţile impuse, fie de procesul de

prelucrare, fie de condiţiile de exploatare. Ea poate fi deci: − o structură de prelucrare, care să confere materialului o prelucrabilitate

optimă; − o structură de utilizare, care să confere materialului proprietăţile optime

cerute de funcţionarea pieselor. În practică, la multe categorii de materiale metalice este posibil să se

modifice structura prin tratamente termice, astfel încât la început ea să fie o structură de prelucrare (obţinută de exemplu printr-o recoacere) şi, apoi, o structură de utilizare (rezultată de exemplu, în urma unui tratament termic de călire − revenire).

Forma piesei este un element complex şi include: configuraţia, întinderea şi poziţia reciprocă a suprafeţelor care delimitează piesa, dimensiunile şi precizia dimensională, gradul de netezime a suprafeţelor. Forma piesei se poate obţine:

− prin schimbarea stării fizice a materialului piesei (cazul turnării pieselor din materiale metalice lichide);

− prin schimbarea stării chimice simultan cu obţinerea compoziţiei (cazul pieselor din materiale plastice termoreactive);

− prin redistribuirea materialului (cazul prelucrării prin deformare plastică);

− prin aglomerare de pulberi; − prin îndepărtare de material (cazul prelucrării prin aşchiere); − prin adăugare de material (cazul îmbinării prin sudare, lipire sau cel al

metalizării etc.).

1.2.2. Principiul eficienţei

Tehnologia trebuie să permită în momentul aplicării ei realizarea nivelului maxim de eficienţă pentru care a fost proiectată. În limbaj obişnuit,


aceasta înseamnă a produce mai bine, mai repede, mai mult, mai ieftin şi la momentul oportun. Aceste trăsături se regăsesc în principalii indicatori de eficienţă: costul, productivitatea, fiabilitatea, protecţia muncii, protecţia mediului, consumul de materiale şi energie, protecţia operatorului etc. Orice proces tehnologic nu poate realiza de la început toţi aceşti indicatori de eficienţă la nivelul maxim, întotdeauna existând o dominantă pentru unul sau mai mulţi dintre ei.

Pentru a înţelege aceasta se va face în continuare o analiză foarte succintă a principalilor indicatori de eficienţă.

1.2.2.1. Costul produselor sau al pieselor

Acest indicator cu caracter economic se poate exprima în lei/produs sau lei/lot (serie) de produse. În industrie, la nivel de secţie, costul C este dat de relaţia

RmM +C+CCC = , (1.5)

în care CM reprezintă cheltuielile cu materialele directe; Cm − cheltuielile cu

salariile personalului muncitor; CR − cheltuielile de regie (cheltuieli de ordin general care trebuie amortizate pe timpul realizării şi consumului produsului: utilaje, clădiri, energie electrică, combustibil etc.).

Deoarece cheltuielile de regie sunt greu de determinat se calculează ca o

cotă parte din cheltuielile cu manopera Cm , cu o expresie de forma

CR = (2...10) Cm. (1.6)

O analiză a preţului de cost dat de relaţia (1.5) nu este semnificativă în proiectarea unui proces tehnologic, deoarece nu permite analiza comparativă a mai multor procese tehnologice de realizare a aceluiaşi produs. De aceea, analiza costului se face pornind de la o structură care să cuprindă şi cheltuielile cu pregătirea fabricaţiei. Se poate admite o expresie de forma

Cs = F + nV, [lei/lot], (1.7)

în care Cs este costul unui lot de produse; F − cheltuielile fixe; V − cheltuielile variabile; n − numărul de piese din lot.

Cheltuielile fixe F se determină prin procedee de calcul convenţionale şi cuprind cheltuielile efectuate cu utilajul tehnologic (pentru amortizare, fabricare, funcţionare, întreţinere, reparare etc.) şi cheltuielile generale ale secţiei, întreprinderii, holdingului (pentru întreţinerea clădirilor, retribuţia muncitorilor auxiliari şi a personalului tehnico-administrativ, cheltuielile cu protecţia muncii, protecţia mediului etc.).

Cheltuielile variabile V se determină direct pe unitatea de produs şi cuprind cheltuielile cu materialele consumate (materialul pieselor, materiale de


adaos, medii de lucru nerecuperabile, ambalaje etc.) şi cheltuielile cu manopera (retribuţia muncitorilor care lucrează nemijlocit pentru realizarea produsului, la care se adaugă cheltuielile cu regia).

Ţinând cont de relaţia (1.7) costul unui produs Cp se poate determina cu relaţia

n

FV

n

CC s

p +== , [lei/buc]. (1.8)

Reprezentarea grafică a relaţiilor (1.7) şi (1.8) conduce la obţinerea curbelor din figura 1.12. a şi b.

Din componenţa costului lotului de producţie se vede că procesul tehnologic este cu atât mai rentabil cu cât numărul de produse este mai mare (de

exemplu, pentru n1 bucăţi, cheltuielile fixe reprezintă circa 2/3 din Cs, în timp ce

pentru n2 bucăţi ponderea acestora scade la 1/2). Acelaşi lucru rezultă şi din curba reprezentată în figura 1.12. b − costul unui produs fiind cu atât mai mic, cu cât numărul de produse este mai mare.

F

n n n

[lei/lot] C = F + nV[lei/buc]

n

Fn + V

1 2

s

Cs Cp

C =p

[buc][buc]

[lei/buc]

a b

Fig. 1.12. Dependenţa cost-număr de produse: a − pentru un lot de produse; b − pentru un produs.

Ar rezulta din această analiză sumară că ar trebui întotdeauna adoptat procesul tehnologic care să realizeze numărul maxim de produse. Dar nu se poate proceda aşa, deoarece nu se pot desface şi consuma de la început toate produsele, rezultând nişte cheltuieli de stocaj (scot din circulaţie anumite bunuri materiale care ar putea fi folosite în producerea altor produse).

Dacă se ţine cont şi de cheltuielile de stocaj, costul unui produs are expresia

snVn

FCp ++= , [lei/buc.], (1.9)


în care s este rata cheltuielilor de stocaj, exprimată în [lei/buc]. Reprezentată grafic, relaţia (1.9) conduce la obţinerea unui număr de

bucăţi optim nopt, care ţine cont şi de cheltuielile fixe şi de cheltuielile de stocaj (fig.1.13).

Acest nopt se determină anulând derivata costului în raport cu numărul de produse

⇒=∂

∂ 0

n

C totp ⇒=+− 02

sn

F

s

Fnopt = . (1.10)

Procesul tehnologic trebuie să aibă eficienţa maximă. Aceasta presupune stabilirea mai multor variante posibile de proces tehnologic şi alegerea variantei optime pe baza indicatorilor de eficienţă enumeraţi mai sus. Făcând abstracţie

n

sn

F + Vn

n opt

C tot[lei/buc]

p

[buc]

= Fn + V + snC totp

= Cp

de ceilalţi indicatori se poate stabili varianta de proces tehnologic cu economicitate maximă pe baza relaţiilor (1.7) şi (1.8).

De exemplu, pentru cazul în care se compară două variante de

proces tehnologic PT1 şi PT2, există un

număr critic de produse ncr pentru care costul este acelaşi (fig.1.14), determinat cu relaţia (1.11).

Fig. 1.13. Dependenţa costului total de numărul de bucăţi.

În cazul în care se analizează

trei variante de proces tehnologic PT1,

PT2 şi PT3 (fig.1.15), alegerea varian-

12

21221121

VV

FF n nVFnV F =CC crSS

−

−=⇒+=+⇒ . (1.11)

tei optime decurge în mod similar. Analog, se pot analiza ,, p’’ variante de proces tehnologic, din care să se

deducă procesul tehnologic optim din punct de vedere al costului. Se vede aşadar că pentru fiecare mărime a seriei de fabricaţie există un

singur proces tehnologic cu economicitate maximă, care exprimă de fapt raportul optim dintre cheltuielile fixe şi cele variabile necesare pentru fabricarea produsului. Deci modul în care este organizată activitatea de producţie într-o întreprindere constructoare de maşini depinde de volumul producţiei (numărul de produse identice sau asemănătoare care trebuie realizate într-un anumit interval de timp), de mărimea (masa şi dimensiunile) produselor şi de complexitatea lor.

Se deosebesc astfel următoarele tipuri de producţie:


−−−− producţie de unicate sau individuală, caracterizată prin: fabricarea produsului într-un singur exemplar sau în număr redus de exemplare, folosirea unui număr redus de SDV-uri, calificarea înaltă a muncitorilor, folosirea maşinilor-unelte şi a dispozitivelor cu caracter universal, productivitatea muncii scăzută şi costul ridicat al produselor (cazul fabricării prototipurilor, maşinilor şi utilajelor grele, ca de exemplu, turbine, maşini-unelte grele, mori de ciment etc.);

−−−− producţia de serie, caracterizată prin: executarea produselor în loturi sau serii care se repetă regulat la anumite intervale de timp, caz în care utilajul folosit are caracter universal sau specializat, productivitatea muncii este mai mare, iar costul produselor este mai mic decât cel de la producţia individuală. Producţia de serie este modalitatea uzuală de organizare a producţiei în majoritatea întreprinderilor constructoare de maşini (cazul fabricării maşinilor-unelte, maşinilor

nncr

n < ncr n > n cr

Cs

Cs1 Cs2=

PT1

PT 2

F2 F

1 optPT1 optPT2

[buc]

PT 1

PT 2

ncr n [buc]

Cp

[lei/lot] [lei/buc]

cr

optPT1 optPT2

n > nn < ncr

a b

Fig. 1.14. Alegerea variantei optime a procesului tehnologic: a − pentru un lot de produse; b − pentru un produs.

agricole, pompelor, motoarelor electrice etc.). În functie de mărimea lotului sau seriei şi de complexitatea produselor, această producţie poate fi: de serie mică, de serie mijlocie sau de serie mare;

− producţia de masă, caracte-rizată prin: fabricarea neîntreruptă, permanent sau pe o perioadă mare de timp a aceloraşi produse, organizarea în flux continuu pe linii de fabricaţie, folosirea de utilaje de mare producti-vitate (maşini-unelte speciale sau specializate), mecanizarea, automatiza-rea şi robotizarea pe scară largă, folosirea de SDV-uri speciale, producti-

PT1 PT2 PT3

C[lei/lot]

s

ncr1-2 ncr1-3 ncr2-3 n [buc] Fig. 1.15. Alegerea variantei optime de proces

tehnologic din trei variante posibile:

optcrPTnn

12-1 ⇒< ;

( )optcrcr

PTnnn 23-2 2-1

, ⇒∈ ;

optcrPTnn

33-2 ⇒> .

vitatea deosebit de ridicată, costul scăzut al produselor. Calificarea muncitorilor


este în general scăzută, cu excepţia celei a personalului de reglare, conducere şi întreţinere a utilajelor. Acest tip de producţie se întâlneşte la fabricarea automobilelor, bunurilor de larg consum, aparaturii şi maşinilor electrice, televizoarelor şi aparatelor de radio, organelor de asamblare etc.

Făcând abstracţie de ceilalţi factori care condiţionează stabilirea tipului de producţie şi luând în considerare numai mărimea seriei de fabricaţie, se poate stabili caracterul producţiei de serie sau de masă prin raportul

u

d

T

Tn = , (1.12)

în care n este numărul de produse obţinut în timpul total disponibil Td (de

exemplu, un an de zile) pentru fiecare produs consumându-se timpul unitar Tu.

Dacă programa de fabricaţie nf < n, atunci producţia are caracter de serie, fiind

necesară introducerea loturilor sau seriilor de piese; dacă însă nf ≥ n, atunci producţia are caracter de masă, tot timpul disponibil fiind consumat cu realizarea aceluiaşi tip de produs.

O sinteză a caracteristicilor tipurilor de producţie se prezintă în tabelul 1.1.

Tabelul 1.1. Caracteristicile tipurilor de producţie

Producţia individuală sau de unicate.

Producţia de serie. Producţia de masă.

Cantitate mică de produse. Cantitate medie de produse.

Cantitate mare de produse.

Nomenclator mare de produse şi variabil în

decursul unui an.

Nomenclator mediu de produ-se cu repetare

periodică.

Nomenclator redus de produse, menţinut perioade mari de timp.

Nu se prevede anticipat repetarea fabricării produ-

sului.

Repetarea periodică a fabricării seriei de

produse.

Fabricarea neînreruptă a produsului într-un interval mare de timp.

Incărcarea maşinilor-unelte fără nici un fel de

regularitate.

Repetarea periodică a încărcării maşinilor −

unelte cu aceleaşi piese.

Încărcarea neîntreruptă a maşinilor-unelte cu aceleaşi piese.

Utilaje universale. Utilaje universale şi în parte specializate.

Utilaje specializate şi speciale (linii automate, agregate).

Scule şi dispozitive universale.

Folosirea pe scară largă a sculelor şi dispo-zitivelor

speciale.

S.D.V-uri speciale, simplificate şi cu mecanisme automate.

Reglarea la diametru după trasaj şi luarea de aşchii de

probă.

Lucru la maşini − unelte reglate la dimensiuni.

Reglare simplificată la dimensiune, automatizare înaltă.

Mâna de lucru cu calificare înaltă.

Mâna de lucru cu calificări diferite.

Mâna de lucru cu calificare scăzută. Număr mare de reglări.


Tabelul 1.1. (continuare)

0 1 2 Lucru după metoda ajustării Lucru după metoda

interschimbabilităţii totale şi în mică măsură după metoda

ajustării.

Lucru numai după metoda interschimbabilităţi totale şi după

metoda selectivă.

Aranjarea maşinilor-unelte în grupe după tipuri şi

dimensiuni.

Aranjarea în ordinea fluxului tehnologic numai a maşinilor

− unelte mai încărcate.

Aranjarea maşinilor-unelte numai în ordinea fluxului tehnologic.

Controlul dimensiunilor cu instrumente universale.

Largă folosire a verifi-catoarelor speciale.

Numai verificatoare speciale. Largă folosire a controlului activ şi a

controlului automat. Elaborarea proceselor tehno-logice după cele mai simple forme. Procese tehnologice

după fişe tehnologice.

Elaborarea procesului tehnologic cu fişe

tehnologice şi cu planuri de operaţii însoţite de schiţe.

Elaborarea detaliată a procesului tehnologic cu planuri de operaţii

însoţite de schiţe. Calcule amănun-ţite ale preciziei de prelucrare.

Normarea lucrului pe bază statistică.

Normarea tehnică şi cronometrarea.

Normarea ştiinţifică foarte detaliată.

Exemple: turnarea în forme din amestec de formare obişnuit şi modele

din lemn; forjarea liberă; sudarea manuală etc.

Exemple: turnarea în forme din

amestec de fomare special; forjarea în matriţă; sudarea

semiautomată etc.

Exemple: turnarea în forme permanente la

presiuni înalte; matriţarea; sudarea automată sub strat de flux etc.

1.2.2.2. Productivitatea

Se defineşte ca fiind eficienţa muncii sociale exprimată prin raportarea rezultatului muncii (cantităţii de produse) la consumul de muncă. Se măsoară în bucăţi/unitatea de timp. Este unul din indicatorii calitativi de bază ai unei economii, care arată nivelul de dezvoltare al forţelor de producţie.

Principalii factori de creştere ai productivităţii muncii sunt: progresul tehnic, nivelul tehnic şi nivelul cultural al lucrătorilor, organizarea ştiinţifică a producţiei şi a muncii, cointeresarea materială şi morală în muncă etc.

Principala cale de creştere a productivităţii muncii o constituie progresul tehnic care, în condiţiile revoluţiei tehnico-ştiinţifice contemporane, conduce la o revoluţionare a mijloacelor de muncă, a surselor de energie, la apariţia de noi obiecte ale muncii în paralel cu utilizarea mai raţională a celor vechi, la perfecţionarea tehnologiilor de fabricaţie şi la modificarea structurii forţei de muncă. Modul cum a influenţat şi influenţează progresul tehnic evoluţia proceselor de producţie se descrie succint mai jos.

În cele mai vechi timpuri omul se baza numai pe forţa sa fizică, mânuind nemijlocit uneltele de producţie, astfel încât procesele de producţie se desfăşurau în întregime manual (fig.1.16. a). În procesul realizării de noi obiecte materiale care să reducă la minimum eforturile sale fizice, omul a apelat la energia biologică ,,exterioară’’ a diferitelor specii de animale pentru acţionarea uneltelor (fig.1.16.


b).

a b

Om Unelte Mediu MediuUnelte

Om

Energie biologică

externă

Fig. 1.16. Interacţiunea om-unelte-mediu în procesul de producţie manuală.

Începând cu secolul al XV-lea, pentru acţionarea uneltelor, oamenii utilizează energii naturale (hidraulică, eoliană, termică), controlate de om (fig.1.17) şi civilizaţia umană atinge etapa ,,maşinismului’’, realizându-se prima revoluţie tehnico-ştiinţifică.

Apare deci noţiunea de mecanizare: introducerea şi folosirea maşinilor, aparatelor şi dispozitivelor pentru executarea unor operaţii, activităţi productive sau neproductive în scopul de a înlocui sau de a face mai eficientă munca fizică sau intelectuală a omului sau de a substitui munca animalelor. Mecanizarea poate fi aplicată numai la o parte din procese sau instalaţii (mecanizarea parţială) sau la toate instalaţiile care realizează un anumit proces tehnologic (mecanizare totală sau complexă). În producţia mecanizată omul conduce instalaţia tehnologică (se informează asupra mărimilor din procesul tehnologic, ia decizii şi comandă operaţiile de reglare), întregul proces tehnologic fiind executat de sursa de energie.

Creşterea gradului de mecanizare a proceselor tehnologice a dus nemijlocit şi la mărirea complexităţii operaţiilor de manipulare, comandă şi control ale surselor

Energieartificială

Unelte MediuOm

Om

Sistemautomatde

comandă,conducere,deservireşi

control

Energieartificială

Unelte Mediu

Fig. 1.17. Interacţiunea om-unelte-mediu în

procesul de producţie mecanizat. Fig. 1.18. Interacţiunea om-unelte-mediu în

procesul de producţie automatizat.


de energie artificială şi a uneltelor. Pentru înlăturarea acestei dificultăţi s-au creat o serie de sisteme automate şi cibernetice, care să preia din ce în ce mai mult, pe de o parte, rolul de intermediar între sursele de energie artificială şi unelte şi, pe de altă parte, să realizeze comanda şi conducerea acestora (fig.1.18).

Apare deci noţiunea de automatizare: echiparea cu automate a unei instalaţii (proces), în vederea efectuării unor operaţii fără intervenţia nemijlocită a omului (funcţiuni umane, efort, observaţie, decizie, memorie şi calcul logic, necesare pentru dirijarea unor operaţii, sunt înlocuite prin funcţiuni similare ale unor dispozitive tehnice). În funcţie de complexitate şi amploare, automatizarea poate fi parţială − când se aplică numai la unul sau la câţiva parametri ai procesului sau la una sau câteva componente ale instalaţiei tehnologice, rămânând o serie de operaţii care se efectuează neautomat, şi totală − când se aplică la toţi parametrii procesului de producţie sau la întreaga instalaţie tehnologică.

Cibernetizarea procesului a apărut ca urmare a preocupărilor omului de a elimina parţial sau total rolul său de observare şi conducere din cadrul diferitelor procese. În cadrul cibernetizării, în instalaţiile automatizate se introduc calculatoarele electronice, care efectuează operaţii logice şi de calcul pe baza informaţiilor primite de la instalaţiile conduse şi care comandă funcţionarea acestor instalaţii în scopul realizării anumitor performanţe tehnice prestabilite (fig.1.19).

Apare deci noţiunea de inteligenţă artificială. Un sistem tehnic este considerat a avea proprietatea de inteligenţă artificială, pe baza observării comportării sistemului, dacă se poate adapta singur la noi situaţii, are capacitatea de a raţiona, de a înţelege legăturile dintre fapte, de a descoperi înţelesuri şi de a recunoaşte adevărul.

Cerinţele dezvoltării social-economice privind creşterea gradului de automatizare a proceselor de producţie au impus realizarea unor instalaţii tehnologice de o mai mare complexitate şi perfecţionare, care să execute operaţii similare cu cele efectuate de om. Ca urmare, au fost creaţi roboţii industriali şi s-a dezvoltat o nouă ramură a ştiinţei − robotica. În general, prin robot se înţelege un ansamblu format din echipamente (sistem mecanic, sistem de acţionare, sistem

Om Calculatorelectronic

Dispozitiv de

automatizareInstalaţie

tehnologică

Energieartificială

MediuProgram Comandă

InformareInformaţii

(Măsurare)

Fig. 1.19. Interacţiunea om-mediu în cadrul unui proces de producţie cibernetizat.


de comandă, traductoare şi senzori) şi program de prelucrare a datelor (pentru comanda acţiunilor, comunicarea în robot, prelucrarea informaţiei senzoriale, decizie etc.) care funcţionează automat şi se adaptează la mediu complex şi variabil, prelungind astfel una sau mai multe din funcţiile umane.

Diversificarea constructivă şi funcţională a roboţilor din ultimele decenii a condus la necesitatea întocmirii unei clasificări după diferite criterii. După capacitatea de percepere şi interpretare a semnalelor din mediul exterior, precum şi de adaptare la mediu în timpul procesului de lucru, se deosebesc:

− roboţii din generaţia ,,zero’’ − reprezentaţi de manipulatoarele simple, care pot executa o succesiune de operaţii fixe, predeterminate;

− roboţii din prima generaţie (roboţi fără senzori) − sunt roboţi programaţi, cu comandă şi circuit deschis faţă de mediul de lucru. Toate informaţiile despre modul de lucru şi toate acţiunile robotului sunt determinate şi descrise aprioric de operatorul uman în faza de învăţare (programare). În regim automat robotul execută sarcinile fără să simtă mediul exterior;

− roboţii generaţiei a doua sunt roboţi prevăzuţi cu senzori tactili, de forţă, de proximitate, camere TV etc.; aceştia furnizează informaţii privind starea mediului înconjurător, realizând pe această bază o anumită autonomie de orientare în mediul în care lucrează;

− roboţii din generaţia a treia sunt dotaţi cu senzori complecşi şi utilizează elemente de inteligenţă artificială. Au un înalt grad de decizie şi planificare şi realizează procese logice, complexe, în vederea unei rapide adaptări la o diversitate de activităţi şi eventual pentru autoinstruire. Funcţionarea acestor roboţi este în circuit închis faţă de mediul de lucru, ca urmare, ei pot să îndeplinească şi sarcini ce nu au fost cunoscute şi descrise în întregime aprioric, încît se pot adapta la modificările mediului de lucru. Aceste tipuri de roboţi se întâlnesc sub denumirea de roboţi evoluaţi şi pot fi adaptativi, inteligenţi etc.

În cazul general, un robot industrial trebuie să realizeze patru tipuri de funcţiuni generale:

− acţiuni asupra mediului înconjurător, cu ajutorul unor efectori (de apucare, de împingere, de ridicare, de sudare etc.);

− percepţie, în scopul culegerii de informaţii asupra mediului înconjurător şi al prelucrării acestor informaţii în concordanţă cu cerinţele sistemului central de comandă in vederea identificării, clasifi-cării etc.;

− comunicare, pentru schimbul de informaţii dintre ro-

Subsistemul de comandă şi programare

Subsistemul de acţionare

cinematicSubsistemul

al robotului

Subsistemul senzorial

Fig. 1.20. Subsistemele componente ale unui robot.

bot şi operatorul uman sau cu alţi roboţi, inclusiv în scopul instruirii


robotului, realizată prin diferite metode şi limbaje; − decizie, pentru organizarea interacţiunii primelor trei funcţiuni în

vederea realizării unei sarcini. Pentru realizarea acestor funcţiuni, structura unui robot este alcătuită din

patru subsisteme (fig.1.20): subsistemul cinematic, de acţionare, de comandă şi programare, senzorial (de măsurare, informaţional).

Subsistemul cinematic este alcătuit dintr-o structură mecanică, capabilă să execute diversitatea mişcărilor necesare pentru a se acţiona asupra mediului înconjurător.

Structura unui robot industrial depinde în primul rând de modul de alegere şi combinare a mişcărilor elementare, respectiv de ,,gradele de libertate’’ care i se atribuie. Se ştie că pentru determinarea poziţiei unui corp rigid în spaţiu sunt necesare 6 coordonate (fig.1.21), astfel că deplasarea de la un punct

din spaţiu M0 la alt punct M1 se face prin variaţia acestor 6 coordonate.

Un robot industrial capabil să efectueze o astfel de operaţie trebuie să dispună deci de 6 grade de libertate (trei

translaţii tx, ty tz, şi trei rotaţii rx, ry, rz), la

ZR

tx

z

YR

XR

t

r

ry

rz

ty

M0

M1

M2 x

care se adaugă dispozitivul de apucare. Construcţia de bază a unui robot comportă trei grade de libertate, combinate conform schemelor cinematice din

Fig. 1.21. Cele 6 coordonate pentru determinarea poziţiei unui corp în spaţiu.

figura 1.22, la care se adaugă una sau două rotaţii ale dispozitivului de apucare, rezultând, împreună cu acestea, în total 4 − 6 grade de libertate.

Subsistemul de acţionare exprimă caracterul de automorfism numai prin funcţiunile pe care le îndeplineşte, fiind considerat ,,musculatura’’ robotului. Diferenţa între modul de îndeplinire a acestor funcţiuni în comparaţie cu mecanismul musculaturii umane rezultă din utilizarea unor motoare electrice, hidraulice sau pneumatice.

Subsistemul de comandă şi programare reprezintă un ansamblu de echipamente (structuri de calcul universale sau specializate) şi de programe care realizează mişcarea robotului în regim automat sau manual, precum şi programarea sa prin metode textuale sau netextuale, în vederea executării unei sarcini utile.

Subsistemul senzorial reprezintă un ansamblu de elemente de specialitate pentru transpunerea proprietăţilor fizico − chimice ale diferitelor obiecte în informaţii utile executării anumitor operaţiuni. Structura generală a unui


zr

yr

x r rx

ry

rz z

r

yr

xr rx

ry

rz

a b c d

O mişcare de translaţie

O mişcare derotaţie

Două mişcăride translaţie

O mişcare detranslaţie şi o

mişcare de rotaţiesuccesive

z ryr

x r Rx

Ry

rz

rx

ryr

z

h i j

Două mişcări detranslaţie şi una

de rotaţie

O mişcare detranslaţie şi

două de rotaţie

Trei mişcări derotaţie

rx

ryr

z zr

yr

xr

zr

yr

xr

e f g

O mişcare detranslaţie şi o

mişcare de rotaţiesimultane

Două mişcări derotaţie simultane

Trei mişcări de translaţie

Fig. 1.22. Reprezentarea grafică a posibilităţilor de lucru ale unui robot în funcţie de gradele de

libertate.

robot evoluat inteligent în care sunt puse în evidenţă cele patru funcţii de bază ale robotului se prezintă în figura 1.23.

În condiţiile specifice industriei de astăzi a construcţiilor de maşini, caracterizată prin discontinuitate şi continuă diversificare, asocierea noţiunilor tehnologie şi automatizare implică în mod obligatoriu noţiunea de flexibilitate ca un criteriu de bază în creşterea accentuată a productivităţii muncii. Prin flexibilitatea unui sistem se înţelege capacitatea sistemului de a se adapta la sarcini de producţie diferite, atât din punct de vedere al formei şi dimensiunilor produsului, cât şi din punct de vedere al procesului tehnologic care trebuie efectuat. Concepţia sistemelor flexibile se bazează în esenţă pe:


navigaţie

Generarearăspunsurilor

în limbajnatural

Microfon

Sistem deînţelegerea vorbirii

Sistemgramaticalsintactic

Sistemsemantic

Sintetizatorde voce

Difuzor

Baza de date şide cunoştinţe

Modelul mediuluiModelul mediului

Dicţionarde

cuvinte

Funcţie dedecizie

Sistem de decizieGenerarea şi

execuţia planului deacţiuni

mpărţirea planului în acţiunielementare

Execuţiaacţiunilor

de manipulare

Execuţiaacţiunilor

denavigaţie

Funcţiede

acţiune

Sistem demanipulare

Sistem de

Interpretareascenelor

informaţieiPrelucrarea

senzoriale

Recunoaş -terea

obiectivelorStrategie deachiziţie ainformaţiei

vizuale

Funcţie depercepţie

Preprocesareaimaginii

Reglajulcamerei

TV

Digitizare

TVSistem

senzorial

Robot fizic

Lumea reală

Î

Fig. 1.23. Structura generală a unui robot evoluat inteligent.

- descompunerea programului de fabricaţie în grupe de produse sau ansamble cu caracteristici tehnologico-constructive similare, pe baza metodelor tehnologiei de grup şi crearea de linii flexibile sau celule flexibile specializate pentru diferite grupe de produse sau subansamble;

− conceperea integrată a procesului de producţie, în sensul definirii lui ca sistem şi proiectării corelate a subsistemelor: tehnologie, manipulare, control, comandă etc.;

− adoptarea construcţiei modulare, în sensul compunerii sistemului (pe cât posibil) din elemente cunoscute, folosind cu prioritate, pe lângă maşinile şi echipamentele de catalog, module specifice diferitelor subsisteme;

− realizarea flexibilităţii sistemului, atât prin recombinare modulară, cât şi prin crearea posibilităţilor de reglaj şi comutare în cadrul întregului sistem şi al fiecărui subsistem în parte.


În acest fel apare o viziune complet nouă în aprecierea eficienţei unui sistem tehnologic. Nu este vorba deci numai de optimizarea sistemului sub aspectul economiei maximale de resurse energetice şi materiale, ci şi de economia de muncă. Acestor considerente evaluate statistic li se adaugă o evaluare legată de dinamismul sistemului, de capacitatea lui de a se adapta atunci când intervin din afară cerinţe noi, cerinţe ce se pot schimba oricând.

1.2.2.3. Fiabilitatea

Se defineşte fiabilitatea ca fiind ansamblul calităţilor unui sistem tehnic ce determină capacitatea acestuia de a fi utilizat un timp cât mai îndelungat în scopul în care a fost construit; mărime care caracterizează siguranţa şi funcţionarea unui sistem tehnic; mărime a probabilităţii de funcţionare a unui sistem tehnic în conformitate cu normele prescrise. Teoria fiabilităţii este teoria care se ocupă cu studiul măsurilor generale ce trebuie avute în vedere la proiectarea, încercarea, fabricarea, recepţia şi exploatarea sistemelor tehnice pentru a se asigura eficienţa maximă a utilizării lor.

Fiabilitatea se calculează în funcţie de improbabilitatea apariţiei avariei, fiind o mărime ce caracterizează siguranţa în funcţionare a produsului. Fiabilitatea este o noţiune diferită de calitatea produsului, ea reprezentând ansamblul tuturor calităţilor unui produs (sistem tehnic) care determină capacitatea acestuia de a fi utilizat un timp cât mai îndelungat în scopul în care a fost construit. Pentru o fiabilitate deosebită apare noţiunea de redondanţă, care înseamnă crearea de sisteme auxiliare capabile să preia funcţia în caz de avarie, pentru a menţine sistemul în stare de funcţionare un anumit timp (de exemplu, un automobil are frână de motor, frână de serviciu şi frână de mână). Redondanţa sistemului este cea care deosebeşte între ele produsele de acelaşi fel (de exemplu, un radiocasetofon Sony se deosebeşte de unul Philips sau Pioneer, sau Aiwa, sau Gloria etc.).

În concluzie, se poate spune că nici o tehnologie nu poate realiza de la început un optimum pentru toţi factorii de eficienţă. Este deci necesară o ierarhizare a criteriilor de optimizare. Astfel, în industria constructoare de maşini, foarte sensibilă la cerinţele de diversificare a producţiei, nu este totdeauna posibil şi oportun ca o tehnologie nouă să satisfacă de la început şi într-o măsură cât mai mare toate criteriile de optimizare. De aceea, într-o ordine logică se acordă prioritate calităţii produsului, funcţionalităţii lui şi protecţiei mediului şi operatorului. În a doua etapă intervine criteriul productivităţii, urmărind eliminarea punctelor strangulate pe fluxul tehnologic, pentru ca în a treia etapă să se concentreze toate eforturile pentru reducerea costurilor de producţie, a consumurilor materiale şi de energie.

Bine concepută şi aplicată, etapizarea optimizării asigură eficienţa maximă a producţiei, atât la nivelul producătorului de tehnică nouă, cât şi la nivelul întregii


economii. Nivelul maxim al eficienţei pentru care a fost proiectată o tehnologie la

timpul t se realizează însă la timpul (t + ∆t), prin urmare minimizarea lui ∆t (timpul de aplicare a noului) este un alt criteriu deosebit de important de optimizat. Aceasta implică noţiunea de prognoză tehnologică − element esenţial al dezvoltării tehnologiei, care reprezintă o evaluare probabilistică a posibilităţilor, tendinţelor şi perspectivelor de transfer tehnologic în timp.

1.2.3. Principul informaţiei.

Principiul proiectării proceselor tehnologice

În desfăşurarea unui proces tehnologic şi în fiecare etapă a acestuia trebuie asigurat permanent controlul fluxurilor de intrare şi de ieşire în limitele prescrise, cu o redondanţă minimă şi cu un înalt grad de automatizare. Procesul tehnologic trebuie să se desfăşoare deci cu un minimum de efort şi maximum de rezultate.

Aceasta presupune ca orice proces tehnologic să fie proiectat, adică să fie stabilit în prealabil în mod detaliat şi aleasă soluţia optimă dintre mai multe variante posibile (fig.1.14 şi fig.1.15). Proiectarea unui produs cuprinde:

− proiectarea funcţională − conceperea produsului în aşa fel încât el să corespundă cerinţelor funcţionale impuse;

− proiectarea tehnologică − conceperea produsului în aşa fel încât el să poată fi realizat printr-o tehnologie cât mai convenabilă.

Apare în acest mod o determinare reciprocă a proiectării produsului şi proiectării tehnologiei de fabricaţie; nu numai cerinţele calitative ale produsului impun stabilirea procesului tehnologic, ci şi tehnologia impune definitivarea construcţiei optime a produsului. Se introduce în acest fel o nouă noţiune − tehnologicitatea produsului (piesei). Un produs sau o piesă sunt construite tehnologic dacă permit obţinerea lor cu un consum minim de muncă, materiale şi utilaje tehnologice, asigurându-se prelucrarea, controlul, protecţia muncii şi a operatorului şi asamblarea prin cele mai simple mijloace.

În proiectarea oricărui produs tehnologic se porneşte întotdeauna de la modelul general al procesului tehnologic (fig.1.24).

Pentru început oricare proces tehnologic ce trebuie proiectat şi optimizat apare ca o ,,cutie neagră’’, în care trebuiesc introduse o serie de informaţii legate de material, forţa de muncă şi energia necesare şi o serie de cunoştinţe iniţiale (fig.1.24), din care să rezulte apoi produsul cu utilitatea socială dorită şi o serie de cunoştinţe noi.

Mai rezultă deşeuri materiale (care trebuie să fie în cantitate cât mai mică şi


Procestehnologic Deşeuri materiale

Energiedisipată

Cunoştinţe noi

Piesa(Produsul)Materiale

Energie

Forţa de muncă

Cunoştinţe Fig. 1.24. Fluxurile de intrare-ieşire într-un proces tehnologic.

cât mai nepoluante) şi energie disipată, căreia încercăm să-i conferim o altă utilitate. Pentru a avea în permanenţă controlul fluxurilor de intrare şi de ieşire, în vederea proiectării proceselor tehnologice, trebuie cunoscute o serie de informaţii primare (fig.1.25) legate atât de piesa sau produsul ce trebuie realizate, cât şi de cadrul organizatoric în care se va realiza procesul de producţie (tipul producţiei, organizarea şi dotarea întreprinderii etc.), informaţii ce constituie sistemul informaţional-decizional-tehnologic (S.I.D.T.).

Având aceste informaţii primare şi cunoscând scopul procesului de producţie se întocmesc mai multe variante de procese tehnologice posibile, din care se alege varianta optimă.

Procesele tehnologice se realizează prin aplicarea diferitelor metode tehnologice. Metoda tehnologică este un mod sistematic şi principial de executare a unei operaţii, a unei serii de operaţii într-un proces tehnologic sau a unor procese tehnologice, comun, dintr-un punct de vedere esenţial (natura fenomenelor, natura rezultatelor etc.) pentru mai multe clase de procedee tehnologice.

Procedeul tehnologic cuprinde şi mijloacele prin care se realizează o metodă tehnologică, adică diferă în funcţie de utilajul tehnologic, mediul de lucru, materialul de adaos utilizat etc.

Rolul acestei lucrări în continuare este de a-l înzestra (pregăti) pe viitorul inginer mecanic şi alţi specialişti chemaţi să ia decizii tehnologice, cu principalele cunoştinţe teoretice şi practice de tehnologie cuprinse în partea stângă a sistemului informaţional-decizional-tehnologic (S.I.D.T.), necesare formării unei bune orientări la alegerea materialului şi a formei unei piese (unui produs), a metodei şi procedeului de prelucrare, de îmbinare şi control nedistructiv, pentru condiţii date de solicitare şi funcţionare a piesei, a subansamblului sau ansamblului.

Partea dreaptă a sistemului informaţional decizional, tehnologic oferă informaţiile necesare inginerului din punct de vedere al managementului industrial.

De aceea, în continuare se va analiza pe rând, foarte succint, fiecare parte componentă a sistemului informaţional-decizional-tehnologic, scoţându-se în evidenţă informaţiile primare necesare proiectării proceselor tehnologice din ambele puncte de vedere.


Desenul piesei

(produsului)

Stereometria(Forma)

Preciziageometrică Materialul

Clasificareasemifabricatelor

Sistemul detoleranţe

Abaterile depoziţie şi

formăRugozităţile

Comportareasub acţiunea

forţelor detransformare

Alegereaunor procedee

tehnologice posibile derealizare a piesei

(produsului)

Scopulprocesuluitehnologic

Condiţiileimpuse

procesuluide producţie

Defalcarea pe operaţii

1 2 n

Tipulproducţiei şi

organizarea

Dotarea cuechipamenttehnologic

Forţa

Programa deproducţie

Calificarea şiexperienţa

Echipamentultehnologic şi forţa

disponibilă pentrurealizarea piesei

Optimizarea operaţiilor

proiectareaprocesuluitehnologic

optimde realizare

a piesei(produsului)

Alegerea şi

....

de bucăţiNumărul

întreprinderii

documentaţieitehnologice

Întocmirea

(produsului)

Gradul de

a utilajelorîncărcare

de muncă

de muncă

Fig. 1.25. Sistemul informaţional-decizional-tehnologic (S.I.D.T.).

1.2.3.1. Stereometria (forma)

Configuraţia geometrică a unei piese este dată de forma geometrică a suprafeţelor ce delimitează piesa în spaţiu. Forma geometrică a suprafeţelor este impusă de rolul funcţional şi de condiţiile în care trebuie să funcţioneze piesa în ansamblul din care face parte.

Deoarece producţia este infinit variată şi variabilă, tehnologia ar trebui să fie ca o ,,carte de reţete’’, care să cuprindă multitudinea de fenomene şi transformări ale materiei ce concură la realizarea fiecărui produs.

Scrierea unei astfel de cărţi a reţetelor tehnologice devine imposibilă ca timp necesar şi inutilă ca evoluţie în timp, de aceea în cărţile de tehnologie sunt cuprinse doar principiile generale de realizare a produselor de o anumită formă, categorie şi cu o anumită utilitate socială.


Tabelul 1.2. Clasificarea pieselor în construcţia de maşini

Clasa Grupa Tipul Câteva exemple de piese 0 1 2 3

Carcase ,,corpuri complexe’’

I - Piese turnate - Piese sudate - Piese forjate - Piese de complexitate ridicată, capace; - Plăci profilate etc.

Batiurile, blocurile de cilindri, carterele de reductoare şi de cutii de viteze, corpurile de pompe, corpurile de compresoare, corpurile de aparate, carterele punţilor din spate de la automobile, carterele de motoare, capacele de lagăre, corpurile de păpuşi fixe şi mobile, montanţii, consolele, plăcile cu diferite profiluri interioare şi exterioare, mesele de prelucrare etc.

Tije rotunde (arbori)

II - Arbori plini, netezi şi în trepte - Arbori cu gaură longitudinală (tubulari) - Arbori cotiţi, arbori cu came, arbori excentrici - Arbori cu flanşe, cu roţi dinţate, cu suprafeţe profilate

Arborii principali ai maşinilor-unelte, turbinelor şi selectoarelor, arborii cardanici, tijele ciocanelor, tiranţii, coloanele, antrenoarele rotunde şi în trepte, arborii cotiţi, ţevile, buloanele mari de întindere, arborii cu came, crucile cardanice, arborii cu coroane dinţate, camele de frânare, fuzetele de automobile, planetarele, furcile cardanice etc.

Bucşe (cilindrii cavi)

III - de formă simplă - de formă complexă (şi cu suprafaţe interioare şi exterioare complicate) - cu pereţi subţiri

Pistoanele cave, tamburii, cilindrii cavi, butucii de roţi, racordurile de diferite tipuri, bucşele, ştuţurile, cuzineţii, cămăşile de cilindri etc.

Discuri IV - simple - roţi dintate - cu pereţi subtiri - flanşe - segmenţi de piston

Roţile de curea, volanţii, rolele, roţile, roţile de rulare, discurile, flanşele, discurile de ambreiaj, tamburii de frână, inelele de rulmenţi, corpurile manşoanelor de ambreiaj, discurile turbinelor, roţile dinţate cilindrice şi conice, roţile de lanţ, discurile cu pereţi subţiri, discurile ştanţate din tablă, segmenţii de pistoane etc.

Pârghii (tije nero-tunde)

V - Grinzi - Pârghii drepte - Pârghii curbe - Cu pereţi subţiri

Grinzile de diferite tipuri, lonjeroanele automobilelor şi avioanelor, traversele, barele profilate, bielele, penele drepte şi prismatice, pârghiile de orice fel, furcile pentru schimbatrea vitezelor, saboţii de frână, pârghiile cu pereţi subţiri, pârghiile cu cavităţi etc.

Piese mici de formă complexă

VI - Capete - Racorduri - Piese profilate

Capul direcţiei, camele, şabloanele,capetele de schimbare a vitezelor, colţarele, teurile, ştuţurile mici, racordurile, coturile etc.

Piese de fixare

VII - din bară - din colaci de sârmă

Piuliţele, buloanele, şuruburile, piuliţele profilate, şuruburile pentru lemn cu crestătură în cruce, prezoanele, piuliţele înfundate, penele disc, piesele mărunte profilate etc.

Oricât de diversă este construcţia de maşini şi aparate, oricât de variate ca formă, dimensiuni şi rol funcţional sunt piesele ce le compun, ele se clasifică după formă în câteva clase: piese de tipul axelor (peste 60 % din organele de


maşini), arborilor, bucşelor, flanşelor, roţilor, carcaselor, pârghiilor şi pieselor de fixare (tabelul 1.2).

Cunoscând clasa din care face parte piesa, ca formă, se pot stabili foarte multe lucruri, începând chiar cu alegerea semifabricatului iniţial şi terminând cu succesiunea logică a operaţiilor de prelucrare (de exemplu, dacă este vorba de o axă, semifabricatul iniţial este o bară laminată sau trasă la dimensiunile corespunzătoare, stabilindu-se apoi operaţiile de aşchiere necesare realizării formei dorite). Au fost întocmite deci aşa numitele ,,tehnologii de grup’’ care, după încadrarea piesei în clasa din care face parte, permit o proiectare rapidă a procesului tehnologic de realizare în condiţiile oricărui tip de producţie (tehnologia de prelucrare a pieselor de tipul axelor, tehnologia de prelucrare a pieselor de tipul carcaselor etc.).

1.2.3.2. Precizia geometrică

Orice piesă, cu toate caracteristicile sale, se realizează concret în procesul de prelucrare şi trebuie să corespundă unui anumit rol funcţional. Datorită influenţei unui număr mare de factori obiectivi şi subiectivi, dintre care cei mai mulţi sunt legaţi de imperfecţiunile mijloacelor de lucru şi de control, piesele sau produsele finite de acelaşi fel se deosebesc unele de altele şi respectiv de piesa sau produsul teoretic de referinţă. Apare deci noţiunea de precizie a prelucrării sau precizie a asamblării, prin care se înţelege gradul de apropiere dintre piesa sau produsul obţinut faţă de piesa sau produsul de referinţă.

Din punct de vedere geometric precizia prelucrării pieselor trebuie privită sub următoarele aspecte:

- precizia dimensională; - precizia formei geometrice; - precizia poziţiei reciproce a suprafeţelor; - rugozitatea suprafeţelor. La stabilirea preciziei geometrice participă următorii factori:

proiectantul, tehnologia de realizare a piesei sau produsului, instrumentul de măsură şi control.

Analiza fiecărui element component al preciziei geometrice trebuie făcută ţinând cont de: rolul funcţional al piesei (produsului), interschimbabilitatea piesei şi aspectul economic.

a. Precizia dimensională

Dimensiunea este caracteristica geometrică liniară exprimată printr-un număr care determină mărimea unei piese, poziţia unei suprafeţe faţă de alta, poziţia unei piese faţă de alta etc. (de exemplu diametrul, lungimea unei piese, grosimea, distanţa dintre două suprafeţe a două piese diferite etc.). Conform STAS 8100/1-88 se definesc:

- dimensiunea nominală N este dimensiunea teoretică ce apare la proiectare rezultând din calcul, cercetare sau experimentare şi corespunde exact


dimensiunii indicate pe desen (fig.1.26). Dimensiunea nominală este valoarea de referinţă în caracterizarea unei anumite dimensiuni.

- dimensiunea efectivă E este dimensiunea obţinută prin prelucrare şi cunoscută prin măsurare. Dacă dimensiunea nominală are o singură valoare, dimensiunea efectivă este, în mod obiectiv, variabilă de la piesă la piesă. Pentru a fi utilizată în scopul propus, piesa nu poate avea orice dimensiune. Pe baza considerentelor funcţionale dimensiunea efectivă trebuie să fie cuprinsă între două

dimensiuni limită: dimensiunea limită maximă Lmax şi dimensiunea limită minimă

Lmin ,

maxmin LEL ≤≤ . (1.13)

Având în vedere marea importanţă a abaterilor dimensionale şi dezvoltarea cooperării internaţionale pe plan tehnic, în ţara noastră s-a adoptat sistemul ISO de toleranţă şi ajustaje, reglementat prin STAS 8100/75, care stabileşte terminologia utilizată astfel:

T

Lmax

L minN

Linia zero

EIES

Câmp de toleranţă

- abaterea efectivă Eef, reprezintă diferenţa algebrică dintre dimensiunea efectivă şi dimensiunea nominală corespunzătoare

Eef = E − N ; (1.14)

- abaterile limită sunt cele două abateri (superioară ES şi inferioară EI), definite ca diferenţele algebrice între dimensiunile limită şi dimensiunea nominală corespunzătoare:

NLES max −= şi NLEI min −= ; (1.15)

Fig. 1.26. Definirea dimensiunilor. - linia zero este dşreapta de referinţă faţă de care se reprezintă abaterile în reprezenta-

rea grafică a toleranţelor şi ajustajelor (corespunde dimensiunii nominale); - toleranţa T reprezintă diferenţa dintre dimensiunea maximă şi

dimensiunea minimă sau între abaterea superioară şi abaterea inferioară

;minmax EIESLLT −=−= (1.16)

- câmpul de toleranţă reprezintă zona cuprinsă între linia ce corespunde dimensiunii limită maxime şi linia ce corespunde dimensiunii limită minime (STAS 8100/3-88).


Dmax

Dmin

+

-

EIES

T

Alezaj

linia zero dmax

d min

t

Arbore

linia zero

ei es+

-

a b Fig. 1.27. Reprezentarea convenţională a toleranţelor:

a - pentru alezaj; b - pentru arbore.

Convenţional, în asamblările cu suprafeţe cilindrice (cele mai des întâlnite) suprafaţa cuprinzătoare se numeşte alezaj, iar suprafaţa cuprinsă se numeşte arbore (fig.1.27).

Asamblarea unui arbore cu un alezaj se numeşte ajustaj. Sistemul de ajustaj este relaţia rezultată din diferenţa dintre dimensiunile dinainte de asamblare a două piese ce urmează a fi asamblate şi cele de după asamblare. Pentru alezaj se folosesc notaţii cu litere mari, iar pentru arbore notaţii cu litere mici. Din punctul de vedere al formei, ajustajele standardizate sunt de mai multe feluri: cilindrice, plane, conice, canelate, cu pene, filetate etc.

Din punct de vedere funcţional ajustajele alezaj − arbore standardizate sunt:

- ajustajele cu joc − se caracterizează prin aceea că diametrul minim al alezajului este mai mare ca diametrul maxim al arborelui (fig.1.28).

La acest ajustaj se deosebeşte un joc maxim jmax , dat de relaţia

jmax = Dmax − dmin = ES − ei (1.17)

şi un joc minim jmin , dat de relaţia

jD

D

T

minmax

max

t

dmax

dmin

jmin

T+

-

0

EI

ES

eies

jmax

jmin

[µm]

[µm] t

linia zero

linia zero

Fig. 1.28. Ajustaj cu joc.

jmin = Dmin − dmax = EI − es. (1.18)


Se defineşte şi toleranţa jocului Tj , cu relaţia

Tj = jmax − jmin = T + t. (1.19)

De exemplu, reprezentat grafic un ajustaj cu joc în cazul asamblării unui

arbore ∅ 060,0130,08−

− cu un alezaj ∅ 050,0020,08+

+ (cazul axului de comandă al indicatorului de

scală la un aparat de măsurare) arată ca în figura 1.29. - ajustajele intermediare − se caracterizează prin aceea că alezajul are

câmpul de toleranţă suprapus parţial sau complet peste câmpul de toleranţă al arborelui (fig.1.30).

EI

j

es = 0,060

ei = 0,130

0

N = 8

+ µm

max

linia zero

− µm[ ]

[ ]

T=0,060

=0,020

=0,180

ES =0,050

t =0,090

j min= 0,080

Fig.1.29. Reprezentarea schematică a unui ajustaj cu joc alezaj ∅050,0020,08+

+ - arbore ∅06.013,08−

− .

După asamblare la acest fel de ajustaj se poate obţine fie un ajustaj cu strângere, fie un ajustaj cu joc. Valorile efective intermediare ale jocurilor şi strângerilor trebuie să fie cuprinse între două limite care sunt jocul maxim şi strângerea maximă, determinate cu relaţiile

DD

jT

minmax

max t

dmax

dmin

smax

j

esT

+

0

[µm]

max

EI

ES

t

N

s max

ei

linia zero

-[µm]

linia zero

Fig. 1.30. Ajustaj intermediar.

jmax = Dmax − dmin = ES − ei (1.20)

şi corespunzător


smax = dmax − Dmin = es − EI. (1.21)

- ajustajele cu strângere − se caracterizează prin aceea că diametrul maxim al alezajului este mai mic decât diametrul minim al arborelui (fig.1.31).

În cazul acestui ajustaj se deosebeşte o strângere maximă, dată de relaţia

smax = dmax − Dmin = es − EI (1.22)

şi o strângere minimă,

smin = dmin − Dmax = ei − ES. (1.23)

D D

T

minmax

smin

t

dmax

dmin

s max

ES

+

-

0

[µm]

es

ei

EIs max

t

T

N

s min

linia zero[µm]

linia zero

Fig. 1.31. Ajustaj cu strângere.

Sistemul ISO de toleranţă şi ajustaje a apărut ca o necesitate pentru a uşura schimburile între ţări şi a favoriza interschimbabilitatea pieselor şi a maşinilor executate după diferite sisteme naţionale de toleranţă şi ajustaje. Interschimbabilitatea este proprietatea pe care o au anumite piese de acelaşi fel, de a fi montate în subansamblul, în ansamblul ori în agregatul respectiv sau de a se putea înlocui reciproc fără o selecţionare prealabilă şi fără prelucrări ulterioare suplimentare de ajustare la montare, îndeplinind acelaşi rol funcţional (de exemplu, o bujie este interschimbabilă cu orice altă bujie de acelaşi fel, îndeplinind acelaşi rol funcţional, fără prelucrări ulterioare, chiar dacă bujia care o înlocuieşte pe prima a fost executată la distanţă mare în timp de prima şi în cu totul altă întreprindere din ţară sau din lume).

La baza elaborării sistemului ISO stau câteva caracteristici care definesc sistemul:

- caracteristica 1 se referă la baza sistemului. Pentru limitarea numărului de ajustaje şi pentru asigurarea economicităţii proiectării şi fabricării produselor s-au stabilit două sisteme de ajustaje: sistemul alezaj unitar şi sistemul arbore unitar (STAS 8100/2-88).

În sistemul alezaj unitar, toleranţa alezajului indiferent de mărimea ei rămâne fixă ca poziţie faţă de linia zero (fig.1.32), iar diferitele ajustaje necesare


se obţin prin stabilirea de diferite poziţii ale toleranţei la diametrul arborelui. În sistemul arbore unitar (fig.1.33), toleranţa arborelui rămâne fixă ca

poziţie faţă de linia zero, iar diferitele ajustaje necesare se obţin prin stabilirea de poziţii diferite ale toleranţei alezajului.

Folosirea unuia sau a celuilalt sistem de ajustaje depinde de felul construcţiei şi caracterul asamblării. De exemplu, în cazul unei carcase cu mai multe alezaje cu acelaşi diametru nominal, folosirea sistemului alezaj unitar este mai economică, prelucrarea şi controlul alezajelor făcându-se cu aceleaşi scule şi respectiv aceleaşi verificatoare. În cazul unei asamblări de tip piston-bolţ-bielă, este mult mai economic sistemul arbore unitar din aceleaşi raţiuni;

T T Tes

ei

0

N-

+

Ajustaje cu jocA,B,C,CD,D,E,EF,F,FG,G,H

(foarte larg, larg, larg special,liber, semiliber,

Ajustaje intermediareJS,J,K,M,N,P,R

(cu frecare, aderent,S,T,U,V,X,Y,Z,ZA,ZB,ZC

ES=T ES=T es es

ei

eiES=T

linia zero

Ajustaje cu strângere

presat forţat, blocat)

EI =0

t

t

t

EI =0 EI =0

alunecător)

Fig. 1.32. Ajustaje în sistemul alezaj unitar.

- caracteristica 2 − se referă la unitatea de toleranţă. În urma unor cercetări experimentale îndelungate s-a stabilit că mărimea toleranţei T este funcţie de valoarea diametrului şi de condiţiile funcţionale. Se exprimă prin relaţia

T = k ⋅ iISO [µm], (1.24)

în care k este un număr ce se alege din tabele; iISO − este unitatea de toleranţă ISO. Unitatea de toleranţă se calculează cu relaţia

iISO = 0,45 3 D + 0,001⋅D [µm], (1.25)

pentru diametre nominale D < 500 mm (D se ia în mm) şi

iISO = 0,004⋅D + 2,1 [µm], (1.26)

pentru diametre nominale 500 mm < D ≤ 3150 mm;


t

ESEI

T

TEI

ES

ESEI

T

Ajustaje cu joca, b, c, cd, d,

Ajustaje intermediarejs, j, k, m, n, p, r s, t, u, v, x, y,

-

+

N

es

ei= -tei= -tei= -t

es es

z, za, zb, zce, ef, f, fg, g, h

linia zero

Ajustaje cu strângere

t t

= 0= 0= 0

Fig. 1.33. Ajustaje în sistemul arbore unitar.

- caracteristica 3 − se referă la treptele de precizie. Indiferent de valoarea diametrului nominal şi implicit a unităţii de toleranţă, toleranţa poate fi mai mare sau mai mică în funcţie de rolul, importanţa funcţională şi condiţiile de lucru ale pieselor şi ajustajelor.

Din acest punct de vedere, sistemul ISO standardizat la noi în ţară cuprinde 18 trepte de precizie notate în ordinea descrescândă a preciziei astfel:

- 01, 0, 1, 2, 3, 4 − pentru calibre, instrumente de măsură, piese de mecanică fină şi de precizie; în microelectronică etc.;

- 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 − pentru piesele obişnuite, din construcţia de maşini şi aparate, care formează ajustaje;

- 13, 14, 15, 16 − pentru piesele cu suprafeţe şi dimensiuni libere, precum şi în cazul semifabricatelor forjate, turnate, sudate etc.

- caracteristica 4 − se referă la temperatura de măsură şi control. Dimensiunile şi abaterile efective sunt luate în considerare numai dacă în timpul măsurării temperatura mediului înconjurător este de 20 ± 2°C;

- caracteristica 5 − se referă la simbolurile ajustajelor. Sistemul ISO prevede 28 de poziţii ale câmpurilor de toleranţă faţă de linia

zero, având ca simboluri litere mari (A,B,C...Z) pentru alezaje şi litere mici (a,b,c,...z) pentru arbori, corespunzător rolului funcţional (fig.1.32 şi fig.1.33).

În figura 1.34 se prezintă poziţiile câmpurilor de toleranţă ale alezajelor (fig.1.34. a) şi ale arborilor (fig.1.34. b) cu notaţiile corespunzătoare.

Înscrierea şi simbolizarea toleranţelor şi ajustajelor pe desene se face conform STAS 6265/81. Un exemplu de notare se prezintă în figura 1.35.

Observaţie. Alegerea preciziei şi a ajustajelor are o mare importanţă din punct de vedere tehnic şi economic − ea se stabileşte în funcţie de posibilităţile de realizare (deci implică o anumită tehnologie) şi de economicitatea prelucrării şi asamblării pieselor.


A

B

CCD

D EEF F

FGG

H

JK M

NP

RJsS

TU

VX

YZ

ZAZB

ZC

-[µ m ]

linia zero

+[µ ]m

a

ab

ccd

d e

eff

fgg

js

km

np

r t

uv

xy

zza

zbzc

j

+[µ m]

[µm]

linia zero

-

b

Fig. 1.34. Poziţiile câmpurilor de toleranţă: a − la alezaje; b − la arbori.


cb

20

20

a

20

20 g6

H7

+ 0,0200H7

- 0,009- 0,020g6

15 N6

15

+ 0,0200

+ 0,015- 0,110N6

h5

h5H7g6

( )( )

( )( )

∅

∅

∅

∅

∅

∅

Fig. 1.35. Înscrierea pe desen a toleranţelor şi ajustajelor în sistemul ISO:

a − separat pe alezaj şi arbore în care 20 este dimensiunea nominală, alezajul executat în clasa de precizie 7 şi arborele în clasa de precizie 6; b − sistem de ajustaj cu joc, alezajul unitar (H) executat în clasa de precizie 7, iar arborele este executat în clasa de precizie 6; c − sistem de ajustaj intermediar,

arborele unitar (h), alezajul executat în clasa de precizie 6, iar arborele în clasa de precizie 5 (în paranteze sunt trecute abaterile limită la alezaj şi respectiv la arbore).

b. Precizia formei geometrice a suprafeţelor (STAS 7391/1-74)

Forma geometrică a suprafeţelor este impusă de condiţiile în care trebuie să funcţioneze piesele. Forma geometrică a suprafeţelor rezultată din calcul, proiectare sau experimentare se numeşte forma de referinţă sau ideală. Forma geometrică a suprafeţelor rezultată în urma prelucrării se numeşte formă geometrică reală. Datorită imperfecţiunilor sistemului tehnologic de lucru format din maşină-unealtă, sculă, dispozitiv, piesă, forma geometrică reală obţinută diferă într-o măsură mai mare sau mai mică de forma geometrică de referinţă (proiectată).

Abaterile de formă sunt deci abateri ale formei suprafeţei (profilului) reale de la forma suprafeţei (profilului) teoretice (de referinţă). Abaterile de formă pot fi considerate:

- în secţiune transversală (perpendiculară pe axa piesei); - în secţiune longitudinală (într-un plan ce conţine axa piesei). Principalele abateri de formă mai des întâlnite, standardizate (conform

STAS 7391/1-74), sunt prezentate în tabelul 1.3. Abaterile de formă se înscriu pe desenul piesei numai dacă sunt necesare

pentru asigurarea funcţionalităţii pieselor respective, atunci când valoarea lor în limitele lungimii de referinţă este mai mică de 25…75% din valoarea câmpului de toleranţă. În cazurile obişnuite abaterile efective ale formei geometrice se încadrează în toleranţa suprafeţei la care se referă şi nu se mai trec pe desenul piesei.

c. Precizia poziţiei reciproce a suprafeţelor (STAS 7391/3-74)

Din punct de vedere funcţional poziţia suprafeţelor este de cele mai multe ori foarte importantă, deoarece ea determină în mare măsură calitatea


pieselor şi

Tabelul 1.3. Abateri de formă

Simbol Nr. crt.

Denumirea abaterii de

formă

Schema de principiu

Literal grafic

Exemplu de notare pe desen

0 1 2 3 4 5 1 Abaterea de la

rectilinitate Profil teoretic

AFr

Profil real

AFr - - 0,040/100

2 Abaterea de la planitate

Profil teoretic

Profil real

AFp

AFp 0,050

3 Abaterea de la circularitate

Profil ideal

Profil real

AFc

DmaxDmin

AFc

0,020

4 Abaterea de la cilindricitate

Profil real

Profil teoretic

AFl AFl

AFlDmin

Dmax

AFl

0,010/100

5 Abaterea de la forma dată a

profilului

Profil teoreticAFf

Profilreal

AFf

0,020

6 Abaterea de la forma dată a

suprafeţei AFs

Profil teoreticProfil real

AFs

organelor de maşini luate separat, precum şi a maşinilor şi a aparatelor în ansamblu. Precizia de poziţie se defineşte prin valoarea abaterilor de


corespondenţă dintre două sau mai multe suprafeţe ce delimitează piesa în spaţiu. Cele mai importante abateri de poziţie întâlnite se prezintă în tabelul 1.4 (conform STAS 7391/3-74).

Tabelul 1.4. Abateri de poziţie

Nr. crt.

Denumirea abaterii

Schema de principiu

Simbol

Exemplu de notare pe desen

0 1 2 3 4 5 1 Abaterea

de la paralelism

APl

//

A

0,020/100// A

2 Abaterea

de la perpendi- cularitate

APd

⊥⊥⊥⊥

0,010 A

A

3 Abaterea

de la înclinare

80°

APî

A< 0,040

A

4 Abaterea de la coaxia-litate şi de la concentri-citate

APc

APc

AA0,020

5 Bătaia radială şi bătaia frontală

Br=2e

eO

Br Bf

A

0,100 A



6

Abaterea de la simetrie

LAPs

APs

10++

0,0200,010

A

0,050 A0,100+80

7 Abaterea de la intersec-tare

APx

A

A 0,100

8

Abaterea de la poziţia nominală

APp

APp

0,020

Abaterile de poziţie se înscriu pe desenele de execuţie ale piesei sau produsului numai dacă sunt necesare pentru asigurarea funcţionalităţii pieselor respective atunci când valoarea lor este mai mică de 25...75% din valoarea câmpului de toleranţă. În cazul în care se încadrează în toleranţele dimensionale admise abaterile de poziţie nu se indică pe desen.

d. Rugozitatea suprafeţelor

Rugozitatea suprafeţelor este definită de ansamblul microneregularităţilor de forme diferite, relativ apropiate, luate la scară microgeometrică, pe o porţiune l a suprafeţei. Neregularităţile (striaţii, rizuri, urme de sculă, goluri, pori, smulgeri de particule de material) apar mai ales la prelucrarea prin aşchiere a pieselor şi se datoresc frecării dintre tăişul sculei şi suprafaţa piesei, mişcării oscilatorii a vârfului sculelor, vibraţiilor sculă - maşină-unealtă - piesă etc.

Rugozitatea este un parametru care caracterizează calitatea suprafeţelor şi care este influenţată de foarte mulţi factori: natura materialului, procedeul de prelucrare, felul operaţiei (degroşare, semifinisare, finisare etc.), geometria sculei, modul de funcţionare a maşinii-unelte, parametrii regimului de prelucrare, modul de generare a suprafeţei etc.

Pentru aprecierea cantitativă a rugozităţii se foloseşte sistemul M (sistemul liniei mediane a profilului) cu ajutorul criteriilor de măsurare conform STAS 5730/75, astfel:

- abaterea medie a microneregularităţilor Ra (criteriul Ra) care reprezintă

valoarea medie a ordonatelor y11, y2,..., yn (fig.1.36) punctelor profilului efectiv

faţă de linia medie a profilului:


∑∫=

≈=n

ii

B

A

a yn

xyl

R1

1d

1; (1.27)

- înălţimea medie Rz (criteriul Rz), care reprezintă diferenţa între media aritmetică a ordonatelor celor mai înalte 5 proeminenţe şi a celor mai de jos 5 goluri ale profilului efectiv, în limitele lungimii de referinţă l, măsurate de la o dreaptă paralelă cu linia medie şi care nu intersectează profilul (fig.1.37)

55

10864297531 yyyyyyyyyyRz

++++−

++++= . (1.28)

Linia mediană a profilului

Proeminenţa

Linia exterioară a profilului

A BGol

Linia interioară a profilului

Rmax

yn-

yn-

yn

x

+y

-yl

yy

y

12

3

2

1

Fig. 1.36. Criteriul Ra.

y

l

y

x

y1

y3 y5 y7

y9

y2

y4

y6

8

y10

y11

- înălţimea maximă a micro-

neregularităţilor, notată cu Rmax, reprezintă distanţa între linia exterioară a profilului şi linia interioară a profilului (fig.1.36).

Între aceste criterii există o corespondenţă stabilită experimental:

lg Rz = 0,65 + 0,97 lg Ra; (1.29)

Fig. 1.37. Criteriul Rz. lg Rmax = 1,97 + 0,98 lg Ra; (1.30)

Rmax = (3 ... 6) Ra. (1.31)

Dintre criteriile prezentate, precizia cea mai ridicată o asigură Ra, dar

criteriul cel mai răspândit este Rz, deoarece este mai practic şi poate fi utilizat la


măsurarea rugozităţii cu orice fel de aparat.

În STAS 5730/2-75 sunt prevăzute 48 de valori pentru Ra (între 0,008 µm

şi 400 µm) şi 49 valori pentru Rz şi Rmax (între 0,025 µm şi 1600 µm).

Valorile parametrului Ra în funcţie de principalele procedee tehnologice de prelucrare, conform STAS 5730/2-75, sunt indicate în tabelul 1.5.

Înscrierea rugozităţii pe desenele de execuţie se face conform STAS 612/75 şi câteva exemple sunt date în figura 1.38.

Tabelul 1.5. Rugozitatea suprafeţelor în funcţie de procedeele tehnologice de prelucrare

Denumirea procedeului tehnologic

Rugozitatea suprafeţei Ra [µm] 50 25 12,5 6,3 3,2 1,6 0,8 0,4 0,2 0,1 0,05 0,025 0,112

Debitare cu flacără Curăţire cu polizorul Debitare cu ferăstrăul Rabotare Găurire Electrochimie Electroeroziune Frezare Broşare Alezare Strunjire, alezare cu cuţitul Rodare Lustruire electrolitică Roluire Rectificare Honuire Polisare Lepuire Rodare şi finisare Superfinisare Turnare în amestec de formare obişnuit

Laminare la cald Forjare Turnare în forme permanente Turnare de precizie Extrudare Laminare la rece Tragere Turnare în cochilă

- Valori obţinute frecvent prin procedeul respectiv

- Valori obţinute mai puţin frecvent prin procedeul respectiv


Rugozitatea unei suprafeţe se alege în funcţie de condiţiile impuse de rolul funcţional. În condiţii funcţionale mai severe, existenţa microneregularităţilor pe suprafeţele pieselor prezintă o serie de dezavantaje: micşorează suprafaţa efectivă de contact, uzura lor înrăutăţeşte condiţiile de frecare, adânciturile constituie concentratori de tensiuni care conduc la scăderea rezistenţei la oboseală a materialului piesei, prin tocirea microneregularităţilor se modifică într-o anumită măsură dimensiunile efective ale pieselor; uneori, în absenţa microneregularităţilor menţinerea peliculei de ulei pe suprafeţele de contact (la o ungere normală) este dificilă etc.

La alegerea rugozităţii se ţine cont, de asemenea, şi de clasa de precizie şi dimensiunea nominală (nu se poate obţine aceeaşi rugozitate la un arbore cu ∅ 2 500 mm ca la un arbore cu ∅ 20 mm). De asemenea, suprafeţele de contact, mai ales în mişcare sau în cazurile unor asamblări de precizie ridicată, trebuie să aibă o anumită rugozitate, care se stabileşte corespunzător condiţiilor de funcţionare: viteza de mişcare, mărimea şi caracterul solicitărilor, precizia dimensională şi precizia formei geometrice a suprafeţelor etc.

N 7 1,6

Strunjit

fin 25Turnat

0,858-62

3,2

3,21,6 100z

100max

3,21,6RR

HRC

1,6

3,2

a b

Fig. 1.38. Înscrierea rugozităţii pe desenele de execuţie: a − simboluri utilizate; b − notarea pe desen.

1.2.3.3. Stabilirea rolului funcţional al suprafeţelor

Cunoaşterea rolului funcţional al piesei este prima etapă în proiectarea oricărui proces tehnologic de realizare a piesei respective. Rolul funcţional al piesei este dat de rolul funcţional al fiecărei suprafeţe ce delimitează piesa în spaţiu, de aceea în primul rând se stabileşte rolul funcţional al fiecărei suprafeţe. Informaţiile primite din paragrafele 1.2.3.1...1.2.3.2 permit o clasificare a suprafeţelor, din punct de vedere al rolului lor funcţional, deosebindu-se:

- suprafeţele de asamblare − caracterizate prin: - o anumită configuraţie geometrică; - precizie dimensională ridicată; - rugozitate mică;


- prescripţii referitoare la forma geometrică; - prescripţii referitoare la poziţia suprafeţei în raport cu alte suprafeţe; - eventuale prescripţii referitoare la anumite proprietăţi.

- suprafeţe funcţionale − caracterizate prin: - precizie dimensională ridicată (depinde de rolul funcţional în

ansamblul din care face parte); - rugozitate mică (uneori este mare, depinde de rolul funcţional); - prescripţii referitoare la forma geometrică a suprafeţei; - prescripţii referitoare la poziţia suprafeţei în corespondentă cu alte

suprafeţe; - eventuale prescripţii referitoare la configuraţia geometrică; - eventuale prescripţii referitoare la proprietăţile funcţionale şi la

aspectul suprafeţelor. - suprafeţe tehnologice − apar în timpul prelucrării şi ajută la poziţionarea

piesei în vederea prelucrării. Ele pot rămâne după terminarea prelucrării sau pot dispare, în funcţie de configuraţia geometrică finală a piesei. Se caracterizează prin:

- precizie dimensională corespunzătoare (neprecizată, de cele mai multe ori cote libere);

- rugozitatea suprafeţei corespunzătoare cu procedeul tehnologic de realizare a suprafeţei;

- fără prescripţii sau eventuale prescripţii referitoare la formă geometrică;

- eventuale prescripţii referitoare la poziţia suprafeţei în raport cu suprafeţele ce urmează a fi prelucrate.

Observatie. Suprafeţele tehnologice sunt plasate de obicei la începutul sau sfârşitul unor suprafeţe de asamblare făcând posibilă realizarea acestora.

- suprafeţe auxiliare (de legătură) − fac legătura între suprafeţele funcţionale şi cele de asamblare. Se caracterizează prin:

- precizie dimensională mică (neprecizată); - rugozitatea suprafeţei mare (cea care rezultă din procedeul de

obţinere a semifabricatului); - fără prescripţii referitoare la precizia de formă; - fără prescripţii referitoare la precizia de poziţie.

Cunoscând aceste elemente referitoare la tipurile de suprafeţe ce delimitează o piesă în spaţiu se poate stabili rolul funcţional al unei piese fără a cunoaşte ansamblul din care face parte piesa sau se poate proiecta o piesă care să îndeplinească un anumit rol funcţional impus.

Metoda folosită pentru stabilirea rolului funcţional posibil sau pentru proiectarea unei piese care să îndeplinească un anumit rol funcţional impus poartă numele de metoda de analiză morfofuncţională a suprafeţelor. Această metodă presupune parcurgerea într-o succesiune logică a următoarelor etape:


1 − descompunerea piesei în suprafeţe cât mai simple, suprafeţele ce o delimitează în spaţiu (plane, cilindrice, conice, evolventice, elicoidale etc.);

2 − notarea tuturor suprafeţelor ce delimitează piesa în spaţiu − se face pornind de la o axă sau de la suprafaţa de dimensiuni maxime, folosind sensul trigonometric sau o altă ordine (de exemplu, pentru piesa din figura 1.39 s-a folosit

notaţia S1 ... Si ... Sk ... Sn luată în sens invers trigonometric); 3 − analizarea fiecărei suprafeţe în parte – se face o analiză a fiecărei

suprafeţe, din următoarele puncte de vedere: forma geometrică a suprafeţei, dimensiunile de gabarit, precizia dimensională, precizia de formă, precizia de poziţie, rugozitatea şi duritatea;

3 45°

12 30°

2 45°

S

// 0,030/100 A

0,020 A

30

0,030

S

5

18

30 30

B

0,1 B

A

S

25 -+0,05

+0,0360 -

132 -+0,03

60+0,03-

20

4

0,8

Sq

u

S e

S

15

65 1,5M

S t

3S

45

n

S1

S i

r

Observaţie : dantura se tratează termic până la 60 … 65 HRC.

2S

6.3 3,2( ,1,6

,0,8 )

120 +0,05-

90 -+0,05

2 45°

5

0,020 1000,8

0,01/100×

×

×

×

∅

∅

∅

∅

∅∅

∅

∅∅

×

Fig. 1.39. Un exemplu de numerotare a suprafeţelor ce delimitează piesa în spaţiu şi informaţiile necesare stabilirii rolului funcţional al piesei folosind metoda de analiză morfofuncţională a

suprafeţelor.

Tab

elu

l 1.6

. Gra

ful ,

,sup

rafeţe

– c

arac

teri

stic

i’’

Nr.

S

upra

- Fo

rma

Dim

en-

C

arac

teri

stic

i T

ipul

şi

Pro

cede

e

cr

t. faţa

nr.

g

eom

e-tr

ică

a su

praf

eţei

si

unea

de

gab

arit

P

reci

zia

di

men

sion

ală

Pre

cizi

a de

fo

rmă

Prec

izia

de

poziţi

e R

ugoz

i-ta

tea

R

a

Dur

itat

ea

rolu

l su

praf

eţei

te

hnol

ogic

e de

obţ

iner

e

Obs

.

1 S 1

Pl

ană

120

± 0

,050

0,0

20/1

00

0

,030

/100

S q

0

,020

/u

S

0,8

In f

uncţ

ie d

e m

ater

ial

Funcţi

onală

- T

urna

re

- D

efor

mar

e -

Aşc

hier

e

__

2 S 2

E

volv

en-t

ică

∅12

6 ±

0,0

50

0,03

0

0,02

0S

n

1,6

60-6

5 H

RC

De

asam

blar

e -

Tur

nare

-

Def

orm

are

- Aşc

hier

e

Se

trat

ează

te

rmic

până

la 6

0-65

H

RC

: :

....

....

....

....

....

....

....

....

....

....

....

i S i

C

ilind

rică

∅

120

Cotă li

beră

-

- 6,

3

In f

uncţ

ie d

e m

ater

ial

Aux

ilia

ră

- T

urna

re

- D

efor

mar

e __

: : ...

. ...

. ...

. ...

. ...

. ...

. ...

. ...

. ...

. ...

. ...

.

k S t

T

oroi

dală

∅

27

Cotă li

beră

-

- 6,

3

In f

uncţ

ie d

e m

ater

ial

Teh

nolo

gică

-

Tur

nare

-

Def

orm

are

- Aşc

hier

e

__

: : ...

. ...

. ...

. ...

. ...

. ...

. ...

. ...

. ...

. ...

. ...

.

n S e

E

lico

idală

65×

1,5

± 0

,100

100

0,01

/

__

6,3

In f

uncţ

ie d

e m

ater

ial

De

asam

blar

e -

Tur

nare

-

Def

orm

are

- Aşc

hier

e

__


4 − întocmirea unui graf ,,suprafeţe – caracteristici’’ – se face trecând suprafeţele într-un graf de forma prezentată în tabelul 1.6.

Cu informaţiile din tabelul 1.6 se poate stabili tipul şi rolul fiecărei suprafeţe ce delimitează piesa în spaţiu.

De exemplu, suprafaţa S1, având precizie dimensională ridicată, prescripţii referitoare la formă, la poziţia ei în raport cu celelalte suprafeţe şi rugozitate mică,

nu poate fi decât suprafaţă funcţională. Suprafaţa S3, având precizie dimensională bună, prescripţii referitoare la formă şi la poziţia ei în raport cu alte suprafeţe, fiind

şi dantură, nu poate fi decât suprafaţă de asamblare. Suprafaţa St neavând precizate precizia dimensională, de formă sau de poziţie nu poate fi decât suprafaţă auxiliară sau tehnologică. Deoarece se continuă cu o suprafată filetată este clar că ea este o suprafaţă tehnologică, absolut necesară pentru a putea realiza suprafaţa

filetată Se. 5 − stabilirea rolului funcţional posibil al piesei − se face în urma analizei

de corelaţie a diferitelor tipuri de suprafeţe obţinute în graful suprafeţe-caracteristici. Rolul funcţional impus unei piese se obţine presupunând pentru suprafeţele ce delimitează piesa în spaţiu caracteristicile corespunzătoare tipurilor de suprafeţe (de asamblare, funcţionale, tehnologice sau auxiliare).

Având aceste informaţii primare se pot deduce procedeele tehnologice posibile de realizare a fiecărei suprafeţe în parte, pentru a se proiecta apoi procedeul tehnologic optim de realizare a piesei ca un tot unitar.


MATERIALE

CLASIFICARE, PROPRIETĂŢI, UTILIZARE

2.1. GENERALITĂŢI

Din cele mai îndepărtate vremuri omenirea a utilizat o gamă destul de largă de materiale. După o perioadă de folosire numai a materialelor anorganice − piatra (obsidian, silex, granit etc.) şi pământul (uscat sau ars) începe epoca metalelor (bronzului şi a fierului). Din antichitate încep să se folosească cuprul, aurul, argintul, zincul, mercurul, staniul, plumbul şi arseniul, din a doua jumătate a secolului al XVIII-lea începe folosirea altor metale (cobaltul, nichelul, cromul, molibdenul, wolframul, titanul, zincul), în prima jumătate a secolului al XIX-lea apar metalele alcaline, alcalino-pământoase şi aluminiul şi o serie de elemente nemetalice (halogenii, seleniul, telurul, fosforul şi sărurile lor etc.), pentru ca abia în ultima sută de ani să se folosească toate elementele cunoscute până în prezent, o dată cu apariţia elementelor artificiale, transuraniene şi materialele compozite.

În tehnică, pentru confecţionarea diferitelor produse cu un anumit scop bine definit şi rol funcţional dorit se folosesc cele mai diferite materiale (fig.2.1), dintre care cele mai răspândite sunt metalele. O clasificare a acestora, după starea de agregare şi utilizare, este dată în figura 2.2.

Metalele pure se utilizează destul de rar în industrie, deoarece în această stare nu corespund condiţiilor impuse de solicitările apărute în timpul funcţionării. De aceea, marea majoritate a metalelor se întrebuinţează sub formă de aliaje. Prin trecerea de la cupru şi bronz la fonte, oţeluri şi alte aliaje grele şi uşoare s-a înregistrat un progres substanţial în domeniul metalurgiei şi siderurgiei, ceea ce a

2

Materiale − clasificare, proprietăţi, utilizare 69

permis producerea materialelor refractare rezistente la temperaturi din ce în ce mai ridicate.

MasePlastice

pe bază de polietilenă şi derivaţii eipe bază de politetrafluor-etilenăpe bază de poliacetat de vinilpolistirenicepolimetacrilat de metilfenoplasteaminoplastepoliamidepe bază de nitrocelulozepe bază de acetat de celulozăproteicecauciuculetc.

Sintetice

Compozite

oricare combinaţie dintre celede mai sus cu proprietăţi cutotul deosebite

dispersecu fire înglobatestratificatestratificate întărite cu firecu particule înglobatefagurispongioaseetc.

Naturale

Metalice

Nemetalice

Metale pure: beriliu, sodiu, magneziu,aluminiu, calciu, titan, fier, cobalt, nichel,vanadiu, crom, mangan, cupru, zinc,zirconiu, molibden, wolfram, plumb, uraniu,argint, aur etc.

ProteineTerpeneSteroiziProstaglandineAlcaloiziFlavonoideetc.

Compuşi

Aliaje

GrunduriChituri

Lemnul

Lianţi

Vopsele

Ceramice tradiţionaletehnice

pe bază de carbonpe bază de fier:pe bază de aluminiupe bază de cuprupe bază de zincpe bază de manganpe bază de staniupe bază de wolframpe bază de nicheletc.

fonte

oţeluri

Materiale

Neconvenţionale

Fig. 2.1. Câteva din principalele categorii de materiale cu utilizare frecventă în tehnică.

Dezvoltarea rapidă a sintezei organice a determinat apariţia a peste 4 000 000 de compuşi organici, dintre care doar o parte sunt folosiţi deocamdată. Ca urmare a descoperirilor ştiinţifice din ultimile decenii, sinteza organică beneficiază de tehnica rezonanţei magnetice nucleare, de cele mai diferite aparate


spectrofotometrice, de automatizarea metodei cromatografice, permiţând obţinerea de noi materiale sintetice corespunzător cu noile tendinţe de dezvoltare.

Realizarea programelor spaţiale, precum şi punerea în valoare a unor resurse naturale mai sărace în substanţa activă sau depozitate în condiţii mai grele de exploatare solicită proiectarea unor materiale cu proprietăţi stabilite aprioric conform rolului funcţional dorit − materialele compozite.

aliaţiarmaţiclasicăparţial stabilizată

solidă

întărite prin dispersieeutectice solidificate direcţionat

compozite

biotehnice

Compuse

Active

cu fibre lungicu fibre scurte

cu azotcu aer

cu gazeMateriale

Metalice

Neferoasepe bază de:

Compuşiintermetalici

Amorfe

CuAlMgZnTiBeAlte metale

nealiatealiate

Feroase

Fontenealiateslab aliateînalt aliate

Oţeluri

monostructuraliPolimeri

Ceramică

semiconductoarecu memoriesupraconductoaresupramagneticesuprafluidice

biosenzorietc

lichidă

medii laser

Mezofazetermotrope

ferofluidenichelfluidecobaltfluidecombinaţii

micelelamelare

nematicecolestericesinectice

liotrope

Metalofluide

În stare

În stare

Fig. 2.2. Clasificarea principalelor materiale utilizate în tehnică, după starea de agregare şi structură.


2.2. INTERDEPENDENŢA STRUCTURĂ −−−− PROPRIETĂŢI

Problema valorificării superioare a metalelor şi a aliajelor lor, strâns legată de alegerea optimă a acestora în concordanţă cu scopul urmărit, determină necesitatea cunoaşterii ştiinţifice a relaţiei dintre structură şi proprietăţi, a naturii fizico-chimice a diferitelor proprietăţi şi, pe această bază, determinarea posibilităţilor de influenţare a structurii şi proprietăţilor materialelor metalice (proiectarea materialului) în vederea asigurării unor caracteristici fizico-mecanice şi fizico-chimice corespunzătoare condiţiilor tehnice actuale şi de perspectivă.

Proprietăţile materialelor metalice sunt în primul rând rezultatul tipului legăturii ce se formează între atomii individuali în cadrul agregatului de atomi. Forţele de interacţiune dintre atomi, care determină coeziunea acestora, sunt în general de natură electrică, magnetică sau gravitaţională. Forţele magnetice au o contribuţie redusă, cele gravitaţionale sunt neglijabile, deci, interacţiunea electrică este cea care asigură în întregime coeziunea solidelor. Forţele de interacţiune se împart în două mari categorii: forţe de tip Van der Waals, când atomii sunt suficient de îndepărtaţi încât se poate neglija suprapunerea funcţiilor de undă, şi forţe de natură cuantică (în legătură ionică, covalentă, metalică etc.), când are loc o suprapunere importantă a funcţiilor de undă. Un cristal este stabil numai dacă energia sa totală (cinetică şi potenţială) este mai mică decît energia totală a atomilor sau moleculelor din care este format, în stare liberă şi la distanţe practic foarte mari. Diferenţa dintre energia atomilor liberi (sau a moleculelor) şi energia cristalului dă energia de coeziune, cu implicaţii directe asupra principalelor proprietăţi ce caracterizează un metal.

-

-

--

- ----

- -

-

- - -- --

--- -- -

- --- -- -

- --

- - - -- -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

-

-

- Fig. 2.3. Schema structurii unui metal conform

teoriei electronice: + = ioni pozitivi; - = electroni.

Fig. 2.4. Ansamblul forţelor ce se exercită între doi atomi:

←•→ de respingere; →← de atracţie.


Organizarea atomilor metalici în edificiu cristalin se datorează legăturii homopolare metalice, ca un rezultat al colectivizării electronilor de valenţă între toţi atomii corpului metalic. Electronii colectivizaţi pot circula liber în interiorul metalului ca urmare a lăţirii şi întrepătrunderii nivelelor energetice de valenţă ale atomilor de metal plasaţi reciproc la distanţe mici (de ordinul 10-10 m). Astfel, corpul metalic poate fi considerat ca un schelet de ioni pozitivi cufundat într-un gaz electronic aflat în mişcare liberă, dezordonată (fig.2.3). Legătura metalică este rezultatul acţiunii forţelor de atracţie ce apar între sarcinile de semne contrarii şi al forţelor de respingere ce apar între sarcinile de acelaşi semn (fig.2.4). Reprezentând grafic variaţia forţelor de atracţie şi de respingere în funcţie de distanţa dintre atomi, se constată că ambele forţe cresc odată cu micşorarea distanţei dintre atomi (fig.2.5). Se vede că forţa de respingere Fr scade brusc cu distanţa, iar forţa de atracţie Fa scade lent.

Forţa rezultantă se calculează cu expresia

NMR

r

B

r

AF +−= , (2.1)

în care r este distanţa interatomică; A, B, M, N - constante de material (pentru metale M = 2 şi N = 7...9).

Fr =Br M

Distanţa

rr0O

+F

-F

FR min

Fa = Ar M

FR

Fig. 2.5. Variaţia forţelor de atracţie şi de respingere, funcţie de distanţă:

Fr - forţa de respingere; Fa - forţa de atracţie; FR - forţa rezultantă.


Datorită forţei rezultante atomii vor ocupa unii faţă de alţii poziţii bine determinate. Echilibrul apare pentru r = r0, iar separarea completă a celor doi atomi este posibilă la forţe exterioare mai mari decât FR min, numită forţă de coeziune. Principala consecinţă a existenţei forţelor de interacţiune este repartizarea reciproc stabilă a atomilor metalului în stările de agregare condensate (reţelele cristaline). Specifice metalelor sunt reţeaua cubică cu volum centrat sau cu feţe centrate şi reţeaua hexagonală.

Deşi simplificată, această descriere a legăturii metalice permite explicarea principalelor proprietăţi ale metalelor. Astfel, deplasarea liberă a electronilor din nor determină conductibilitatea electrică şi termică ridicată a metalelor. Datorită norului electronic şi legăturii permanente dintre atomi, indiferent de poziţia lor, ei se pot deplasa, putând avea loc deformări permanente prin rearanjările dintre ei în nor, în acest mod putându-se explica proprietatea de plasticitate a metalelor. Existând electroni liberi, aceştia absorb energia luminoasă astfel încât metalele sunt opace.

Metalele cu aplicaţii industriale sunt corpuri policristaline, în care diferiţii grăunţi (cristalitele) sunt separaţi prin straturi de legătură (limite dintre grăunţi) care influenţează multe dintre proprietăţile lor. Cristalele conţin totdeauna numeroase abateri de la structura lor perfectă ca: deplasări de atomi din poziţiile lor normale, modificări ale distanţelor medii dintre atomi şi ale coordinaţiei, modificări în distribuţia sarcinilor electrice etc.

Defectele din structura cristalelor joacă un rol important în determinarea multora dintre proprietăţile corpurilor solide, influenţează puternic proprietăţile fizico-mecanice şi fizico-chimice ale acestor corpuri, stau la baza unor fenomene ca difuziunea, semiconductivitatea, plasticitatea, duritatea, tenacitatea etc. (de exemplu, rezistenţa la rupere a unui material metalic alcătuit dintr-un monocristal ideal este de 100...1 000 ori mai mare decât rezistenţa la rupere a unui cristal real). Principalele defecte ale reţelelor cristaline sunt:

- defectele punctiforme: poziţii neocupate în nodurile reţelei (vacanţe), prezenţa în reţea a atomilor interstiţiali, prezenţa în reţea a atomilor de substituţie etc.;

- defectele liniare: dislocaţiile marginale, dislocaţiile elicoidale şi disloca-ţiile mixte;

- defectele de suprafaţă: sublimitele şi limitele dintre grăunţi, defectele de împachetare, suprafeţele de separare dintre macle, pereţii domeniilor magnetice, suprafeţele de separare dintre faze etc.

2.3. CLASIFICAREA PROPRIETĂŢILOR MATERIALELOR

Proprietăţile unui material sunt definite de suma de relaţii dintre material şi totalitatea fenomenelor din mediul înconjurător în care se găseşte materialul


respectiv. Practic s-a constatat că această sumă de relaţii calculată pentru cristalele ideale rămâne uneori valabilă şi în cazul cristalelor reale, dar de cele mai multe ori prezintă diferenţe importante între valoarea teoretică şi valoarea reală. Aceste diferenţe fiind rezultatul imperfecţiunilor structurii, apare evidentă împărţirea proprietăţilor materialelor în două mari grupe (fig. 2.6):

- proprietăţi insensibile la structură; - proprietăţi sensibile la structură. Imperfecţiunile de structură sunt, în general, repartizate neuniform în masa

corpurilor metalice şi deci proprietăţile sensibile la structură vor prezenta deosebiri în diferitele puncte ale corpului (au caracter local). Acest fapt este deosebit de important, deoarece permite obţinerea unor proprietăţi dorite strict localizate şi modificarea unor proprietăţi fără schimbarea formei piesei, numai prin modificarea gradului de perfecţiune a structurii sale cristaline.

magnetice

electrice

mecanice

magnetice

electrice

termice

mecanice

sensibile

lastructură

insensibile

lastructură

Proprietăţile

duritatearezistenţele mecaniceplasticitatea

rezistivitateaconductibilitatea

feromagnetismulcâmpul coercitiv

rigiditateadensitateaelasticitatea

punctul de topireconductivitatea termicăcăldura specificădilatarea termică

rezistivitateapotenţialul electrochimictermoelectricitatea

paramagnetismuldiamagnetismul

materialelor

Fig. 2.6. Clasificarea proprietăţilor materialelor după sensibilitatea la structură.


tehnologice

- greutatea specifică- temperatura de topire- capacitatea calorică- conductibilitatea termică- coeficientul de dilatare- temperatura de vaporizare- absorbţia acustică

- refractaritatea- rezistenţa la coroziune

- elasticitatea- plasticitatea- anelasticitatea- fragilitatea- tenacitatea- fluajul- ecruisarea- duritatea- rezistenţa la rupere- rezistenţa la oboseală

Mecanice

Chimice

Fizice

funcţionale

- permeabilitatea- diamagnetismul- paramagnetismul- magnetostricţiunea- termostricţiunea

- capacitatea de iluminare- opacitatea- reflexia

Magnetice

- conductivitatea electrică

- permitivitatea- rezistivitatea

Proprietăţile

Electrice

costulresurseleeconomice

Turnabilitatea

Deformabilitatea

Uzinabilitatea (aşchiabilitatea)SudabilitateaCălibilitatea

forjabilitateamaleabilitateaductilitatea

Optice

- aspectul- culoarea- rugozitatea

Estetice

- perioada de înjumătăţire- atenuarea

- absorbţia

materialelor

Nucleare

- potenţial electrochimic

- căldura latentă de topire

Fig. 2.7. Clasificarea proprietăţilor materialelor după natura lor.


Experimental se constată însă că existenţa unei imperfecţiuni a reţelei cristaline influenţează toate proprietăţile mai mult sau mai puţin, cel puţin local, dacă nu în toată masa cristalului, astfel că o împărţire a proprietăţilor conform schemei din figura 2.6 este pur teoretică, ea permiţând doar calcularea sumei de relaţii de interdependenţă material - mediu.

Deoarece în practică interesează proprietăţile materialelor din punct de vedere al modificării, utilizării şi exploatării lor, apare necesară o clasificare a lor după aspectele luate în considerare la alegerea unui material pentru confecţionarea unei piese sau a unui produs (fig.2.7).

2.3.1. Proprietăţile funcţionale

Sunt definite de suma de relaţii de interdependenţă dintre material şi fenomenele din timpul funcţionării materialului în mediul înconjurător.

2.3.1.1. Proprietăţile fizice

Sunt rezultatul interdependenţei dintre material şi fenomenele fizice. Greutatea specifică γ este greutatea unităţii de volum dintr-un material

cristalin. Ea poate fi calculată pornind de la masele atomice şi parametrii reţelei cristaline cu relaţia

γ = V

m. (2.2)

Deoarece imperfecţiunile cristaline afectează un număr relativ mic de atomi ai cristalului, influenţa lor asupra densităţii este neglijabilă. În cazul soluţiilor solide de substituţie, în primă aproximaţie, se pot neglija distorsiunile reţelei datorate atomilor de substituţie, densitatea variind liniar cu concentraţia. În cazul soluţiilor interstiţiale modificările de densitate sunt foarte mici, iar în cazul aliajelor eterogene greutatea specifică este media ponderată a greutăţii specifice a fazelor componente.

Greutatea specifică este principala proprietate cu implicaţii deosebite asupra dimensiunilor de gabarit şi greutăţii în ansamblu a unui produs, de ea depinzând direct consumul de energie necesar tuturor transformărilor prin care trece materialul din starea iniţială până la forma finală corespunzătoare cu scopul propus.

Capacitatea calorică este definită de cantitatea de energie termică pe care o poate absorbi sau elibera un material la o variaţie a temperaturii cu o unitate. Atunci când capacitatea calorică se referă la unitatea de masă, este vorba de căldura specifică c, iar când se referă la un atom-kg sau la un kmol, este vorba de căldura atomică sau molară C, între acestea existând relaţiile:


C = c ⋅ A ; C = c ⋅ M, (2.3)

unde A şi M sunt masa unui atom-kg şi respectiv a unui kmol. Capacitatea calorică poate fi determinată în condiţii de volum constant (Cv

şi cv) sau în condiţii de presiune constantă (Cp şi cp), între ele existând relaţia

TVCCp ⋅⋅χ

α=−

2

v , (2.4)

în care V este volumul atomic; α - coeficientul de dilatare volumică; χ - coeficientul de compresibilitate; T - temperatura în K.

Capacitatea calorică este o proprietate deosebit de importantă nu numai în procesele metalurgice de elaborare, ci şi în procesele tehnologice de prelucrare şi transformare succesivă de la starea iniţială la starea finală corespunzătoare rolului funcţional dorit. Pentru materialele metalice, în practică, se lucrează de obicei cu căldura specifică cp , a cărei valoare depinde şi de natura materialului, compoziţia

chimică, temperatură etc. Prelucrările metalurgice pot modifica căldura specifică numai în măsura în care modifică densitatea. Pe aceste considerente rezultă că alierea unui material metalic cu elemente cu densitate mare reduce căldura specifică, iar alierea cu elemente uşoare creşte căldura specifică (de exemplu creşterea de la 0% la 1,2% a conţinutului de carbon în oţel, conduce la creşterea căldurii specifice la temperatura camerei de la 438,9 J⋅kg-1⋅K-1 la 484,9 J⋅kg-1⋅K-1, în timp ce un oţel rapid, tot cu 1,2% C, dar şi cu 18% W, 4% Co, 2% V, are căldura specifică de numai 409,6 J⋅kg-1⋅K-1 ).

Conductibilitatea termică λ este proprietatea unui material de a transporta energie termică în condiţiile existenţei unui gradient de temperatură. Fluxul termic, care ia naştere în direcţia x, când există gradientul termic ∂T / ∂x, este

x

Tq

∂

∂λ−= , (2.5)

unde λ poartă numele de conductibilitate termică sau conductivitate termică. Într-un material metalic, fluxul termic este transportat, atât de reţeaua

ionică prin vibraţiile ei (conductibilitate termică, fononică), cât şi de gazul de electroni (conductibilitatea termică electronică).

Conductibilitatea termică a materialelor metalice depinde de temperatură, de compoziţia chimică şi de structură.

De exemplu, pentru oţeluri în stare recoaptă, conductibilitatea termică se poate calcula cu relaţia

λ = a − bS + cS2, (2.6)

în care a, b, c şi S sunt coeficienţii daţi de relaţiile:


a = 9,5 − 6,67⋅10-3⋅T ;

b = 67,186 − 1,429⋅10-1⋅T + 8,134⋅10-5 T2 ;

c = 23,198 − 6,286 ⋅ 10-2 ⋅ T + 4,183 ⋅ T2; (2.7)

...96

%Mo

93

%Nb

84

%W

59

%Cr

55

%Mn

28

%Si

12

%C+++++++=S . (2.8)

Aliajele neferoase pe bază de cupru şi aluminiu au în general conductivitatea termică mai mare decât a oţelurilor (astfel, aliajele de Al din categoria Al-Cu şi Al-Cu-Mg au conductivitatea termică cuprinsă între 100,4 şi 184,0 W m-1K-1, alamele cu 65% până la 90% Cu au λ între 117,1 şi 184 W m-1K-1, iar bronzurile cu 90...93% Cu, precum şi bronzurile cu aluminiu şi beriliu au λ = =50,2 ... 75,3 W m-1K-1).

Dintre metalele cunoscute, Ag are conductivitatea cea mai ridicată, după care urmează în ordine Au, Cu, Al, Mg, Zn etc. Sn şi aliajele feroase sunt mai puţin conductibile, iar Pb şi Hg sunt rele conducătoare de căldură.

Tratamentele termice şi deformarea plastică, prelucrările mecanice şi iradierea cu radiaţii sau particule de mare energie, modificând sensibil numărul şi repartiţia defectelor de reţea care acţionează ca centrii de împrăştiere statică a electronilor şi fononilor, influenţează puternic conductivitatea termică.

Dilatarea termică este proprietatea metalelor de a-şi mări volumul prin încălzire. Dilatarea este o consecinţă a creşterii distantei medii dintre atomi, ca urmare a creşterii amplitudinii de vibraţie a ionilor din reţeaua cristalină.

Coeficientul de dilatare liniară α şi coeficientul de dilatare volumică αv se

calculează cu relaţiile

V

C

T

l

lG

p

vv ,

d

d1 ⋅γ⋅χ=α

⋅=α , (2.9)

în care V este volumul unui atom-kg (unui kmol); γG - greutatea specifică; χ - coeficient de compresibilitate; Cv - căldura atomică în condiţii de volum constant.

Contracţia este proprietatea metalelor de a-şi micşora volumul la răcire. Cele două proprietăţi, dilatarea şi contracţia, prezintă interes deosebit

pentru piesele care lucrează la temperaturi joase sau temperaturi înalte şi pentru procedeele tehnologice de transformare a materialelor.

2.3.1.2. Proprietăţile chimice

Sunt rezultatul interdependenţei dintre material şi fenomenele chimice. Prezintă importanţă tehnologică doar capacitatea materialelor de a rezista la acţiunea chimică a diferitelor medii active.


Refractaritatea este gradul de rezistenţă a materialelor la temperaturi înalte. De această proprietate se ţine cont mai ales la alegerea materialelor pentru confecţionarea unor produse ce lucrează la temperaturi înalte.

Rezistenţa la coroziune este proprietatea caracteristică a unui material de a rezista la acţiunea chimică a diferiţilor agenţi sau substanţe chimice. Coroziunea este fenomenul de distrugere a materialelor datorită reacţiilor chimice sau electrochimice cu mediul înconjurător. Atacul chimic direct este posibil la toate materialele folosite în industrie, în timp ce atacul electrochimic apare doar la metalele şi aliajele lor, deoarece ele posedă electroni liberi.

Ca efect al coroziunii se pierd permanent din economia mondială cantităţi importante de materiale (de exemplu, din producţia mondială de oţel din ultimii 50 de ani se apreciază că peste 44% s-a pierdut datorită coroziunii).

Cunoaşterea comparativă a acestei proprietăţi este deosebit de importantă, deoarece permite utilizarea metalelor şi aliajelor rezistente la coroziune, stabilirea metodelor de prevenire a coroziunii, stabilirea metodelor de acţionare asupra mediului corosiv, precum şi a metodelor de acoperire anticorosivă a suprafeţelor metalice.

2.3.1.3. Proprietăţile mecanice

Sunt reprezentate de o sumă de relaţii de comportare a materialelor la solicitările unor forţe exterioare. Sub acţiunea forţelor exterioare, corpurile se deformează sau se distrug. Deformaţiile corpurilor sub acţiunea unor forţe exterioare pot fi:

- deformaţii elastice − dispar o dată cu anihilarea forţelor care le-au produs; - deformaţii plastice − apar la forţe relativ mari şi rămân şi după ce au fost

îndepărtate forţele care le-au produs; - deformaţii anelastice − partea din deformaţia totală care dispare lent, în

timp, după îndepărtarea forţelor care au produs deformarea.

Fie un corp supus acţiunii sistemului de forţe Fi (i = 1...n) static echilibrate (fig. 2.8. a). Forţele exterioare, deşi se echilibrează reciproc, fiind aplicate în puncte diferite ale corpului, produc în diferitele părţi ale acestuia stări diferite de solicitare. Determinarea stării de solicitare se face astfel: se secţionează corpul cu un plan şi se îndepărtează una din părţile astfel obţinute (fig. 2.8. b), iar pentru menţinerea echilibrului se înlocuieşte acţiunea părţii îndepărtate asupra celei rămase cu o forţa F.

Descompunând forţa F în două componente, componenta normală la

secţiune FN şi componenta cuprinsă în planul secţiunii FT, se pot defini tensiunile ce caracterizează solicitarea prin raportarea acestor forţe la sectiune.

Mărimea σ = FN /S se numeşte tensiune normală, iar mărimea τ = FT /S se numeşte tensiune tangenţială. Deoarece repartiţia forţei pe sectiune nu este în general uniformă, definirea tensiunilor se face local, folosind pentru fiecare punct


al secţiunii un element de suprafaţă din vecinătatea lui dS:

P4P3P

2

P1

PiPn

Fi

F

FF

F

Fn

1

2 3

4

FN

FFT

FT

j

a b

Fig. 2.8. Analiza tensiunilor interne: a - sistemul de forţe exterioare; b - sistemul de tensiuni.

S

F

S

F TN

d

d ;

d

d=τ=σ . (2.10)

Valorile tensiunilor normale σ şi tangenţiale τ în oricare punct depind de orientarea planului de secţiune. Pentru determinarea stării de solicitare într-un punct se izolează un volum infinit mic de formă cubică (fig. 2.9) cu muchiile

z

y

x

zx

zy

σ

τ

τ

z

τ

yxτ

σ

yz

yτ

xσ

τ

xz

xy

paralele cu axele unui sistem ortogonal de coordonate.

Descrierea stării de solicitare se poate face cu ajutorul tensorului tensiunilor σT scris sub formă

matriceală:

zzyzx

yzyyx

xzxyx

T

σττ

τστ

ττσ

=σ (2.11)

în care componentele σx, σy, σz sunt tensiuni de întindere, iar componen-

Fig. 2.9. Componentele tensiunii în coordonate carteziene.

tele τxy, τxz, τyx, τyz, τzx, τzy sunt tensiuni de forfecare. Celor două tipuri de tensiuni le corespund două

tipuri de deformaţii (fig.2.10):


- alungirile – ce corespund tensiunilor normale; - alunecările – ce corespund tensiunilor tangenţiale.

x

y

0x

y

x0x x

∆y

∆

a b

Fig. 2.10. Tipuri de deformaţii: a - alungire; b - alunecare.

Pentru cazul deformaţiilor finite alungirea specifică ε şi alunecarea specifică γ se definesc astfel:

x

y

x

x ∆=γ

∆=ε ; . (2.12)

Descrierea stării de deformaţie se poate face cu ajutorul tensorului deformaţiilor εT scris sub formă matriceală:

zzyzx

yzyyx

xzxyx

yy

yy

yy

T

ε

ε

ε

=ε

2

1

2

12

1

2

12

1

2

1

. (2.13)

În condiţiile în care deformaţiile sunt foarte mici, în oricare punct al unui cristal tensionat, tensiunile depind liniar de deformaţii, dependenţă exprimată de legea lui Hooke:

GE

τ=γ

σ=ε ; , (2.14)

în care E se numeşte modul de elasticitate longitudinal (modulul Young), iar G este modulul de elasticitate transversal.


În acelaşi timp cu creşterea lungimii corpului în direcţia axei de întindere, pe direcţiile perpendiculare y şi z se produce o contracţie transversală. Raportul dintre contracţia transversală şi deformaţia longitudinală este o mărime constantă ν numită coeficient de contracţie transversal (coeficientul lui Poisson).

Pentru medii elastice şi izotrope ν ≈ 0,25, iar pentru materialele metalice policristaline ν ≈ 0,33.

Relaţia dintre mărimile E,G şi ν este de forma:

)1( 2 ν+

=E

G . (2.15)

Pentru a descrie comportarea elastică a unui material se foloseşte şi mărimea K numită modul de elasticitate volumică:

)21( 3 γ−

=E

K . (2.16)

Modulele de elasticitate ale unor metale frecvent utilizate se prezintă în tabelul 2.1.

Modulele de elasticitate reprezintă o măsură a forţei necesare pentru deplasarea atomilor unul în raport cu altul şi deci sunt determinate de interacţiunea atomilor reţelei cristaline. Este uşor de înţeles de ce acest parametru este foarte puţin influenţat de factorii structurali şi de compoziţia chimică. Tratamentele termice, deformarea plastică, alierea modifică foarte puţin modulele de elasticitate.

Tabelul 2.1. Modulele de elasticitate longitudinal şi transversal

Metalul Tipul 1 E [GN/m2] G [GN/m2]

de reţea*) Experimental Calculat Experimental Calculat Fier c.v.c 203.067 203.934 82.404 76.2237 Wolfram c.v.c 392.400 392.400 152.055 152.055 Aluminiu c.f.c 70.632 76.3377 26.487 26.0946 Cupru c.f.c 118.701 117.2295 43.164 41.9868 Argint c.f.c 78.480 73.575 26.487 25.8484 Magneziu h.c. 44.143 44.2434 17.658 17.42256 Zinc h.c. 98.1 98.4924 26.297 35.5122

*) c.v.c. - cub cu volum centrat; c.f.c. - cub cu feţe centrate; h.c. - hexagonal compact.

Comportarea unui material metalic sub acţiunea unor forţe este descrisă cu ajutorul curbelor tensiune − deformaţie obţinute la tracţiune sau compresiune

simplă, încovoiere sau răsucire pură. Curba σc (Rp0,2) σe (Rp0,02), tensiune − deformaţie, obţinută la tracţiune simplă (fig. 2.11) prezintă următoarele caracteristici:


D

F

EC

B

A

ε

σ

0 εR

(R)

(σ )

R (σ )p

(σ )Rrm

(σ )eR 0,02p

R c0,2p

p

− tensiunea corespunzătoare punctului A se numeşte limită de

proporţionalitate Rp(σp) şi este tensiu-nea până la care între tensiune şi deformaţie există o relaţie de proporţionalitate;

− tensiunea corespunzătoare punctului B se numeşte limită de

elasticitate Rp0,02 (σe) şi este tensiunea până la care materialul se comportă elastic (deformaţia rămasă după înlătu-rarea forţelor ce au provocat-o este mai mică de 0,02%);

Fig. 2.11. Curba caracteristică tensiune-deformaţie: OA - zona de proporţionalitate; OB - zonă

de elasticitate; BCD - zonă de plasticitate; DE - zonă de rupere.

− tensiunea corespunzătoare punctului C, la care începe practic deformarea plastică a materialului, se numeşte limită de curgere Rp0,2(σc) şi

este tensiunea la care deformaţia rămasă 0,2%; − tensiunea corespunzătoare punctului D se numeşte rezistenţă la rupere

Rm (σr) şi este tensiunea maximă pe care o poate suporta materialul fără să se rupă. La deformări mai mari decât cea corespunzătoare punctului D se produce o scădere apa- rentă a tensiunii (porţiunea DE), datorită faptului că aceasta se calculează prin raportul dintre forţă şi secţiunea iniţială, fără să se ţină seama de scăderea secţiunii ca rezultat al gâtuirii epruvetei în zona de rupere. Variaţia reală a tensiunii urmăreşte curba ABCDF. Pentru cele mai multe materiale, curba convenţională tensiune − deformaţie are aspectul din figura 2.11; există însă materiale care au o limită de curgere net conturată (de exemplu, oţelurile cu conţinut scăzut de carbon) şi curba are aspectul din figura 2.12. a. Sunt materiale la care pentru limita de curgere sunt două valori distincte (fig.2.12. b), una superioară şi una inferioară (de exemplu, cupru, aluminiu, oţeluri etc.) şi materiale metalice fragile la care deformarea plastică anterioară ruperii este neînsemnată (fig.2.12. c).

Cunoscând aspectul curbei tensiune − deformaţie, se pot defini o serie de proprietăţi mecanice necesar a fi cunoscute în vederea adoptării criteriilor impuse alegerii unui material pentru fabricarea unui produs.

Elasticitatea este proprietatea materialelor de a se deforma sub acţiunea forţelor exterioare şi de a reveni la forma lor iniţială după ce forţele exterioare şi-au încetat acţiunea. Ca urmare a acţiunii unor forţe exterioare, prin deformare are loc o modificare a distanţelor interatomice, şi anume: în direcţia solicitării distanţa va creşte (fig. 2.13) de la x = p la x' = p + ∆p, apărând forţe de atracţie între atomii reţelei, pentru ca în direcţie perpendiculară distanţa să se micşoreze de la y = p la y' = p − ∆p, între atomi apărând forţe de respingere.


σ

ε

σ

ε

σ

ε

Rm

R0,2p

Rm

( )RσRm

maxR0,2p

minR0,2p

a b c

Fig. 2.12. Aspecte ale curbei tensiune deformaţie: a, b - la materialele elasto-plastice; c - la materialele fragile.

La îndepărtarea solicitării aceste eforturi elementare readuc atomii în poziţia de echilibru restabilindu-se dimensiunile iniţiale ale corpului metalic.

Experimental se constată că deformarea elastică a materialelor metalice este întotdeauna însoţită şi de o anumită deformare permanentă (care nu depăşeşte 0,001 − 0,02%).

x =

y =

l∆

Reţea iniţială

Reţea deformatăelastic

p

p

y' = p - p'

Fi Fi

x' = ∆ p + p

a

b

∆

Fig. 2.13. Schema explicării deformării elastice într-un plan cristalografic solicitat la întindere cu

forţa Fi:

a - starea iniţială; b - starea deformată.


Rigiditatea este proprietatea materialelor de a se opune deformaţiilor elastice. Este o proprietate contrară elasticităţii şi reprezintă o măsură a rigidităţii, fiind dată de modulele de elasticitate longitudinal E şi transversal G. Deci, rigiditatea materialelor metalice şi implicit elasticitatea pot fi modificate prin variaţia lui E şi aceasta prin aplicarea metodelor tehnologice de prelucrare ca turnarea, deformarea plastică, tratamentele termice şi mai ales alierea. Prin aceste

metode tehnologice de prelucrare se modifică mult limita de curgere Rp 0,2 şi, deci, poate fi modificată mult capacitatea materialului de a absorbi energie în domeniul elastic (U = Rp

20,2/2E). Aşa se explică de ce unele materiale utilizate pentru

proprietăţile lor elastice (ca de exemplu, oţelurile pentru arcuri) trebuie să aibă şi o limită de curgere cât mai mare.

Plasticitatea este proprietatea materialelor deformate de a nu mai reveni la starea iniţială după ce forţele exterioare care au provocat deformarea şi-au încetat acţiunea.

Din curba caracteristică tensiune-deformaţie a unui material metalic (curba lui Hooke: σ = f (ε)) se constată că, solicitând materialul cu tensiuni mai mari decât limita de elasticitate, la creşteri mici ale tensiunii apar creşteri mari ale deforma- ţiei − apare un fenomen de curgere a materialului.

La solicitări între Rp 0,2 şi Rm deformaţiile specifice permanente încep să fie mai mari de 0,2%, iar la solicitări mai mari decât Rm materialul se rupe, deformaţia specifică maximă fiind εR (fig.2.14). Forma curbei caracteristice şi valorile punctelor critice (limită de elasticitate, de curgere, rezistenţa la rupere etc.) ale unui material depind de natura (compoziţia şi structura) acestuia, de deformaţiile plastice suferite (fig.2.1. a) şi de tratamentul termic (fig.2.14. b).

ε

R

σ

Zona de elasticitate

Eε cε Rε

Zona de plasticitate

Oţel călit,

Oţel imbunătăţitOL 60 normalizat

OL42 normalizat

Bronz

Cupru

Aluminiu

ε

fontă cenuşie

σ

m

R p 0,2

R p 0,02

a b

Fig. 2.14. Curba caracteristică tensiune-deformaţie (σ = f (ε)): a - în cazul general; b - pentru diferite materiale şi diferite tratamente termice.


Pentru ca un material metalic să ajungă în zona de plasticitate (Rp0,2 < σ < < Rm) este obligatoriu să treacă prin zona de elasticitate, deci deformaţia specifică totală ε are două componente, una elastică εE şi una permanentă εP

ε = εE + εP . (2.17)

După încetarea acţiunii forţelor ce au efectuat deformarea rămâne totdeauna o deformaţie permanentă εP formată la rândul ei din două componente; cea rezultată din deformatia elastică εPE <<εE şi cea corespunzătoare deformatiei permanente propriu-zise εPP

εP = εPE + εPP . (2.18)

Din cercetările experimentale s-a constatat că deformarea plastică se produce nu prin însumarea alungirilor ε, ci prin alunecările succesive ale planelor atomice ale corpului (fig.2.15). Această alunecare nu are loc întâmplător, ci de-a lungul planelor şi direcţiilor de densitate atomică maximă, care depind de tipul de reţea. Deci, capacitatea unui material de a putea fi deformat plastic depinde de numărul planelor sau direcţiilor de densitate atomică maximă. Alunecarea se produce sub acţiunea tensiunilor tangenţiale pe planele de maximă densitate. Valoarea tensiunii tangenţiale pe o direcţie oarecare în cazul solicitării unui monocristal la întindere (fig.2.1. a) este o mărime constantă pentru un metal şi se calculează cu relaţia

λϕπ

=τ coscos4

2D

F. (2.19)

D

τ

λ φ

F

N

F

Unghiuldirecţieide alunecare

σ Urmele planelor

dealunecare

Direcţiade alunecare

a b

Fig. 2.15. Mecanismul deformării plastice prin alunecare: a - starea iniţială ; b - starea finală.


S-a constatat însă că valoarea tensiunii critice de alunecare, măsurată

experimental este de 102 −10

3 ori mai mică decât valoarea teoretic calculată, lucru

uşor explicabil prin luarea în considerare a imperfecţiunilor reţelei cristaline. De exemplu, pentru a ilustra modul în care prezenţa unei dislocaţii

micşorează tensiunea necesară pentru alunecarea relativă a două plane atomice învecinate se consideră cristalul perfect (fig.2.16. a) şi cristalul în care se găseşte o dislocaţie (fig.2.16. b).

Se observă că în cazul cristalului perfect o alunecare relativă a celor două plane atomice duce la mărirea distanţelor dintre atomi şi deci la apariţia unor forte care se opun alunecării. În prezenţa dislocaţiei se observă că pentru jumătate din atomii deplasaţi distanţa scade dfs < d0s, iar pentru cealaltă jumătate distanţa creşte

dfd > d0d, astfel încât forţele interatomice care iau naştere se compensează reciproc, iar deplasarea relativă a celor două plane cu o distanţă atomică ar necesita o forţă aproape nulă. Totuşi valoarea relativ mare a tensiunii necesare pentru a realiza această deplasare se datorează faptului că prezenţa unei dislocaţii nu are efect decât pe o rază de câteva zeci de distanţe interatomice.

Pentru a obţine deformaţii macroscopice sensibile este necesar ca într-un număr mare de plane atomice paralele situate la intervale de circa 100 distanţe interatomice, să se găsească zeci sau chiar sute de dislocaţii, care să poată fi puse în mişcare la apariţia unor solicitări exterioare. Prin urmare, densitatea de dislocaţii

τ

τ

d0df

df > d0

poziţia iniţială a atomilor poziţia atomilor după deformare

a

τexistenţa unei dislocaţii

d sdfs

τ d d

d fdd ddfd>

dfs d s<

0

0

00

b

Fig. 2.16. Mecanismul deformării plastice:

a - la cristalul ideal; b - la cristalul cu defect de genul dislocaţiilor; d0 - distanţa iniţială dintre atomi;

df - distanţa finală dintre atomi.


δ [cm-2] va influenţa valoarea limitei de curgere Rp0,2 (fig.2.17). Se observă că la

valori mici ale densităţii de dislocaţii (material cu puţine defecte structurale), Rp 0,2

δ

min cr maxδ δ δ

R 0,2p

este mare şi scade pe măsura creşterii numărului dislocaţiilor până la o valoare minimă corespunzătoare unei densităţi

critice δcr. La depăşirea acestei densităţi deplasarea dislocaţiilor începe să fie îngreunată de interacţiunea cu alte defecte de structură care determină o creştere a limitei de curgere. Rezultă că pentru prelucrarea prin deformare plastică, trebuie

Fig. 2.17. Variaţia limitei de curgere Rp0,2

în funcţie de densitatea de dislocaţie δ.

create condiţii ca δ = δcr, pentru care plasticitatea este maximă.

Deformarea plastică se produce nu numai prin alunecare, ci şi prin maclare (reorientarea unei părţi a cristalului în raport cu cealaltă parte de-a lungul unui plan de maclare) sau complex (alunecare plus maclare). Cel mai frecvent mecanism de deformare plastică este însă alunecarea.

Fragilitatea este proprietatea unor materiale de a nu permite practic deformaţii plastice şi de a se rupe brusc sub acţiunea unor forţe exterioare (fig.2.12. c). Este proprietatea opusă plasticităţii. Materialele fragile ajung la rupere înainte ca deformaţia plastică să înceapă (fonta, oţelurile de mare rezistenţă, betonul sticla etc.).

Tenacitatea este proprietatea materialelor de a înmagazina o energie mare de deformaţie plastică până la rupere. Rezultă deci că materialele tenace se rup numai după deformaţii plastice specifice mari (oţelurile de mică rezistenţă, cuprul, aluminiul etc.). Tenacitatea materialelor depinde de natura lor, natura solicitărilor (statice sau dinamice), temperatura la care se găseşte materialul şi viteza de realizare a lucrului mecanic. Pentru a caracteriza tenacitatea dinamică s-a introdus noţiunea de rezilienţă KCU sau KCV definită ca raportul dintre lucrul mecanic W

de rupere la încovoiere prin şoc şi aria Sr a secţiunii de rupere:

KCU = rS

W [J/cm

2]. (2.20)

Rezilienţa permite aprecierea nu numai a tenacităţii unui material, ci şi a caracterului secţiunii de rupere, delimitând astfel comportarea fragilă a acestora.

Fluajul este proprietatea unor materiale de a se deforma lent şi progresiv, în timp, sub acţiunea unor forţe exterioare constante la o temperatură dată. Cunoaşterea proprietăţii de fluaj a unui material este deosebit de importantă deoarece în tehnica actuală, în multe cazuri, elementele construcţiilor mecanice sunt supuse la acţiunea simultană a tensiunilor şi temperaturilor înalte (industria


chimică, aerospaţială, mecanică, instalaţiile energetice etc.). Aşa cum s-a văzut din figura 2.12, deformarea plastică începe la limita de curgere şi continuă numai dacă tensiunea aplicată creşte permanent (afirmaţie adevărată dacă deformarea este raportată la un timp relativ scurt). Dacă sarcina aplicată acţionează timp îndelungat (zile, luni, ani) s-a constatat că metalul se deformează şi la sarcini mai mici decât limita de curgere şi chiar dacă sarcina se menţine constantă. Experimental s-a constatat că influenţa timpului de acţiune a sarcinii asupra deformării plastice este

neglijabilă când raportul dintre temperatura de functionare Tf a metalului şi

temperatura de topire Tt a acestuia este mai mic de 0,4 în cazul metalelor pure şi

aproximativ 0,5 în cazul aliajelor şi devine foarte importantă pentru Tf > TR

(TR = temperatura de recristalizare).

Studiul fluajului are drept scop să clarifice relaţia între timpul t0 şi următorii trei parametri: temperatura T, tensiunea σ şi deformaţia specifică ε. În cazul cel mai general, când se admite că cei trei parametri variază în timp, deformaţia specifică ε a epruvetei creşte conform următoarei ecuaţii generale:

tTE

ddd

⋅ε+⋅α+σ

=ε & , (2.21)

în care E este modulul de elasticitate; dσ/E − deformaţia specifică elastică; α⋅dT − deformaţia specifică de dilatare termică; α − coeficient de dilatare termică liniară; ε& = viteza de fluaj; ε& dt - deformaţia specifică permanentă sau fluajul.

Curba 2 Curba 1

Curba 3

BA

RZona I Zona II Zona III

Fluajprimar

Fluajsecundar

Fluajterţiar

R

B

A

ε 0

Deformaţia

εε

ε

ε

Timp

Comportarea la fluaj a metalelor se caracterizează cu ajutorul curbelor de fluaj care reprezintă variaţia deformaţiei reale în timp, la temperatură şi sarcină constante. Forma teoretică a unei curbe de fluaj este prezentată în figura 2.18, curba 1.

Panta acestei curbe dτdε = ε& ,

unde τ este timpul, se numeşte viteză de fluaj.

Fluajul se consideră din momentul când sub acţiunea solicitării

deformaţia specifică a ajuns ε0.

Fig. 2.18. Curbe de fluaj. Din analiza unei curbe de fluaj se observă trei zone distincte:

- zona I-a cuprinsă între ε0 şi punctul A caracterizată printr-o viteză de fluaj continuu descrescătoare numită zona fluajului primar sau nestabilizat;

- zona a II-a, cuprinsă între punctele A-B, caracterizată printr-o viteză de


fluaj constantă ( ε& = v0 = viteza minimă de fluaj) numită zona fluajului secundar sau stabilizat

- zona a III-a, cuprinsă între punctele B - R (corespunzător ruperii materialului), caracterizată printr-o viteză de fluaj continuu crescătoare numită şi zona fluajului terţiar sau accelerat.

Forma curbelor de fluaj depinde foarte mult de temperatură şi de tensiunea de încercare. La tensiuni mari şi temperaturi înalte se produce o reducere considerabilă a zonei fluajului secundar şi a fluajului terţiar, ruperea materialului producându-se mult mai repede (curba 2).

La tensiuni mici şi temperaturi scăzute, pe curba de fluaj lipseşte zona fluajului terţiar (curba 3).

Ca mecanism de producere, fluajul se explică prin depăşirea de către dislocaţii a obstacolelor care se opun mişcării lor, respectiv deformării.Depăşirea obstacolelor de către dislocaţii are loc sub acţiunea combinată a tensiunii şi fluctuaţiilor termice.

Determinarea comportării la fluaj a metalelor şi aliajelor necesită încercări de foarte mare durată.

Duritatea este proprietatea unui material de a se opune pătrunderii din exterior în suprafaţa sa a unui corp străin.

Duritatea este o proprietate mecanică de cea mai mare importanţă deoarece, în cele mai multe cazuri, funcţionarea corectă a unei piese şi durata ei de viaţă depinde de duritate. Principalii factori care determină duritatea sunt natura materialului metalic (forţele de legătură metalică, compoziţia chimică etc.), structura sa (microscopică, macroscopică, reticulară), temperatura şi tipul solicitării (statică şi dinamică). Deoarece materialele metalice sunt anizotrope şi neomogene duritatea este o proprietate statistică medie, determinându-se macroduritatea (pe diferite straturi de material) şi microduritatea (determinată pe un grăunte cristalin sau strat intergranular).

Duritatea este principalul factor ce determină rezistenţa la uzură a unui material, în special la uzură abrazivă (prin aşchiere şi zgâriere exercitată de particule dure, prin deformare plastică etc.) şi uzură de aderenţă (sudarea suprafeţelor prin frecare).

Rezistenţa la uzură este proprietatea materialelor de a se opune la acţiunea de distrugere prin frecare a suprafeţelor. Principalii factori ce influenţează rezistenţa la uzură ale materialelor în contact sunt: microgeometria suprafeţelor, duritatea, structura, compoziţia chimică, puritatea şi starea de tensiuni. În funcţie de viteza relativă dintre suprafeţele în contact şi de factorii exteriori de acţiune se deosebesc următoarele tipuri de uzură: de aderenţă, termică, abrazivă, oxidare, ciupituri (pitting), de contact (fretting) şi de cavitaţie.

Rezistenţa la rupere este proprietatea unui material de a se opune solicitărilor exterioare care tind să-l distrugă. Rezistenţa la rupere este cea mai importantă proprietate a materialelor, de aceea determinarea ei se face pe epruvete


standardizate solicitate la întindere, compresiune, încovoiere, torsiune, forfecare sau solicitări compuse. Încercarea la tracţiune reprezintă încercarea de bază a unui material, rezistenţa la rupere Rm(σr) fiind raportul dintre forţa maximă Fmax raportată la secţiunea S a unei epruvete standardizate :

S

FRm

max= , [daN/mm2] sau [GN/m2]. (2.22)

Ruperea reprezintă fenomenul de fragmentare a unui corp sub acţiunea unor solicitări interne şi externe. Comportarea unui material faţă de acest fenomen este caracterizată de rezistenţa la rupere. Ruperea se poate produce în mai multe moduri în funcţie de solicitarea la care este supus corpul, natura materialului şi fenomenele care însoţesc ruperea. Ruperile materialelor metalice pot fi clasificate după mai multe criterii:

- după modul cristalografic de rupere; - după aspectul ruperii; - după deformarea plastică ce precede ruperea. După modul cristalografic de rupere, respectiv după tensiunile care produc

ruperea, aceasta poate fi: - rupere prin smulgere sau prin clivaj ce constă în ruperea legăturilor

atomice dintre atomii situaţi pe două plane adiacente perpendiculare pe directia tensiunii. Tensiunile care produc acest tip de rupere sunt tensiuni normale σ, iar planele de rupere (de clivaj) sunt plane de densitate atomică minimă;

- ruperea prin forfecare ce constă în ruperea legăturilor atomice dintre atomii situaţi pe două plane adiacente de densitate atomică maximă sub acţiunea tensiunilor tangenţiale τ. Considerând tensiunea de coeziune σr ≈ E/10 şi tensiunea

de forfecare τr ≈ G/10, rezultă că ruperile prin smulgere vor apărea în condiţiile în

care σ > σr şiτ < τr, iar ruperile prin forfecare, dacă σ < σr şi τ > τr. După aspect, ruperile pot fi: - cristalin strălucitoare, obţinute mai ales prin clivaj, suprafaţa de rupere

fiind plană la nivel de grăunte cristalin (fig. 2.19. a). Ruperile prin clivaj se pot produce prin grăunţi (transcristalin) sau pe limita dintre grăunţi (intercristalin), un rol major în propagarea clivajului transcristalin sau intercristalin jucându-l temperatura;

- mat fibroase, obţinute mai ales prin forfecare, când ruperea se realizează în urma unor procese de deformare plastică puternic localizate. Acest tip de rupere se produce pe planele de alunecare, fisura tinzând să se dezvolte pe directia tensiunii tangenţiale maxime (fig. 2.19. b).

În mod obişnuit, suprafeţele de rupere prezintă atât aspecte cristalin strălucitoare, cât şi aspecte mat fibroase deoarece, în general, la materialele policristaline ruperile sunt cauzate atât de tensiunile normale, cât şi de cele tangenţiale (fig. 2.19. c).


a b c

Fig. 2.19. Moduri de rupere la nivel microscopic: a - clivaj continuu; b - forfecare; c - clivaj discontinuu.

Macroscopic, ruperile pot fi clasificate după deformarea plastică ce precede ruperea. După acest criteriu ruperile pot fi:

- ruperi fragile sau casante, sunt produse prin clivaj şi se caracterizează prin suprafeţe de rupere plane şi perpendiculare pe direcţia sarcinii aplicate. Se produc brusc, fără deformaţii plastice prealabile;

- ruperi ductile, determinate de tensiunile tangenţiale, se produc deci prin forfecare. Sunt precedate întotdeauna de deformări plastice.

În figura 2.20 se prezintă unele dintre tipurile de ruperi produse prin întindere care pot apărea în metale.

Studiul ruperii fragile prezintă o importanţă practică deosebită, deoarece această rupere producându-se fără nici un semn prealabil nu poate fi detectată dinainte şi urmările ruperii în timpul funcţionării pot fi catastrofale. Explicaţia ruperii fragile constă în existenţa unor defecte existente în structura cristalină (microfisuri). Microfisurile reprezintă concentratori locali de tensiune ce provoacă depăşirea rezistenţei la rupere în diferite puncte. Apariţia microfisurilor poate fi legată de imperfecţiunile liniare ale structurii cristaline. Concentrarea mai multor dislocaţii marginale reprezin-tă o microfisură. Aglomerarea dislocaţiilor la marginea grăunţilor produce microfi-surile care amorsează ruperea. În desfăşurarea oricărui proces de rupere se admite existenţa următoare-lor faze succesive: amor-sarea, propagarea şi oprirea. a b c d e

Comportarea la rupere a unui material metalic, respectiv manifes-tarea fragilă sau ductilă se

Fig. 2.20. Tipuri de rupere: a - rupere prin clivaj; b - rupere prin forfecare la

monocristale; c - rupere complet ductilă (con-cupă); d - rupere ductilă la policristale; e - rupere con-cupă la materiale cu

ductilitate moderată.


exprimă prin intermediul tenacităţii. Pentru o analiză comparativă a proprietăţilor definite mai sus se prezintă

valorile acestora pentru câteva materiale frecvent utilizate în tehnică (tabelul 2.2).

Tabelul 2.2. Valorile proprietăţilor mecanice pentru diferite materiale

Nr. crt.

Materialul

Limita de curgere

Rp0,2 [N/mm2] minimum

Rezistenţa la rupere,

Rm [N/mm2]

Alungirea la rupere A5 [%]

minimum

Rezilienţa KCU/5 [J/cm2]

minimum

Duritatea Brinell în

stare recoaptă [HB]

1. Oţel carbon obişnuit (OL 42) 250 420 28 42 163 2. Oţel carbon de calitate cu

0,10% (OLC10) 210 340-640 13 82 131

3. Oţel carbon de calitate cu 0,45% (OLC10)

360 610-840 14 40 207

4. Oţel carbon aliat cu 1,2% C şi 12% Mo (120Mn120)

315 > 880 40 66 230

5. Oţel carbon aliat cu 0,41% C, Cr şi 12% Mo (41CrMo120)

830 980-1180 11 49 217

6. Oţel carbon aliat cu 0,35% C, Mo, Cr şi 4% Ni (35 Mo CrNi40)

930 1080-1370 9 60 250

7. Oţeluri pentru prelucrarea pe maşini unelte automate (AUT20)

0,7 Rm 580-760 7 32 241

8. Oţel pentru rulmenţi (RUL2) 0,68 Rm 2700-3300 22 25…45 59…63 HRC 9. Oţel refractar cu 0,10% C,

Ti, Al, Cr şi 32% Ni (10TiAlCrNi320)

210 500…750 30 80 190

10. Oţel pentru arcuri (OLC75A)

880 1080 9 48 240

11. Oţel carbon de scule cu 0,8% C (OSC8)

720…960 900…1200 8 7 62HRC

12. Oţel aliat de scule cu 1,5% C, V, Mo şi 12% Cr (150VMoCr120)

1213 1379 2,5 2 65HRC

13. Alamă obişnuită (CuZn59) 140 200 20 120 80 14. Bronz turnat (CuSn14T) 160 200 2 48 85 15. Aliaj de aluminiu cu

10% Cu, turnat (AtCu10) 98…140 140…200 0,5 35 70…100

16. Polistiren - 300…600 1…4 20…30 40…180 17. Folie de celuloid - 0,6 25…40 1500 20…120

Rezistenţa la oboseală este proprietatea materialelor de a rezista la solicitările variabile repetate. Majoritatea pieselor ce alcătuiesc maşinile, instalaţiile şi alte categorii de construcţii inginereşti sunt supuse la solicitări care nu sunt constante în timp, ci au un caracter variabil. Variaţia în timp a solictărilor poate fi produsă fie de modificarea valorii încărcării, fie de schimbarea poziţiei


corpului faţă de o sarcină a cărei intensitate şi direcţie rămân constante. În cazul solicitărilor variabile se admite că tensiunea este funcţie de timp. Forma cea mai uzuală de reprezentare a unui ciclu de solicitare este cea din figura 2.21.

aσ

σ σ σmaxminm

σ

t

T

Fig. 2.21. Forma cea mai uzuală a unui ciclu de solicitare:

σmax - tensiunea maximă; σmin - tensiunea minimă; σm - tensiunea medie; σa - amplitudinea tensiunii; T - perioada.

Un ciclu de solicitare este definit prin următoarele elemente: - tensiunea maximă σmax;

- tensiunea minimă σmin;

- tensiunea medie σm = (σmin + σmin)/2;

- coeficientul de asimetrie al ciclului R = σmin /σmax;

- amplitudinea tensiunii σa = (σmin − σmin)/2;

Rezistenţa la oboseală la ciclul alternant simetric (R = −1) în cazul

solicitării la tracţiune σ−1t sau în cazul solicitării la răsucire pentru ciclul pulsator

τ0 este dată de cea mai mare valoare a tensiunii maxime la care epruveta nu se rupe, oricât de mare ar fi numărul de cicluri la care este supusă.

Comportarea la oboseală este un factor determinant în alegerea materialelor folosite la realizarea de piese puternic solicitate în timpul funcţionării.

2.3.1.4. Proprietăţile electrice

Sunt rezultatul interacţiunii dintre material şi fenomenele electrice din mediul înconjurător. Prezintă importanţă tehnologică conductivitatea electrică şi rezistivitatea.

Conductivitatea electrică este capacitatea unui material de a permite transportul de sarcini electrice şi energie în stare solidă sau lichidă. Potrivit teoriei cinetice clasice a electronilor liberi, conductibilitatea electrică a metalelor este determinată de gazul de electroni. În lipsa unui câmp electric, electronii care formează gazul execută mişcări termice dezordonate cu viteze orientate absolut la întâmplare, astfel încât nu există o directie preferată de deplasare a electronilor,


curentul transportat fiind deci nul. La aplicarea unui câmp electric electronii gazului de electroni capătă o mişcare suplimentară în direcţia câmpului electric. Ca rezultat al mişcării suplimentare apare deci un flux de electroni în direcţia câmpului, adică un curent electric a cărui intensitate i se calculează cu relaţia

i = σ ⋅ E, (2.23)

în care E este diferenţa de potenţial aplicată, iar σ = n⋅e⋅µ, este factorul de proporţionalitate dintre intensitate şi diferenţa de potenţial şi se numeşte conductivitate electrică; n − numărul de electroni din unitatea de volum; e − sarcina electronului; µ − factorul de mobilitate a electronilor.

Conductivitatea electrică variază la materialele metalice între

105 şi 10

8 Ω

-1m

-1. Inversul conductivităţii electrice se numeşte rezistivitate

electrică (ρ = 1 / σ). Din punct de vedere al conductibilităţii electrice materialele se împart în

metale şi semimetale (σ = 108...10

3 Ω

-1m

-1), izolatori (σ = 10

-10...10

-22 Ω

-1m

-1) şi

semiconductori (σ = 103...10

-10 Ω

-1m

-1), diferenţele foarte mari dintre conductibi-

litatea electrică a metalelor, izolatorilor şi semiconductorilor fiind determinate de modul diferit de ocupare cu electroni a benzilor energetice.

2.3.1.5. Proprietăţile magnetice

Sunt rezultatul interacţiunii dintre materiale şi câmpul magnetic. Toate corpurile sunt magnetic active, adică interacţionează cu câmpurile magnetice exterioare fiind atrase sau respinse de acestea (se magnetizează). Magnetismul corpurilor este cauzat de mişcarea sarcinilor electrice ale particulelor elementare, care determină apariţia unor momente magnetice. După valorile posibile ale momentului magnetic atomic, corpurile se împart în:

- diamagnetice (au momentul magnetic atomic total µAT = 0), caracterizate prin susceptivitate magnetică χm negativă şi foarte mică (χm = - 10-7... -10-5 ), depen- denţa magnetizaţiei volumice M, în funcţie de câmpul magnetic H, având forma prezentată în figura 2.22. b, curba 1. Dintre metale, aproximativ 20 sunt diamagnetice: printre care, Cu, Ag, Au, Be, Zn, Cd, Hg, B, Ga, In, Pb etc.

Variaţia susceptivităţii magnetice a corpurilor feromagnetice cu câmpul magnetic aplicat se prezintă în figura 2.22. a.

- paramagnetice (au momentul magnetic atomic total µAT ≠ 0), caracte-

rizate prin susceptivitate magnetică χm foarte mică dar pozitivă (χm = 10-7... 10-4), variaţia M = f(H) fiind dată de curba 2 din figura 2.22. b. Pentru metale paramagnetismul este dat atât de contribuţia scheletului ionic (dependent de temperatură), cât şi de contribuţia gazului electronic (independent de temperatură).

Magnetostricţiunea este proprietatea unui material de a-şi schimba forma şi


χmax

χa

H

χ

Curba 2

Curba 1H

M

dimensiunile în procesul de magnetizare şi invers. Această proprietate se caracterizează prin constanta de magneto-stricţiune λ calculată cu relaţia

a b

Fig. 2.22. Dependenţa χ = f (H) şi M = f (H): a - variaţia susceptivităţii magnetice χ cu câmpul aplicat; b-variaţia magnetizaţiei volumice M cu câmpul aplicat H.

λ = l

l∆ . (2.24)

Termostricţiunea este capacitatea unui material de

a-şi modifica forma şi dimensiunile ca urmare a magnetizării spontane, când temperatura scade sub temperatura Curie. Caracteristicile esenţiale ale unui material magnetic sunt (fig.2.23): saturaţie

magnetică Ms, magnetizaţia remanentă Mr, câmpul coercitiv Hc, permeabilitatea

iniţială µ0 (când H → 0) şi permeabilitatea maximă µmax. Din punct de vedere magnetic, materialele magnetice se clasifică în

următoarele categorii: - materiale magnetice moi, caracterizate prin ciclu histerezis îngust, câmp

coercitiv mic, permeabilitate magnetică mare, saturaţie magnetică mare, rezistivi-tate electrică relativ mare. Se utilizează ca miezuri de transformatoare şi bobine, re lee, rotoare şi statoare la maşinile electrice, electromagneţi, piese polare etc.;

- materiale magnetice dure, caracterizate prin ciclu histerezis lat, câmp coercitiv şi inducţie remanentă mare, energie magnetică în întrefier mare; se utilizează ca magneţi permanenţi;

-M

-H

-MsH H

M

M

MA

r

-Hc Hc s

r

s

B

s

Fig. 2.23. Caracteristicile Ms , Mr , Hc ale unui material magnetic (curba de magnetizare şi de

demagnetizare a unui corp feromagnetic): Ms - saturaţie magnetică; Mr - magnetizaţie remanentă; Hc - câmp coercitiv; Hs - câmp critic.

- materiale cu proprietăţi magnetice speciale, cum sunt materialele cu permeabilitate constantă când variază câmpul aplicat, materiale termocompensatoare, la care permeabilitatea magnetică variază brusc cu


temperatura, materiale cu magnetostricţiune mare, magnetodielectrici, semiconductoare magnetice etc.;

- materiale magnetice cu proprietăţi mecanice relativ mari, cum sunt oţelurile şi fontele utilizate ca elemente de rezistenţă mecanică în diferite circuite magnetice.

2.3.2. Proprietăţile tehnologice

Sunt definite de suma de relaţii dintre proprietăţile materialelor şi fenomenele ce apar în interacţiunea cu diferitele metode tehnologice de transformare la cald sau la rece a acestora.

Proprietăţile tehnologice sunt rezultatul îmbinării şi corelării mai multor proprietăţi funcţionale, pentru ca la rândul lor o parte din proprietăţile funcţionale să fie modificate de proprietăţile tehnologice, prin intermediul metodei tehnologice sau procedeului tehnologic de transformare.

Oricare material se poate transforma până la atingerea formei corespunzătoare rolului funcţional dorit prin mai multe procedee tehnologice de transformare. Astfel, proprietăţile tehnologice sunt cele care impun în majoritatea cazurilor procedeul tehnologic optim de transformare a acestuia, existând o strânsă interdependenţă procedee tehnologice de prelucrare - proprietăţi tehnologice. Principalele proprietăţi tehnologice sunt: turnabilitatea, deformabilitatea, uzinabilitatea (aşchiabilitatea), sudabilitatea şi călibilitatea.

2.3.2.1. Turnabilitatea

Este proprietatea unui material de a căpăta în urma solidificării configuraţia geometrică şi dimensiunile cavităţii în care se introduce în stare lichidă. Această proprietate se apreciază cu ajutorul calificativelor (foarte bună, bună, satisfăcătoare, nesatisfăcătoare, rea etc.). Din multitudinea de proprietăti funcţionale ale metalelor şi aliajelor, unele influenţează direct turnabilitatea şi anume: fuzibilitatea, fluiditatea, contracţia la solidificare, tensiunea superficială, tendinţa de segregare şi permeabilitatea la gaze. Interdependenţa proprietăţi tehnologice - proprietăţi funcţionale se prezintă în tabelul 2.3. Aşa cum se vede, turnabilitatea depinde de proprietătile fizice (temperatura de topire, temperatura de solidificare, dilataţia termică), de proprietăţile chimice (rezistenţa la coroziune, refractaritatea), de proprietăţile mecanice (rezistenţa la rupere, rezistenţa la curgere) şi de proprietăţile estetice (culoare, aspect, grad de netezime etc.)

2.3.2.2. Deformabilitatea

Este proprietatea metalelor şi aliajelor de a căpăta deformaţii permanente, fără a se rupe, sub acţiunea unor forţe exterioare. Se apreciază prin calificative


(foarte bună, bună, satisfăcătoare, nesatisfăcătoare, rea). Este influenţată direct de proprietăţile fizice (temperatura de solidificare, temperatura de recristalizare), de proprietăţile chimice (rezistenţa la coroziune, oxidarea), de proprietăţile mecanice (elasticitatea, plasticitatea, rezistenţa la curgere, fluajul, ecruisarea), de proprietăţile magnetice în cazul procedeelor de magnetodeformare şi de proprietăţile estetice (aspect, rugozitate). Principalele forme sub care se defineşte deformabilitatea sunt:

- forjabilitatea − capacitatea unor metale sau aliaje de a prezenta rezistenţă redusă la deformare sub acţiunea unor forţe de presare sau lovire şi de a curge uşor liber sau limitat cavitaţional;

- maleabilitatea − capacitatea unor materiale de a putea fi transformate în table sub acţiunea unor forţe exterioare de deformare;

- ductibilitatea − capacitatea unor materiale de a putea fi transformate în fire sub acţiunea unor forţe exterioare.

Deformabilitatea este cu atât mai bună cu cât eforturile necesare schimbării formei sunt mai mici.

2.3.2.3. Uzinabilitatea (aşchiabilitatea)

Este proprietatea unui material de a-şi modifica forma prin îndepărtarea de particule sau microparticule materiale (aşchii sau microaşchii) sub actiunea unor forţe exterioare aplicate prin intermediul unor scule aşchietoare. Uzinabilitatea este cu atât mai bună, cu cât eforturile necesare desprinderii particulelor sau microparticulelor sunt mai mici. Uzinabilitatea este bună la majoritatea metalelor şi aliajelor, ea depinzând foarte diferit de proprietăţile funcţionale (tabelul 2.3). Toate proprietăţile funcţionale au o influenţă deosebită asupra uzinabilităţii, existând şi procedee tehnologice cu dependenţă limitată, specifică naturii materialului şi metodelor tehnologice de transformare.

2.3.2.4. Sudabilitatea (comportarea la sudare)

Este proprietatea unui material de a se îmbina nedemontabil cu alt material prin formarea unor legături atomice între atomii marginali ai suprafeţelor de îmbinat în anumite condiţii de temperatură şi/sau presiune. Sudabilitatea este o caracteristică deosebit de complexă a unui material, ea depinzând mai mult sau mai puţin de toate proprietăţile funcţionale (tabelul 2.3) ale metalului de bază şi ale metalului de adaos (compoziţie chimică, proprietăţi, structură, prelucrări anterioare), de procedeul de sudare aplicat şi tehnologia de sudare (tratamentul preliminar şi final, regimul de sudare, succesiunea depunerii straturilor de material etc.) şi de configuraţia geometrică şi dimensională a ansamblului sudat.

2.3.2.5. Călibilitatea

Este proprietatea unor materiale de a deveni dure în urma unui ciclu termic


Tabelul 2.3. Interdependenţa proprietăţi funcţionale-proprietăţi tehnologice

Proprietăţi funcţionale

Proprietăţi tehnologice

Fizice Chi-mice

Meca-nice

Electrice Magnetice Optice Nucleare Este-tice

Turnabilitatea * * * 0 0 0 0 * Deformabilitatea * * * 0 (*) magneto-

deformare 0 0 *

Uzinabilitatea * * * (*) electro-eroziunea

0 (*) fascicul de fotoni

(*) fascicul de electroni

*

Sudabilitatea * * * (*) sudare cu energie electrică

0 (*) sudare cu fascicul de fotoni

(*) sudare cu fascicul de electroni

*

Călibilitatea * * 0 0 0 (*) călire cu fascicul de fotoni

0 *

* - dependenţă în toate cazurile

(*) - dependenţă doar în cazuri particulare

0 - nu există interdependenţă

de forma: încălzire la o anumită temperatură - răcire după o anumită lege. Este o proprietate tehnologică dependentă de proprietăţile fizice şi chimice ale materialului cu influenţe deosebite în modificarea stării structurale a acestuia şi implicit asupra celorlalte proprietăţi tehnologice şi de exploatare într-un sens dinainte stabilit. Durificarea structurală se aplică următoarelor tipuri de metale şi aliaje cu aplicabilitate industrială:

- aliaje pe bază de aluminiu: binare (Al-Cu, Al-Mg, Al-Zn), ternare (Al-Cu-Mg, Al-Cu-Si, Al-Cu-Mn, Al-Cu-Ti, Al-Zn-Si), complexe (Al-Cu-Mg-Ni, Al-Si-Mg-Mn, Al-Si-Cu-Mg-Ni) etc.;

- aliaje pe bază de cupru (bronzuri cu beriliu, cu crom, cu aluminiu, cu siliciu şi nichel, bronzuri complexe);

- aliaje pe bază de magneziu: binare (Mg-Al, Mg-Zn) şi ternare (Mg-Al-Zn);

- aliaje pe bază de titan; - oţeluri carbon (slab aliate, aliate şi înalt aliate), oţeluri de scule, oţeluri

inoxidabile, anticorozive şi refractare; - fonte; - mase plastice.

2.3.3. Proprietăţile economice

Sunt definite de o sumă de relaţii de interdependenţă între material şi piaţa de desfacere şi utilizare. Prezintă importanţă deosebită în oricare proces tehnologic


de transformare şi exploatare deoarece ele fac legătura între proprietăţile tehnologice şi proprietăţile funcţionale, legătură foarte greu de exprimat printr-o funcţie obiectiv de forma

Pe = f (Pf, Pt ). (2.25)

Această legătură se face întotdeauna prin intermediul materialului definit în majoritatea cazurilor prin suma proprietăţilor sale, care permite determinarea condiţiilor ca două materiale să fie identice sau să fie înlocuite unul cu celălalt.

O dată cunoscută suma proprietăţilor, pe baza criteriilor impuse de proprietăţile economice (preţul de cost, resurse), se poate determina funcţia obiectiv de comparare şi de înlocuire economică a unui material cu alt material.

Material 1 Material 2

* * *

Proprietăţi funcţionale

Proprietăţieconomice

Proprietăţi tehnologice

P PPf e t Pf Pe Pt

Interdependenţa proprietăţi

funcţionale (Pf ) - proprietăţi tehnolo-

gice (Pt) - proprietăţi economice (Pe) este realizată întotdeauna prin intermediul proprietăţilor economice, care reclamă cu oportunitate anumite proprietăţi funcţionale şi tehnologice şi, deci, anumite procedee tehnologice de transformare, după cum şi invers −oricare procedeu sau metodă tehnolo-

Fig. 2.24. Condiţiile ca două materiale să fie identice:

*ff PP ≡ ;

*ee PP ≡ ;

*tt PP ≡ .

gică presupune anumite proprietăţi economice. Condiţiile ca două materiale să

fie identice presupun (fig.2.24):

*ff PP ≡ ;

*ee PP ≡ ; *

tt PP ≡ , (2.26)

cea mai greu de realizat fiind ultima, deoarece depinde în primul rând de echipamentul tehnologic necesar, care este într-o continuă perfecţionare.

2.4. METODE PENTRU DETERMINAREA, STUDIUL ŞI

CONTROLUL PROPRIETĂŢILOR MATERIALELOR

Determinarea şi cunoaşterea proprietăţilor materialelor este necesară atât pentru caracterizarea lor generală, pentru stabilirea metodei de alegere a unui material optim, pentru confecţionarea unei piese, cât şi pentru caracterizarea pieselor confecţionate din materialul respectiv în timpul funcţionării. Dată fiind varietatea foarte mare de materiale utilizate şi numărul mare de proprietăţi distincte este necesară atât adaptarea unor metode generale la particularităţile materialelor


respective, cât şi elaborarea unor metode specifice. Numeroasele metode pentru determinarea, studiul şi controlul proprietăţilor materialelor, cu aplicabilitate în tehnică, se prezintă în figura 2.25, clasificate după câteva criterii de bază.

2.4.1. Metode pentru determinarea compoziţiei chimice

Compoziţia chimică a unui material este deosebit de importantă, prin influenţa pe care o are asupra proprietăţilor funcţionale şi tehnologice ale acestuia; de aceea, cunoaşterea elementelor chimice componente este prima etapă a studiului şi cunoaşterii materialului. De cele mai multe ori este necesar să se determine elementele de aliere adăugate intenţionat, care modifică în sensul dorit anumite proprietăţi.

Determinarea compoziţiei chimice se face printr-o serie de metode ce furnizează diferite grade de precizie în stabilirea diferiţilor componenţi, cum sunt:

- metode empirice (subiective): dau anumite informaţii sumare asupra compoziţiei prin intermediul unor proprietăţi accesibile nemijlocit simţurilor noastre (greutate specifică, sunet, culoare etc.); pentru materialele feroase se aplică deseori identificarea prin scântei, care permite determinarea aproximativă a conţinutului în carbon, precum şi prezenţa unor elemente de aliere;

- metode de mare precizie: permit analiza completă a compoziţiei materialelor sau determinarea precisă a cantităţilor elementelor chimice componente. Din această categorie fac parte metodele de analize chimice, calitative şi cantitative (volumetrice, gravimetrice), metodele fizico-chimice (polarografice, fotocalorimetrice, cromatografice) şi metodele fizice (spectroscopia).

Cea mai precisă dintre aceste metode este analiza spectrală, care se bazează pe studiul spectrelor de emisie ale substanţelor cercetate, ţinând cont că spectrul atomic este una dintre caracteristicile fundamentale ale unui element chimic (nu există două elemente chimice cu acelaşi spectru atomic). Metoda constă în stabilirea în spectrul probei analizate a prezenţei liniilor spectrale ale elementelor chimice componente (analiză spectrală calitativă) şi în măsurarea intensităţii liniilor spectrale pentru stabilirea conţinutului cantitativ al elementelor componente (analiza spectrală cantitativă). Studierea spectrelor se poate face vizual (spectroscopie), fotografic (spectrografie) sau fotoelectric (cu ajutorul cuantometrelor);

- metode specifice: permit o serie de determinări speciale ale unor componenţi în diferite aliaje. Aceste determinări pot fi absolute sau relative (se află dacă cantitatea din elementul respectiv se incadrează în anumite limite) şi sunt în mare parte standardizate (de exemplu, identificarea prezenţei cromului în oţel se face astfel: pe suprafaţa atacată se adaugă 2-3 picături din soluţia de peroxid de sodiu proaspăt pregătită, se presează apoi 4 bucăţi de hârtie filtru peste care se picură soluţia saturată de benzidină 50% în acid acetic; dacă oţelul conţine crom


Metode pentru

determinarea

proprietăţilor

materialelor

După scopul

urmărit

Determinarea compoziţiei

Determinarea structuriimicro

Determinarea proprietăţilor mecanice

Determinarea proprietăţilor tehnologice

chimiceAnaliza

chimică

Calitativă

Cantitativă

Analiza metalografică

Determinarea proprietăţilor chimice

Determinarea proprietăţilor electrice şi magnetice

Dupătemperatura

la care se execută

La cald

La rece

La temperatura normală

După principiul utilizat

Mecanice

Optice

Electrice

Radiografice

CristalograficeDupă informaţia furnizată

Metode calitative

Metode cantitative

Metode subiective

Metode obiective

După gradul

de solicitare

Nedistructive

Semidistructive

Distructive

Determinarea proprietăţilor fizice

După obiectulstudiat

După modul deacţionare a solicitării

Statică

Dinamică

Materialul brut

Semifabricatul

Piesa finită

Subansamblul sau ansamblul

şi macroscopice

Fig. 2.25. Metode pentru determinarea proprietăţilor materialelor.


apare o culoare albastră, intensitatea culorii arătând conţinutul aproximativ al acestui element în oţel).

2.4.2. Determinarea microstructurii şi macrostructurii

Caracteristica esenţială a oricărui material este structura, a cărei influenţă asupra proprietăţilor condiţionează în cea mai mare măsură utilizarea materialului respectiv. Convenţional, structura se studiază microscopic şi macroscopic, folosind două categorii de metode: metalografice (macrografie, microscopie optică şi electronică etc.), metode defectoscopice nedistructive (cu radiaţii X, cu pulberi magnetice, cu ultrasunete, cu substanţe penetrante, emisie acustică, termografie) şi metode speciale (radiocristalografia, difractometria etc.).

2.4.2.1. Metode metalografice

Constau în studiul structurii metalelor şi aliajelor pe una sau pe mai multe probe preparate corespunzător. Prepararea unei probe se face în mai multe etape: prelevarea probei (care trebuie făcută ţinând cont de eterogenitatea structurală previzibilă), îndreptarea prealabilă a suprafeţei (care trebuie să fie absolut plană), polizarea pregătitoare (cu o serie de hârtii abrazive cu granulaţie din ce în ce mai fină), finisarea (mecanic, electrolitic etc.) şi atacul chimic (ales corespunzător cu diferenţierea constituenţilor). Probele astfel pregătite se supun examenului microscopic pe microscoape metalografice. Caracteristica cea mai importantă a unui microscop este puterea de rezoluţie d, care reprezintă distanţa minimă dintre două puncte pentru care microscopul dă imagini distincte şi se calculează cu relaţia

α⋅

λ=

sinnd , (2.27)

în care λ este lungimea de undă a luminii monocromatice folosite; n - indicele de refracţie al mediului; α - jumătatea unghiului de deschidere al obiectivului.

Microscoapele optice nu pot da măriri mai mari de 1 500 de ori, deoarece dincolo de această limită creşterea măririi nu mai este însoţită de creşterea puterii de separare şi, deci, imaginea nu mai poate da informaţii suplimentare. Calea de obţinere a unor rezoluţii mai bune este folosirea unor lungimi de undă mai mici. Soluţia s-a găsit folosind fascicule de electroni (lungimea de undă este de cca 1 000 de ori mai mică decât a luminii vizibile) şi a apărut microscopia electronică. Actualmente se folosesc trei tipuri de microscoape electronice:

- microscopul cu emisie, la care fasciculul de electroni este emis chiar de proba analizată; permite obţinerea de rezoluţii de până la d = 500 Å, în condiţiile

unor măriri de ordinul 106 ... 10

7 ori;

- microscopul cu reflexie, la care fasciculul de electroni este reflectat de


suprafaţa probei; permite rezoluţii de până la d = 500 Å, în condiţiile unor măriri de

ordinul 106 ...10

7ori;

- microscopul cu transmisie, la care fasciculul de electroni traversează proba; permite rezoluţii de până la d = 5...8 Å, în condiţiile unor măriri de ordinul 10

6...10

8ori. Deoarece fasciculul de elec- Proba

Replică

troni nu poate pătrunde în metal pe grosime mai mare de 500...1 000 Å, pentru

Fig. 2.26. Replică directă.

obţinerea imaginilor prin metoda transmisiei este necesară folosirea unor straturi subţiri de material. Metoda cea mai frecvent utilizată constă în confecţionarea unor replici ale suprafeţei de studiat, replici care trebuie să satisfacă două condiţii principale: fidelitatea şi rigiditatea. Confecţionarea replicilor se poate face prin tehnici diferite, dintre care cea mai simplă este replica directă (fig.2.26) din materiale organice (colodiu, formvar etc.), bioxid de siliciu, carbon, metale (Al, Be), oxizi metalici depuşi în general prin evaporare.

2.4.2.2. Metode de control nedistructiv

Metodele de control nedistructiv permit, prin folosirea diferitelor metode fizice bazate pe feromagnetism, radiaţii penetrante, emisia acustică şi ultraacustică, capilaritate, vizualizarea unor eterogenităţi macrostructurale de suprafaţă sau de profunzime. Aceste metode se folosesc în special pentru controlul calităţii unui material (defectoscopie) şi mai puţin în studiul structurii acestuia.

a) Metoda de control cu radiaţii penetrante

Este una dintre metodele cele mai utilizate pentru obţinerea informaţiilor asupra calităţii structurii interne a materialelor şi produselor. Descoperirea defectelor interne prin această metodă se bazează pe absorbţia radiaţiilor X şi γ de către corpuri.

Radiaţiile X (Röentgen) şi γ sunt radiaţii de natură electromagnetică şi ocupă un domeniu determinat în spectrul undelor electromagnetice (fig.2.27).

Radiaţiile X se formează prin frânarea bruscă, pe o ţintă (anticatod), a unui fascicul de electroni acceleraţi în tuburi Röentgen, acceleratoare liniare de electroni sau în betatroane. Radiaţiile gama se formează în procesele care au loc în nucleele elementelor radioactive (în defectoscopie se utilizează izotopii cobalt 60, iridiu 192, cesiu 137 şi tulium 170).

La trecerea printr-un corp, intensitatea radiaţiei emergente I variază după legea

I = I0⋅ e - αd

, (2.28)


în care I0 este intensitatea iniţială a radiaţiei; α - coeficientul de absorbţie al materialului, iar d - grosimea materialului.

Underadio

Radiaţiiinfraroşii

Radiaţiicosmice

Radiaţiiultraviolete

Lumină vizibilă

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10-3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -15 -16

Radiaţii gama

Radiaţii roentgen

Fig. 2.27. Spectrul radiaţiilor electromagnetice.

Dacă în interiorul materialului se găseşte o neomogenitate de grosime s, care are coeficientul de atenuare α' (fig.2. 28), intensitatea care rezultă I′ este dată de relaţia

I' = I0 ⋅ e - α(d-s) - α' s

. (2.29)

Prin punerea în evidenţă a acestor variaţii de atenuare se pot detecta neomogenităţile interioare fără distrugerea materialului. Punerea în evidenţă a atenuării, respectiv a intensităţii unui fascicul de radiaţii, se poate face prin impresionarea unor filme sau plăci fotografice sensibile la aceste radiaţii (radiografie), a unor ecrane fluorescente (radioscopie), ionizarea unor gaze (metoda ionizării) sau a unor plăci fotoconductoare încărcate electrostatic (xerografie). Cea mai folosită metodă este cea a radiografierii. Schema de principiu a unui defecto-

I I' I

s

I0Proba decercetat

Defectd

Radiaţii γX,

Camera de

K KTr

Camera de expunere

Piesa

Caseta

R

comandă

Fig. 2.28. Principiul defectoscopiei cu radiaţii

penetrante: I0 - intensitatea iniţială a radiaţiei; I’ - intensitatea finală;

d- grosimea materialului; s - grosimea defectului.

Fig. 2.29. Schema de principiu a unui defectoscop cu radiaţii X:

K-kenotroane; R-tub Röentgen; Tr-transformator.

scop cu radiaţii X se prezintă în figura 2.29. Radiaţiile X obţinute de la tubul


Röentgen R alimentat de kenotroanele K sunt dirijate asupra piesei, străbătând-o, după care întâlnesc o casetă cu film pe care îl impresionează în funcţie de compactitatea şi natura materialului străbătut.

Din cauza atenuării diferite a radiaţiei, locurile în care se află defectele vor fi marcate de zone întunecate. Calitatea radiografiilor depinde de mai mulţi factori: densitatea razelor, mărimea focarului sursei şi distanţa de la focar la film, radiaţiile disperse şi tehnica fotografică. Aprecierea poziţiei şi a dimensiunilor defectelor din piesă poate fi realizată prin examinarea şi interpretarea imaginii radiografice. O radiogramă dă numai două coordonate ale defectului (cele din planul perpendicular pe fasciculul incident). Cea de-a treia coordonată se determină obţinând pe aceeaşi peliculă fotografică două imagini ale defectului, considerat din două poziţii ale sursei de radiaţii. Considerând un defect într-o piesă (fig.2.30), coordonatele x şi y se determină prin măsurare efectivă pe radiofilm, iar coordonata z se calculează cu relaţia

cta

aFz −

+

⋅= , (2.30)

în care a este distanţa dintre poziţiile defectului pe film la iradiere suprapusă (sursa de radiaţii fiind iniţial în S0 şi apoi în S1); t - distanţa dintre cele două poziţii ale sursei; c - distanţa de la piesă la film; F - distanţa dintre planul sursei şi al radiofilmului şi se calculează cu relaţia

iip nndcdF /)()( +⋅+= , (2.31)

în care d este grosimea piesei de controlat; dp - diametrul petei focale a fasciculului

de radiaţii ; ni - neclaritatea internă (neclaritatea unor detalii de pe radiografie datorită împrăştierii în emulsia fotografică a fotoelectronilor produşi prin interacţiunea radiaţiei penetrante cu granulele fotosensibile din emulsie).

Considerând densităţile de înregistrare ale radiofilmului (D în zona fără defect şi D′ în zona cu defect) determinat de intensităţile I şi I' rezultă:

( )

s

d

ssd

I

I

D

D ⋅

α−α

α−

α−−α−

=⋅

='

o

'

o'

ee

e, (2.32)

relaţie din care se deduce prin logaritmare grosimea s a defectului:

'

'ln

α−α= D

D

s . (2.33)

Consideraţiile expuse mai sus se referă la o piesă de grosime constantă. În


Defect

S1S0

F

Piesa

CasetaIA B

t

z

c

sd

a

FilmII

yx

practică, piesele prezintă de cele mai multe ori o configuraţie complicată, ceea ce creează greutăţi în interpretarea radiografiei; de aceea pentru astfel de cazuri sunt indicate două procedee de iradiere: iradierea cu compensatoare şi iradierea cu flux multiplu.

Metoda radioscopică constă în observarea imaginii produse, pe un ecran fluorescent, de către fasciculul de radiaţii. Imaginea de pe ecran este o imagine negativă faţă de cea obţinută pe film. Avantajul metodei constă în rapiditatea ei, însă este puţin răspândită datorită nocivităţii razelor, costului aparaturii şi faptului că nu constituie un document în timp al observaţiei.

Fig. 2.30. Determinarea coordonatelor defectului: I - expunere; II - imagine pe film.

Sensibilitatea metodei se apreciază după grosimea minimă a de-

fectului detectat

smin = D

s⋅ 100 [%]. (2.34)

În cazul folosirii radiaţiilor X, grosimea maximă a pieselor de oţel fiind de

120 mm, radioscopia are smin = 8...15%, iar radiografia smin = 1...2%. Folosirea razelor γ şi a fasciculelor de neutroni permite creşterea grosimii până la 300 mm, respectiv 500 mm, dar sensibilitatea scade simţitor.

b) Metode de control cu ultrasunete

Au la bază proprietăţile undelor ultrasonore de a se propaga, reflecta, refracta, difuza, atenua în mod diferit, în funcţie de mediul prin care se transmit. Existenţa unor eterogenităţi în mediu conduce la modificarea intensităţii ultrasunetelor, care se propagă prin mediul respectiv, precum şi la reflexia undelor ultrasonore la interfaţa neomogenitate - mediu.

Undele ultrasonore prezintă o serie de proprietăţi, care sunt necesare a fi cunoscute pentru a putea alege metoda optimă de control şi pentru o interpretare corectă a rezultatelor. Ultrasunetele sunt vibraţii mecanice cu frecvenţe mai mari de

16 000 Hz ajungând până la 13⋅108 Hz. Cele mai importante proprietăţi ale

ultrasunetelor ce trebuie cunoscute pentru examinarea cu ultrasunete sunt: - viteze de propagare diferite în funcţie de natura mediului prin care se

propagă şi de tipul undei (longitudinală, transversală, de încovoiere, de suprafaţă,


de torsiune etc.). Într-un corp cu dimensiuni mai mari decât lungimea de undă λ a

ultrasunetelor se pot propaga unde longitudinale cu viteza CL , dată de relaţia:

( ) ( )ν−⋅ν+

ν−⋅

ρ=

211

1ECL (2.35)

şi unde transversale cu viteza CT , date de relaţia

( ) ρ

≈ν+

⋅ρ

=GE

CT 12

1, (2.36)

în care E este modulul de elasticitate longitudinal al mediului; G - modulul de

elasticitate transversal; ρ - densitatea mediului, ν - coeficientul lui Poisson (νoţel=

= 0,28; νaluminiu = 0,34). Când dimensiunile corpului sunt mai mici sau de acelaşi ordin de mărime

cu λ pot apărea combinaţii ale celor două feluri de unde, ca de exemplu, unde de

îndoire (în plăci subţiri) ce se propagă cu viteza Cf , dată de relaţia

ν−

⋅ρλ

⋅π=

21

1

3

EsC f , (2.37)

în care s este grosimea plăcii, în mm;

N

xx

Lr

RL

N

θ

Tr

Tr

θθ

θ

T

T

θ

θ

N

L

L

x x

N

θ

T

Li

N

LR

L

1

2

x x

θ θ

N

iL RL

θrL

r

Li

θ θiL RL

θRT

1

2

1

2rL

rT

i

iT

RT

R

RRL

rL

rT

r

r

a b c

Fig. 2.31 Reflexia şi refracţia undelor ultrasonore la interfaţa a două medii de separaţie 1 şi 2: a - în medii lichide sau gazoase; b, c - în medii solide;

Li, LR, Lr - undă longitudinală incidentă, reflectată şi respectiv refractată; Ti, TR, Tr - undă transversală incidentă, reflectată şi respectiv refractată; θRL,θRT, -unghi de reflexie pentru unda longitudinală şi

respectiv transversală; θrL, θrT -unghi de refracţie pentru unda longitudinală şi respectiv transversală.


- reflexia şi refracţia undelor ultrasonore, la interfaţa a două medii. În lichide sau gaze unda incidentă reflectată şi refractată poate fi numai longitudinală (fig.2.31. a) în timp ce în medii solide se obţin simultan unde reflectate şi refractate longitudinale şi transversale indiferent de natura undei incidente (fig.2.31. b şi c).

La interfaţa solid-lichid (caz des întâlnit la defectoscopia ultrasonică prin imersiune) se obţin simultan unde reflectate şi refractate longitudinale şi transversale. Direcţiile diferitelor unde se determină folosind legile lui Snell:

rT

T

rL

L

RT

T

iL

LRi

CCCC

θ=

θ=

θ=

θθ=θ

sinsinsinsin ; 2211 , (2.38)

în care CL1, CL2, CT1, CT2 sunt vitezele undelor longitudinale şi respectiv

transversale în cele două medii diferite; θR, θr - unghiul de reflexie şi respectiv refracţie făcut de unda longitudinală (L) sau transversală (T) cu normala N-N (fig.2.32).

Valoarea unghiului θi pentru care θrL = 90° (în mediul 1 există doar unde

transversale) se numeşte primul unghi critic (fig.2.32. a, Icr iθ = 26,2° pentru Al şi

27,6° pentru oţel etc.) şi se deduce din relaţia

2

1cr arcsin

L

LIi C

C=θ . (2.39)

xx

N

Li

N

LR

x x

θRL

1

2

Li

θ iLθRL

1

2

θ =θiL i cr

θRT

TR

NTr

θrT

L Tr

N

2

θ 0rL=90

TR

LRθRT

θ 0

rT=90

a - θrL=90° b - θrT=90°

Fig. 2.32. Reflexia şi refracţia undelor ultrasonore la interfaţa a două medii de separaţie: a - θrL=90°; b - θrT=90°.

Valoarea unghiului θi pentru care θrT = 90° (în mediul 1 există doar

unde de suprafaţă) se numeşte al doilea unghi critic (fig.2.32. b, IIcr iθ = 61° pentru


Al şi 57,7° pentru oţel) şi se calculează cu relaţia:

2

1IIcr i arcsin

T

L

C

C=θ ; (2.40)

- difracţia ultrasunetelor în cazul în care mediul prin care se propagă ultrasunetele are o discontinuitate (defect, incluziune, impuritate), de dimensiuni apropiate de mărimea lungimii de undă λ a ultrasunetului, se produce cauzând o reducere a domeniului de umbră disipată (fig.2.33). Unghiul de difracţie η se calculează cu relaţia

sin η = a

λ22,1 , (2.41)

iar diametrul a al umbrei la o distanţă l de defect este:

a = d − 2l tg η = d − 2,4422 49,1 λ−

λ⋅

d

l; (2.42)

- atenuarea undelor ultrasonore constă în modificarea valorii intensităţii I a undelor ultrasonore cu distanţa şi cu natura mediului prin care se propagă.

η η

a

dl

Defect

Piesa

Emiţător

Legea de variaţie a intensităţii este de forma

I = I0 ⋅ e-2αx, (2.43)

în care I0 este intensitatea undelor la intrarea în mediu, α - coeficient de atenuare corespunzător cu natura mediului; x - distanţa străbătută.

Metodele de determinare a existenţei, poziţiei şi eventual a

Fig. 2.33. Difracţia ultrasunelor. mărimii unor defecte în materialele controlate se bazează pe fenomenele

de reflexie ce apar la interfaţa defect-material sau pe atenuarea diferită a ultrasunetelor la trecerea lor prin medii diferite.

Principalele metode de examinare cu largă răspândire sunt: - metoda umbrei (cu impuls transmis); - metoda ecoului (cu impulsuri reflectate); - metoda rezonanţei; - metoda undelor de placă (se bazează pe principiul ecoului şi al rezo-

nanţei); - metoda prin transmisie, cu vizualizarea defectelor;


- metoda de examinare prin imersiune. Metoda de examinare cu impuls transmis pune în evidenţă defectele interne

prin măsurarea intensităţii undelor ultrasonore transmise prin piesă cu ajutorul unor aparate indicatoare. Undele ultrasonore emise de un palpator-emiţător E sunt recepţionate de un palpator-receptor R (fig.2.34. a). Dacă în calea impulsului apare un defect acesta va crea o umbră în spatele lui, lucru semnalat imediat pe ecranul osciloscopului O (fig.2.34. b) sau, în funcţie de mărimea defectului, absenţa impulsului transmis (fig.2.34. c).

Această metodă permite identificarea defectului şi mărimea proiecţiei lui pe un plan perpendicular pe direcţia de transmitere a impulsului, însă nu dă indicaţii referitoare la adâncimea la care el se află. Această metodă se foloseşte la examinarea plăcilor, tablelor şi benzilor cu grosimi până la maximum 500 mm.

RE

EP

PR

R

E

0

0

0

a

b

c

D

PI

I

I

F

Fig. 2.34. Examinarea cu impuls transmis:

a - piesă fără defecte; b; c - piese cu defecte; P- piesa de examinat; D - defect; E - emiţător; R - receptor; O - osciloscop; I - ecou de intrare; F - ecou de fund.

Metoda de examinare cu impulsuri reflectate are la bază identificarea defectelor prin diferenţierea după timpul parcurs al impulsurilor ultrasonice, reflectate de defect şi de suprafeţele exterioare ale piesei. Se foloseşte un singur palpator emiţător - receptor E-R sau un palpator emiţător E şi unul receptor R. În


cazul în care se foloseşte un singur palpator (fig.2.35), acesta emite impulsuri ultrasonice, care, pătrunzând în materialul de cercetat, se reflectă atunci când întâlneşte puncte opuse ale piesei P sau eventual defecte D. Ecoul obţinut este recepţionat de acelaşi palpator care îl transmite unui osciloscop O, pe ecranul căruia apare o succesiune de impulsuri indicând semnalul de intrare I, semnalul de defect D şi semnalul de fund F.

Metoda are limite foarte largi de folosire atât în ceea ce priveşte dimensiunile şi forma piesei, cât şi natura defectelor căutate, precum şi posibilitatea determinării mai precise a parametrilor defectului (obţinerea unor informaţii complete privind poziţia defectului).

D

D1

2

PiesaFI

E/RO

I DD

F

0

12

Fig. 2.35. Metoda de examinare cu impulsuri reflectate : E/R - emiţător - receptor; I - ecou de intrare;

F - ecou de fund; D1; D2 - ecouri de defecte; O – osciloscop.

Adâncimea maximă de pătrundere a undelor ultrasonore ajunge până la 20 m, iar adâncimea minimă de detectare a defectelor ajunge la 3 mm (zona moartă = distanţa de la suprafaţa palpatorului, măsurată în interiorul materialului

E/R E/R

a b

D

O

examinat, în limitele căreia sensibilitatea scade sub o valoare admisibilă dată), suprafaţa minimă a defectului perceput este de 1,7 ... 2,0 mm

2. Metoda de examinare cu

ecouri repetate se foloseşte la determinarea defectelor în piese cu grosime redusă (table, benzi, pereţii recipienţilor etc.), de ordinul de mărime al zonei moarte sau mai mică decât aceasta (fig.2.36). În cazul când undele se

Fig. 2.36. Metoda de examinare cu ecouri repetate : a - piesă fără defect; b - piesă cu defect; E/R - palpator

emiţător - receptor ; D - defect; O - osciloscop.

reflectă pe suprafaţa unui defect, ecourile repetate se atenuează mairepede decât în lipsa defectului.


Metoda rezonanţei se bazează pe obţinerea unor unde ultrasonore staţionare între defect şi peretele piesei modificând în mod corespunzător lungimea de undă a ultrasunetelor. În momentul obţinerii stării de rezonanţă cantitatea de energie absorbită de corp creşte brusc, lucru pus în evidenţă cu ajutorul unui aparat

de măsură. Cunoscând viteza de propagare a undelor longitudinale CL în materialul

de controlat şi frecvenţa de rezonanţă pentru armonica de bază f0 sau pentru

armonicile superioare n şi (n+1), fn şi fn+1, se poate calcula grosimea piesei sau distanţa la care se află în interiorul piesei un defect extins şi paralel cu suprafaţa piesei:

( )nn

LL

ff

C

f

Cd

−==

+10 22. (2.44)

De obicei, frecvenţa de rezonanţă poate fi citită direct pe scala aparatului de măsură care are posibilitatea reglării continue a frecvenţei undelor emise. Domeniul de aplicare al acestei metode este la controlul pieselor accesibile doar dintr-o singură parte, cu grosimi până la 500 mm.

Metoda prin transmisie cu vizualizarea defectelor este o variantă a metodei umbrei, deosebirea constând în partea receptoare care realizează conversia câmpului ultrasonor în imaginea vizuală, pe ecranul unui monitor apărând secţiunea piesei cu forma şi dimensiunile defectului.

d

E/R

P

D

dv

II

III

IVI

Fig. 2.37. Metoda de examinare prin imersiune: I - ecoul de la interfaţa palpator - apă; II - ecoul de le interfaţa apă-piesă; III - ecoul de defect;

IV - ecoul de la interfaţa piesă-apă; P - piesa de examinat; D - defect; d - distanţa la care se găseşte palpatorul; vd - viteza de deplasare a palpatorului.

Metoda de examinare prin imersiune se foloseşte în special la controlul mecanizat al pieselor cu o configuraţie geometrică complicată sau a celor care prezintă neregularităţi pronunţate pe suprafeţe. Palpatorul emiţător-receptor E-R


este condus mecanic la distanţa d de suprafaţa piesei P, cufundată într-un lichid acustic (apă) într-un vas (fig. 2.37). Pe oscilogramă apare ecoul I de la interfaţa palpator – apă, ecoul II de la interfaţa piesă - apă, ecoul de defect III şi ecoul de fund IV. În acest caz nu mai este necesară prelucrarea suprafeţelor piesei, examinarea putându-se face după toate metodele descrise mai sus.

Metoda de control cu ultrasunete prezintă o serie de avantaje: - sensibilitatea foarte ridicată, permiţând detectarea unor defecte cu

deschiderea de ordinul micronilor; - puterea de pătrundere foarte mare, defectoscoapele moderne putând fi

folosite la controlul unor piese cu lungimi de până la 20 m; - posibilităţile foarte largi de control, acelaşi aspect putând fi folosit la

controlul defectelor de adâncime al unor fisuri superficiale, al structurii materialului, dar şi la determinarea şi măsurarea unor dimensiuni şi a unor constante fizice şi elastice (densitate, impedanţă acustică, modul de elasticitate etc.);

- efectuarea controlului nu necesită faze pregătitoare complicate şi costisitoare, putându-se efectua rapid şi eficace chiar în fluxul tehnologic de producţie;

- deoarece se lucrează la frecvenţe înalte (de ordinul megahertzilor) metoda nu prezintă nocivitate pentru operator şi nici pentru cei din încăperea unde se face controlul.

Principalul dezavantaj decurge din sensibilitatea foarte ridicată a metodei, ceea ce presupune o interpretare foarte atentă a rezultatelor şi o etalonare minuţios pregătită folosind etaloane model.

c) Metoda de control cu pulberi magnetice

Are la bază legăturile funcţionale existente între stările mecanice ale unui material (structură, omogenitate, stare de deformaţii şi stare de tensiune) şi caracteristicile lor magnetice (câmpul magnetic de dispersie, inducţia remanentă, forţa coercitivă, permeabilitatea magnetică, pierderea prin histerezis etc.). Bazată pe această legătură, a fost pusă la punct punerea în evidenţă a defectelor pieselor confecţionate din materiale feromagnetice prin diverse metode, cea mai răspândită fiind cea cu ajutorul pulberilor magnetice. Defectoscopia magnetică se bazează pe dispersia liniilor de flux magnetic când acestea întâlnesc în interiorul sau la suprafaţa corpului regiuni cu permeabilităţi magnetice diferite. Dacă într-un corp feromagnetic liniile fluxului magnetic întâlnesc discontinuităţi (sufluri, porozităţi, fisuri, incluziuni etc.), le înconjoară, producând o perturbare a fluxului (fig.2.38). Dacă defectele sunt apropiate de suprafaţă, o parte din liniile de forţă vor înconjura defectul şi vor ieşi în exterior dând naştere unui flux magnetic de dispersie. Punerea în evidenţă a defectelor constă în vizualizarea câmpurilor magnetice de dispersie create, sensibilitatea metodei depinzând de o serie de factori ca: permeabilitatea magnetică a materialului şi a defectului, intensitatea de


magnetizare, mărimea defectului, configuraţia piesei, poziţia şi forma defectului. Metoda are o sensibilitate cu atât mai mare cu cât diferenţa dintre permeabilităţile magnetice ale materialului piesei şi ale defectului este mai mare. Forma şi orientarea defectului au un rol important: defectele alungite sunt puse mai uşor în evidenţă decât cele sferoidale; de asemenea, cu cât unghiul format de axa longitudinală a defectului cu direcţia fluxului magnetic este mai apropiat de 90°, cu atât descoperirea defectului este mai sigură.

Magnetizarea pieselor de controlat se poate face după două scheme de principiu:

- prin trecerea unui curent electric cu intensitate mare, prin piesă; - prin introducerea pieselor într-un câmp magnetic. Ca metode de magnetizare se utilizează: magnetizarea liniară (polară),

circulară (transversală) şi magnetizarea mixtă. Informaţii complete se obţin prin magnetizarea mixtă (fig.2.39), folosind magnetizarea transversală (Tr1) cu curent

alternativ şi magnetizarea longitudinală cu curent continuu (E1). Pulberea magnetică poate fi folosită în stare uscată sau umedă, cele mai

răspândite fiind metodele cu pulbere magnetică udă (suspensie de pulbere din oxizi de fier de tipul Fe3O4 cu granulaţie fină, în petrol sau ulei foarte fluid, în

concentraţie de 20 ... 40 g / litru).

Defect Liniile câmpuluimagnetic

Aglomerare de pulbere magnetică

Piesă

E1

T 1r

transversalCâmp

longitudinalCâmp

Fig. 2.38. Principiul defectoscopiei magnetice. Fig. 2.39. Schema de principiu la magnetizarea

mixtă.

Dacă defectul este perpendicular pe direcţia liniilor de câmp şi dacă intensitatea câmpului magnetic este suficient de mare se pot vizualiza şi fisuri cu deschiderea de numai 0,001 mm. Metoda prezintă dezavantajul folosirii numai la controlul pieselor feromagnetice.

d) Metoda de control cu lichide penetrante

Se bazează pe pătrunderea capilară a unui lichid, cu capacitate mare de


umezire, în pori, fisuri şi în alte defecte de suprafaţă sau din interior, dar care comunică cu suprafaţa. În principiu, defectoscopia cu lichide penetrante constă în următoarele:

- se acoperă suprafaţa de controlat, curăţată, decapată şi degresată în prealabil, cu un strat subţire şi uniform dintr-un lichid cu capacitate mare de umezire, denumit lichid penetrant (fig.2.40. a), care pătrunde în toate defectele suprafeţei;

- se îndepărtează de pe suprafaţă excesul de lichid prin spălare într-un curent de apă (fig.2.40. b) şi se depune pe suprafaţă un developant (o substanţă cu putere mare de absorbţie) care extrage lichidul penetrant rămas în defectele suprafeţei (fig.2.40. c).

- se pun în evidenţă defectele şi poziţia lor folosind metoda luminiscenţei (când penetrantul este fluorescent se face iluminarea developantului în lumină ultravioletă) sau metoda colorării (când lichidul penetrant este colorat - de obicei în roşu - defectele marcându-se prin pete colorate pe fondul alb al developantului).

Metoda se aplică pentru controlul: - oricăror piese din materiale metalice nemagnetice ale căror defecte

superficiale nu pot fi puse în evidenţă prin defectoscopia magnetică; - pieselor care în timpul funcţionării sunt supuse la solicitări de oboseală; - pieselor matriţate, turnate sau sudate şi în special celor care lucrează sub

presiune; - pieselor din materiale nemetalice.

LP DV

a b c d e

Fig. 2.40. Etapele punerii în evidenţă a unui defect superficial folosind defectoscopia cu lichide penetrante:

a - acoperirea suprafeţei cu lichid penetrant; b - îndepărtarea excesului de lichid penetrant; c - acoperirea suprafeţei cu developant; d - citirea în lumină ultravioletă; e - examinarea zonelor

colorate; LP - lichid penetrant; DV - developant.

Dimensiunile minime ale defectelor ce pot fi puse în evidenţă prin acest procedeu sunt 0,01 mm lăţime şi 0,03 ... 0,05 mm adâncime.

2.4.2.3. Analiza röentgenostructurală

Este una dintre metodele cele mai precise de determinare a microstructurii unui material, a stării de tensiuni, precum şi a unor proprietăţi fizice, chimice,


mecanice sau electrice. Metodele de analiză roentgenostructurală se bazează pe proprietatea unor raze monocromatice de a fi reflectate sau refractate de atomii unei reţele cristaline sub un anumit unghi. Deoarece razele X au lungimi de undă de ordinul distanţelor interatomice, la trecerea acestora prin cristal are loc un fenomen de difracţie în locul fasciculului incident, obţinîndu-se mai multe fascicule, ale căror unghiuri de difracţie depind de structura cristalină şi de lungimea de undă a radiaţiei. Considerând o familie de plane atomice paralele la distanţa d (fig.2.41), unghiul sub care se obţine un maximum este dat de relaţia Wulff-Bragg:

2d⋅sin θ = n λ , (2.45)

în care d este distanţa dintre planele reţelei cristalografice, θ - unghiul de incidenţă, λ - lungimea de undă a radiaţiei, n - număr întreg.

Difracţia, numită şi reflexie Bragg, nu apare decât dacă λ ≤ 2d, legea (2.45) fiind satisfăcută doar pentru anumite valori ale lui λ şi θ. Dacă razele X difractate în acest fel sunt înregistrate pe un film, se obţine o imagine de difracţie numită röentgenogramă, iar dacă spoturile sunt interceptate şi măsurate de contoare de radiaţii, se construiesc difractograme.

Pentru studiul materia-lelor policristaline se utilizează metoda Debye - Scherrer, care foloseşte o cameră de difracţie cilindrică cu filmul pe peretele lateral

d

d

12

34

5

2'1'

3'

5'4'

Fasciculincident

Fasciculdifractat

θ θ

sin θd

şi cu proba de formă cilindrică aşezată pe axul camerei (fig.2.42. a).

Intersecţia conurilor de difracţie cu planul filmului conduce la formarea unor arce de cerc, câte o pereche pentru fiecare familie de plane (fig.2.42. b).

Prin microfotometrarese determină lăţimea şi intensitatea liniilor de difracţie (fig.2.42. c), ceea ce permite stabilirea precisă a dimen-siunilor grăunţilor şi determi-

Fig. 2.41. Formarea imaginilor de difracţie şi deducerea condiţiei de difracţie Bragg.

narea stării de tensiuni intra- şi respectiv intercristaline. Pentru înregistrarea şi măsurarea inten-

sităţii fasciculelor de radiaţii difractate cu precizie mai mare se folosesc aparate numite difractometre, la care rezultatele măsurătorilor pot fi afişate numeric, înscrise pe banda inscriptorului, sau pot intra direct în unitatea de calcul a unui calculator cuplat cu difractometrul şi care posedă diferite programe de prelucrare a


datelor după scopul urmărit prin cercetare.

l

Opritor fascicul

1 2 3 41234

1

c

b

2

2 22 32 42

2

22Sursă de

Diafragmă FilmCasetă

radiaţii

a

θl

∅ ∅ ∅ ∅

∅

Probă

Fig. 2.42. Metoda Debye-Sherrer:

a - camera de difracţie; b - imaginea obţinută pe film; c - curba microfotometrică.

2.4.3. Metode pentru determinarea principalelor proprietăţi funcţionale

Aceste metode au drept scop determinarea cantitativă sau aprecierea calitativă a unor proprietăţi funcţionale necesar a fi cunoscute de inginerul mecanic în proiectarea procesului tehnologic de prelucrare a materialului respectiv.

2.4.3.1. Metode pentru determinarea proprietăţilor fizice

Proprietăţile fizice ale materialelor metalice se determină cu ajutorul metodelor clasice din fizică. Pentru studiul metalelor prezintă interes determinarea proprietăţilor fizice ale sistemelor de aliaje în vederea trasării diagramelor de echilibru sau de transformare. Pentru trasarea diagramelor de echilibru este necesară studierea variaţiei unei anumite proprietăţi cu compoziţia aliajului respectiv şi cu temperatura. Pentru aceasta cele mai întâlnite metode sunt metodele termice, dilatometrice, termoelectrice şi termomagnetice.

a) Analiza termică

Constă în studiul comportării metalului sau aliajului la încălzire sau la răcire determinându-se temperaturile de transformare. Datorită faptului că în timpul transformărilor are loc o absorbţie sau o degajare de căldură ∆Q fără ca


temperatura T să se modifice, se poate studia variaţia raportului T/∆Q şi determina discontinuităţile ce apar pe curbele de încălzire - răcire. Determinarea precisă a punctelor critice se face cu metoda termo−diferenţială, ce constă în măsurarea diferenţelor de temperatură dintre proba studiată şi o probă etalon, care nu suferă transformări în intervalul de temperatură considerat. Proba 1 şi etalonul 2 de dimensiuni identice sunt aşezate alăturat într-un creuzet 3 (fig.2.43. a), în aşa fel încât cantitatea de căldura primită să fie egală.

mV mV

54

3 1 2 [ C]∆ °

CurbadiferenţialăEtalon

Probă

Timp

Temperatură

T

a b c

Fig. 2.43. Schema metodei termo-diferenţială: a - instalaţia folosită; b; c- curbe de răcire; 1 - proba de analizat; 2 - proba etalon; 3 - creuzet;

4; 5 - termocuple.

Diferenţele de temperatură sesizate de termocuplele 4 şi 5, apar în momentul în care proba suferă o transformare alotropică. Se măsoară în acest mod variaţia temperatură-timp şi se trasează curba de răcire (fig.2.43. b şi c).

b) Analiza dilatometrică

Are la bază existenţa unor discontinuităţi, pe curbele dilataţie - temperatură, existente în dreptul punctelor critice de transformare. Prin determinarea alungirii relative (∆l/l) cu temperatura, folosind analiza dilatometrică directă sau diferenţială se pot determina punctele de transformare ale metalului sau aliajului respectiv (fig.2.44).

c) Analiza termomagnetică

Se bazează pe proprietatea de feromagnetism a unora din fazele aliajelor feroase, precum şi pierderea acesteia în timpul anumitor transformări de fază (de exemplu, transformarea perlită-austenită).

Dacă se supune o probă 1, din materialul feros de cercetat, unui câmp magnetic intens creat de magnetul 2, la o temperatură la care poate avea loc transformarea, momentul de rotaţie creat de interacţiunea câmpului exterior cu materialul va fi proporţional cu cantitatea de fază feromagnetică. Se măsoară


unghiul de rotaţie θ al probei, care va fi proporţional cu cantitatea de fază feromagnetică α , şi se trasează diagrama α = f(t), din care se poate determina cantitatea de fază feromagnetică (fig.2.45. b).

EtalonProbă

C ]Temperatura[ °

∆ l / l

Alungirearelativă

1

N S

2 2 Timp

α[ %]

θ

a b

Fig.2. 44. Curba dilataţie - temperatură. Fig. 2.45. Schema analizei termomagnetice: a - montajul folosit; b - trasarea diafragmei:

1 - probă de studiat; 2 - magnet.

2.4.3.2. Metode pentru determinarea proprietăţilor chimice ale materialelor

metalice

Majoritatea proprietăţilor chimice ale materialelor (stabilitate chimică, valenţa, afinitatea faţă de oxigen şi faţă de alte elemente, dizolvarea în diverse medii etc.) se determină în laboratoare de specialitate şi nu intră în preocupările inginerului mecanic.

Interes deosebit pentru inginerul mecanic şi pentru construcţia de maşini prezintă însă încercările la coroziune.

Coroziunea este procesul de distrugere a materialelor metalice sub acţiunea factorilor chimici (acizi, baze, săruri, atmosferă, sol, apă de râu, apă de mare, gaze de ardere etc.) datorită reacţiilor chimice sau electrochimice. Ca efect al coroziunii se pierd permanent din economia mondială cantităţi importante de materiale (din producţia mondială de oţel din ultimii 60 ani, 45% s-a pierdut datorită coroziunii), de aceea determinarea rezistenţei la coroziune este una din problemele cele mai importante privind alegerea unui material pentru confecţionarea unei piese.

Încercările la coroziune efectuate în laboratoarele industriale au drept scop: - stabilirea rezistenţei chimice a unui material metalic în condiţiile unor

medii agresive noi sau în care materialul încercat nu a fost folosit încă; - determinarea rezistenţei la agenţi chimici a unor materiale metalice noi; - selecţionarea unor materiale convenabile pentru a rezista într-un anumit

mediu; - găsirea legăturii dintre condiţiile de elaborare, precum şi de prelucrare

termică şi mecanică a unui material metalic şi rezistenţa sa faţă de agenţii chimici. Există un foarte mare număr de tipuri de încercări la coroziune, deoarece şi

factorii cercetaţi sunt practic inepuizabili. Aceştia sunt legaţi fie de proprietăţile metalului sau aliajului (compoziţie chimică, condiţii de elaborare, tratament termic, mod de pregătire a suprafeţei, incluziuni, forma piesei, tensiuni interne etc.), fie de


natura mediului corosiv (compoziţie chimică, viteza de acces a oxigenului la piesă, viteza de circulaţie a lichidului, pH-ul, temperatura, concentraţia soluţiei, prezenţa inhibitorilor etc.).

Pentru a lua în considerare cât mai mulţi factori de influenţă se execută două categorii de încercări:

- încercări de laborator, executate în timp scurt, cu cheltuieli minime şi rezultate orientative în aprecierea calităţilor materialului respectiv;

- încercări de teren, efectuate asupra unor epruvete puse să lucreze în condiţii identice sau foarte apropiate cu cele de utilizare (ele necesită un timp îndelungat şi o supraveghere atentă).

Toate încercările la coroziune urmăresc în principiu să stabilească gradul de modificare a unor proprietăţi ale materialului, în urma acţiunii mediului corosiv, modificări evaluate calitativ sau cantitativ.

Aprecierile calitative se fac luând în considerare schimbarea culorii, pierderea luciului metalic, apariţia petelor de rugină sau coroziune în genere, apariţia unor cratere mai dese sau mai rare, mai adânci sau superficiale etc.

Aprecierile cantitative se fac luând în considerare variaţiile produse de către coroziune asupra probelor în ceea ce priveşte greutatea (modificarea ei în plus sau în minus), dimensiunile (reducerea generală sau locală), proprietăţile mecanice (micşorarea valorilor ce caracterizează aceste proprietăţi şi în special a rezistenţei la tracţiune şi a rezilienţei), proprietăţile electrice (scăderea conductibilităţii electrice) etc.

2.4.3.3. Determinarea proprietăţilor mecanice ale materialelor

În majoritatea cazurilor proprietăţile mecanice ale materialelor metalice au o importanţă primordială din punct de vedere al utilizării lor în construcţia de maşini. De asemenea, o serie de proprietăţi mecanice influenţează direct modul şi posibilităţile de prelucrare ale materialelor metalice.

Determinarea proprietăţilor mecanice în urma unor încercări mecanice specifice se face analizând comportarea materialelor metalice sub acţiunea forţelor exterioare în anumite condiţii stabilite convenţional (stabilirea condiţiilor este necesară pentru a se asigura reproductibilitatea şi comparabilitatea determinărilor). Importanţă deosebită prezintă grupul de încercări referitoare la comportarea materialelor din punct de vedere al rezistentei, deformaţiei şi mecanicii ruperii. Datele obţinute prin aceste încercări sunt utilizate atât la stabilirea caracteristicilor necesare dimensionării pieselor de maşini, cât şi la aprecierea posibilităţilor şi proprietăţilor de prelucrare a acestora (capacitatea de deformare la cald şi la rece, de prelucrare prin aşchiere, de durificare etc.). Tot aici intră şi metodele şi procedeele de determinare a rezistenţei la oboseală, a durităţii şi a rezistenţei la uzură. Clasificarea încercărilor mecanice de rezistenţă conform STAS 6967 - 73 se prezintă în tabelul 2.4.

Ta

bel

ul

2.4

. Cla

sifi

care

a în

cercări

lor

mec

anic

e de

rez

iste

nţă (

conf

orm

ST

AS

6967

-73)

Sch

ema

Sol

icit

area

Numă-

rul d

e A

cţiu

nea

în ti

mp

In

cerc

area

C

arac

teri

stic

ile

stab

ilite

Tip

ul

Mod

ul

soli

ci-

tări

V

ariaţia

D

urat

a D

enum

irea

S

TA

S*

F F

T

rac ţ

i-un

e

St

atică

D

ina-

mică

U

nic ă

Uni

că

R

epe-

tată

Pro

gres

ivă

C

onst

antă

Reg

resi

vă

P

rogr

esivă

−

Scu

rtă

L

ungă

Lun

gă

S

curtă

L

ungă

Tra

c ţiu

ne

F

luaj

Rel

axar

e

Tra

cţiu

ne

dina

mică

Obo

seală la

tr

acţi

une

200-

75, 6

834-

75, 6

638-

79,

6605

-78,

264

9-76

, 65

1-76

, 217

2-74

, 671

8-76

6596

-73

72

09-7

3 −

8027

-78

Lim

ita

de c

urge

re, r

ezis

tenţ

a la

rup

ere,

alu

ngir

ea la

ru

pere

, gât

uire

a la

rup

ere

L

imit

a te

hnică d

e fl

uaj,

rezi

stenţa

tehn

ică

de d

urată

L

imit

a te

hnică d

e re

laxa

re

E

nerg

ia d

e ru

pere

Lim

ita

de o

bose

ală,

rezi

stenţa

la o

bose

ală p

entr

u N

cic

luri

F F

C

ompr

e-si

une

St

atică

U

nică

P

rogr

esivă

S

curtă

C

ompr

esiu

ne

F

lam

baj

15

52-7

8 −

L

imit

a de

cur

gere

, rez

iste

nţa

la c

ompr

esiu

ne, s

curt

area

sp

ecif

ică

R

ezis

tenţ

a la

fla

mba

j

Stat

ică

Din

a-m

ică

Uni

că

Uni

că

Pro

gres

ivă

Pro

gres

ivă

Scu

rtă

Scu

rtă

Înco

voie

re

Înco

voie

re p

rin

şoc

1660

-80

7511

-81,

140

0-75

, 683

3-79

, R

ezis

tenţ

a la

încv

oier

e,

săge

ata

la în

covo

iere

F

FF

11

În

covo

-ie

re

R

epe-

tată

−

S

curtă

sau

lungă

Obo

seală p

rin

înco

voie

re

7400

-77,

677

4-79

58

78-7

7 E

nerg

ia d

e ru

pere

, rez

ilienţa

L

imit

a de

obo

seală,

rezi

stenţa

la d

urab

ilit

ate

lim

itată

Ta

bel

ul

2.4

. (co

ntin

uare

)

Sch

ema

Sol

icit

area

Numă-

rul d

e A

cţiu

nea

în ti

mp

In

cerc

area

C

arac

teri

stic

ile

stab

ilit

e

Tip

ul

Mod

ul

soli

ci-

t ări

V

ariaţi

a D

urat

a D

enum

irea

S

TA

S*

M

M

Răsu

-ci

re

S

tati

că

D

inam

ică

U

nică

Uni

că

P

rogr

esivă

−

S

curtă

S

curtă

Răs

ucir

e

Răs

ucir

e di

nam

ică

− −

R

ezis

tenţ

a la

tors

iune

Ene

rgia

de

rupe

re

FF

Fo

rfe-

care

S

tati

că

U

nică

Pro

gres

ivă

S

curtă

Fo

rfec

are

79

26-6

7, 7

927-

67

R

ezis

tenţ

a la

for

feca

re

F

P

resi

-un

e de

co

ntac

t

S

tati

c ă

D

inam

ică

U

nică

Uni

că

P

rogr

esivă

C

onst

antă

Pro

gres

ivă

S

curtă

S

curtă

L

ungă

S

curtă

St

rivi

re

D

urita

te s

tati

că

D

urit

ate

de d

urată

Dur

itat

e di

nam

ică

−

165-

66,4

92-7

8, 4

93-6

7,

7057

-78,

825

1-68

, 852

5-70

-

8315

-69

R

ezis

tenţ

a la

str

ivir

e

Dur

itate

a B

rine

ll, V

icke

rs,

Roc

kwel

l

Dur

itat

ea d

inam

ică

*

Sta

ndar

dele

menţi

onat

e su

nt c

onfo

rm ,

,Ind

icat

orul

ui s

tand

arde

lor

de s

tat 1

981”

, sit

uaţi

a la

31.

12.1

980.


a) Încercarea la tracţiune

Este încercarea de bază a unui material, având drept scop ridicarea curbei caracteristice tensiune - deformaţie. Încercarea constă în supunerea la întindere a unor epruvete tip (fig.2.46. a şi b) prin aplicarea unei sarcini progresive, în direcţia axei longitudinale, în general până la rupere măsurându-se, pe parcurs, deformaţiile corespunzătoare diferitelor valori ale forţei de întindere.

h L0

Lc

h

Lt =Lc+2 +10

D

d01,6

a

00,5dR

h

b

35R a0

hh

B b0L0

LcLt =Lc+2 +10h

c

∆( l)

R(F)R

SC

EP

εr

σp

Rp

Rm

A t

eσα

Fig. 2.46. Schema de principiu pentru încercarea la tracţiune:

a, b - tipuri de epruvete; c - curba caracteristică tensiune-deformaţie: σp - tensiunea de

proporţionalitate; σe - tensiunea de elasticitate; Rp - rezistenţa la curgere; Rm - rezistenţa la rupere;

At - alungirea totală la rupere.

Pentru a defini comportarea materialului ridicând curba caracteristică trebuie ţinut cont că secţiunea iniţială S0 a epruvetei variază şi, de asemenea,


deformaţia specifică ε nu este constantă pe toată lungimea epruvetei în tot timpul încercării.

De aceea, tensiunea σ = SF se înlocuieşte prin raportul convenţional

R = 0SF , mărimea adimensională ε se înlocuieşte tot cu o mărime adimensională,

numită alungirea totală, At = 100⋅ ( ) 00 LLLu − (exprimată în procente), şi se ridică

curba caracteristică în coordonate convenţionale R, At (fig.2.46. c). Din analiza curbei caracteristice se deduc:

- limita de proporţionalitate convenţională Rp (σp), măsurată în N/mm2,

reprezentând tensiunea la care modulul de elasticitate curent Eσ atinge o abatere

prescrisă faţă de modulul de elasticitate iniţial E0. Abaterea se calculează cu relaţia

∆ E = ( )

0

0 100

E

EE ⋅− σ , [%], (2.46)

şi se înscrie ca indice (la oţeluri aceasta este de 10% şi limita de proporţionalitate

este σe10);

- limita de elasticitate convenţională Rp0,02(σe), măsurată în N/mm2, res-pectând tensiunea la care abaterea de la variatia proporţională dintre tensiune şi lungire atinge o valoare prescrisă; de obicei, la oţeluri se admite abaterea de 0,01% şi limita de elasticitate convenţională se notează σp 0,01;

- limita de curgere convenţională Rp0,2(σc), măsurată în N/mm2, repre-zentând raportul dintre sarcina corespunzătoare unei alungiri neproporţionale prescrise şi aria secţiunii transversale iniţiale; la oţeluri această alungire este de

0,2% şi atunci limita de curgere proporţională este Rp 0,2;

- rezistenţa la rupere Rm (σr), măsurată în N/mm2, reprezentând raportul

0

max

S

FRm = ; (2.47)

- alungirea la rupere A5, (indicele reprezintă factorul dimensional şi se calculează folosind relaţia

1000

5 ⋅=L

LA u , [%], (2.48)

în care Lu este lungimea epruvetei după rupere;. - gâtuirea la rupere Z, se defineşte ca diferenţa dintre aria secţiunii iniţiale

S0 şi aria secţiunii de rupere Su raportată la aria secţiunii iniţiale S0


Z = ; [%] , 1000

0 ⋅−

S

SS u (2.49)

- gâtuirea specifică ψ, se determină cu relaţia

ψ = [%] ,1000

0 ⋅−

S

SS, (2.50)

în care S este aria secţiunii transversale minime, în momentul încercării; - coeficientul de contracţie transversală ν, reprezentând raportul dintre

lungirea specifică transversală εtr şi lungirea longitudinală ε. Din analiza formei şi aspectului epruvetei după rupere se poate stabili

caracterul ruperii, care poate fi ductilă, fragilă sau mixtă, precum şi modul cum se produce deformarea plastică a materialului respectiv.

b) Încercarea la compresiune

Se aplică mai ales materialelor nemetalice (lemn, cărămidă, ciment, beton etc.), dar şi materialelor metalice cu caracteristici mecanice diferite la compresiune şi întindere.

h

d

Epruveta

iniţială

h

di

d

α

a b

Fig. 2.47. Forma epruvetelor folosite la încercarea la compresiune: a - epruveta cilindrică; b - epruveta tubulară.

Principala problemă pe care o ridică încercarea la compresiune este realizarea unei stări de tensiuni omogene în epruvetă deoarece datorită frecărilor dintre suprafeţele de contact ale epruvetei şi suprafeţele de apăsare se modifică starea de tensiune monoaxială (fig.2.47. a). Încercările se efectuează cu diferite valori ale raportului d/h şi pe epruvete cu feţele frontale lubrificate. Pentru ca


epruveta să-şi păstreze forma, în timpul încercării se recomandă ca aceasta să fie ca

în figura 2.47. b, cu h = (1...1,5)d (pentru a se evita curbarea) şi di = 0,3 d; unghiul α al conurilor de apăsare se alege egal cu unghiul de frecare dintre cele două suprafeţe (tg α = f = coeficientul de frecare). În ceea ce priveşte caracteristicile mecanice şi elastice determinate există o analogie perfectă cu acelea de la încercarea la tracţiune. În urma acestei încercări se determină limita de curgere convenţională - Rcp, limita de compresiune - Rct; rezistenţa la compresiune - Rc;

scurtarea procentuală - Ac; umflarea la rupere - Zc; modulul de elasticitate

convenţional - Es; limita de elasticitate convenţională Rep. De cele mai multe ori această încercare, ca şi încercarea la tracţiune, se efectuează la cald, deoarece asigură un mod de deformare care se apropie de operaţiile de bază, întâlnite la prelucrarea prin deformare plastică.

c) Încercarea la încovoiere

Se aplică în special materialelor fragile şi are drept scop determinarea

rezistenţei la încovoiere Ri. Epruveta are forma unei bare cu secţiunea circulară sau dreptunghiulară, este simplu rezemată la capete, iar sarcina F se aplică la mijlocul deschiderii (fig.2.48). Momentul încovoietor este maxim în dreptul forţei şi are

valoarea 4lF ⋅ , iar săgeata este maximă fmax la mijlocul epruvetei (fmax=

= ( )zIElF ⋅⋅ 483 ), în care E este modulul de elasticitate longitudinal; Iz - momentul de inerţie al secţiunii transversale în raport cu axa de încovoiere).

Încercarea se desfăşoară până la ruperea epruvetei şi se determină sarcina

d 0

F l

fmax

F

2l

2l

4

d0

B1 B2

P

B3

F

q1 q2

F2

F2

Fig. 2.48. Schema încercării la

încovoiere. Fig. 2.49. Schema de principiu la

încercarea la forfecare :

P - epruveta de încercat; B1 , B2 - fălci de prindere;

B3 - falcă de tăiere ; d0 - diametrul epruvetei.


maximă Fmax din momentul ruperii, apoi care se calculează rezistenţa la

încovoiere Ri cu relaţia

30

max8

d

FlRi

π

⋅⋅= . (2.51)

Valoarea rezistenţei la încovoiere este influenţată atât de forma secţiunii transversale a epruvetei, cât şi de raportul dintre lungime şi diametru.

d) Încercarea la forfecare

Se aplică epruvetelor prelevate din semifabricat destinate executării unor piese ce vor fi supuse, în exploatare, la forfecare (fig.2.49). Încercarea se efectuează pe maşi-nile de încercat la tracţiune sau compresiune folosind dispozitive adecvate. Schema de principiu a dispozitivului presupune că sub

acţiunea forţei F, epruveta P este forfecată între fălcile B1, B2 şi falca de tăiere B3

pe două secţiuni q1 şi q2. Cunoscând diametrul epruvetei d0 şi valoarea maximă a

forţei de forfecare Fmax se calculează rezistenţa la forfecare τr:

20

maxr

2

d

F

π=τ , [N/mm

2]. (2.52)

Prin încercarea la forfecare se pot determina caracteristicile mecanice şi elastice similare cu acelea care se determină prin solicitarea la tracţiune.

e) Încercarea la răsucire

Se efectuează cu scopul cercetării comportării unui material supus la forfecare pură. Încercarea se efectuează pe epruvete cilindrice supuse la răsucire cu

momentul Mt (fig.2.50). În timpul încercării se măsoară momentul de torsiune aplicat epruvetei şi unghiul corespunzător de rotire ϕ, între două secţiuni aflate la distanţa l. Se construieşte curba caracteristică la răsucire (Mt,ϕ) a materialului

(fig.2.50. b). Porţiunea liniară OA corespunde deformaţiilor elastice, iar porţiunea AB - deformaţiilor elasto-plastice. Tensiunea corespunzătoare momentului de

rupere (din punctul B) se numeşte rezistenţă la răsucire τr şi se calculează cu relaţia

τr = 30

12

d

M t

π (2.53)

pentru secţiuni pline şi


τr =)(

1230

3 dd

M

e

t

−π (2.54)

pentru secţiuni tubulare. Cercetarea proprietăţilor de rezistenţă ale unui material se poate face însă şi

prin realizarea altor scheme de încercare, pe epruvete cu forme speciale, efectuându-se încercări la solicitări compuse.

d0

M t

τmax

τmax

AC

B

C2

C1

0

Mt

Mr

tM

ϕ

∅

a b

Fig. 2.50. Schema încercării la răsucire:

a - epruveta folosită; b - curba caracteristică la răsucire; Mt - momentul de răsucire;

Mr - momentul de rupere; τmax - tensiunea tangenţială maximă.

f) Încercările pentru determinarea durităţii materialelor

Aceste încercări se clasifică în funcţie de forţa care acţionează asupra penetratorului în încercări statice (viteze de acţionare limitate sub 1 mm/s) şi încercări dinamice (viteze de acţionare mari). Metodele statice se deosebesc între ele prin forma penetratorului, condiţiile de lucru, dimensiunile caracteristice ale epruvetelor (Brinell, Vickers, Rockwell, Knoop), iar metodele dinamice se deosebesc după modul de evaluare a durităţii (Baumann, Steinruch, Poldi, Shore, Reindl, Nieberding).

Cele mai utilizate încercări pentru determinarea durităţii sunt: 1. Încercarea de duritate Brinell (STAS 165-83) constă în apăsarea cu o

anumită forţă a unei bile de oţel, de un anumit diametru, pe suprafaţa materialului căruia i se determină duritatea (fig.2.51), într-un timp dat, şi măsurarea diametrului urmei lăsate pe suprafaţă după înlăturarea forţei.

Se determină duritatea cu relaţia

HB = )(

222 dDDD

F

S

F

−−π= , [HB], (2.55)

rezultatul exprimându-se în unităţi convenţionale, numite unităţi Brinell [HB].


Valoarea durităţii este urmată de simbolul determinării HB cu trei indicatori, primul reprezentând diametrul D al bilei penetrator exprimat în mm, al doilea sarcina de încercare F exprimată în daN, iar al treilea timpul de menţinere a sarcinii, exprimat în secunde (exemplu: 254 HB 5/750/15 reprezintă: 254 - valoarea duritătii în unităţi Brinell, 5 - diametrul bilei; 750 - forţa de apăsare F, 15 - timpul de menţinere).

Încercarea de duritate Brinell se aplică la materialele la care poate fi îndeplinită condiţia:

0,25 D < d < 0,6 D, (2.56)

folosind o gamă foarte largă de aparate de tip Brinell.

D0

A B

d

h a = 8hmin

ϕ

F

b=( )d

d1

d2 4...6

F

1360

d2min 2,5

d

d1

2

d=d + d 1 2

2

d1min 2,5

min 1,5d

d

d

Fig. 2.51. Schema de principiu la încercarea

durităţii prin metoda Brinell. Fig. 2.52. Schema de principiu la determinarea

durităţii prin metoda Vickers.

2. Încercarea de duritate Vickers (STAS 492/1-85) este cea mai utilizată metodă şi constă în apăsarea unui penetrator (confecţionat dintr-un diamant de formă piramidală dreaptă cu baza un pătrat), pe suprafaţa materialului căruia i se determină duritatea (fig.2.52), cu o forţă ce creşte lent de la valoarea zero la o valoare maximă. Duritatea Vickers se exprimă prin raportul dintre sarcina aplicată

F, în [daN], şi aria suprafeţei laterale a urmei produse A [mm2], urma fiind considerată ca o piramidă dreaptă cu baza un pătrat, cu diagonala d, având la vârf acelaşi unghi ca şi penetratorul (136° ± 0,5°), deci

22

8544,168sin2

d

F

d

F

A

FHV ===

o

. (2.57)


3. Încercarea de duritate Rockwell constă în apăsarea unui penetrator în materialul de încercat în trei faze şi măsurarea adâncimii urmei lăsate, după înlăturarea sarcinii, faţă de un plan de referinţă convenţional ales. În prima fază (fig.2.53. a) piesa de încercat se aduce în contact intim cu penetratorul (se aplică

sarcina iniţială F0 = 10 daN), în faza a doua asupra penetratorului se mai aplică o

forţă F1 (suprasarcina) sub actiunea căreia penetratorul pătrunde adânc în piesă producând deformarea plastică şi elastică a materialului (fig.2.53. b), iar în faza a

treia se înlătură suprasarcina F1 şi se măsoară adâncimea remanentă de pătrundere (fig.2.53.c).

În funcţie de scara de duritate acceptată (aleasă în funcţie de valoarea

durităţii), valorile F0, F1 şi E sunt diferite, ele fiind standardizate (STAS 8521-82), iar duritatea Rockwell se exprimă sub forma

HR = E − e, (2.58)

în care e este valoarea adâncimii remanente de pătrundere, exprimată în unităţi Rockwell, iar E este o valoare convenţională, care în funcţie de scara utilizată are valoarea 100 sau 130.

F0 F0+ F1 F0

HR=E-e E

1

t1 t2 t3 e

a b c

Fig. 2.53. Schema de principiu la determinarea durităţii prin metoda Rockwell:

a - aplicarea sarcinii iniţiale F0; b - aplicarea suprasarcinii F1; c - înlăturarea suprasarcinii şi măsurarea adâncimii remanente.

Penetratorul este o bilă din oţel sau carburi metalice de diametru ∅1,5875 (scara B, T) sau con de diamant cu unghiul la vârf α = 120° (scara C, N). Duritatea Rockwell pe scările N şi T se mai numeşte şi duritate superficială şi este destinată punerii în evidenţă a durităţii straturilor superficiale sau a tablelor subţiri.

4. Încercarea de duritate Poldi este o încercare dinamică şi constă în apăsarea prin lovire simultană cu o bilă din oţel călit, atât a suprafaţei piesei de încercat, cât şi a suprafaţei unui etalon cu duritate cunoscută (fig.2.54).


Se obţin astfel două amprente cărora li se măsoară diametrul, duritatea piesei HP determinându-se cu relaţia:

22

22

p

e

dDD

dDDHP

−−

−−= ⋅ Hetalon, (2.59)

în care D este diametrul bilei penetrator, în mm; de - diametrul amprentei pe etalon,

în mm; dp - diametrul amprentei pe piesă, în mm; Hetalon - duritatea etalonului. Metoda nu este standardizată (rezultatul prezintă erori de până la ± 10%),

ea aplicându-se pentru măsurarea durităţii pieselor mari, deoarece prezintă avantajul utilizării unui aparat foarte simplu, uşor portabil şi nu necesită prelevarea de eşantioane din piesă.

Duritatea determinată prin diferite metode poate fi echivalată pe baza unor tabele comparative întocmite pentru majoritatea materialelor metalice.

g) Încercarea la încovoiere prin şoc (SR EN 10045-1:1993)

Are drept scop determinarea rezistenţei la încovoiere prin şoc a unui material, precum şi aprecierea caracterului ruperii (ductile sau fragile).

D

de

dp

etalon

piesa de încercat

F

F

a

10±0,11

=55±0,42

0,25±0,025

b

10±0,11

l2

l2

l

R

Fig. 2.54. Schema de principiu la

determinarea durităţii prin metoda Poldi. Fig. 2.55. Determinarea rezistenţei la

încovoiere prin şoc: a - schema de principiu, b - forma epruvetei cu

crestătură în U.

Metoda constă în ruperea dintr-o singură lovitură cu un ciocan - pendul a unei epruvete prevăzută la mijloc cu o crestătură în formă de U sau V aşezată liber pe două reazeme (fig.2.55). Rezilienţa, notată KCU, se defineşte ca fiind raportul

KCU = W

S0 [J/cm

2], (2.60)


în care W reprezintă energia consumată la rupere, în J; S0 - aria secţiunii iniţiale în

dreptul crestăturii, în cm2.

Rezilienţa în cazul general se indică prin simbolul KCU sau KCV, urmat de valorile energiei potenţiale folosite, adâncimea crestăturii şi lăţimea epruvetei (exemplu: KCU 300/2/5, reprezintă rezilienţa KCU determinată cu un ciocan pendul cu o energie potenţială a ciocanului de 300 J, pe o epruvetă cu crestătură în U de adâncime h = 2,0 mm şi lăţime b = 5,0 mm).

La aprecierea tenacităţii, respectiv, a fragilităţii, STAS 10026 – 75, se stabilesc două noţiuni:

- cristalinitatea Cr, ca fiind raportul dintre aria rupturii cristaline Sr şi aria

secţiunii iniţiale a epruvetei S0

CS

Sr

r= ⋅0

100, [%]; (2.61)

aa

a

bb

h

c f

f

- fibrozitatea Fb, ca fiind

raportul dintre aria rupturii fibroase Sb

şi aria secţiunii epruvetei S0:

FS

Sb

b= ⋅0

100, [%]. (2.62)

Determinarea cristalinităţii şi fibrozităţii se poate face prin măsurare (se determină dimensiunile

Fig. 2.56. Aspectul secţiunii la rupere a epruvetei: a, b - dimensiuni iniţiale ale secţiunii;

ac - dimensiunea în dreptul crestăturii;

af; bf - dimensiunile secţiunii de rupere fragilă.

secţiunii de rupere fragilă af şi bfdin figura 2.56) sau prin comparare folosind scări de comparare.

h) Încercarea metalelor la solicitări variabile

Are drept scop determinarea caracteristicilor materialului la solicitări variabile (tensiunea maximă, tensiunea minimă, amplitudinea tensiunii, coeficientul de asimetrie al ciclului, rezistenţa la oboseală etc.). De mare importanţă, privind siguranţa în exploatare a unei piese, este rezistenţa la oboseală. Determinarea rezistenţei la oboseală se poate face prin metode directe (Wöhler, Probit, metoda treptelor, Locati, Ivanova etc.) sau prin metode indirecte (bazate pe modificarea unor constante fizice în timpul încercării la oboseală: modulul de elasticitate, lucrul mecanic de deformaţie absorbit, temperatura epruvetei, coeficientul de dilatare liniară, permeabilitatea magnetică etc.).


Determinarea rezistenţei la oboseală la durabilitate nelimitată (metoda Wöhler) constă în trasarea pe bază experimentală a unei curbe σ = f (N), unde σ este tensiunea maximă la care se rupe epruveta, iar N - numărul de cicluri corespunzător ruperii. Pentru ridicarea curbei se încearcă, la fiecare treaptă de tensiune, un număr de 6 ... 8 epruvete, confecţionate din acelaşi material, obţinute prin acelaşi procedeu tehnologic şi având aceleaşi dimensiuni. Încercările se efectuează pe aceeaşi maşină, în aceleaşi condiţii şi păstrând acelaşi coeficient de asimetrie R. Curba Wöhler se ridică în coordonate semilogaritmice (fig.2.57. a), deosebindu-se trei domenii distincte:

I - zona solicitărilor statice sau cu număr mic de cicluri; II - zona durabilităţii limitate; III - zona durabilităţii nelimitate (zona rezistenţei la oboseală). În practica încercărilor la solicitări variabile prezintă interes zonele II şi III,

iar curba Wöhler apare ca în figura 2.57. b.

10 10 10 1010 10 1010 102 3 4 5 6 7 8 9

I II IIIlg N

σmax

σ r

σc

σ-1

1 2 3 4 5 6

7 89 1020 30 405060 10 N

5

σmax

σ- 1

a b

Fig. 2.57. Curba Wöhler: a - în coordonate semilogaritmice; b - în coordonate logaritmice.

d

DLc

r a

Lc

B b

r d5≥

a b

Fig. 2.58. Forma epruvetelor folosite la încercarea de oboseală: a - cu secţiune rotundă; b - cu secţiune rectangulară.

Rezistenţele la oboseală sunt notate cu simbolurile σ sau τ, având ca indice valoarea coeficientului de asimetrie şi modul cum s-a făcut solicitarea (la tracţiune

σ-1t, la compresiune σ-1c sau la răsucire pentru ciclul pulsator τ0).


Epruvetele destinate încercărilor la oboseală cu sarcini axiale au secţiunea transversală de formă circulară sau rectangulară (fig.2.58), dimensiunile efective fiind determinate de tipul de material încercat, tratamentul termic aplicat, modul cum s-a prelevat epruveta, modul de fixare în maşina de încercat şi de forţa maximă capabilă a maşinii de încercat.

i) Încercarea la fluaj

Constă în menţinerea epruvetei la o tensiune şi temperatură constantă pe toată durata încercării, în vederea determinării deformaţiei remanente, (după o anumită durată de solicitare) sau a duratei de solicitare la care se produce ruperea acesteia. Rezultatul încercării constă în ridicarea diagramei deformaţiei izoterme sub sarcină constantă (fig.2.59). Pe curba de fluaj se disting următoarele zone:

- OA - zona deformaţiilor iniţiale elastice şi plastice ∆l0; - AB - zona fluajului primar (nestabilizat), în care viteza de deformaţie

mare este în continuă scădere; - BC - zona fluajului secundar (stabilizat), în care viteza de deformare este

constantă;

Timpul

Deformaţia

A

B

C

0

dd

viteza minimăla fluaj

Fluaj primar(nestabilizat)

Fluaj secundar(stabilizat)

Fluaj terţiar(accelerat)

Dl∆

∆l0

lt

Fig. 2.59. Zonele distincte ale unei curbe de fluaj.

- CD - zona fluajului terţiar (accelerat), în care viteza de deformare creşte continuu până în momentul ruperii (punctul D). Alura curbelor de fluaj depinde, în cazul unui material dat, de temperatura de încercare şi tensiunea aplicată epruvetei.

Instalaţiile de fluaj sunt construite în aşa fel, încît să asigure determinarea caracteristicilor de fluaj cu precizie satisfăcătoare în condiţii de încercare impuse. Acestea se compun din următoarele subansambluri: sistemul de solicitare cu o forţă constantă a epruvetei, sistemul de asigurare a unei temperaturi constante a epruvetei şi sistemul de măsurare a deformaţiilor epruvetei (fig.2.60).

Condiţiile tehnice de execuţie a încercărilor la fluaj sunt reglementate prin standardele de stat (STAS 6596-81, STAS 8874-80) sau standardele internaţionale (ISO R203, ISO R204).


G

Sistemulde solicitare

Sistemul deînregistrarea deformaţiilor

Sistemul deîncălzire aepruvetei

Fig. 2.60. Schema de principiu a unei instalaţii de încercare la fluaj.

2.4.4. Metode pentru determinarea principalelor proprietăţi tehnologice

Încercările tehnologice ale materialelor au drept scop punerea în evidenţă a capacităţii de prelucrare a unui material printr-un anumit procedeu de prelucrare. Caracteristic acestor încercări este faptul că rezultatele lor nu pot fi exprimate cantitativ, ci doar calitativ, fiind apreciate prin calificative (satisfăcătoare, bună, foarte bună, necorespunzătoare).

2.4.4.1. Metode pentru determinarea turnabilităţii

Permit determinarea cantitativă şi calitativă a principalilor factori care o influenţează (fluiditatea, contracţia liniară şi volumică, tensiunea superficială, intervalul de solidificare a materialului studiat etc.).

a) Determinarea contracţiei liniare

Prin contracţie liniară se înţelege reducerea dimensiunilor liniare ale pieselor turnate prin solidificarea şi răcirea lor completă în forma de turnare.

Ea se determină cu relaţia

( )0ttK s −⋅α= , (2.63)

în care α este coeficientul de contracţie în stare solidă specific fiecărui material; ts -

temperatura de solidificare; t0 - temperatura mediului ambiant. Deoarece valorile date de această relaţie nu pot fi folosite în practică (nu

ţin cont de tensiunile termice, mărimea piesei, separarea unor faze, eliminarea gazelor la solidificare etc.), se face o determinare experimentală folosind montajul


din figura 2.61. Aliajul topit se toarnă în forma (cu dimensiunile 250 × 25 × 25 mm) montată pe corpul aparatului 2. La solidificare un capăt al epruvetei 3 se solidarizează de corpul aparatului prin bolţul 4, iar celălalt capăt se solidarizează prin bolţul 5 de căruciorul mobil 6, care prin intermediul tijei 7 acţionează asupra tijei ceasului comparator 8. Se determină experimental contracţia liniară K utilizând relaţia

100⋅−

=f

pf

l

llK [%], (2.64)

în care lf este lungimea cavităţii formei, în mm; lp - lungimea piesei turnate după răcire, în mm.

200 mm

1 3

4

5

2

678 9

Fig. 2.61. Schema de principiu a montajului folosit la determinarea contracţiei liniare:

1 - cavitatea de turnare; 2 - corpul aparatului; 3 - epruveta turnată; 4, 5 - bolţuri de solidizare; 6 - cărucior mobil; 7 - tijă; 8 - ceas comparator; 9 - riglă de măsurare.

b) Determinarea fluidităţii aliajelor turnate în piese

Fluiditatea este proprietatea metalelor şi aliajelor aflate în stare lichidă de a curge uşor şi de a umple formele în care sunt turnate. Complexitatea şi grosimea pereţilor pieselor turnate depind direct de valoarea fluidităţii. Fluiditatea depinde de o serie de factori, dintre care cei mai importanţi sunt: vâscozitatea, tensiunea superficială, conductibilitatea termică, intervalul de solidificare, căldura latentă de solidificare, temperatura de turnare, supraîncălzirea aliajului, viteza de umplere a formei, calitatea suprafeţei formei, temperatura iniţială a formei şi alţii.

Cea mai răspândită metodă pentru determinarea fluidităţii este proba spirală (fig.2.62). Aliajul se toarnă într-un canal în formă de spirală având

lungimea de 1 500 mm şi secţiunea transversală trapezoidală cu aria de 50 mm2

pentru fonte, 70 mm2 pentru oţel, 40 - 60 mm

2 pentru aliaje neferoase.


Fluiditatea se apreciază pe baza lungimii porţiunii din spirală umplută cu aliaj până la solidificare. Pentru a determina uşor această lungime, pe modelul spiralei s-au prevăzut repere din 50 în 50 mm.

c) Determinarea volumului retasurii

Retasura este o cavitate apărută în piesa turnată, ca urmare a contracţiei volumice a aliajului aflat în stare lichidă şi până la solidificare. Retasurile pot fi concentrate (fig.2.63) sau dispersate în masa 50

50

piesei sub formă de microretasuri. Retasura poate fi deschisă (se găseşte în partea superioară sau laterală a piesei) sau închisă (interioară). Apariţia retasurilor şi microre-

Fig. 2.62. Vederea de sus a probei spirale folosită la determinarea turnabilităţii pe baza

fluidităţii metalului sau aliajului.

tasurilor constituie defecte ale pieselor turnate, de aceea se iau o serie de măsuri tehnologice şi constructive pentru evitarea apariţiei lor.

Retasură deschisă

Microretasuri

20

70100

4

100R

∅∅

Fig. 2.63. Retasura şi microretasura de contracţie.

Fig. 2.64. Proba conică folosită la determinarea volumului retasurii.

Pentru determinarea volumului retasurii se folosesc mai multe metode, cea mai des întâlnită fiind proba conică (fig.2.64). După executarea formei, turnarea şi solidificarea aliajului, dezbaterea şi curăţirea epruvetei se trece la determinarea

volumului relativ al retasurii Vret :

[%], ,100⋅=e

rret V

VV (2.65)

în care Vr este volumul absolut al retasurii, iar Ve - volumul geometric al epruvetei. Se toarnă mai multe probe variind temperatura de turnare şi se stabileşte

valoarea volumului retasurii de contracţie.


d) Determinarea tensiunilor interne ale pieselor turnate

La răcire, în piesele turnate apar trei tipuri de tensiuni: termice, fazice şi de contracţie. Tensiunile termice apar ca urmare a răcirii neuniforme a pieselor, tensiunile fazice apar datorită faptului că transformările de fază nu se produc în acelaşi timp în întreaga piesă, iar tensiunile de contracţie apar ca urmare a împiedicării contracţiei de către forme sau miezuri. Cele mai importante sunt tensiunile care apar ca urmare a răcirii neuniforme a pieselor. Tensiunile interne apărute în piesele turnate, împreună cu tensiunile de exploatare pot duce la apariţia unor defecte sau chiar la distrugerea pieselor ca urmare a depăşirii rezistenţei la rupere, de aceea se folosesc o serie de metode pentru punerea în evidenţă a lor.

Una din cele mai des întâlnite metode este proba Bauer - Sipp (fig.2.65). După turnare, la solidificare, părţile subţiri vor trece primele în stare elastică şi, contractân- du-se, vor comprima părţile groase, aflate încă în stare plastică, scurtând-o. Atunci când şi partea groasă va trece în stare elastică, ea va continua să se contracte, dar va fi împiedicată de barele laterale. Această interacţiune duce la apariţia în bara centrală a unor tensiuni de întindere ⊕, iar în

iσ

co

co

co

coi

4

24

σ

σ

σ

σ

σ

1

3 = 200 mm1l

barele laterale - a unor tensiuni de compresiune . Pe porţiu-nea groasă se poansonea-ză coaxial două semne situate la

distanţa l1 = 200 mm. Se secţionează apoi bara groasă

Fig. 2.65. Tipul epruvetei folosite la determinarea tensiunilor interne apărute în timpul solidificării:

1, 2 - porţiuni subţiri; 3 - porţiune groasă;

4 - traversă de legătură; σi - tensiuni de întindere ⊕;

σco - tensiuni de compresiune .

între cele două repere şi se măsoară din nou distanţa dintre ele (l2). Datorită dispariţiei tensiunilor interne din această bară distanţa dintre cele două puncte se măreşte cu alungirea

∆l = l2 − l1 [mm] . (2.66)

Considerând că tensiunile interne existente în barele 1, 2 şi 3 înainte de tăierea barei 3 se aflau în echilibru, prin rezolvarea sistemului

σ+

σ=

∆−

=σ+σ

EEl

lAA

12

2211 0 (2.67)


se obţin pentru tensiunile interne σ1 din barele subţiri şi σ2 din bara groasă valorile:

21

12

21

21 2

2 ;

2 AA

A

l

lE

AA

A

l

lE

+⋅

∆=σ

+⋅

∆−=σ , (2.68)

în care l reprezintă lungimea barei groase (l = 224 mm); A1, A2 - ariile secţiunilor barelor subţiri şi respectiv groase; E - modulul de elasticitate).

2.4.4.2. Încercări pentru determinarea deformabilităţii metalelor şi aliajelor

Deformabilitatea este înfluenţată de o serie de factori dependenţi de condiţiile de deformare (modul de deformare, viteza de deformare, temperatura la care se desfăşoară deformarea, reacţia metal - atmosferă înconjurătoare etc.), precum şi de factori dependenţi de material (structura iniţială şi puritatea, capacitatea de restaurare sau recristalizare, transformările alotropice etc.).

a) Încercări de deformabilitate la cald

Se fac în condiţii apropiate, în special în ceea ce priveşte viteza şi temperatura de deformare, de condiţiile la care urmează să fie supus metalul sau aliajul în procesul de fabricaţie. Principalele încercări pentru determinarea deformabilităţii la cald sunt:

- încercarea de tracţiune la cald - constă din deformarea prin întindere a unei epruvete încălzite la temperatura de început de deformare, în scopul determinării gâtuirii la rupere Z. Aceasta se determină cu relaţia

[%], ,1000

0 ⋅−

=A

AAZ u (2.69)

P 31

2h

h

dd

0

0

în care A0 este secţiunea iniţială a

epruvetei; Au - secţiunea minimă de rupere; - încercarea de refulare la cald -constă din deformarea prin compresiune între două suprafeţe plane a unei epruvete cilindrice (fig.2.66) în vederea apre-cierii aspectului suprafetei laterale a epruvetei. Deformarea prin refulare poate

Fig. 2.66. Schema încercării de refulare la cald: 1 - starea iniţială; 2 - starea deformată până la apariţia primei fisuri; 3 - scula cu care se face deformarea; h0, d0- dimensiunile iniţiale ale

epruvetei; h, d- dimensiunile epruvetei finale.

fi făcută până la apariţia primei fisuri sau până la reducerea înălţimii probei la 1/3 din înălţimea iniţială.

Se determină gradul de refulare


relativă χ

[%], 1000

0 ⋅−

=χh

hh (2.70)

unde h0 reprezintă înălţimea iniţială a epruvetei; h - înălţimea finală. Încercarea serveşte şi la punerea în evidenţă a defectelor de suprafaţă sau a

defectelor existente în imediata apropiere a suprafeţei; - încercarea de torsiune la cald - constă din deformarea prin răsucire a

unei epruvete încălzite la temperatura de încercare în scopul determinării numărului de ture necesare ruperii epruvetei. Încercarea pune în evidenţă mai ales efectul fazelor secundare şi a stării incluzionare a metalului sau aliajului.

b) Încercări de deformabilitate la rece

Se execută în scopul determinării capacităţii de deformare la rece în cursul operaţiilor ethnologic, cât şi a verificării calităţii produselor în ceea ce priveşte absenţa defectelor de suprafaţă. Principalele încercări utilizate în practica industrială sunt:

- încercarea de îndoire - constă din deformarea prin încovoiere într-un singur sens a unei epruvete cu secţiune dreptunghiulară, rotundă sau poligonală, în vederea aprecierii aspectului acesteia în partea întinsă a zonei îndoite. Îndoirea se poate face într-o matriţă cu profilul corespunzător unghiului de îndoire (fig.2.67. a), cu un dorn cilindric şi două role mobile (fig.2.67. b) sau între două suprafeţe plane (fig.2.67. c);

sR

125

sP4 2

1

3 16

α

ss

2

6

5

α

d+ s3

7

1

72

a b c

Fig. 2.67. Schema de principiu la încercarea de îndoire: a - în matriţă cu profil corespunzător; b - cu dorn cilindric şi role mobile; c - între două suprafeţe

plane; 1 - starea iniţială a epruvetei; 2 - starea deformată a epruvetei; 3 - matriţă; 4 - sculă de încovoiere; 5 - dorn cilindric; 6 - role; 7- mandrine.

- încercarea la îndoire alternată - constă din îndoirea repetată a unei epruvete într-un singur plan, la un unghi de 90° într-un sens şi apoi la 90° în sens opus, în vederea determinării numărului de îndoiri până la rupere. Se practică în


cazul tablelor şi benzilor de grosime sub 3,0 mm şi al sârmelor de grosime sub 10 mm (fig.2.68);

- încercarea de refulare la rece - se execută în acelaşi mod şi cu aceleaşi obiective ca şi încercarea de refulare la cald;

- încercarea de răsucire - constă în răsucirea de două ori la 360° a unei probe de suprafaţă luată dintr-un produs plat sau a unei probe de tip tronson luată dintr-un produs profilat, în vederea observării aspectului suprafeţei exterioare deformate;

- încercarea la înfăşurare a sârmei – constă din înfăşurarea unei bucăţi de sârmă în jurul unui dorn cu un anumit diametru, astfel încât să se realizeze un număr determinat de spire tangente între ele cu scopul de a verifica dacă sârma nu se rupe sau nu prezintă fisuri. Practic, încercarea se execută pe sârme de diametru până la 6 mm şi constă din înfăşurarea sârmei până la 5...10 spire, urmată de desfăşurarea acestora până mai rămâne o singură spiră nedesfăcută;

0,1

1

2

3

4

5

IIIII

I

R

max

FF

Inel de

min 90

70

Matriţa

Epruveta

27

33 20

+0,05

+0,05

PPoanson

∅

∅

∅ ∅

strângere

Fig. 2.68. Schema de principiu a încercării la îndoire alternată:

1 - epruvetă; 2 - mandrine de prindere; 3 - role cilindrice; 4 - dispozitiv de strângere; 5 - fălci de

fixare; I, II, III - cicluri de îndoire alternată.

Fig. 2.69. Încercarea de ambutisare Erichsen.

- încercarea de ambutisare Erichsen - constă din deformarea unei epruvete într-o matriţă folosind un poanson cu cap sferic, în vederea determinării adâncimii maxime de ambutisare. Încercarea se aplică la table şi benzi cu grosimea de 0,1...2,0 mm, epruvetele având formă circulară sau pătrată cu diametrul sau latura de minim 90 mm, iar matriţa având dimensiunile conform figurii 2.69.


Apăsarea realizată cu ajutorul inelului de strângere (~ 10 kN) împiedică alune-carea materialului în raport cu matriţa în timpul ambutisării. Încercarea Erichsen caracterizează capacitatea de deformare a unui produs prin întindere pe două direcţii, în condiţiile reducerii grosimii acestuia în procesul de ambutisare. Modul de deformare şi de rupere a zonei maxim solicitate de la vârful poansonului poate pune în evidenţă o tendinţă spre formarea defectului numit ,,coajă de portocală’’, o comportare izotropă la deformare sau anizotropă;

- încercarea de determinare a coeficientului de ecruisare − coeficientul de ecruisare caracterizează capacitatea de consolidare sau ecruisare a materialului şi este dat de exponentul n din ecuaţia curbei caracteristice la tracţiune propusă de Ludwih - Hollomon

nnk ε⋅=σ , (2.71)

40 50 30 75 40

275

20

12.75 12.50+0,02 +0,02

l2 l1

în care σ este tensiunea reală; k - fac-

torul de rezistenţă; εn - alungirea specifică reală.

Coeficientul de ecruisare se determină pe cale grafică sau analitică,

fiind dat de panta dreptei lg σ − lg εn ,

trasată în domeniul εn ≤ εnm (εnm –

Fig. 2.70. Forma epruvetei la încercarea pentru determinarea coeficienţilor de ecruisare.

alungirea specifică corespunzătoare forţei maxime în încercarea la tracţiune).Se foloseşte o epruvetă cu

două zone calibrate (fig.2.70) încercată la tracţiune până la rupere (rupere localizată evident în zona mai îngustă de lăţime l1). Se determină în acest mod n,

care este numeric egal cu εnm; - încercarea de determinare a coeficientului de anizotropie - coeficientul

de anizotropie caracterizează capacitatea materialului de schimbare a formei prin contracţie laterală în cursul unei solicitări la întindere şi conform definiţiei propusă de Lankford este dat de relaţia

00

lnlndd

00 B

B

b

b

B

B

b

br

B

B

b

b== ∫∫ , (2.72)

în care b şi B sunt lăţimea şi respectiv grosimea epruvetei supusă la tracţiune; b0 şi

B0 - aceleaşi caracteristici în stare iniţială. Ţinând cont că volumul epruvetei rămâne constant în cursul încercării

V0 = l0 B0 b0 = V = l ⋅ Bh (2.73)

relaţia (2.72) devine


−=

b

b

l

l

b

br 0

0

0 lnlnln . (2.74)

Pentru determinări se folosesc epruvete calibrate de lăţime 12,5 mm sau 20 mm, încercate la tracţiune cu viteză de lungire mică (≤ 25 mm/min).

În fiecare etapă se măsoară atât lungimea bazei iniţiale l0 , cât şi variaţia lăţimii epruvetei în cel puţin patru poziţii ale zonei calibrate.

2.4.4.3. Încercări pentru determinarea uzinabilităţii materialelor

Prelucrabilitatea prin aşchiere (uzinabilitatea) a unui material este dată de capacitatea materialului respectiv de a-şi modifica forma prin desprindere de aşchii sau microaşchii sub acţiunea unor forţe exterioare în condiţii cât mai avantajoase (viteze de aşchiere mari, o bună calitate a suprafeţei prelucrate şi o energie consumată cât mai redusă). Nu există un criteriu universal şi unic pentru determinarea uzinabilităţii. Metodele de încercare folosite sunt directe (folosesc determinări în condiţii de aşchiere) şi indirecte. Cele mai uzuale încercări sunt bazate pe studiul uzurii sculei aşchietoare, forţelor de aşchiere, formei şi modului de degajare a aşchiei, calităţii suprafeţei obţinute, energiei consumate în procesul de aşchiere sau pe stabilirea unor mărimi cum sunt unghiul de forfecare al aşchiei, rezistenţa specifică la aşchiere şi altele.

a) Metode bazate pe studiul uzurii sculei aşchietoare

Prin uzura sculelor aşchietoare se înţelege pierderea proprietăţilor aşchietoare ale sculei în timpul prelucrării sub acţiunea forţelor ce intervin în procesul de aşchiere.

Durabilitatea sculei se defineşte ca fiind intervalul de timp în cadrul căruia scula aşchiază corect, interval cuprins între două ascuţiri succesive ale sculei. Uzura sculei face ca unghiurile care caracterizează ascuţirea sculei (parametrii geometrici ai acesteia), să se modifice, modificându-se deci şi legea de variaţie a funcţiei după care se face uzarea.

Uzarea feţei de aşezare va conduce la modificarea unghiului de aşezare

constructiv α0, iar uzarea feţei de degajare va determina modificarea unghiului de

degajare constructiv γ0 (fig.2.71. b şi c). Uzarea pe ambele feţe va conduce în timp la modificarea parametrilor geometrici ai sculei aşchietoare şi la modificarea dimensiunilor de reglare datorită apariţiei acestor faţete de uzură. Aceste faţete de uzură şi variaţia lor în timp reprezintă unul din indicatorii principali ai fenomenului de uzare. Efectuând experimentări pe aceleaşi tipuri de epruvete, confecţionate din acelaşi material şi prelucrate în aceleaşi condiţii, se ridică o diagramă de forma celei prezentată în figura 2.72. Pe oricare diagramă de acest fel se disting următoarele zone: zona uzurii de rodaj I, zona uzurii normale


α

BB

0

αk

k

k

γ γ0

MT

B kkM

B

ba

γ

Aşchie

Sculăaşchietoare

s

B

k

k

k

γγ

α 0

β 0

0

α0

0

sk γvsk αv

M

B

T

α

c

Fig. 2.71. Schema de principiu a determinării uzurii: a - pe faţa de aşezare; b - pe faţa de degajare; c - pe ambele feţe; B - mărimea uzurii pe faţa de

aşezare;

kB - lăţimea craterului de uzură pe faţa de degajare; kM - distanţa de la mijlocul craterului de uzură la

vârful sculei; kT - adâncimea craterului de uzură pe faţa de degajare; skvα, skvγ - deplasarea muchiei

aşchietoare pe faţa de aşezare şi respectiv pe faţa de degajare; α0, β0, γ0 - unghiurile iniţiale ale părţii active; α, β, γ - unghiurile rezultate datorită uzării părţii active.

I II III

t t

catastrofalăUzura

Uzura de

rodajUzura

normală

∆BB1B0

Bkk

01

∆t

θ

Timp [min]

TB

II şi zona uzurii catastrofale III. În zona II, unde variaţia

uzurii în timp este aproximativ liniară, se defineşte uzura specifică u, prin raportul

u = tg θ = t

B

∆

∆, (2.75)

Fig. 2.72. Diagrama de variaţie a uzurii în timp. care exprimă intensitatea procesului de uzare (viteza de uzare) în timp.

b) Metode bazate pe studiul forţelor de aşchiere

Un indicator al prelucrabilităţii materialelor bazat pe cunoaşterea forţelor de aşchiere a fost propus de Schlessinger, care a folosit în acest scop rezistenţa specifică la aşchiere. Metoda constă în studierea valorilor forţelor principale de

aşchiere R care în cazul strunjirii cilindrice are componentele prezentate în figura 2.73. Determinarea dependenţei acestora în funcţie de parametrii regimului de aşchiere şi de natura materialului de prelucrat se face plecând de la expresia gene-

F p

α

γ

nas

( v

)c

A-A

F c0

Ff

x

F

y

F c

Rz

v sl

n

v fl

v c

p

fF

pFk

nas

(vc

)

A A

fl

v e

as(v

c )

v

Fi

g.2.

73. C

ompo

nent

ele

forţ

ei d

e aş

chie

re la

str

unji

rea

cili

ndri

că e

xter

ioară:

Ff

- co

mpo

nent

e în

lung

ul a

vans

ului

de

aşch

iere

; Fp

- co

mpo

nent

a ra

dială; F

c - c

ompo

nent

a pr

inci

pală

a f

orţe

i de

aşch

iere

; vc -

vit

eza

de aşc

hier

e;

v e -

vit

eza

reală

de aşc

hier

e; v

fl -

vit

eza

de a

vans

long

itud

inal

.


rală a componentelor forţei de aşchiere,

F znF zzF zyF zxmz HBstCF ⋅⋅⋅⋅= v

F C t s HBy mxF y yF y zF y nF y= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅v (2.76)

F C t s HBz mxF x yF x zF x nF x= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅v ,

în care Cm este un coeficient dependent de natura materialului de prelucrat şi de materialul sculei; t - adâncime de aşchiere; s - avans de aşchiere; v - viteză de

aşchiere; HB - duritatea materialului de prelucrat; xF, yF, zF, nF - coeficienţi dependenţi de natura materialului de prelucrat. Determinarea forţelor de aşchiere se face cu ajutorul diferitelor tipuri de dinamometre alese în funcţie de procedeul de prelucrare prin aşchiere (strunjire, frezare, burghiere, rabotare, rectificare etc.).

c) Metode de apreciere a prelucrabilităţii pentru diferite procedee de prelucrare

În acest caz se utilizează indicatori specifici fiecărui procedeu de prelucrare, valabili numai dacă se respectă condiţiile de prelucrare impuse iniţial. De exemplu, pentru aprecierea prelucrabilităţii prin găurire se face un test de burghiere, prin care se determină numărul maxim de găuri executate cu acelaşi burghiu şi în aceleaşi condiţii de aşchiere, până în momentul distrugerii tăişului său. Momentul scoaterii burghiului din uz se stabileşte cu ajutorul unui dinamometru, la o creştere cu 30% a valorii iniţiale a forţei axiale. Aprecierea prelucrabilităţii la frezare se determină pe baza volumului de material îndepărtat în aceleaşi condiţii de prelucrare, până se înregistrează o creştere a energiei consumate cu circa 10%, datorită uzurii sculei aşchietoare.

2.4.4.4. Încercări pentru determinarea sudabilităţii

Capacitatea unui metal sau aliaj de a se îmbina nedemontabil prin sudare (sudabilitatea) este o însuşire complexă determinată de: proprietăţile metalului de bază şi ale metalului de adaos, tehnologia de sudare, concepţia constructivă a diferitelor elemente şi a ansamblului construcţiei, caracterul şi nivelul solicitărilor în exploatare. Metodele de încercare, utilizate în prezent pentru determinarea sudabilităţii sunt numeroase şi variate (la Institutul Internaţional de Sudură sunt înregistrate peste 130 metode), fără să se fi ajuns la nivelul standardizării unor metode unice. Pentru fiecare categorie de materiale există prescripţii şi criterii de apreciere, care diferă de la ţară la ţară. Pentru aprecierea sudabilităţii se fac încercări laborioase asupra materialului de bază, asupra zonei influenţată termic (ZIT), asupra sudurii propriu-zise şi asupra îmbinării sudate. Dintre aceste încercări cea care permite o evaluare aproximativă a comportării la sudare a oţelurilor este măsurarea durităţii în zona influenţată termic (sub cordon).


a) Calculul conţinutului de carbon echivalent

Se constată că duritatea în zona influenţată termic este influenţată de compoziţia chimică, de condiţiile tehnologice şi în primul rând de conţinutul de carbon. Fiecare element de aliere influenţează diferit durificarea sub cordon, influenţă ce rezultă din relaţia de calcul a carbonului echivalent Ce, de forma

s40,00215

%Ni

13

%Cu

2

%P

4

%Mo

5

%Cr

6

%Mn%C%Ce +++++++= (2.77)

în care s este grosimea tablei de sudat, în mm. În funcţie de procedeul de sudare şi de conţinutul în Ce sunt întocmite

nomograme de determinare a capacităţii de sudare, deosebindu-se, de exemplu, la oţeluri:

- sudabilitate bună necondiţionată, pentru% Ce ≤ 0,25%; - sudabilitate bună condiţionată, pentru 0,25% < Ce ≤ 0,5%; - sudabilitate sever condiţionată (posibilă), pentru 0,5% < Ce ≤ 0,65%; - sudabilitate foarte sever condiţionată, pentru 0,65% < Ce ≤ 1,0%; - sudabilitate necorespunzătoare, pentru Ce > 1,0% Cu măsuri tehnologice speciale (preîncălzirea pieselor, folosirea unor

anumite materiale de adaos, folosirea unor procedee speciale adecvate) se pot suda şi oţeluri cu Ce > 1,0%.

b) Determinarea sudabilităţii pe baza sensibilităţii la fisurare

Sensibilitatea la fisurare este în prezent criteriul cel mai important de apreciere al sudabilităţii pentru oţelurile slab aliate şi aliate. Există numeroase metode de determinare a sudabilităţii pe baza tendinţei la fisurare: metoda Schnadt, metoda Jackson, metoda Tekken, metoda ICPTSC etc.

Metoda Schnadt se bazează pe autofisurare sub acţiunea tensiunilor remanente ce se dezvoltă în îmbinarea sudată. Pe epruveta de forma celor prezentate în figura 2.74 se execută trei cusături sudate, cu viteză constantă şi fără pendulări, în I, V, U sau Y, după care îmbinarea sudată rămâne în dispozitiv timp de 10-15 min, până ce temperatura scade sub 50°C.

Verificarea fisurilor se face în două etape: - înainte de ruperea cusăturilor se examinează lungimea fisurilor de

suprafaţă (cu lichide penetrante sau pulberi magnetice); - după ruperea cusăturilor se evaluează prin încovoiere aria secţiunii

fisurilor. Sensibilitatea la fisurare Sf se determină, în procente, astfel:

100⋅=s

f

fI l

lS [%] ; (2.78)


80...130 80...130

A A40...50

180...200

a

30 30

csmb2

Fp

1

1

mb

2Fp

A-A

cs

b

6 tf 6 tf

tftf

Fig. 2.74. Schema de principiu a metodei Schnadt de determinare a tendinţei la fisurare:

a - forma epruvetei; b - schema de principiu a încercării : mb1; mb2 - metale de bază; cs - cusătura sudată; FP1 , FP2 - fălci de prindere.

100⋅=s

sf

fII A

AS [%] , (2.79)

în care lf este lungimea fisurării sau suma lungimilor fisurărilor; ls - lungimea cusăturii sudate; Asf - aria secţiunii fisurii; As - aria totală a secţiunii cusăturii sudate.

Cu metoda Schnadt şi celelalte metode se pot face aprecieri atât asupra metalului de bază, cât şi a metalului de adaos, în cazul procedeelor de sudare manuală cu arc electric, sudare automată şi semiautomată sub strat de flux, sudare în mediu de gaz protector şi altele.

2.4.4.5. Încercări pentru determinarea călibilităţii

Determinarea călibilităţii oţelurilor se poate face prin mai multe metode, dar singura standardizată este metoda răcirii frontale, denumită şi proba Jominy. Metoda constă în încălzirea, la temperatura de călire, a unei epruvete din oţel de forma celei prezentată în figura 2.75, menţinerea ei la această temperatură timp de 30 minute şi răcirea în anumite condiţii a capătului epruvetei. Încălzirea epruvetei


se recomandă să se facă în băi de metale topite, băi de săruri sau împachetare în aşchii de fontă. Răcirea se face pe un dispozitiv, care să asigure un jet de apă la aceeaşi presiune, iar temperatura apei să fie cuprinsă între +10°C şi +25°C. Se măsoară apoi duritatea de la capătul răcit înspre capătul nerăcit. Pentru măsurarea durităţii se şlefuiesc două suprafeţe plane paralele având o adâncime de 0,50 ± 0,10 (STAS 4930 -80). Determinarea durităţii prin metoda Rockwell sau Vickers se face la distanţa de 1,5 mm începând de la capătul răcit până la distanţa corespunzătoare zonei semimartensitice, iar apoi din 3 în 3 mm până la o distanţă unde duritatea nu mai variază.

Cu valorile medii ale durităţii astfel stabilite se construieşte, în funcţie de distanţa de la

30

100+-0,25

97

25+-0,25

∅

∅ capătul răcit al epruvetei, curba de călibilitatecaracteristică doar şarjei respective (fig.2.76).

Fig. 2.75. Proba Jominy.

Pe baza curbelor de călibilitate se determină indicele de călibilitate, notat cu simbolul Ja/b(c), în care a este duritatea zonei semimartensitice pentru oţelul respectiv; b - distanţa de la capătul răcit până la punctul în care se măsoară duritatea a; c – duritatea HRC maximă la capătul călit al epruvetei. Pe baza indicelui de călibilitate poate fi determinat diametrul critic Dc al oţelului călit în apă sau în ulei.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

0,41 0,22 0,60 0,51 1,2 0,015 0,026

10

20

30

40

50

60

70

Marca oţelului41CrNi12

Compoziţia chimică a şarjei [%]

C Si Mn Cr Ni S P

Distanţa de la capătul răcit

[mm]

200

300

400

500

600700Duritate

Duritate

Bandă de

Curba de călibilitate

călibilitate

HRC

HV

100

Fig. 2.76. Curba de călibilitate a unei şarje de oţel.

În concluzie, se poate afirma că în prezent nu se poate imagina realizarea nici unui produs industrial fără un riguros control şi fără o determinare precisă a


proprietăţilor funcţionale şi tehnologice ale materialelor, din care se confecţionează fiecare reper al produsului respectiv.

2.4.5. Metode speciale pentru determinarea, studiul şi controlul proprietăţilor

materialelor

Tendinţa de miniaturizare şi ultraminiaturizare, pe de o parte, şi de gigantizare, pe de altă parte, în condiţiile funcţionării la temperaturi variind de la aproape zero absolut până la zeci de mii de grade Celsius şi cu viteze foarte mari sau foarte mici, necesită materiale cu proprietăţi cu totul deosebite, determinate cu precizie deosebit de mare, eficient şi fără să afecteze mediul sau operatorul uman. Aceste deziderate sunt realizate prin modernizarea metodelor prezentate mai sus sau prin dezvoltarea de noi metode capabile de performanţe deosebite.

Printre metodele de examinare nedistructivă cele mai des utilizate se numără metodele de control prin: curenţi turbionari; impedanţă mecanică; tomografie computerizată; examinare termografică; cu ajutorul microundelor şi prin examinare holografică.

2.4.5.1. Metoda de control prin curenţi turbionari

Constă în inducerea în piesa de examinat a curenţilor turbionari, cu ajutorul unui traductor tip bobină, şi recepţionarea perturbaţiilor curenţilor turbionari, cu ajutorul unui traductor tip bobină, prin modificarea impedanţei bobinei traductor. Perturbaţiile suferite de curenţii turbionari sunt determinate de existenţa diferitelor discontinuităţi în piesa de examinat.

Principiul de examinare prin curenţi turbionari depinde de procedeul de obţinere a inducţiei electromagnetice, procedeu ce presupune o bobină-traductor prin care trece un curent variabil sau un curent alternativ. Curentul variabil produce în jurul bobinei-traductor un câmp electromagnetic variabil numit câmp primar. Dacă piesa de examinat (bună conducătoare de electricitate) este plasată în câmpul primar al bobinei-traductor, atunci în piesă va fi indus un curent electric cunoscut sub numele de curent turbionar. Curentul turbionar produce, la rândul său, un câmp electromagnetic opus câmpului electromagnetic primar. Existenţa unor defecte în piesa de examinat, având conductibilitatea sau permeabilitatea diferită, vor conduce la variaţii diferite, ale curenţilor turbionari şi deci ale câmpului electromagnetic, citite şi afişate cu ajutorul unor mecanisme specifice. Principalele variabile operaţionale care trebuie luate în considerare atunci când se face o examinare prin curenţi turbionari sunt: impedanţa bobinei-traductor, conductivitatea electrică, permeabilitatea magnetică, efectul de suprafaţă, efectul de margine, efectul de capăt, efectul spaţiului dintre bobina-traductor şi piesa de examinat, factorul de umplere şi raportul semnal-zgomot.

Metoda se aplică pentru detectarea defectelor de suprafaţă sau cele din


imediata vecinătate a suprafeţei.

2.4.5.2. Metoda de control prin impedanţă mecanică

Se bazează pe variaţia impedanţei mecanice în funcţie de calitatea obiectului de cercetat, existenţa unui defect conducând la modificarea amplitudinii sau fazei impedanţei mecanice. Prin impedanţa mecanică Z se înţelege raportul dintre forţa complexă F(t) aplicată obiectului de cercetat şi viteza complexă v(t) a obiectului, în direcţia forţei, în punctul de aplicaţie al acesteia:

Z = )( v

)(

t

tF . (2.80)

Ca mărime complexă, impedanţa mecanică poate fi exprimată prin relaţia:

Z = A ⋅ eiθ , (2.81)

în care A este amplitudinea, iar θ reprezintă faza. În funcţie de parametrul luat în considerare la detectarea defectului,

metoda impedanţei mecanice poate fi aplicată în trei variante: - bazată pe variaţia amplitudinii (metoda amplitudinii); - bazată pe variaţia fazei (metoda fazei); - bazată şi pe variaţia amplitudinii şi a fazei (metoda amplitudinii şi a

fazei). Schema de principiu a metodei de control prin impedanţă mecanică se

prezintă în figura 2.77. Cu ajutorul unui generator electric 1 cu frecvenţă acustică de 1...8 kHz şi a unui palpator se produc în obiectul de cercetat oscilaţii longitudinale.

OC I II

F0 F1

1

2

43

D

Palpatorul este format din două piezoelemente, unul emiţător 2 şi unul receptor 3, legate printr-o bară de cuplaj 4. Când contactul dintre palpator şi obiectul de cercetat este într-o zonă fără defect (I), atunci întregul ansamblu oscilează cu o anumită amplitudine A0, iar când contactul se face într-o zonă cu defect (II), amplitudinea A1

este mult mai mică. Metoda se utili-

Fig. 2.77. Schema de principiu a metodei de control prin impedanţă acustică:

1 - generator electric de frecvenţă acustică; 2 - emiţător; 3 - receptor; 4 - bară de cuplaj acustic;

OC-obiect de cercetat; D - defect.

zează la punerea în evidenţă a zonelor cu defecte în materiale multistrat, structuri fagure, structuri sandwich, îmbinări lipite şi sudate


etc. Metoda prezintă dezavantajul că întregul sistem poate intra în rezonanţă şi în consecinţă rezultatele sunt complet denaturate, de aceea trebuie evitat fenomenul de rezonanţă.

2.4.5.3. Metoda de control prin tomografie computerizată

Este cunoscută din anul 1940, dar şi-a dovedit calităţile abia după introducerea computerelor în prelucrarea datelor achiziţionate în urma controlului.

Schema de principiu a controlului tomografic se prezintă în figura 2.78. Sursa de radiaţii X împreună cu detectorul de radiaţii se mişcă coordonat în jurul obiectului de controlat, fiecare poziţie (I, II, III) fiind definită prin unghiul de rotire căruia i se asociază o anumită proiecţie a obiectului de cercetat. Un computer controlează mişcarea scannerului, colectează datele proiecţiei obţinute de detector, aplică algoritmul de reconstituire a imaginii şi afişează rezultatele pe un display.

Metoda este deosebit de precisă şi permite creşterea rezoluţiei de peste 0,1 mm, dar are câteva dezavantaje (costul mare al instalaţiei şi timpul relativ mare al examinării). De aceea metoda se aplică în următoarele situaţii:

- când eventualele defecte ascunse ar avea consecinţe foarte grave (pierderi de vieţi omeneşti sau pierderi economice importante);

- când nu se poate efectua controlul prin alte metode; - când numărul de examinări identice este foarte mare.

2.4.5.4. Metoda de control prin examinare termografică

Această metodă constă în detectarea unui defect pe baza anomaliei de distribuţie a temperaturii, produsă de existenţa acestuia. Apărută în domeniul

I II III

Algoritm de reconstituire

Dateleproiecţiei

Sursă de radiaţii

Proiecţia obiectuluide cercetat

Obiect de cercetat

Detector deradiaţii

X

2

Scanner

Imaginea obiectuluide cercetat

Defecte Fig. 2.78. Schema de principiu a controlului tomografic.


militar pentru fotografierea în infraroşu a imaginilor pe timp de noapte, termografia s-a extins cu rezultate bune în detectarea celor mai diferite defecte interioare şi cu rezultate spectaculoase în domeniul medicinii pentru diagnosticarea unor boli. Metoda de examinare termografică cuprinde următoarele etape distincte:

- transmiterea unui flux termic produsului de controlat printr-o suprafaţă sau o linie convenabil aleasă;

- detecţia anomaliilor termice pe o suprafaţă sau o linie opusă celei de intrare sau pe aceeaşi parte;

- vizualizarea şi/sau înregistrarea acestor anomalii; - interpretarea rezultatelor şi stabilirea diagnosticului. După tehnicile de examinare folosite se deosebesc: - metode care folosesc contactul direct (fig.2.79), la care o substanţă

termosensibilă sau un instrument de măsură se plasează în contact fizic şi termic cu piesa supusă examinării;

Q QQ1 Substanţatermosensibilă

Obiectul decercetat

Defect

Imagine

T[ C]°

[mm]

Q0

l

de defect

Fig. 2.79. Schema de principiu a metodei de examinare termografică cu contact direct:

Q0-fluxul iniţial de căldură; Q şi Q1 - cantitatea de căldură ajunsă la substanţa termosensibilă în zona fără defect şi respectiv în zona cu defect; T - temperatura; l - lungimea obiectului de cercetat.

- metode de examinare fără contact direct (prin teledetecţie), care se bazează pe analiza energiei termice radiate de suprafaţa obiectului de cercetat (fig.2.80). Acestea constau în detectarea de la distanţă a radiaţiei infraroşii, emisă de obiectul de cercetat şi transformarea informaţiilor obţinute, prin scanarea punct cu punct a suprafeţei, într-o imagine vizibilă pe care se pot pune în evidenţă eventualele defecte. Examinarea termografică este utilizată cu bune rezultate pentru detectarea defectelor interioare în:

- produse din materiale compuse stratificate sau compozite; - structuri lipite tip fagure, sandwich etc;


- produse obţinute prin diferite procedee de prelucrare (turnare, deformare plastică, sudare etc.);

- produse electronice etc. Metoda permite obţinerea de rezoluţii spaţiale de 1 µm pentru defectele de

suprafaţă, dar are dezavantajul unor costuri mari ale instalaţiilor.

Oglindă de reflexie

Sistemoptic

Dispozitivde baleiere

Filtru

Detector

Imagine defectSistem vizualizare

Sistem deprelucrare

semnal

Qo

Q Q

Q1Display

Fig. 2.80. Schema de principiu a metodei de examinare termografică

fără contact direct (prin teledetecţie).

2.4.5.5. Metoda de control cu ajutorul microundelor

Are la bază proprietăţile microundelor de a interacţiona diferit cu materialele de cercetat, de a fi reflectate şi de a se transmite prin aceste materiale. Microundele sunt unde electromagnetice cu frecvenţa de la 225 kHz la 100 GHz şi au o mare capacitate de pătrundere prin cele mai multe materiale nemetalice. În materialele cu conductivitate electrică mare microundele nu pătrund, fiind aproape integral reflectate, de aceea sunt utilizate pentru examinarea suprafeţelor exterioare, a defectelor de suprafaţă, la măsurarea rugozităţii, la măsurarea dimensiunilor, sau la ridicarea topografiei unei suprafeţe. În cazul materialelor dielectrice microundele interacţionează puternic, sunt reflectate diferit cu natura materialului şi se transmit diferit, tot în funcţie de natura substanţei de cercetat. Prin urmare, existenţa unui defect va conduce la un anumit coeficient de reflexie şi la un anumit coeficient de transmisie, funcţie de permitivitatea relativă a materialului. Coeficientul de reflexie R şi de transmisie T se calculează cu relaţiile:

R = r

r

ε+

ε−

1

1 ; T =

rε+1

2 (2.82)


în care εr este permitivitatea relativă a materialului. Schema de principiu a metodei de control cu microunde, prin analiza

coeficientului de reflexie se prezintă în figura 2.81. a şi b, iar prin analiza coeficientului de transmitere în figura 2.81. c şi d.

Un generator de înaltă frecvenţă 1, produce microunde care, prin intermediul unui izolator, atenuator, defazor 2 şi emiţător - receptor 3, interacţionează cu obiectul de cercetat 4. Coeficientul de reflexie se măsoară cu ajutorul unui reflectometru cuplat cu detectorul 5 şi cu aparatul de vizualizare 6. Existenţa defectului 7 va conduce la modificarea coeficientului de reflexie, funcţie de natura defectului şi mărimea acestuia. La controlul prin măsurarea coeficientului de transmisie (fig.2.81. c şi d) diferă elementele componente ale instalaţiei şi în special elementul de detecţie, de măsurare şi de vizualizare.

1 2 3 4

5

6a

1

6

5

2 3 47

b

d

21 3 4 6

5

1

5

62 3 4

c

7

Fig. 2.81. Schema de principiu a metodei de examinare cu microunde:

- prin analiza coeficientului de reflexie: a - obiectul de cercetat fără defect; b - obiectul de cercetat cu defect; 1 - generator de microunde; 2 - defazor; 3 - emiţător-receptor; 4 - obiectul de cercetat;

5 - detector; 6 - instrument de măsurare şi vizualizare; 7 - defect; - prin analiza coeficientului de transmisie: c - material fără defect; d - material cu defect:

1 - generator de microunde; 2 - emiţător; 3 - obiectul de cercetat; 4 - receptor; 5 - detector; 6 - instrument de măsurare şi vizualizare; 7 - defect.

Sensibilitatea de detecţie a defectului depinde de forma, poziţia, natura şi suprafaţa lui în raport cu unda emisă.

Metoda prezintă următoarele avantaje: nu necesită un cuplaj special între sistemul de examinare şi obiectul de cercetat; microundele nu sunt ionizante şi nu au efecte nocive asupra operatorului; o foarte bună penetrare în materialele dielectrice.

2.4.5.6. Metoda de control prin examinare holografică

Are la bază principiul Huygens-Fresnel şi proprietăţile interferenţei


luminii. Holografia este o tehnică de obţinere a imaginii unui obiect pornind de la o figură de difracţie produsă de acel obiect. Un corp oarecare (obiectul de cercetat OC) difractă unda laser FAD (fig.2.82) şi produce în planul virtual P(x,y) o anumită distribuţie a amplitudinii complexe A(x,y,t), care înregistrată printr-o anumită metodă constituie o hologramă.

D

OMC

DF

FL

D

OMC

L

OC FAD PV

Redarea imaginii obiec-tului de cercetat se face printr-o iluminare a hologramei cu o undă de reconstrucţie identică undei de referinţă care a servit la înregistrare. Suprapunerea imaginilor şi compararea lor permite recunoaşterea formei obiectului de cercetat şi evoluţia acesteia între cele două momente succesive. Interferometria holo-grafică prezintă o serie de avantaje faţă de metodele clasice: permite măsurări tridi-mensionale; nu necesită modele transparente şi face posibilămăsurarea microdeformaţii-lor complexe ale oricărui tip de

Fig. 2.82. Schema de principiu la examinarea prin interferometrie holografică: OC - obiectul de cercetat;

PV - plan virtual; D - diafragmă; OMC - obiectiv microscop; DF - divizor de fascicul; FAD - fascicul difractat;

FL - fascicul laser; L - laser.

obiect; asigură înregistrarea şi vizualizarea statică sau dinami-că a variaţiilor unui corp între două momente ale unui proces în evoluţie. Metoda se aplică la pu-

nerea în evidenţă a fenomenelor termice, microdeplasărilor şi microdeformaţiilor, la studiul vibraţiilor, la prelucrarea şi stocarea optică a informaţiei, prelucrarea unor date medicale şi la examinarea nedistructivă cu o rezoluţie de 0,5 µm.

Observaţie. Eficienţa şi fiabilitatea controlului unui material în scopul evaluării corecte a proprietăţilor şi sănătăţii acestuia depinde foarte mult şi de alegerea judicioasă a metodei de control. La stabilirea metodei optime de control este necesară analiza concomitentă a unui număr mare de parametri şi ierarhizarea acestora în ordinea importanţei lor într-un anumit context dat. Principalii factori care stau la baza stabilirii procedeului optim de control se prezintă în tabelul grafic 2.5.


Tabelul 2.5. Principalii factori care condiţionează stabilirea procedeului optim de control al unui material

Tehnologice Geometrice Funcţionale Economice

Productivitatea Caracteristici ale materialuluisupus examinării Accesibilitatea

Cerinţele tehniceimpuse de rolul

funcţional almaterialului

Procedeu optim

de control

Performanţele

aparaturii

disponibile

Aspecte economice

Precizia deexaminare

Defectmaximadmisibil

Defectminim

detectabil

Condiţii deexploatare

2.5. ELABORAREA MATERIALELOR METALICE

2.5.1. Generalităţi

Metalele se găsesc în natură în stare nativă sub formă de filoane (Au, Ag, Pt, Cu etc., în general metale rezistente la coroziune), în stare de compuşi (oxizi, sulfuri, carbonaţi, silicaţi - marea majoritate a metalelor) şi sub formă de noduli marini (fier, nichel).

Răspândirea principalelor elemente în scoarţa terestră este prezentată în tabelul 2.6.

Un conglomerat de substanţe minerale conţinând unul sau două elemente în cantitate suficientă spre a se separa eficient se numeşte minereu.

Minereul este format din două componente principale: utilul - compusul chimic sub care este fixat elementul căutat şi sterilul - impurităţile care se află în amestec cu utilul în scoarţa terestră.

Minereurile pot fi clasificate după:

a) natura sterilului:

- minereuri acide (la care indicele de bazicitate este B = Σ oxizi acizi/ Σ oxizi bazici > 1 având ca principali componenţi SiO2 şi P2O5);

- minereuri bazice (la care B < 1 având ca principali componenţi CaO,


CaCO2, MgO); - minereuri neutre (la care B = 1);

Tabelul 2.6. Răspândirea principalelor elemente în scoarţa terestră

Elementul % Elementul % Si 25 Sn 4⋅10-3 Al 8,6 Pb 1,6⋅10-3 Fe 5 Mo 3⋅10-4 Cu 3,5 W 2⋅10-4 Na 2,5 Be 10-4 Mg 2,6 Ag 10-5 Ti 2 Hg 10-6 Mn 9⋅10-2 Au 10-7 Cu 10-2 Pt 10-7 Ni 8⋅10-2 Ir 10-7 Zn 5⋅10-2

b) după concentraţia metalului în minereu:

- minereuri bogate; - minereuri cu concentraţie medie; - minereuri sărace; În majoritatea cazurilor cantitatea de steril din minereu este foarte mare.

Noţiunea de minereu bogat sau sărac este relativă. Spre exemplu, o concentraţie de 30% în cazul unui minereu de fier este foarte mică, la limita exploatabilităţii şi aceeaşi concentraţie pentru un minereu de cupru sau aluminiu este foarte mare.

c) după numărul de metale conţinute:

- monometalice; - polimetalice. Etapele pe care la parcurge o substanţă (un material) pentru a se

transforma din minereu în material utilizabil în practica industrială sunt prezentate în schema din figura 2.83.

Procesul metalurgic de extragere presupune manevrarea şi încălzirea la temperatura de reacţie a minereurilor şi utilizarea unor substanţe reactive (reducători sau fondanţi). De aceea, este necesară reducerea cantităţii de steril din minereu, vehiculată în procesul de extragere metalurgică, pentru reducerea consumurilor energetice şi de materii auxiliare (implicit şi pentru reducerea cheltuielilor).

În urma acestor operaţii de preparare a minereurilor se obţine minereul îmbogăţit.

Operaţiile de extragere metalurgică pot fi: pirometalurgice (se realizează la temperaturi înalte, cu sau fără topirea încărcăturii, căldura necesară procesului de


extragere se obţine prin arderea unui combustibil sau din reacţiile exoterme care au loc între componentele încărcăturii), hidrometalurgice (se realizează la temperaturi scăzute sau medii, în soluţii apoase, acide sau alcaline, la presiune constantă sau variabilă) şi electrometalurgice care pot fi: electrotermice (utilizează

Fig. 2.83. Schema logică de obţinere a materialelor metalice.

Monocristal are compoziţie chimică şi

structură controlată, fără defecte structurale intercristaline

Metal sau aliaj metalic are compoziţie chimică şi

structură controlată şi structură dirijată

Aliaj metalic are compoziţie chimică

dirijată

Preparare minereu

Aliere

Creştere de monocristale

Minereu brut

Minereu preparat îmbogăţit

Metal brut

Extragere metalurgică

Afinare, rafinare

Metal tehnic pur are compoziţie

chimică controlată

Tratament termic

Construirea riguroasă a

reţelei cristaline

1997

Material metalic perfect are compoziţie chimică şi

structură controlată şi structură perfectă


efectul termic al curentului electric în cuptoare cu arc, cu rezistenţă, cu inducţie) sau electrochimice (utilizează efectul chimic al curentului electric ce conduce la separarea metalului din soluţii apoase sau topituri prin electroliză).

În marea majoritate a cazurilor, aceste metode de extragere metalurgică sunt utilizate combinat în funcţie de natura minereului şi concentraţia acestuia, cu scopul de a se obţine o puritate maximă a metalului extras în condiţii de eficienţă economică (consumuri energetice, materiale şi financiare minime).

Metalul brut obţinut în urma extragerii metalurgice, având o puritate cuprinsă între 90 şi 98% (în funcţie de natura metalului) este supus unor operaţii de afinare şi/sau rafinare, care au scopul de a îndepărta impurităţile, pentru a se obţine puritatea şi proprietăţile dorite.

În urma acestei etape s-a atins primul obiectiv: metalul cu compoziţie controlată.

În practica industrială nu se folosesc metalele pure, deoarece au proprietăţi necorespunzătoare (doar în anumite domenii sunt necesare proprietăţi specifice metalelor pure: electrotehnică, electronică, industria chimică şi alimentară).

Pentru a li se îmbunătăţi proprietăţile, în special mecanice, metalele sunt aliate cu diverse elemente (siliciu, mangan, crom, molibden, nichel, woltfram etc.), obţinându-se aliaje cu anumite proprietăţi net superioare metalului pur. În urma acestei etape se obţine un material cu compoziţie chimică dirijată.

Proprietăţile superioare ale aliajelor metalice se obţin în urma unor procese de tratament termic sau termochimic, care conduc la o anumită structură a aliajului.

S-a atins al doilea obiectiv: materiale cu compoziţie chimică şi structură dirijată, deci cu proprietăţi dirijate.

Creşterea pretenţiilor sociale privind calitatea şi performanţele a impus necesitatea obţinerii unor materiale cu proprietăţi deosebite.

O primă cale de atingere a acestui deziderat a fost combinarea diferitelor materiale, care-şi împrumută unul altuia proprietăţile, care cooperează în preluarea solicitării. Au rezultat materialele compozite şi compuse.

O a doua cale s-a dovedit a fi eliminarea defectelor de structură, deoarece proprietăţile materialelor metalice policristaline, în special cele mecanice, sunt afectate de defectele inter- şi intracristaline. Astfel, s-a calculat că diferenţele dintre rezistenţele mecanice teoretice ale materialului perfect (având ionii pozitivi perfect ordonaţi la infinit în nodurile reţelei cristaline) şi rezistenţele mecanice reale ale aliajelor industriale sunt de 3 - 4 ordine de mărime în defavoarea celor din urmă.

În plus, şi alte priorităţi de natură electronică, magnetică, electrotehnică pot fi îmbunătăţite prin eliminarea defectelor de structură.

Astfel, prin tehnicile de creştere a monocristalelor (ceea ce înseamnă eliminarea defectelor intercristaline) s-au obţinut performanţe deosebite (rezistenţa mecanică a crescut cu peste un ordin de mărime).


S-a atins un alt obiectiv: material cu compoziţie chimică şi structură dirijată, fără defecte intercristaline.

Pasul următor şi obiectivul următor ar putea fi: materialul perfect.

Este obiectivul mileniului III de a pune la punct tehnici de creştere riguroasă a reţelei cristaline, de aşezare perfectă a ionilor sau atomilor în nodurile reţelei cristaline spre a se obţine: materialul cu compoziţie chimică şi structură perfectă.

2.5.2. Prepararea minereurilor

Prepararea minereurilor în vederea reducerii cantităţii de steril constă în operaţii de: sfărâmare; clasare sau sortare; concentrare şi aglomerare.

Sfărâmarea minereului are ca scop separarea prin metode mecanice a utilului de steril spre a face posibilă sortarea. Sfărâmarea se poate face prin presare, despicare, lovire în concasoare cu fălci sau rotative, care realizează o presfărâmare la granulaţii de peste 40-50 mm, concasoare cu valţuri, cu conuri de sfărâmare sau mori cu ciocane, care realizează o sfărâmare intermediară la granulaţie atingând 5 - 10 mm, moară chiliană, mori cu bile sau cu vergele, care realizează o sfărâmare la granulaţii de 3 mm.

În vederea operaţiei de concentrare, minereul sfărâmat este clasat în funcţie de granulaţie, fie volumic, fie gravitaţional. Clasarea volumetrică se realizează cu ajutorul grătarelor şi ciururilor de dimensiuni diferite. Clasarea gravitaţională se face pe principiul vitezei de cădere a particulelor de minereu aflate într-un fluid în mişcare. Viteza de cădere a particulelor depinde de mărimea, forma şi densitatea particulei, de densitatea fluidului, viscozitatea şi viteza sa. Fluidele utilizate în practica metalurgică pentru clasare sunt apa şi aerul.

Concentrarea are ca scop îndepărtarea particulelor de steril şi creşterea concentraţiei metalului în masa de concentrat.

Concentrarea minereului se poate efectua prin următoarele metode: - gravitaţional - în medii având densitatea între cea a utilului şi cea a

sterilului, astfel că sterilul pluteşte şi poate fi uşor îndepărtat; - prin zeţare, care constă în spălarea cu acţiune pulsatorie a unui jet de apă

într-un recipient, din care sterilul care este mai uşor, se evacuează prin preaplin; - prin curgerea pe direcţie transversală a unui fluid pe un plan înclinat

astfel încât particulele grele de util cad la baza planului foarte uşor, iar cele de steril sunt antrenate de apă;

- prin flotaţie, adică introducerea unui minereu într-o suspensie cu substanţe colectoare (substanţe care favorizează aderenţa particulelor de util sau steril la bulele de aer ce se introduc în lichid), spumanţi (substanţe care stabilizează bulele de aer), modificatori (substanţe care imprimă anumite proprietăţi fizico-


chimice suspensiei). Prin suflarea aerului în lichid se formează suspensia care este colectată cu ajutorul substanţelor de mai sus şi astfel se separă utilul de steril.

Minereul îmbogăţit se supune operaţiei de calcinare sau prăjire pentru îndepărtarea apei.

Deoarece granulele mici sau praful nu pot fi introduse în cuptoarele de elaborare (există riscul de înfundare), minereul îmbogăţit este supus operaţiei de aglomerare prin:

- sinterizare - aglomerare prin căldură cu sau fără liant; - peletizare - aglomerare sub forma unor bulgări conţinând minereu,

combustibil şi fondant, prin căldură şi liant; - brichetare - presarea minereului prăfos în formă; - nodulizare - aglomerare de praf la cald în cuptor rotativ.

2.5.3. Bazele teoretice ale extragerii metalurgice

2.5.3.1. Principiul extragerii pirometalurgice

Extragerea pirometalurgică se bazează pe modificarea echilibrului chimic al compusului în care metalul se află în minereu, prin încălzire şi transformarea unuia dintre rezultanţii reacţiei chimice în gaz, care să părăsească sau să fie îndepărtat uşor din zona reacţiei.

Minereul poate fi sub formă de oxizi, carbonaţi, hidroxizi, mai rar sulfuri şi în general poate fi considerat ca un compus de forma (MeRd) în care Me este metalul şi Rd este radicalul de care este legat metalul.

Reacţia de disociere a compusului în urma încălzirii este:

MeRd → Me + Rd . (2.83)

În urma reacţiei, metalul rezultă în stare solidă sau lichidă, iar radicalul în stare gazoasă. Constanta de reacţie este:

MeRdRdMe pppk ⋅= (2.84)

în care pMe este presiunea parţială de echilibru a metalului, pRd este presiunea parţială de echilibru a radicalului şi pMeRd este presiunea de disociere a minereului.

Deoarece metalul şi minereul se află în stare solidă sau lichidă, rezultă că

pMe = 1 şi pMeRd = 1 , (2.85)

astfel că valoarea constantei de reacţie este

k = pRd = f (T) (2.86)

o funcţie de temperatură de forma celei din figura 2.84.


T [ K ]

Cu

Ca, Al, SiFe, Ni, Pb

3975

lg 0,21

lg 2pO

Pentru ca reacţia să se desfăşoare în sensul dorit, acela al obţinerii metalului, este necesar ca produsul gazos să aibă o presiune parţială de echilibru mai mare decât presiunea parţială în mediul de reacţie şi astfel să părăsească locul reacţiei.

Spre exemplu, în cazul oxidului de fier reacţia de disociere este

2 FeO ↔ 2Fe + O2, (2.87)

Fig. 2.84. Dependenţa presiunii de reacţie - temperatură la disocierea oxizilor unor

metale uzuale.

şi pentru ca oxigenul rezultat din reacţie să părăsească locul reacţiei, este necesar ca presiunea parţială de echilibru a oxige-

nului în oxidul de fier să fie mai mare decât presiunea parţială a oxigenului în atmosferă:

a)2(atmosferO2(FeO)O pp > ≈ 0,21. (2.88)

Luând în considerare relaţia funcţională dintre presiunea parţială de echilibru şi temperatură (fig. 2.84) rezultă că, pentru a asigura ireversibilitatea reacţiei de disociere, temperatura de reacţie (de disociere) trebuie să fie de minimum 3 980 K, ceea ce înseamnă un consum energetic foarte ridicat.

Consumurile energetice sunt exagerat de mari şi în cazul celorlalte combinaţii chimice sub care se găsesc metalele. De aceea, nu se recomandă utilizarea reacţiei de disociere pentru extragerea pirometalurgică, ci reacţia de reducere, care necesită un consum energetic mult mai mic

MeRd + Re → Me + ReRd, (2.89)

în care Re este reducătorul. Condiţia necesară, ca un element chimic să fie reducător, este ca presiunea

parţială de echilibru a reducătorului să fie mai mică decât presiunea parţială de echilibru a metalului redus

pRe < pMe. (2.90)

Majoritatea compuşilor metalelor din minereuri sunt oxizi, iar în cazurile carbonaţilor, sulfurilor, hidroxizilor etc., prin prăjire-calcinare se ajunge tot la oxizi.

În figura 2.84 sunt prezentate, în direcţia de reducere metalotermică, câteva elemente chimice utilizate în metalurgie.

În principiu, orice metal poate fi un reducător. Din punctul de vedere al temperaturii de reducere, reducerea metalotermică

poate fi:


- în stare solidă, atunci când

Treducere < Ttopire < Tvolatilizare , (2.91)

în aceste cazuri fiind necesar ca oxizii metalelor ce se extrag să prezinte puritate mare, pentru a se obţine o puritate mare a metalului (exemplu: wolfram, nichel, siliciu);

- în stare lichidă, atunci când

Ttopire < Treducere < Tvolatilizare (2.92)

rezultă metale cu puritate scăzută prin impurificare cu steril, fondanţi, gaze (exemplu: fier, staniu, stibiu);

- în stare de vapori, atunci când

Ttopire < Tvolatilizare < Treducere (2.93)

obţinându-se metale cu grad înalt de puritate (exemplu: plumb, cadmiu). Reducerea oxizilor se poate face cu : - carbon - reducere directă,

MeO + C → Me + CO; (2.94)

- monoxid de carbon - reducere indirectă,

MeO + CO → Me + CO2; (2.95)

- hidrogen - reducere cu hidrogen, MeO + H2 → Me + H2O; (2.96)

- metale - reducere metalotermică,

MeO + Me(Re) → Me + Me(Re)O. (2.97)

În prezent, se utilizează tot mai mult lantanidele ca reducători pentru impurităţi, deoarece au o mare afinitate faţă de oxigen, sulf, aluminiu, plumb, staniu, hidrogen etc. Lantanidele se utilizează ca elemente reducătoare în concentraţie de 0,15 - 0,3%. În plus, în cazul oţelurilor, se obţine şi o îmbunătăţire a unor proprietăţi chimice, mecanice sau tehnologice.

Sterilul din minereu şi cenuşa de ardere a combustibilului se separă de metalul topit introducând în încărcătura cuptorului un fondant, care are rolul de a fixa sterilul şi cenuşa sub formă unui compus complex numit zgură.

Zgura are densitate mai mică decât metalul şi se separă foarte uşor gravitaţional. Dacă produsul de reducere ReRd rezultă în stare solidă sau lichidă, atunci zgura are rolul de a îngloba şi acest compus.

2.5.3.2. Principiul extragerii hidrometalurgice

Extragerea hidrometalurgică se aplică pe scară foarte largă în cazul minereurilor care au un procent mare de steril, dar sunt suficient de bogate în


metalul căutat încât exploatarea să fie eficientă. Astfel 90% din producţia de cupru, 40% din producţia de zinc, 100% din producţia de aluminiu se bazează pe extragerea hidrometalurgică.

Etapele procesului de extragere hidrometalurgică sunt: solubilizarea minereului, purificarea soluţiei, separarea metalului din soluţie.

Solubilizarea minereului se face cu ajutorul unui reactiv adecvat, astfel încât utilul să intre în combinaţie cu reactivul şi să se transforme într-o substanţă solubilă în apă, iar sterilul să fie neutru faţă de reactiv. De exemplu, pentru compuşii de cupru:

44 344 21

apoasa solutie rezulta

2442 OHCuSOSOHCuO +→+ (2.98)

44 344 21

apoasa solutie rezulta

2422 OHCuSOOH2OCuS +→++ (2.99)

sau

4444 34444 21

apoasã solutie rezulta

22232 O1)H(2NaAlO2NaOHOHOAl ++→+⋅ nn . (2.100)

În cazurile în care solubilizarea nu se poate face direct, minereul se prelucrează prin prăjire oxidantă (prăjirea poate fi şi de altă natură, spre exemplu clorurantă) pentru a se obţine un produs solubil sau reutilizabil:

22 2SO2ZnO3O2ZnS +→+ (2.101)

O2H2ZnSOSO2H2ZnO 2442 +→+ . (2.102)

Purificarea soluţiei se poate face prin: decantare, filtrare, precipitare chimică a impurităţilor sau a diverselor componente ale soluţiei (dacă soluţia este multiplă). Astfel, se reţine doar acea parte a soluţiei pure care conţine metalul dorit.

Separarea metalului din soluţie se poate face prin: cementare, hidroliză sau electroliză.

Cementarea presupune formarea în soluţie a unor microelemente galvanice, în care metalul care se extrage joacă rol de sector catodic şi metalul cu care se cementează joacă rol de sector anodic. Astfel, un metal cu potenţial de electrod mai electronegativ poate cementa (scoate) un metal cu un potenţial de electrod mai puţin electronegativ sau electropozitiv:

e2ZnZn 2 −→ + (2.103)

Cu2Cu 2 →++ e (2.104)


++ +→+ 22 ZnCuCuZn . (2.105)

În figura 2.85 sunt prezentate câteva metale uzuale în scara electro-negativităţii.

Pt Au Ag Cu Sn Pb Ni Cr Fe Al Cd Zn Mg

electropozitivitate electronegativitate

Fig. 2.85. Scara electronegativităţii elementelor uzuale în practica industrială.

În practica industrială argintul se cementează cu cuprul sau fierul, cuprul se cementează cu fierul sau zincul etc.

Hidroliza este reacţia inversă solubilizării compusului din minereu şi se execută în anumite condiţii de presiune şi temperatură. Prin hidroliză se separă din soluţie compusul chimic al metalului, spre exemplu:

NaOHAl(OH)O2HNaAlO 322 +→+ . (2.106)

Calcinarea în continuare a hidroxidului de aluminiu va avea ca rezultat alumina (Al2O3) fără apă de cristalizare, din care se extrage apoi aluminiul prin electroliză din topitură.

2.5.3.3. Principiul extragerii electrometalurgice

Extragerea electrometalurgică are două variante: electrometalurgia termică şi metalurgia electrolitică.

Electrometalurgia termică utilizează efectul caloric al curentului electric (prin rezistenţă, arc electric sau inducţie) în procesele pirometalurgice. În cazul proceselor electrometalurgice, carbonul sau hidrocarburile (dacă se utilizează) joacă rolul doar de reducători, sursa termică fiind curentul electric şi reacţiile exotermice de reducere.

Metalurgia electrolitică foloseşte electroliza pentru separarea metalului din soluţii apoase sau topituri ale unor compuşi ai metalului.

Electroliza se realizează, în cazul extragerii electrometalurgice, cu anod insolubil, ionii pozitivi ai metalului aflaţi în soluţie sau topitură depunându-se la catod.

Prin extragerea electrometalurgică se obţin metale cu puritate ridicată. Se aplică minereurilor foarte sărace.

2.5.4. Purificarea metalului brut

În urma extragerii metalurgice se obţine metalul brut a cărui puritate variază de la un metal la altul, de la 92-94% până la 98-99%, ceea ce este


nesatisfăcător pentru practica industrială. În funcţie de factorii care concură la purificarea metalului, de puritatea obţinută şi de natura metalului supus purificării operaţia se numeşte afinare sau rafinare.

O clasificare sintetică a operaţiilor de afinare este prezentată în figura 2.86.

P

R

OC

E

DEE

DE

A

F

IN

AR

E

termică

electrolitică

- mecanică

- cu schimbarede stare

-în starelichidă

-în staresolidă

- oxidarea selectivă- clorurarea selectivă- sulfurarea selectivă- absorbţia în zgură(zgură bazică → S; acidă→ FeO,MnO)

(Cu prin reducere cu H din CuO)2

- decantarea (curăţirea de oxizi şi silicaţi)- fluxarea (flux care preia impurităţi)- filtrarea (Hg)- barbotarea (gaz care preia impurităţi)

- S → → L S când Qtop.I

Qtop.Me

≠

- topirea zonară- topirea în vid- S → → V S

cu reducere

fărăreducere

Fig. 2.86. Clasificarea procedeelor de afinare:

S - starea solidă; L - starea lichidă; V - starea de vapori.

Afinarea - rafinarea se face termic sau electrolitic, cu sau fără reducere, mecanic sau cu schimbare de stare, în stare lichidă sau în stare solidă.

Metodele de afinare mecanice fără reducere sunt decantarea, fluxarea, filtrarea, barbotarea. Decantarea se bazează pe diferenţa de greutate specifică dintre impurităţi şi metal. Se poate aplica în cazul în care impurităţile sunt insolubile în metalul supus afinării, mai ales în cazul în care impurităţile sunt în stare solidă.

Fluxarea este o metodă de afinare care constă în introducerea unor fondanţi (flux) în baia metalică cu scopul de a zgurifica impurităţile. Procedeul se aplică în metalurgia magneziului, unde zgura obţinută joacă şi rol de factor împotriva oxidării băii de metal şi împiedică şi evaporarea magneziului.

Filtrarea se aplică în special în cazul Hg, pentru îndepărtarea impurităţilor care la temperatura naturală se află în stare solidă.

Barbotarea se aplică, în general, aliajelor uşoare, unde separarea gravitaţională a zgurii este dificilă. Spre exemplu, în cazul aluminiului se


barbotează baia de aluminiu cu azot suflat la partea inferioară, astfel încât să fie mai uşor antrenate impurităţile la suprafaţă.

Metodele de afinare cu schimbare de stare fără reducere se bazează pe diferenţele care există între temperaturile de topire ale impurităţilor şi metalelor afinate.

Dacă impurităţile şi metalul sunt nemiscibile şi Ttopire impurităţi > Ttopire metal, atunci separarea metalului de impurităţi prin licuaţie se realizează prin îndepărtarea impurităţilor solide (de exemplu: impurităţile de cupru în plumb).

Dacă impurităţile şi metalul sunt nemiscibile şi Ttopire impurităţi < Ttopire metal, atunci separarea metalului de impurităţi se realizează prin cristalizare fracţionată în lichidul rezidual la răcire.

Dacă impurităţile şi metalul formează soluţii în stare lichidă, atunci se aplică topirea zonară.

Schema de principiu a afinării prin topire zonară este prezentată în figura 2.87.

F.S. F.T. 1 2

Apa

Apav

3

MF

Fig. 2.87. Schema de principiu a afinării prin topire zonară:

1 - lingou supus afinării; 2 - creuzet; 3 - inductor din ţeavă de Cu răcit cu apă; M.F. - medie frecvenţă; F.S. - front de solidificare; F.T. - front de topire.

Lingoul de metal 1 este amplasat într-un creuzet 2 de-a lungul căruia se poate deplasa un inductor construit din ţeavă de cupru, puternic răcit cu apă. Datorită efectului Joule, al curenţilor induşi, metalul se încălzeşte formându-se o zonă de topitură care se deplasează, cu viteză foarte mică v, odată cu inductorul. Impurităţile existente pot genera cu metalul de bază, în funcţie de natura lor, aliaje caracterizate de diagrame de echilibru de forma celor din figura 2.88 (au fost luate în considerare doar zonele de procente mici ale impurităţilor din diagramele de echilibru).

Dacă diagrama metal − impurităţi este de forma celei din figura 2.88. a, conform regulei orizontalei, cristalele separate pe frontul de solidificare au concentraţie de impurităţi mai mică decât media aliajului (CS < X) şi lichidul rămas


în zona topită se îmbogăţeşte în impurităţi. Se observă o tendinţă de deplasare a impurităţilor către capătul din dreapta al lingoului o dată cu zona topită, adică cu inductorul.

C

I%Me100 % %IXS CL

I%Me100 % %IX

CLCS

a b

Fig. 2.88. Diagrama de echilibru metal (Me) - impurităţi I: CS - concentraţia în impuritate a frontului de solidificare, CL - concentraţia în impurităţi a

lichidului metalic.

Dacă diagrama metal − impurităţi este de forma celei din figura 2.88. b, conform regulei orizontalei, cristalele separate pe frontul de solidificare au o concentraţie de impurităţi mai mare decât media aliajului (CS > X) şi lichidul rămas în zona topită sărăceşte în impurităţi. Se observă o tendinţă de deplasare a impurităţilor către capătul din stânga al lingoului.

Prin treceri succesive, în acelaşi sens, ale inductorului de la un capăt la altul al lingoului se ajunge la purificarea zonei centrale a lingoului şi împingerea impurităţilor către capete, care se îndepărtează prin tăiere.

Afinarea fără reducere, cu schimbare de stare de tip solid-vapori-solid se aplică metalelor care sublimează sau au temperatură de vaporizare scăzută (magneziu). Eliminarea impurităţilor se realizează prin distilare fracţionată, favorizată de diferenţa dintre tensiunea de vapori a metalului şi a impurităţilor.

Afinarea prin oxidare selectivă (în cazul oţelului), prin clorurare selectivă (în cazul titanului), prin sulfurare selectivă (în cazul cuprului) se bazează pe afinitatea diferită a elementelor chimice fată de oxigen, clor sau sulf şi posibilitatea formării, în mod preferenţial, a unor compuşi ai acestora care pot fi uşor separaţi de restul băii lichide.

Rafinarea electrolitică se bazează pe procesul de dizolvare anodică şi depunere catodică ce are loc la electroliză. Se pot obţine purităţi foarte mari, de peste 99,99%.

2.5.5. Obţinerea monocristalelor

Metodele de obţinere a monocristalelor sunt următoarele: - creşterea monocristalelor în stare solidă prin recristalizare,


- creşterea monocristalelor din topitură, - creşterea monocristalelor din stare de vapori, - creşterea monocristalelor din soluţie. Creşterea monocristalelor în stare solidă prin recristalizare se execută prin

încălzirea substanţei până la o temperatură TT inferioară temperaturii de topire Ttop (TT ≈ 0,8 Ttop) şi în răcirea lentă (grade/oră) cu un anumit gradient de temperatură. Este necesar un material policristalin de mare puritate, consumul energetic este mare, iar productivitatea este mică. În plus, există multiple posibilităţi de recristalizare policristalină, deoarece este foarte greu de controlat gradientul de temperatură.

2

1

345

1

2

345

a b

Gaze deardere

1

2

6

7

8

6

C H2 2+O2 C H2 2

+O2

7

9

10

c d

Fig. 2.89. Metodele de obţinere a monocristalelor: a - metoda Czochralsky; b - metoda Bridgman; c - depunerea din pulberi topite, d - metoda Pfann;

1 – portamorsă; 2 - amorsă de cristalizare; 3 – topitură; 4 – creuzet; 5 - sistem de încălzire a topiturii; 6 - arzătoare cu flacără; 7 - incintă de creştere a monocristalului; 8 - buncăr cu pulbere;

9 – inductor; 10 - monocristal.


Creşterea monocristalelor din topitură este cea mai răspândită metodă de creştere a monocristalelor şi prezintă mai multe variante.

Metoda Czochralski sau Kyropoulos (figura 2.89. a) presupune existenţa unei amorse de cristalizare 2 aflată în contact cu topitura 3 la momentul iniţial. În momentul iniţializării cristalizării, amorsa se îndepărtează de suprafaţa topiturii prin rototranslaţie şi creşterea monocristalului se face dintr-un menisc de topitură format între amorsă şi suprafaţa liberă a topiturii. Se aplică, în special, pentru creşterea monocristalelor din Ge şi Si.

Metoda Bridgman (fig.2.89. b) este asemănătoare, având deosebirea că deplasarea de creştere (de tragere) este executată de către creuzetul 4, în care se află topitura 3. Prin această metodă se obţin monocristale din aur, cadmiu, materiale semiconductoare etc.

Schema de principiu a metodei de obţinere a monocristalelor din pulberi este prezentată în figura 2.89. c. Căldura necesară topirii pulberii care curge din buncărul 8, este furnizată de flăcările oxiacetilenice obţinute cu arzătoarele 6, dispuse concentric faţă de axa incintei de cristalizare 7. Picăturile astfel obţinute se depun pe amorsa de cristalizare. Pentru a asigura o constanţă a gradientului de temperatură este necesară menţinerea în aceeaşi poziţie a frontului de cristalizare şi, de aceea, pe măsura creşterii cristalului portamorsa se retrage printr-o rototranslaţie.

Schema de principiu a obţinerii monocristalelor prin topire zonară (metoda Pfann) este prezentată în figura 2.89. d. Topirea zonară se poate face pe orizontală sau verticală. Deplasarea inductorului 9 trebuie să se facă foarte încet (cm/oră) utilizându-se ecrane termice, care să asigure constanţa gradientului de temperatură.

Creşterea din starea de vapori presupune volatilizarea unui material foarte pur, care apoi se condensează pe un suport. Prin această metodă se pot obţine monocristale de dimensiuni mici dacă sunt îndeplinite următoarele condiţii:

- constanţa gradientului termic; - reţeaua cristalină a suportului să fie de aceeaşi formă cu reţeaua cristalină

ce se va obţine; - parametrul reţelei cristaline a substratului să nu difere cu mai mult de

15% de parametrul reţelei cristaline ce se va forma. Schema de principiu a creşterii monocristalelor din soluţie este prezentată

în figura 2.90. Metoda se bazează pe apariţia germenilor de cristalizare şi cristalizarea unei substanţe aflată într-o soluţie suprasaturată (domeniu de instabilitate) dacă se modifică unul dintre parametrii de stare.

În cazul prezentat în figura 2.90 parametrul de stare care se modifică este temperatura T1 (temperatura din incinta de regenerare a soluţiei 9) > T2 (temperatura din incinta de cristalizare 5).

Soluţia suprasaturată regenerată este circulată cu ajutorul pompei 11. În incinta de cristalizare, modificându-se temperatura soluţiei se crează condiţiile de


cristalizare pe amorsa de cristalizare 2, care este extrasă din soluţie pe măsura creşterii cristalului prin rototranslaţia portamorsei 1. După epuizare, soluţia devenită nesaturată, ajunge prin circulaţie în incinta de regenerare, care se face pe seama substanţei depuse în coşul 8. Această metodă este foarte puţin productivă, viteza de creştere a monocristalelor fiind aproximativ de 1 mm/oră.

11

10

98

7

1234

5

6

Fig. 2.90. Schema de principiu a creşterii monocristalelor din soluţie:

1 – portamorsă; 2 - amorsă de cristalizare; 3 – monocristal; 4 – capac; 5 - incintă de cristalizare; 6 - soluţie suprasaturată; 7 – capac; 8 - coş conţinînd substanţa de regenerare a soluţiei; 9 - incintă de

regenerare a soluţiei; 10 - soluţie regenerată; 11 - pompă.

Metodele de creştere a cristalelor prezentate mai sus permit obţinerea unor monocristale având o formă determinată doar de condiţiile de rototranslatare şi de gradientul termic. Pentru a se obţine piese, aceste monocristale trebuie prelucrate, astfel încât se pierde o cantitate mare de material, iar eficienţa economică scade mult. De aceea, a apărut ideea creşterii monocristalelor profilate cu ajutorul generatoarelor de formă. Monocristalele profilate se obţin din topitură. Câteva scheme de principiu sunt prezentate în figura 2.91.

Generatoarele de formă pot fi : - cilidrice sau de tip bară profilată, care permit obţinerea unor monocristale

profilate de tip bară cu secţiune plină (fig. 2.91. a); - tubulare, care permit obţinerea unor monocristale profilate tubulare având

secţiune asemănătoare sau diferită la interior sau exterior (fig. 2.91. b); - filiforme, care permit obţinerea unor monocristale profilate de tip placă

prin deplasarea verticală a generatoarelor filiforme (fig. 2.91. c); - plăci, care permit obţinerea monocristalelor de tip placă (fig. 2.91. d); - discuri cu orificii capilare, utilizate pentru obţinerea monocristalelor

filiforme (fig. 2.91. e); - tuburi capilare, cu ajutorul cărora se obţin monocristale filiforme

(fig.2.91. f).


5

6

7

2

3

4

1

1

2

3

4

5

6

7

a b

2

8

5

6

23

10

6

1

c d

1

23

4 (11)

56

7

12

3

59 (13)

6

7

8 (12)

e f

Fig. 2.91. Obţinerea monocristalelor profilate: a - obţinerea monocristalelor cilindrice; b - obţinerea monocristalelor tubulare; c - obţinerea

monocristalelor plane cu două fire; d - obţinerea monocristalelor plane cu două plăci generatoare; e - obţinerea filamentelor monocristaline cu placă plutitoare; f - obţinerea filamentelor monocristaline

cu tub capilar; 1 - amorsă de cristalizare; 2 - monocristal; 3 - menisc; 4 - generator de formă; 5 - creuzet; 6 - topitură; 7 - sistem de încălzire; 8 - fire generatoare de formă; 9 - generator de formă tubular; 10 - plăci generatoare de formă; 11 - placă plutitoare cu orificiu de generare; 12 - tub capilar

generator; 13 - placă de închidere.

Materiale – clasificare, proprietăţi, utilizare 175

Stabilitatea procesului de creştere a monocristalelor este generată de bilanţul termic la interfaţa de solidificare şi este dat de ecuaţia

t

Q

t

Q

t

QrLtop

∆+

∆=

∆ , (2.107)

în care Qtop este cantitatea de căldură transferată prin conducţie de la topitură către interfaţa de creştere a monocristalului; Qr - căldura latentă de topire; QL - căldura transferată prin conducţie înspre partea cristalizată.

Se face precizarea că, această ecuaţie reprezintă bilanţul termic al frontului de solidificare şi că, la rândul lor, Qtop şi Qr depind de caracteristicile termofizice ale materialului lichid şi ale monocristalului solid, dar şi de cantitatea de căldură introdusă în sistem de către instalaţie, de pierderile de căldură în incinta de cristalizare, de ecranările care se fac în incinta de cristalizare pentru a se asigura constanţa gradientului termic necesar pentru obţinerea monocristalului. Toate acestea diferă de la o instalaţie la alta, în funcţie de metoda de creştere şi de construcţia efectivă a instalaţiei.

Dacă se consideră condiţiile de incintă de creştere a monocristalului impuse, deci sursa termică şi pierderile în mediu ca fiind constante, atunci din relaţia (2.107) se pot trage concluzii interesante privind stabilitatea creşterii monocristalului.

Considerând că, în intervalul de timp ∆t monocristalul a crescut cu o lungime x (fig.2.92), căldura latentă de topire-solidificare cedată în acest interval de timp este

LxRQ cL ⋅ρ⋅⋅⋅π= 2 , (2.108)

în care Rc este raza monocristalului; ρ - densitatea materialului monocristalului; L - căldura latentă specifică de topire - solidificare.

Căldura cedată în unitatea de timp va fi

crccL LQR

t

LxR

t

QV2

2

⋅⋅⋅⋅π=∆

⋅ρ⋅⋅π=

∆, (2.109)

în care Vcr = x/∆t este viteza de creştere a monocristalului. Pentru a asigura o creştere staţionară este necesar ca viteza de tragere Vt a

monocristalului să fie egală cu viteza de creştere a monocristalului

Vt = Vcr. (2.110)

Cantitatea de căldură eliminată prin interfaţă în solid, în cazul barelor este

42 TRQ cr ⋅ε⋅σ⋅π= , (2.111)

în care σ este constanta lui Stefan Boltzman )KmW1077,5( 428 −−− ⋅⋅⋅=σ ; ε -


emisivitatea termică a interfeţei; T - temperatura interfeţei. Cantitatea de căldură transferată prin conducţie de la topitură la interfaţă se

exprimă astfel:

S

TKRQ tctop

∆⋅⋅π= 2 , (2.112)

în care Kt este conductivitatea termică a lichidului în imersie; ∆T - diferenţa de temperatură dintre suprafaţa superioară a generatorului de formă şi interfaţă şi S înălţimea meniscului.

Având în vedere relaţiile (2.107), (2.109), (2.111) şi (2.112) rezultă:

S

TKTL tcr

∆⋅−⋅σ⋅ε=⋅ρ⋅ 4V (2.113)

sau

SL

TK

L

T tcr

⋅

∆⋅

ρ−⋅

ρ

ε⋅σ=

4

V . (2.114)

Analizând relaţia (2.114) se observă că principalii factori care influenţează viteza de creştere a monocristalului sunt înălţimea meniscului S şi gradientul de temperatură ∆T, deoarece toţi ceilalţi termeni sunt constante termofizice; ∆T depinde de condiţiile de ecranare termică şi de înălţimea meniscului (dacă S este mic în raport cu Rc, atunci pierderile de căldură prin suprafaţa laterală a meniscului se pot neglija; dimpotrivă, dacă monocristalul este filiform şi S este mare în raport cu Rc, atunci pierderile prin suprafaţa laterală a meniscului devin importante).

Cele trei cazuri în care se discută stabilitatea procesului de creştere a monocristalului sunt:

- când fluxul termic în menisc este nul (∆T = 0), viteza de creştere stabilă a monocristalului este

L

Tcr

4

V ⋅ρ

ε⋅σ= ; (2.115)

de exemplu, creşterea unui monocristal din safir se face cu viteza Vcr = 0,04 cm/s. - când fluxul termic este pozitiv (∆T > 0), viteza de creştere a

monocristalului este autostabilizată; dacă viteza de tragere Vt creşte (este vorba de variaţii mici şi foarte mici datorate imperfecţiunilor sistemului de tragere), va creşte lungimea meniscului S şi viteza de creştere a monocristalului Vcr se va mări, ceea ce va conduce la revenirea lui S la valoarea de stabilitate; dacă viteza de tragere Vt va fi mai mică, va scade lungimea meniscului S şi viteza de creştere a monocristalului va fi mai mică, ceea ce va conduce la revenirea lui S la valoarea de stabilitate.

- când gradientul de temperatură este negativ (∆T < 0), viteza de creştere a monocristalului creşte, dar apare pericolul creşterii dendritice sau celulare; în plus,


procesul de creştere este instabil, deoarece orice creştere a înălţimii meniscului S conduce la scăderea lui Qtop / T∆ şi viteza de creştere va scădea corespunzător, ceea ce conduce la creşterea înălţimii meniscului şi la posibilitatea ruperii sale.

X

S

RcVcr

Dacă pierderile de căldură prin suprafaţa laterală a meniscului nu pot fi neglijate (este cazul monocristalelor având raza Rc < 0,4 cm), atunci stabilitatea procesului este condiţionată de raportul S/Rm, în care Rm

este raza meniscului (fig.2.92). Când S/Rm < 1, creşterea înălţimii meniscului S atrage după sine scăderea razei monocristalului Rc şi în acelaşi timp o creştere a pierderilor prin radiaţie pe suprafaţa laterală a meniscului, care nu mai poate fi neglijată în raport cu pierderile prin conducţie în monocristal. Rezultă că viteza de creştere a monocristalului va creşte în raport cu viteza de

Fig. 2.92. Determinarea vitezei de creştere Vcr a monocristalelor.

tragere Vt şi va determina reducerea lui S. Când S/Rm >1, orice creştere a lui S conduce la creşterea razei monocristalului şi la scăderea

vitezei de creştere în raport cu viteza de tragere şi fenomenul devine instabil. Din cele arătate mai sus rezultă că fenomenul de autostabilizare a creşterii

monocristalului apare doar la cristale cu raza Rc relativ mică (Rc < 0,4 cm). În cazul monocristalelor mari procesul este stabil numai dacă Qtop > 0,

adică fluxul de căldură este îndreptat către interfaţa de creştere. Viteza maximă ce se poate obţine este aceea dată de relaţia (2.111) şi pentru safir, de exemplu, Vmax = = 2,4 cm/min.

În procesul de creştere a monocristalelor este practic imposibil să se menţină constante condiţiile de gradient termic. Temperatura generatoarelor de formă nu este constantă nici pe toată secţiunea şi nici în timp (este adevărat că variaţiile sunt foarte mici, grade sau zeci de grade, dar sunt). Din această cauză, monocristalele nu au geometrie perfectă, ci prezintă o oarecare variaţie a razei monocristalului.

Materialele cu cea mai largă utilizare în tehnică sunt însă materialele policristaline, de aceea în continuare se va face o abordare succintă a elaborării acestora.

2.5.6. Elaborarea primară a fontei

Principalele aliaje ale fierului utilizate în practica industrială sunt fontele [Fe+(2,11...6,67)%C], oţelurile [Fe +(0...2,11)%C] şi feroaliajele [ferosiliciu


(Fe+Si), feromangan (Fe+Mn), ferocrom (Fe+Cr) etc]. Fontele sunt aliaje ale fierului cu carbonul în proporţie de 2,11% până la

6,67%C - uzual până la 4,5%C şi mai multe elemente însoţitoare, care provin din minereuri şi din substanţele utilizate în procesul de elaborare (Mn, Si, P, S). De asemenea, în unele fonte se introduc elemente de aliere cu scopul de a îmbunătăţi anumite proprietăţi (Si, Cr, Ni, V, Cu etc.).

Minereurile de fier utilizate pentru obţinerea fontei sunt următoarele: - minereurile sideritice (pe bază de siderită - FeCO3), care au un conţinut

de 30 ... 40% Fe; prin îmbogăţire se ajunge la 50 ... 60% Fe; - minereurile limonitice (pe bază de limonită - 2Fe2O3⋅3H2O) având un

conţinut de fier cuprins între 35 şi 55%; - minereurile hematitice (pe bază de hematită - Fe2O3) având un conţinut

de fier cuprins între 35 şi 40% în cazul minereurilor sărace şi peste 55% Fe în cazul minereurilor bogate;

- minereurile magnetitice (pe bază de magnetită - Fe3O4), cu un mare conţinut de metal - peste 55% Fe;

În afara utilului minereurile de fier conţin o cantitate mare de steril, care în procesul metalurgic trebuie îndepărtată. În tabelul 2.7 sunt prezentate spre comparaţie compoziţiile chimice (în medie) ale minereulului de fier, fontei şi oţelului.

Tabelul 2.7. Conţinutul de elemente chimice în minereu, fontă şi oţeluri

Conţinutul de elemente [%] Minereu Fontă Oţel Fe 35-60 (Fe2O3) (FeCO3) 93 98,5 C 0,2-2 (CaCO3) (MgCO3) 3 - 4 0,05 - 1,4 Si 10-20 (SiO2) 0,1 - 3 0 - 0,3

Elemente Mn 0,5-1,4 (MnO) 0,5 0,3 - 0,8 P 0,1-0,2 (P2O5) 0,1 - 2 0 - 0,5

chimice S 0,1-2 (FeS) 0,5 - 0,05 0 - 0,04 Al 7-10 Al2O3 - - Mg 0,2-2 MgO - - Ca 5-15 (CaCO2) (CaO) - - H2O 7-10 - - Altele restul - -

Procesul de extragere metalurgică a fierului şi de elaborare a fontei şi oţelului trebuie să permită eliminarea impurităţilor conţinute în minereu.

Cea mai mare cantitate de fontă se produce în furnal. O foarte mică parte (sub 10% din producţia mondială totală) se produce în cuptoare electrice.

Furnalul este un cuptor vertical (fig.2.93), de formă bitronconică, ce funcţionează continuu pe principiul contracurentului: există un curent descedent al încărcăturii furnalului şi un curent ascendent de gaze, curenţi care permit transferul de căldură în cuptor şi desfăşurarea reacţiilor de reducere a minereului de


fier. Profilul interior al furnalului cuprinde următoarele părţi principale:

1 - sistemul de încărcare - închidere la partea superioară, 2 - sistemul de evacuare a gazelor de furnal, 3 - cuva furnalului, 4 - pântecele furnalului, 5 - etalajul, 7 - creuzetul. La partea superioară a creuzetului sunt prevăzute gurile de vânt 6, prin care se suflă în furnal aer supraîncălzit în regeneratoare de tip Cowper (1 173 – 1 273K). Creuzetul este prevăzut cu o gură de evacuare a zgurii 8 şi o alta de evacuare a fontei 9. Sistemul de încărcare-închidere a furnalului este construit cu dublu con, pe principiul anticamerei, în aşa fel încât încărcarea este posibilă fără ca furnalul să se deschidă în atmosferă. Conurile cu care este prevăzut sistemul permit dispunerea uniformă a încărcăturii pe toată secţiunea furnalului.

Încărcătura furnalului este formată din straturi succesive de: - cocs, care joacă rol atât de combustibil, cât şi de reducător; - fondanţi, care au rolul de a fixa produsele reacţiilor de reducere, şi sterilul

sub formă de zgură; fondanţii pot fi acizi (pe bază de siliciu), bazici (pe bază de calciu, magneziu), amfoteri (pe bază de aluminiu) şi neutri;

- minereu de fier. Reducerea minereului se poate face direct, cu C, dar în cea mai mare

proporţie indirect, cu CO, după reacţiile:

3 Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 (2.116)

2 Fe2O3 + 2CO → 6FeO + 2 CO2 (2.117)

6 FeO + 3C → 6Fe + 3 CO2 (2.118)

3 Fe + C → Fe3C . (2.119)

Reacţiile chimice de reducere, ordinea şi zona de desfăşurare sunt arătate în schema de principiu a furnalului din figura 2.93.

Concomitent cu aceste reacţii de reducere a fierului au loc şi reacţii de reducere ale siliciului, manganului, fosforului şi sulfului.

Siliciul este introdus în furnal sub formă de dioxid de siliciu (SiO2) sau diverşi silicaţi. Reacţia globală de reducere a siliciului în prezenţa fierului este:

2COSi)(FeFe2CSiO 2 ++→++ (2.120)

în urma căreia rezultă ferosiliciu care se dizolvă în fontă. Reducerea siliciului are loc la temperaturi înalte, în zona pântecelui şi etalajului.

Manganul este introdus în încărcătură sub formă de dioxid de mangan (MnO2), care se reduce indirect la temperaturi joase în cuvă, rezultând monoxidul de mangan (MnO), care se reduce direct la temperaturi mai înalte în etalaj şi creuzet:

6 MnO2 + 3CO → 3 Mn2O3 + 3 CO2 , (2.121)


8 Aer cald

ZgurăFeS+CaO+C == CaS+Fe+CO

Fontă

Aer cald

4

5

6

10

7

9

Cocs+Fondant+Minereu

Gaze defurnal

2

3

1

N2

CO +C CO2

C + O CO

CO + C CO2

CaCO CaO + CO3 2

Fe O +CO 2 3 Fe O +CO3 4 2

Fe O + CO3 4 FeO + CO2

CO + C CO2

CO+FeO Fe+CO2

Fe + C Fe C3

+ Q

+Q2 2 1

22

2

2

COCO2

încărcătura

Fig. 2.93. Schema de principiu a furnalului:

1 - sistem de încărcare a furnalului; 2 - sistem de evacuare a gazelor de furnal; 3 - cuvă; 4 - pântece; 5 - etalaj; 6 - guri de vânt; 7 - creuzet; 8 - gură de evacuare a zgurei;

9 - gură de evacuare a fontei; 10 - vatră.


3 Mn2O3 + CO → 2 Mn3O4 + CO2 , (2.122)

2 Mn3O4 + 2 CO → 6 MnO + 2 CO2 , (2.123)

6 MnO + 6 C → 6 Mn + 6 CO . (2.124)

Fosforul este introdus în încărcătură sub formă de oxizi, fosfaţi sau fosfuri, care se descompun în prezenţa SiO2, iar reducerea oxidului de fosfor se face în etapele:

CaCO3 + P2O5 → 2(CaO)3⋅ 2P2O5 + CO2 , (2.125)

2(CaO)3⋅P2O5 + 3 SiO2 → 3(CaO)2⋅ SiO2 +2P2O5 , (2.126)

252 5CO4P5CO2P +→+ . (2.127)

Reacţia are loc la temperaturi scăzute în cuvă. Sulful este introdus în încărcătură sub formă de sulfuri existente în minereu sau în cocs. O parte foarte mică trece în fontă sub formă de sulfură de fier, aproximativ 10-15% se volatilizează şi este eliminat cu gazele de furnal, cea mai mare parte trecând în zgură:

FeS + CaO → CaS + FeO. (2.128)

Procesul de formare a fontei cuprinde următoarele etape: - formarea buretelui de fier (reacţia are loc la 1 273K), în urma ecuaţiei de

reducere directă (2.115); - carburarea fierului, în urma căreia fierul dizolvă o cantitate maximă de

carbon (1,9%) şi se formează cementita (Fe3C); prin carburare temperatura de topire a fierului scade la 1 423 − 1 473K;

- dizolvarea în picăturile de fier carburat a celorlalte elemente rezultate din reducerea directă (mangan, siliciu, sulf, fosfor);

- arderea unei părţi din carbonul conţinut în picăturile de fier carburat la trecerea prin zona de ardere de la baza etalajului;

- eliminarea sulfului în zgură la trecerea picăturilor prin stratul de zgură ce se acumulează la partea superioară a creuzetului.

În urma procesului metalurgic din furnal se obţin: fontă de primă fuziune, zgură şi gaze de furnal.

Din punctul de vedere al compoziţiei chimice şi structurii, fonta de primă fuziune poate fi:

- fontă brută pentru turnătorie (cenuşie sau silicioasă), care, structural, este formată dintr-o masă metalică de bază (hipoeutectică sau hipereutectică) şi grafit lamelar. Separarea grafitului de cementită este favorizată de conţinutul relativ mare de siliciu, aproximativ 2 − 3%. Datorită conţinutului mare de impurităţi are caracteristici mecanice reduse şi se utilizează sub formă de lingouri pentru obţinerea fontelor turnate în piese (de a doua fuziune) şi pentru turnarea unor piese


masive, de dimensiuni mari, nepretenţioase. - fonta brută pentru afinare numită fontă albă sau manganoasă, care

structural este formată numai dintr-o masă metalică (hipoeutectică, în general, întreaga cantitate de carbon fiind conţinută sub formă de perlită sau cementită). Conţinutul mare de 1...3% mangan împiedică separarea carbonului din cementită. Se utilizează pentru elaborarea oţelurilor.

- fonta brută specială, cenuşie sau albă, are un procent ridicat de elemente de aliere. Fonta cu 5...15% Si se numeşte fontă silicioasă, fonta cu procentaj ridicat de siliciu şi mangan se numeşte silicomanganoasă. Din unele calităţi de fontă brută specială se toarnă cilindri de laminor şi unele batiuri de maşini şi utilaje.

Dacă aliajul rezultat din furnal are mai mult de 25% mangan sau siliciu, atunci se numeşte feroaliaj (ferosiliciu, feromangan) şi serveşte la elaborarea oţelurilor aliate sau ca dezoxidant.

Zgura, care rezultă din furnal, este un amestec de oxizi de siliciu, calciu, mangan, magneziu, fier, aluminiu, sulfuri de calciu etc. Se utilizează pentru pavarea drumurilor, pentru terasamente, pentru fabricarea varului şi a cimentului de zgură şi sub formă de zgură expandată la izolări termice, fonice, blocuri pentru construcţii, cărămizi etc.

Capacitatea unui furnal se exprimă în metri cubi volum util. Prin volum util se înţelege volumul folosit pentru desfăşurarea proceselor de producere a fontei şi pentru colectarea produselor lichide rezultate. Uzual, capacitatea furnalelor clasice variază între 1 700 m3 şi 4 100 m3 şi realizează o producţie cuprinsă între 4 000 şi 10 000 t/zi. Există şi furnale de 6 000 m3 a căror producţie depăşeşte 15 000 t/zi. Principalul dezavantaj al furnalului este utilizarea cocsului atât în calitate de combustibil, cât şi în calitate de reducător. Acest dezavantaj este eliminat în cazul furnalului electric.

5

4

1

32



Fig. 2.94. Schema de principiu a furnalului cu cuvă scundă:

1 - manta; 2 - căptuşeală refractară; 3 - baia de metal; 4 - capac; 5 - electrozi.

Furnalele electrice pentru obţinerea fontei pot fi cu cuvă înaltă sau cu cuvă redusă. În ultima vreme se utilizează tot mai mult furnalul cu cuvă redusă


(fig.2.94), deoarece poate utiliza cărbuni ieftini sau cocs slab, spre deosebire de furnalul electric cu cuvă înaltă unde este necesar mangal sau mangal şi cocs.

În furnalul electric nu se introduce aer ca la furnalul înalt, reacţiile de reducere directă (80% din cantitatea de oxizi) şi de reducere indirectă (20% din cantitatea de oxizi) generând destul de puţin gaz de cuptor.

Prin elaborarea în furnalul electric se obţin în special fonte pentru turnătorie şi pentru afinare.

2.5.7. Elaborarea feroaliajelor

Feroaliajele sunt aliaje ale fierului cu unul sau mai multe elemente în proporţie de peste 10 ... 12% (se poate ajunge până la 90%).

Cele mai utilizate feroaliaje sunt ferosiliciul, feromanganul, ferosilico-manganul, ferocromul, a căror compoziţie este prezentată în tabelul 2.8, dar se utilizează şi altele ca ferowolframul, feronichelul, feroniobiul etc.

În funcţie de conţinutul de carbon, feroaliajele pot fi carburate (1...8%C), afinate (conţin sub 1%C) şi fără carbon.

Feroaliajele pot fi utilizate pentru dezoxidarea şi corecţia compoziţiei chimice (ferosiliciu, feromangan), pentru alierea oţelurilor în scopul îmbunătăţirii proprietăţilor (ferocrom, feronichel, feromolibden, ferowolfram, feroniobiu, ferofosfor), pentru a forma compuşi cu azotul sau sulful cu scopul de a creşte puritatea oţelurilor şi care pot fi şi dezoxidanţi puternici (ferovanadiu, ferotitan, ferozirconiu, ferobor, ferotelur, feroberiliu, feroaliaje ale pământurilor rare).

Tabelul 2.8. Compoziţia chimică a feroaliajelor uzuale

Denumirea Marca Compoziţia chimică (%) C Mn Si P S Alte elemente

Fero- siliciu

FeSi FeSi2-3 FeSi4

- - -

0,5 0,7 1,0

84...94 72...78 40...47

0,04 0,05 0,05

0,04 0,04 0,04

2,5 Al 2...3 Al

2 Al Fero-

mangan FeMn1-4 FeMn5

FeMn6-7

0,5...1,5 2,0 7,0

80 75

75...80

1...2 2,0 2,0

0,3.0,35 0,35 0,35

0,03 0,03 0,03

- - -

Fero-silico-mangan

FeSiMn 10-14-17

FeSiMn20

1,7...3,5

1,0

65

65

10...20

10...25

0,2

0,1

0,03

0,03

- -

Fero- crom

FeCr1.1-3 FeCr3.1-6 FeCr4.1-8 FeCr5.1-6

0,01...0,02 0,5...4,0 2,0...8,0 0,03...0,1

- - - -

0,8..1,0 1,0...2,0 1,0...1,5 1,0...1,5

0,01.0,03 0,05 0,06

0,03..0,04

- 0,04 0,04 0,02

70 Cr; 0,07 Al 60 Cr

60...65 Cr 65 Cr; 4,0 N

Ca materie primă pentru obţinerea feroaliajelor se utilizează minereuri concentrate (sau sintetice) care conţin elementul de aliere sub formă de oxizi.


Feroaliajele pot fi obţinute fie în furnal, fie în cuptorul electric cu arc, în urma reacţiilor de reducere directă şi indirectă sau metalotermică. Reacţiile de reducere ale elementelor de aliere se petrec în prezenţa fierului deja redus. Astfel, fierul dizolvă elementele de aliere împiedicând reversibilitatea reacţiei de reducere a elementelor de aliere, reduce reactivitatea lor şi formează cu ele sisteme cu temperatură de topire mai mică decât a elementelor de bază.

2.5.8. Elaborarea secundară a fontei

Prin elaborarea secundară a fontei se înţelege procesul metalurgic prin care se obţin fonte ce se vor turna sub formă de piese, caracterizate de proprietăţi chimice şi mecanice superioare fontelor brute, pornindu-se de la fontele de primă fuziune sau de la deşeuri metalice (fontă sau oţel). Elaborarea secundară a fontei se realizează, în marea majoritate a cazurilor, într-un cuptor numit cubilou (fig 2.95).

Încărcătura cubiloului este formată astfel: un strat iniţial de lemne de foc pentru aprindere, un strat de cocs, care formează patul de reducere - elaborare a fontei şi apoi straturi succesive de material feros, combustibil (cocs) şi fondant. Materialele metalice de încărcare a cubiloului sunt: fonta veche, în proporţie de 20...60% din încărcătură, deşeuri din oţel, în proporţie de până la 70% din încărcătură. Fondantul cel mai utilizat pentru elaborarea fontei în cubilou este calcarul. Pentru creşterea fluidităţii zgurei se utilizează dolomita şi fluorina.

Pe măsură ce coboară, încărcătura cubiloului se încălzeşte, se topeşte sub formă de picături şi se transformă în fontă şi zgură lichidă. Pe parcursul coborârii are loc o oxidare a elementelor încărcăturii:

COFeOCOFe 2 +→+ ; (2.129)

2FeSiO2FeOSi 2 +→+ ; (2.130)

FeMnOFeOMn +→+ , (2.131)

iar în zona creuzetului, a patului de cocs, are loc reducerea preponderent directă a oxizilor:

2CO2FeC2FeO +→+ ; (2.132)

22 COSiCSiO +→+ ; (2.133)

2CO2MnC2MnO +→+ . (2.134)

şi carburarea fierului:

CFeC3Fe 3→+ . (2.135)

2FeOFeSSO3Fe 2 +→+ . (2.136)


Reacţiile de sulfurare a fierului au loc în zonele superioare ale cubiloului, zonele de preîncălzire a încărcăturii.

12

3

4

14

13

12

5

6

8

910

11

7

Fig. 2.95. Schema de principiu a cubiloului:

1 - coş de evacuare a gazelor cu parascântei; 2 - gura de încărcare; 3 - inel protector din fontă; 4 - cuva; 5 - căptuşeală; 6 - strat de nisip; 7 - manta metalică; 8 - guri de vânt; 9 - orificiu de evacuare

a zgurei; 10 - creuzet; 11 - stâlpi de susţinere; 12 - antecreuzet; 13 - orificiu de evacuare a fontei; 14 - postamentul.

Principala sursă de sulf este cocsul, prin a cărui ardere se generează bioxidul de sulf. Principalii factori de reducere a conţinutului de sulf din fontă sunt:

- creşterea temperaturii de elaborare, care favorizează şi eliminarea SO2 sub formă de gaz din cubilou şi acţiunea de desulfurare a zgurii formate;


- majorarea adaosului de calcar din încărcătură (principalul desulfurant este carbura de calciu, CaC2);

- utilizarea unui cocs cu conţinut redus de sulf. Elaborarea secundară a fontelor în cuptoare electrice cu inducţie prezintă

următoarele avantaje: - fonta este supraîncălzită şi permanent agitată, ceea ce permite creşterea

vitezei reacţiilor din baia metalică, omogenizarea compoziţiei chimice şi controlul mult mai riguros al acesteia;

- temperatura mai mare favorizează dizolvarea grafitului şi apoi separarea sa mult mai fină şi mai omogenă, ceea ce conduce la proprietăţi mecanice superioare ale fontei;

- materialele încărcăturii sunt mai diversificate, mai ieftine; - are loc o bună eliminare a gazelor; - pentru reacţiile de reducere se foloseşte în special carbonul din resturile

de electrozi din grafit. Trebuie precizat că încărcătura metalică trebuie să fie ,,curată”, pentru că

singurul proces de afinare ce are loc în cuptorul cu inducţie este desulfurarea, care se realizează prin adăugare de 0,5...1% CaC2.

Pentru a se asigura o calitate superioară fontelor obţinute în urma elaborării secundare se folosesc procedeele combinate (duplex):

- elaborarea în cubilou combinat cu un antecreuzet cu inducţie este procedeul cel mai des utilizat;

- combinaţia cubilou-cuptor cu inducţie este recomandată pentru producerea unor fonte speciale, când este necesară existenţa unui stoc tampon de fontă lichidă cu compoziţie chimică şi proprietăţi controlate;

- combinaţia furnal-cuptor cu inducţie este foarte rentabilă şi se utilizează pentru turnarea unor piese masive în siderurgie; în aceste cazuri este necesară o desulfurare puternică în cuptorul cu inducţie.

În urma elaborării secundare se pot obţine din punct de vedere chimico-structural, fonte cu grafit lamelar, fonte cu grafit nodular, fonte maleabile şi fonte aliate.

Fontele cu grafit lamelar sunt fonte cenuşii cu o structură formată dintr-o masă metalică de bază, care poate fi perlitică sau feritico-perlitică şi lamele din grafit nativ.

Fontele cu structură perlitică au proprietăţi mecanice bune, iar cu cât lamelele de grafit sunt mai fine şi mai uniform dispersate proprietăţile cresc. Fontele cu structură ferito-perlitică sau chiar feritică au o tenacitate mai bună şi chiar o alungire la rupere mai mare.

Caracteristicile mecanice uzuale sunt:

R = 150...250 MPa; δ = 1%; HB = 160 − 220.

Fontele cenuşii pot avea proprietăţi superioare dacă se asigură o cât mai


fină şi uniformă repartiţie a grafitului sub formă de lamele fine sau sfere (nodule). O astfel de structură se obţine prin modificarea fontei, prin introducerea în masa lichidă a unor elemente numite modificatori, care au rolul de a dirija grafitizarea. Pentru obţinerea fontelor cu grafit lamelar fin se utilizează ca modificatori: Ca, Al, Ba, Mg, Ce, Te, La. Modificatorii se introduc în masa lichidă de fontă sub formă de prealiaje împreună cu elemente purtătoare. Cele mai des utilizate, ca elemente purtătoare, sunt ferosiliciul şi silicocalciul. Introducerea modificatorilor se poate realiza în jetul de turnare, în oala de turnare sau în formă.

Pentru obţinerea fontelor cu grafit nodular se utilizează Mn, Ce, Ca, Li, în vederea sferoidizării grafitului, şi Bi, Si, pentru mărirea numărului şi fineţii nodulilor de grafit. Mecanismul nodulizării grafitului în fontele cu grafit nodular este următorul: modificatorul joacă un rol de inhibitor de scurtă durată al separării grafitului; fonta se solidifică sub formă de fontă albă şi apoi, când rolul de inhibitor al modificatorului încetează, cementita se descompune, grafitul se acumulează uniform din toate părţile sub formă de noduli aproape sferici. Masa metalică de bază este perlitică sau ferito-perlitică.

Caracteristicile mecanice uzuale sunt:

R = 600...700 MPa; δ = 4 − 5%; HB = 220 −300.

Fontele maleabile se obţin din fontele albe prin tratamentul termic sau termochimic de maleabilizare. Maleabilizarea prin grafitizare (procedeul american) constă în încălzirea pieselor turnate din fontă albă, un timp îndelungat, la temperatura de 1 223K, urmată de o răcire lentă (răcirea lentă este asigurată de faptul că, în timpul tratamentului piesele sunt împachetate în cutii cu nisip sau zgură). În final se obţine o fontă cu structură feritică şi cuiburi de grafit. În ruptură prezintă o culoare neagră şi fonta se numeşte fontă maleabilă cu miez negru. Caracteristicile mecanice sunt relativ bune:

R = 300…400MPa; δ = 6...18%; HB = 120 − 160.

Dacă, după încălzire, răcirea pieselor se face în aer sau în ulei, se obţine o structură perlitică, iar fonta se numeşte maleabilă perlitică.

Caracteristicile fontelor maleabile perlitice sunt:

R = 500...800 MPa; δ = 3...8%; HB = 170 − 280.

Maleabilizarea prin decarburare (procedeul european) este un tratament termochimic ce constă în încălzirea pieselor la o temperatură de 1 223K într-un mediu oxidant (minereu de fier). Are loc o decarburare a stratului superficial. Se obţin piese cu structură feritică în stratul de suprafaţă şi perlitică în interior. În ruptură are o culoare alb-sidefie şi fonta se numeşte maleabilă albă.

Caracteristicile fontelor maleabile albe sunt:

R = 400...700 MPa; δ = 5...10%; HB = 130 − 160.


Fontele aliate pot fi fonte cenuşii, albe sau maleabile. Prin introducerea unor elemente de aliere se asigură îmbunătăţirea anumitor proprietăţi. Principalele grupe de fonte aliate sunt:

- fonte de înaltă rezistenţă mecanică − sunt aliate cu nichel, crom, vanadiu, molibden şi au caracteristici asemănătoare oţelurilor ( R ≅ 800 Mpa, HRC ≅ 60);

- fonte refractare − au un conţinut ridicat de nichel sau crom şi pot rezista până la temperaturi de 923 K;

- fonte rezistente la coroziune − sunt aliate cu siliciu, crom, nichel sau cupru, având o structură grafito-austenitică.

2.5.9. Elaborarea oţelurilor

2.5.9.1. Principiile generale de elaborare a oţelurilor

Oţelurile sunt aliaje ale fierului cu conţinut de carbon sub 2,11%, ce mai conţin şi elemente însoţitoare care provin din minereu şi din substanţele utilizate în procesul de elaborare (Mn, Si, S, P). De asemenea, în unele oţeluri, se introduc elemente de aliere cu scopul de a se îmbunătăţi unele proprietăţi (Mn, Si, P, Cr, Ni, Mo, V, W, Ti, Co etc.).

Oţelul se poate obţine fie prin reducerea directă a minereului de fier (aflat sub formă de oxizi) şi carburarea fierului la procentul dorit, fie prin afinarea fontei.

Pentru reducerea directă a minereului de fier se utilizează oxid de fier (Fe2O3) sau oxid feroferic (Fe3O4). Reducerea oxizilor se face cu un agent reducător solid (cocs sau mangal) sau gazos (H, CO, hidrocarburi) în exces, la temperaturi cuprinse între 1 300 şi 1 400 K, obţinându-se un burete de fier. La 1 500 K buretele de fier se transformă într-o masă păstoasă, care la 1 600 K, absoarbe rapid carbonul rezultând un sistem cu temperatură de topire mai scăzută, aşa încât începe faza de topire a oţelului elaborat.

În prezent, cea mai mare cantitate de oţel se obţine prin afinarea fontei. Materia primă de bază pentru obţinerea oţelului este fonta pentru afinare şi

fierul vechi. Procesul de elaborare a oţelurilor este constituit dintr-o suită complexă de procese fizico-chimice care au loc în utilaje adecvate, cu scopul de a reduce conţinutul elementelor însoţitoare şi impurităţilor la nivelul acceptat (tab.2.7).

Etapele elaborării oţelului sunt următoarele: ajustarea, încărcarea, topirea, afinarea, dezoxidarea, alierea şi evacuarea.

Ajustarea este operaţia de reparare a zidăriei refractare a spaţiului în care are loc elaborarea oţelului.

Încărcarea este operaţia de introducere în incinta de elaborare a materiilor prime necesare procesului metalurgic. În funcţie de procedeul de elaborare, încărcătura poate fi formată din fontă, fier vechi, materiale oxidante, fondanţi, feroaliaje şi cocs.


În timpul topirii fierului vechi şi fontei (când aceasta este sub formă de blocuri solide) în fier se dizolvă cantităţi însemnate de oxigen, azot şi hidrogen din atmosfera utilajului. Gazele dizolvate, precum şi impurităţile provenite din încărcătură influenţează negativ proprietăţile oţelurilor.

Elementele însoţitoare şi impurităţile existente în baia metalică sunt mai avide faţă de oxigen decât fierul şi astfel prin oxidare selectivă se realizează procesul de afinare a oţelului.

Fierul şi o parte dintre elementele însoţitoare se oxidează direct cu oxigenul insuflat, în ordinea afinităţii lor pentru oxigen:

Si + O2 → SiO2 (2.137)

2Mn + O2 → 2MnO (2.138)

2C + O2 → 2CO (2.139)

2Fe + O2 → 2FeO . (2.140)

Restul elementelor însoţitoare se oxidează indirect prin contactul cu oxidul de fier rezultat din oxidarea directă:

2FeO + Si → 2Fe + SiO2 (2.141)

FeO + Mn → Fe + MnO (2.142)

FeO + C → Fe + CO (2.143)

5FeO + 2P → 5Fe + P2O5 . (2.144)

În timpul procesului de oxidare selectivă o mare cantitate de oxigen rămâne în baia metalică sub formă de FeO sau dizolvată în fier. Dezoxidarea fierului se poate realiza fie prin introducerea în baia metalică a feromanganului, a ferosiliciului sau a aluminiului, fie prin difuzie în zgură. Oxidul de fier este solubil atât în zgură, cât şi în baia metalică. Astfel, dacă se îndepărtează zgura saturată în oxid de fier şi se înlocuieşte cu o zgură nouă se poate reduce simţitor concentraţia oxidului de fier din baia metalică. Dezoxidarea se poate face şi în vid, menţinerea oţelului topit în vid creând condiţiile pentru disocierea oxidului de fier sau eliminarea oxigenului dizolvat în reţeaua fierului. Oţelurile complet dezoxidate se numesc oţeluri calmate. Oţelurile necalmate sau parţial calmate ,,fierb” la turnare din cauza degajării oxidului de carbon.

Sulful se dizolvă în baia de fier topit sub formă de sulfură de fier. În stare solidă, sulfura de fier nu este solubilă în fier şi precipită sub formă de eutectic, la limitele intergranulare, ceea ce produce fragilitatea la cald. Desulfurarea se face cu ajutorul manganului imediat după topire când temperatura este scăzută şi conţinutul de mangan este mare:

FeS + Mn → MnS + Fe (2.145)

sau cu ajutorul oxidului de calciu (var nestins):


FeS + CaO → FeO + CaS . (2.146)

Atunci când zgura este puternic bazică (bogată în oxid de calciu) şi temperatura este mare, desulfurarea se poate face şi în oala de turnare prin injectarea unor desulfuranţi sub formă de pulbere (CaSi, CaC2, Mg etc.).

În funcţie de natura fondanţilor folosiţi şi implicit de natura zgurilor rezultate, procedeele de elaborare a oţelurilor pot fi:

- acide, când zgura are un caracter acid (bazicitatea sau aciditatea zgurei se apreciază prin raportul B =% CaO /%SiO2);

- bazice, când zgura are un caracter bazic. Căptuşala utilajului în care se elaborează oţelul trebuie să aibă acelaşi

caracter cu fondantul sau zgura pentru a nu intra în reacţie. Prin procedeele acide nu pot fi eliminaţi sulful şi fosforul care necesită un fondant bazic. De aceea, pentru astfel de procedee de elaborare se impune ca încărcătura să conţină aceste elemente (S, P) în proporţiile impuse de compoziţia chimică a oţelului. Prin procedeele bazice se elimină fosforul şi sulful, dar se elimină cu mare greutate FeO.

După natura procedeului, acid sau bazic, fiecare dintre ele pot fi cu căptuşeală acidă sau bazică.

Alierea, dirijarea compoziţiei chimice se face prin adăugarea elementelor chimice necesare sub formă de feroaliaje. Momentul introducerii se alege în funcţie de natura elementului de aliere:

- dacă elementul adăugat are afinitate faţă de oxigen mai mică decât fierul (Ni, Co, Cu etc.) se introduce în timpul afinării;

- dacă elementul adăugat este din grupa fierului (Mn, W, Cr etc.) se introduce în timpul dezoxidării;

1

2

3

4

5

Fig. 2.96. Schema de principiu a unui melanjor:

1 - gura de încărcare a unui melanjor; 2 - cuva; 3 - baia metalică; 4 - sistem de basculare cu role; 5 - gura de descărcare.


- dacă elementul adăugat are afinitate pentru oxigen mult mai mare decât fierul (Si, Al, Zr, B etc.) se introduce după dezoxidare.

Dearece în multe cazuri, cantitatea de fontă elaborată în furnal la o şarjă nu este suficientă pentru oţelărie, fonta pentru afinare se introduce într-un cuptor basculant, de mare capacitate, numit melanjor (fig.2.96), în care şarjele de fontă se amestecă obţinându-se omogenizarea materiei prime pentru oţelărie.

Utilajele în care se realizează afinarea fontei sunt: - convertizoare, care pot fi cu aer sau cu oxigen; - cuptoare cu vatră; - cuptoare electrice, care pot fi cu arc sau cu inducţie.

2.5.9.2. Particularităţile elaborării oţelului în convertizoare

Elaborarea oţelului în convertizoare se bazează pe afinarea fontei lichide cu aer sau cu oxigen tehnic. Căldura necesară pentru desfăşurarea reacţiilor şi transformarea fontei lichide, aflată la temperatura de 1 500K, în oţel lichid la temperatura de 1 900K provine din reacţiile de oxidare selectivă, care sunt puternic exoterme.

În principiu, convertizoarele sunt utilaje alcătuite dintr-un recipient metalic căptuşit cu material refractar. Convertizoarele cu aer pot fi bazice (Thomas având căptuşeala din magnezită sau dolomită) sau acide (Bessemer având căptuşeala din cărămizi de silice). Aceste convertizoare nu se mai folosesc datorită multiplelor dezavantaje:

- pot prelucra numai anumite tipuri de fonte, cu conţinut mult mai redus de sulf şi fosfor decât al fontelor obişnuite pentru afinare;

- au randament termic scăzut; - oţelul conţine mult azot (sutimi de procent); - proporţia de fier vechi utilizabil în încărcătură este mai mică datorită

randamentului termic scăzut. În prezent, se utilizează tot mai mult convertizoarele cu oxigen într-o largă

varietate constructiv-funcţională: LD (Linz-Donawitz), Kaldo, OBM (Oxigen - Boden - Maxhütte), Rotor etc.

Elaborarea oţelului în convertizul LD (Linz - Donawitz) constă în utilizarea fontei lichide şi a oxigenului tehnic pur care se suflă pe la partea superioară, pentru oxidarea selectivă (fig.2.97).

Jetul de oxigen, care are o presiune cuprinsă între 1 şi 1,8 MPa creează o adâncitură în baia de fontă lichidă, împinge fonta lichidă în jos şi determină circulaţia descendentă a fontei lichide în zona centrală şi ascendentă, lângă pereţii convertizorului. Convertizorul LD are căptuşeală de natură bazică, din magnezită sau dolomită.

Particularităţile de elaborare sunt următoarele: - elaborarea este bazică, ceea cepermite eliminarea uşoară a sulfului şi

fosforului; rolul de fondant îl joacă însăşi căptuşeala cuptorului. Pentru desulfurare


se utilizează în exces var (CaO) fiind necesară creşterea bazicităţii zgurii. Mai eficienţi sunt fondanţii sintetici pe bază de CaO şi Fe2O3;

O2

Gaze de ardere

3

4

1

2

5

- baia suferă o agitare mecanică sub acţiunea jetului de oxigen, ceea ce conduce la omogenizarea şarjei;

- la contactul cu jetul de oxigen, baia metalică atinge o temperatură de 2 770 - 3 270K, iar diferenţa mare faţă de straturile învecinate amplifică şi mai mult agitarea băii, contribuind la omogenizare. Oxidul feros (FeO) difuzează repede în baie contribuind la oxidarea celorlalte elemente însoţitoare, iar surplusul se ridică foarte uşor la suprafaţă;

- sub acţiunea oxigenului tehnic pur, reacţiile de oxidare selectivă se petrec cu mare viteză, ceea ce face ca şarjele să fie foarte rapide (10…20 minute);

Fig. 2.97. Schema de principiu a convertizorului cu oxigen LD:

1 - manta; 2 - baia metalică; 3 - hotă; 4 – lance de oxigen; 5 - căptuşeală refractară.

- pentru că la convertizorul cu oxigen bilanţul termic este excedentar, în încărcătură se introduce minereu de fier sau fier vechi;

- dezoxidarea oţelului se face cu cu aluminiu, feromangan şi ferosiliciu în oala de turnare.

Calitatea oţelului este comparabilă cu cea a oţelurilor obţinute prin alte procedee. Se produc oţeluri carbon calmate, cu conţinut mediu şi mare de carbon, se produc şi oţeluri semi - şi necalmate pentru table folosite la construcţii navale, oţeluri slab aliate cu crom, cu mangan, cu siliciu şi mangan.

Procedeul Kaldo a apărut din necesitatea de a se utiliza în încărcătură fonte cu conţinut ridicat de fosfor. Covertizorul Kaldo permite o omogenizare foarte bună a băii de metal, deoarece se roteşte în jurul axei sale cu o turaţie de până la 40 rot/min (fig.2.98).

Procedeul are o mare flexibilitate, cantitatea de fier vechi din încărcătură ajungând până la 45%. Încărcătura constă în fontă lichidă, var şi fier vechi. Uzura căptuşelii este foarte rapidă şi sunt necesare cheltuieli mari de întreţinere.

Calitatea oţelului este corespunzătoare (are conţinut redus de fosfor - 0,015... 0,020%, de sulf - 0,010...0,020% şi de azot - 0,0025%).

Procedeul OBM (Oxigen Boden Maxhütte) constă în întroducerea oxigenului pe la partea inferioară a convertizorului (fig.2.99) împreună cu un gaz de protecţie (propan, metan etc.). Împreună cu gazul se introduce şi pulbere de var ceea ce permite formarea rapidă a zgurii bazice. De aceea, convertizorul OBM se utilizează pentru afinarea fontelor cu conţinut ridicat de fosfor. Un alt avantaj al


convertizorului OBM este acela că permite utilizarea fierului vechi în mai mare măsură.

IIIII

IV

24

3

Gaze deardere

I

1

5

3

1

2

6

4

Gaz protecţie

O2

Gazede

ardere

5

Fig. 2.98. Schema de principiu a convertizoului

de tip Kaldo: I - poziţia de funcţionare; II - poziţia pentru introducerea

fontei; III - poziţia pentru introducerea de adaosuri de var şi minereu; IV - poziţia pentru evacuarea oţelului;

1 - manta; 2 - baia metalică; 3 - hotă; 4 - lance de oxigen; 5 - căptuşeală refractară.

Fig. 2.99. Schema de principiu a convertizorului OBM

(Oxigen-Boden-Maxhütte): 1 - manta; 2 - baia metalică; 3 - hotă;

4 - conducte pentru oxigen; 5 - căptuşeală refractară; 6 - conducte pentru gazul de

protecţie.

Convertizorul OBM are dezavantajul că prezintă o uzură pronunţată în zona de insuflare a gazelor şi în consecinţă fundul convertizorului se schimbă des.

2.5.9.3. Particularităţile elaborării oţelului în cuptoarele cu vatră

(Cuptoarele Siemens - Martin)

Construcţia cuptorului Siemens-Martin (fig.2.100) se caracterizează prin faptul că vatra este scundă şi largă, iar încălzirea cuptorului se face cu combustibil lichid (păcură, motorină) sau gazos (gaze naturale, gaze de cocserie).

Circulaţia aerului preîncălzit şi a gazelor de cuptor în regeneratoarele termice se face în doi timpi. În timpul I aerul trecut printr-o baterie de regenerare termică intră preîncălzit în cuptor, iar gazele de cuptor trec prin a doua baterie cedându-i căldura. În timpul II se inversează sensul.

Încărcătura cuptorului poate fi formată din: - fontă 30...50%, var 3...5%, minereu 1,5...3% şi restul fier vechi; - fontă 55...80%, calcar 7...8%, minereu 8...12% şi restul fier vechi;


- fier vechi , cocs.

3 4

21

5

6

I II I II

5

6

Fig. 2.100. Schema de principiu a cuptorului Siemens-Martin:

1 - vatra; 2 - baia de metal topit; 3 - bolta cuptorului; 4 - guri de încărcare - descărcare; 5 - arzătoare cu flacără; 6 - căi de circulaţie a gazelor.

Etapele de elaborare a oţelului în cuptorul Siemens-Martin sunt: încărcarea, încălzirea şi topirea încărcăturii, afinarea, dezoxidarea, alierea şi evacuarea, având următoarele particularităţi:

- minereul şi varul se introduc în grămezi şi nu în strat continuu; - fonta lichidă se introduce numai după ce fierul a fost încălzit la

temperatura 1 570...1 620K; - procesele de oxidare au loc concomitent cu încălzirea şi topirea

încărcăturii. Totodată are loc şi o puternică dizolvare de sulf, hidrogen şi azot în baia metalică, de aceea trebuie ca încălzirea, topirea şi formarea zgurii să se facă foarte repede;

- decarburarea, oxidarea selectivă, desulfurarea şi dezoxidarea, eliminarea gazelor şi a altor impurităţi sunt procese favorizate de baia metalică scundă şi întinsă;

- la oţelurile necalmate dezoxidarea se face cu 0,5% feromangan (Fe-Mn), adăugându-se la turnare şi 0,007% aluminiu;

- la oţelurile semicalmate dezoxidarea se face cu 0,5% Si în cuptor şi cu feromangan (Fe-Mn), ferosiliciu (Fe-Si) şi aluminiu în oala de turnare;

- la oţelurile calmate, dezoxidarea se face cu feromangan, ferosiliciu în cuptor şi cu ferosiliciu şi aluminiu în oala de turnare;

- la elaborarea acidă nu se poate realiza desulfurarea şi defosfatarea, de aceea în condiţiile în care conţinutul de sulf şi fosfor din încărcătură se află în limitele prescrise, calitatea oţelului elaborat prin procedeul acid este superioară celui elaborat prin procedeul bazic, datorită conţinutului mai scăzut de incluziuni şi gaze, realizat prin calitatea mai bună a încărcăturii, utilizării unei cantităţi mai mici de dezoxidanţi.


Ca urmare a condiţiilor puternic oxidante şi a suprafeţei de contact mari cu atmosfera din cuptoarele Siemens-Martin, oţelul elaborat prin acest procedeu conţine multe gaze (0,001...0,008% azot, 0,00018...0,0004% hidrogen) şi multe incluziuni nemetalice (0,008...0,3%).

2.5.9.4. Particularităţile elaborării oţelului în cuptoarele electrice

Materiile prime utilizate în oţelăriile cu cuptoare electrice sunt fier vechi, cocs, fondant, feroaliaje. Se utilizează şi fonta fără fosfor, până la 20% din încărcătură. În marea majoritate a cazurilor, elaborarea oţelului în cuptoare electrice este bazică.

Elaborarea oţelului se poate face fără oxidare, cu oxidare parţială (cea mai răspândită) sau cu oxidare completă. Dirijarea oxidării se face prin îndepărtarea sau menţinerea zgurii, prin adăugarea de minereu sau prin suflarea oxigenului. Dacă conţinutul de carbon este prea mic se carburează baia.

Oxidarea carbonului şi degazarea monoxidului de carbon provoacă agitarea băii (fierberea), favorizează mărirea suprafeţei de contact dintre zgură şi baia metalică contribuind la îndepărtarea gazelor, la defosforare şi parţial la desulfurare.

Dezoxidarea băii se realizează prin intermediul zgurii în cuptor şi prin adăugarea de feromangan, ferosiliciu şi aluminiu în oala de turnare.

Desulfurarea poate fi foarte avansată la elaborarea bazică. Se face cu var (CaO), carbid (CaC2) sau fluorură de calciu (CaF2).

FeS + CaO + C → CaS + Fe + CO (2.147)

3FeS + CaC2 + 2CaO → 3CaS + 3Fe + 2CO (2.148)

2FeS + 2CaF2 + Si → 2CaS + 2Fe + SiF4 . (2.149)

Alierea oţelurilor la elaborarea în cuptoare electrice se face astfel: - elementele cu afinitate mai mică faţă de oxigen decât fierul (Ni, Mo, Cu,

Co) se introduc în încărcătură sau se adaugă în timpul topirii; - elementele cu afinitate mai mare faţă de oxigen decât fierul se adaugă

după ce zgura dezoxidantă şi-a făcut efectul; - elementele cu afinitate foarte mare faţă de oxigen (Nb, Ta, B, Ca, Zr, Mg)

se introduc în jetul de oţel la evacuarea din oala de turnare. Cel mai utilizat tip de cuptor electric este cuptorul cu arc cu încălzire

directă cu căptuşeală bazică (fig.2.101). Avantajele elaborării oţelului în cuptoare electrice cu arc cu căptuşeală

bazică sunt: - reglarea uşoară a temperaturii şi a compoziţiei chimice a oţelului; - se realizează o foarte bună desulfurare, defosfatare, dezoxidare; - se obţine o puritate mare a oţelului; - permite utilizarea eficientă (fără pierderi) a elementelor de aliere.


6

7

5

4

3

2

1

8

Fig. 2.101. Schema de principiu a cuptorului electric trifazat cu acţiune directă: 1 - vatra; 2 - baia de metal; 3 - jgheab de evacuare; 4 - bolta; 5 - electrozi din grafit; 6 - gura de

vizitare; 7 - sistem hidraulic de basculare; 8 - role de basculare.

Cuptoarele electrice cu arc cu căptuşeală acidă nu pot asigura defosforarea şi desulfurarea şi, de aceea, încărcătura trebuie să fie curată în sulf şi fosfor. Ele au un avantaj major prin aceea că zgura acidă are rezistivitate mare, se încălzeşte puternic şi menţine baia de metal foarte caldă. Se utilizează în turnătorii.

1

3

2

45

Fig. 2.102. Schema de principiu a unui cuptor electric cu inducţie:

1 - creuzet; 2 - baia metalică; 3 - inductorul; 4 - boltă; 5 - gura de evacuare.


Un alt tip de cuptor electric care se utilizează tot mai larg este cuptorul cu inducţie cu creuzet (fig.2.102).

Încălzirea se realizează prin efectul Joule al curenţilor induşi în încărcătură.

În cuptoarele cu inducţie se elaborează numai oţeluri înalt aliate, pierderile de elemente de aliere fiind foarte mici.

În cuptorul cu inducţie nu se poate forma o zgură activă. Mai mult, căptuşala fiind acidă, se impune ca încărcătura să fie curată în sulf şi fosfor.

Datorită mişcării turbionare a băii şi a încălzirii uniforme, reacţiile dintre baia metalică şi căptuşală, care joacă rol de zgură, permit obţinerea unui oţel cu compoziţie uniformă şi foarte bine reglată.

2.5.10. Procedee speciale de elaborare şi tratare a oţelurilor

În prezent se aplică pe scară tot mai largă o serie de procedee speciale de elaborare şi tratare a oţelurilor care transferă unele procese metalurgice, care au loc în cuptor în afara lui, fie în oala de turnare, fie în utilaje specializate.

Astfel, elaborarea oţelului se realizează în două etape: - elaborare primară, în cuptoare sau convertizoare, în urma căreia se obţine

un oţel brut; - elaborare secundară, aşa numita metalurgie în oală, în urma căreia se

obţin oţeluri cu calităţi superioare. Elaborarea secundară poate cuprinde procese de afinare, desulfurare şi

defosforare suplimentară, dezoxidare, decarburare avansată, degazare, aliere. Avantajele acestui mod de elaborare şi tratare a oţelurilor sunt următoarele: - creşterea productivităţii utilajelor de elaborare primară, care realizează

doar topirea şi desfăşurarea brută a proceselor de elaborare; - micşorarea consumului de energie; - îmbunătăţirea calităţii oţelurilor (conţinut redus de incluziuni, de gaze,

compoziţie chimică precisă şi omogenă); - reducerea consumului de feroaliaje; - controlul facil şi mult mai riguros al proceselor metalurgice. Procedeele speciale de elaborare secundară şi tratare a oţelurilor se

clasifică astfel: - barbotarea cu gaze inerte şi cu adaosuri în oala de turnare; - tratarea cu zguri sintetice; - injecţia de pulberi reactive în oţelul lichid; - tratarea în vid a oţelului. Barbotarea cu gaze inerte constă în insuflarea unui gaz inert (argon, azot)

în masa de metal lichid pe la fundul oalei de turnare. O dată cu gazul inert se pot introduce şi adaosuri pentru desulfurarea şi defosforarea avansată. Barbotarea contribuie la intensificarea şi omogenizarea recţiilor metalurgice, permite


degazarea şi eliminarea prin flotaţie a incluziunilor.

7

6

5

4

2

3

1

6

4Vid

5

3

2

1

Oţel

Fig. 2.103. Schema de principiu a unei

instalaţii de rafinare prin injecţie cu pulberi reactive:

1 - oală de turnare; 2 - oţel lichid; 3 - pulbere reactivă; 4 - zgură; 5 - capac; 6 - lance;

7 - buncăr cu pulbere.

Fig. 2.104. Schema de principiu a instalaţiei de degazare în vid a jetului de oţel:

1 - oala de turnare; 2 - baia metalică; 3 - capac; 4 - racord la pompa de vid; 5 - oală intermediară;

6 - cuptor electric.

Tratarea cu zguri sintetice constă în căderea liberă a jetului de oţel lichid de la o înălţime de 5…7 m în oala de turnare, în care se află o zgură sintetică formată din var (CaO), alumină (Al2O3), fluorură de calciu (CaF2). Această zgură este lipsită de oxizi de fier şi de mangan, suprafaţa de contact dintre zgură şi oţel este foarte mare (prin emulsionare) şi astfel se accelerează procesele de dezoxidare, desulfurare şi defosforare.

Rafinarea oţelurilor prin injecţie cu pulberi reactive se face prin insuflarea la fundul oalei de turnare (fig. 2.103) a unui gaz (argon) purtător de pulberi compus din Ca, Si, Mg, CaF2, CaC2 sau CaO (se utilizează şi diverse combinţii ale acestora). Procesul principal este desulfurarea, dar se obţine şi o reducere a gazelor şi a incluziunilor nemetalice.

Degazarea în vid a jetului de oţel se realizează într-o instalaţie a cărei schemă de principiu este prezentată în figura 2.104. Degazarea este foarte avansată datorită suprafeţei mari de contact a jetului de oţel cu mediul vidat.

Tratarea în vid prin procedeul RH (Ruhrstahl-Heraeus) se realizează într-o instalaţie care permite circulaţia oţelului prin camera de vid (fig. 2.105).


76

5

4

32

Ar

1

Oţel

Vid

8

Ar

Vid

6

5

4

3

2

1

7 Fig. 2.105. Schema de principiu a instalaţiei de

tratatare în vid a oţelului prin procedeul RH:

1 - oala de turnare; 2 - baia de metal; 3 - tub plonjor; 4 - conductă de argon; 5 - sistem de încălzire; 6 - camera de vidare; 7 - gura de

încărcare; 8 - racordul la pompa de vid.

Fig. 2.106. Schema de principiu a instalaţiei de tratare a oţelului în vid prin procedeul

ASEA-SKF: 1 - cuptor-oală; 2 - baia metalică; 3 - inductor; 4 - capac; 5 - racord

la pompa de vid; 6 - electrozi; 7 - conductă de argon.

Jetul de argon antrenează oţelul lichid aflat în tubul plonjor şi astfel se realizează circulaţia oţelului din oala de turnare în camera de vidare şi din camera de vidare prin celălalt tub plonjor în oala de turnare. Recircularea se face de 3…5 ori şi se obţine o dezoxidare şi o degazare avansată.

Tratarea oţelului în cuptorul-oală prin aport de căldură (procedeul ASEA-SKF) se aplică oţelurilor de convertizor şi de cuptor electric. Zgura este foarte caldă datorită acţiunii arcelor electrice (fig.2.106) şi este foate activă. Pentru dezoxidare, desulfurare şi defosforare se introduc în oală adaosuri specifice. Agitarea electromagnetică, realizată prin inducţie, accentuează degazarea, desulfurarea şi defosforarea. Pentru accelerarea reacţiilor, eliminarea în zgură a produşilor de reacţie şi omogenizarea compoziţiei, se poate face o barbotare a băii cu argon insuflat la temperatura cuptorului.

Procedeul VOD (Vacuum Oxygen Decarburization), a cărui schemă de principiu este prezentată în figura 2.107, se aplică la elaborarea oţelurilor inoxidabile Cr-Ni cu conţinut foarte scăzut de carbon (0,010…0,015% C), sulf şi fosfor (mai puţin de 0,010%). Instalaţia VOD utilizează oţel lichid elaborat într-un convertizor LD sau într-un cuptor electric cu arc în care s-au topit deşeuri înalt aliate.

Decarburarea, desulfurarea şi defosforarea avansate se obţin prin acţiunea combinată a oxigenului insuflat asupra încărcăturii, a vidului creat în incintă (10-3…10-4 MPa) şi a barbotării cu argon a băii metalice.


8 O

6

Vid54

3

2

1

7

Ar

2

Fig. 2.107. Schema de principiu a instalaţiei de tratare a oţelului în vid prin procedeul VOD:

1 - conductă de argon; 2 - incinta de vidare; 3 - oala de turnare; 4 - baia de metal; 5 - racord la pompa de vid; 6 - dispozitiv de alimentare cu deşeuri din oţeluri înalt

aliate, 7 - lance de oxigen, 8 - capac.

2.5.11. Elaborarea cuprului şi a aliajelor de cupru

Cuprul este un metal de culoare galben-roşiatică (arămie) având următoarele proprietăţi:

- densitatea (la 293 K) − 8, 94⋅10-3 kg/m3; - temperatura de topire − 1 356 K; - temperatura de fierbere − 2 598 K; - conductivitatea termică (la 293 K) − 3,8⋅102 J/m⋅s⋅k; - conductivitatea electrică (la 293 K) − 5,94⋅10-5 Ω-1⋅m-1; - proprietăţile mecanice sunt prezentate în tabelul 2.9; - rezistent la coroziune în aer şi la agenţi chimici (nu rezistă la acţiunea

acidului azotic); - plasticitate foarte ridicată.

Tabelul 2.9. Proprietăţile mecanice ale cuprului

Starea Rm [MPa] Alungire la rupere [%] Duritatea [HB] Turnat 150...200 15-25 35

Laminat şi recopt 250...270 2 40-53 Ecruisat 400...430 1-2 100-125

Se utilizează sub formă de metal pur (cupru electrolitic în industriile electrotehnică şi electronică), sub formă de element de aliere şi sub formă de aliaje: bronzuri (aliaje cu Sn, Al, Pb), alame (aliaj cu Zn), alpaca (aliaj cu Ni şi Zn).


În figura 2.108 este prezentată schema tehnologică de obţinere pirometa-lurgică a cuprului.

Fig. 2.108. Schema tehnologică de obţinere pirometalurgică a cuprului.

Cuprul se află în minereu sub formă de sulfuri (Cu2S - calcozina, CuFeS2 - calcopirita), oxizi (CuO, Cu2O), carbonaţi, având o concentraţie de 1…6% Cu în mod frecvent, dar ajungând şi la 16%.

Cel mai răspândit procedeu, în ţara noastră, de obţinere pirometalurgică a cuprului este procedeul Outokumpu, prin topire autogenă.

Etapele de extragere a cuprului sunt: concentrarea minereului de cupru, prăjirea concentratului cupros, topirea pentru mată, convertizarea matei, rafinarea cuprului.

Concentratul cupros sau amestecul dintre concentratul cupros şi calcopirita se supun prăjirii în cuptoare rotative, până la o umiditate de 1...2%.

Topirea pentru mată se face în cuptoare de topire autogenă în suspensie (fig.2.109). Încărcătura cuptorului, formată din concentrat cupros, calcopirită şi fondant, aflată sub formă granulară sau pulbere, este insuflată împreună cu aerul preâncălzit (773 - 873 K) prin arzătorul 1 care joacă şi rol de alimentator al

Minereu de cupru

Concentrat sulfuros de cupru

Concentrat prăjit

Mată cuproasă

(Cu2S+FeS)

Cupru brut de convertizor

Cupru rafinat

Cupru electrolitic

Concentrare

Prăjire oxidantă

Topire pentru obţinerea de mată cuproasă

Convertizare

Rafinare termică

Rafinare electrolitică


cuptorului. În turnul de reacţie 2 are loc aprinderea sulfurilor şi topirea încărcăturii, formându-se în final mata şi zgura care se adună în cuptorul cu vatră 3:

4CuFeS2 + 5O2 → 2(Cu2S⋅FeS) + 4SO2 + 2FeO (2.150)

2FeS + 3O2 → 2FeO + 2SO2 (2.151)

2FeO + SiO2 → 2FeO ⋅ SiO2 . (2.152)

1

2

345

6

7

8

9

1

2

3

6

5

4

Fig. 2.109. Schema de principiu a cuptorului de

topire pentru obţinerea matei prin procedeul Outokumpu:

1 - arzător de alimentare; 2 - turnul de reacţie; 3 - cuptorul cu vatră; 4 - zgură; 5 - gura de evacuare a matei; 6 - gura de evacuare a gazelor; 7 - turn de

gaze; 8 - gura de evacuare a zgurei; 9 - mată cuproasă.

Fig. 2.110. Schema de principiu a unui convertizor pentru mată:

1 - căptuşeala convertizorului; 2 - baie metalică; 3 - sistem de basculare cu role; 4 - gura de suflare a aerului; 5 - gura de

evacuare a gazelor; 6 - hotă.

O parte din oxizii de cupru sunt reduşi de către sulfura de fier:

Cu2O + FeS → 43421

cuproasa mata

2 FeOSCu + (2.153)

iar o parte trec în zgură. În urma topirii, rezultă mata (un amestec de sulfuri de cupru şi fier), oxid

de fier, care este fixat de către dioxidul de siliciu în zgură, şi dioxid de sulf, care este recuperat prin turnul 7, pentru producerea acidului sulfuric.

Pierderile de cupru (sub formă de Cu2O) se recuperează într-un cuptor electric cu arc prin tratarea zgurii cu pirită (FeS), rezultând mata cuproasă conform reacţiei (2.145).

Convertizorul utilizat pentru extragerea cuprului este un cuptor cilindric ce poate fi rotit în vederea încărcării, funcţionării, descărcării (fig. 2.110).

Convertizarea matei se realizează prin insuflarea aerului sau a oxigenului prin orificiul 4, în mata lichidă. În prima etapă are loc oxidarea sulfurii de fier şi


eliminarea oxidului de fier împreună cu fondantul cuarţos în zgură:

2FeS + 3O2 + SiO2 → 2FeO⋅SiO2 + 2SO2 . (2.154)

După prima perioadă se elimină zgura până se obţine mata albă (formată numai din Cu2S). În etapa a doua a convertizării are loc oxidarea sulfurii de cupru şi autoreducerea oxizilor rezultaţi:

2Cu2S + 3O2 → 2Cu2O + 2SO2 , (2.155)

Cu2S + 2Cu2O → 6Cu + SO2 . (2.156)

Cuprul de convertizor conţine o serie de impurităţi: Fe, Sb, Zn, Bi, Pb, As, Au, Ag, Se, Te etc.

Rafinarea cuprului se poate realiza termic sau electrolitic. Rafinarea termică are loc prin topire oxidantă a cuprului de convertizor, fie

în cuptoare cu vatră, fie în cuptoare rotative (basculante), prin insuflarea aerului în baia metalică:

2Cu + 1/2 O2 → Cu2O (2.157)

Cu2O + [Me] → 2Cu + MeO (2.158)

în care [Me] reprezintă impurităţile cu afinitate mai mare faţă de oxigen decât cuprul: As, Sb, Fe, Zn etc.

O parte din oxizii impurităţilor trec în zgură prin adaos de fondant (nisip cuarţos), iar o parte trec în substanţele volatile eliminate (As2O3 , Sb2O3).

După evacuarea zgurii, se face dezoxidarea băii metalice prin persaj cu lemne umede (mesteacăn sau plop), cu gaze naturale sau cu amoniac:

(m + 3n) Cu2O + 2CnHm → 2(m + 3n)Cu + nCO + nCO2 + mH2O (2.159)

3 Cu2O + 2NH3 → 6Cu + N2 + 3H2O . (2.160)

În cazul în care cuprul rafinat termic (99...99,6%) nu mai conţine ca impurităţi metale preţioase recuperabile, se toarnă sub formă de lingouri. În cazul în care cuprul rafinat termic (99...99,6% ) mai conţine impurităţi, de exemplu, As, Bi, Au, Ag, Se, Te, se toarnă sub formă de anozi, care se rafinează electrolitic (dizolvare anodică şi depunere catodică în soluţie de sulfat de cupru - CuSO4), nămolul rezultat în baia de electroliză fiind utilizat pentru recuperarea metalelor preţioase.

În figura 2.111 este prezentată schema tehnologică de elaborare hidro-metalurgică a cuprului. Prelucrarea hidrometalurgică se recomandă în cazul minereurilor sărace şi cu conţinut redus de calcopirită (calcopirita se solubilizează foarte greu şi de aceea se elimină uşor la solubilizare şi apar pierderi mari). Solubilizarea concentratului cupros se poate face cu soluţie acidă, amoniacală sau de cianuri. Cea mai utilizată metodă este solubilizarea cu soluţie de H2SO4 şi Fe2(SO4)3:


Cu2O + H2SO4 → Cu + CuSO4 + H2O; (2.161)

Cu + Fe2(SO4)3 → CuSO4 + 2FeSO4 ; (2.162)

Cu2S + Fe2(SO4)3 → CuSO4 + CuS + 2FeSO4; (2.163)

CuS + Fe2(SO4)3 → CuSO4 + 2FeSO4 + S. (2.164)

Fig. 2.111. Schema tehnologică de obţinere hidrometalurgică a cuprului.

După spălare şi filtrare se obţine soluţia pură de CuSO4 din care se poate separa cuprul prin :

- cementare cu burete de fier, în urma căreia rezultă pulbere sau burete de cupru:

CuSO4 + Feburete → Cucement + FeSO4 , (2.165)

care se topeşte şi se toarnă sub formă de lingouri; - electroliză din soluţie cu anozi din aliaj Pb-Sb, obţinându-se cupru

electrolitic. Aliajele pe bază de cupru sunt: - bronzuri − aliaje ale cuprului cu Sn, Al, Pb, Si, Mn, Be, P; - alame - binare − aliaje ale cuprului cu Zn; - ternare − aliaje ale cuprului cu Zn în care se adaugă Ni,Al,Fe,Mn,Sn,

Si,Pb; Elaborarea aliajelor pe bază de cupru se face în cuptoare electrice (în

special cu inducţie) sau în cuptoare cu flacără (se întâlnesc din ce în ce mai rar). La temperatura de elaborare, interacţiunea încărcăturii metalice cu atmo-

Minereu de cupru

Soluţie de sulfat de cupru (CuSO4)

Rafinare

Cupru electrolitic

Cucement

Cementare cu Fe Electroliză


sfera cuptorului constă în reacţii de oxidare sau în dizolvarea de gaze, dintre care hidrogenul este cel mai periculos, deoarece la temperatura ambiantă este insolubil, iese din reţea şi formează retasuri sau fisuri.

Protecţia băii metalice împotriva oxidării se realizează cu mangal, borax (Na2B4O7) sau fondanţi care conţin halogenuri de metale alcaline.

Dezoxidarea aliajelor de cupru se realizează prin introducerea în baia metalică a unui prealiaj Cu + P, conform reacţiei

5Cu2O + 2P → 10Cu + P2O5 . (2.166)

Alierea cu metale uşor fuzibile se realizează cu puţin timp înainte de turnare pentru a micşora pierderile prin ardere.

Degazarea aliajelor pe bază de cupru se face prin următoarele metode: barbotare cu gaz inert, introducerea de substanţe care reacţionează cu gazele dizolvate sau prin tratare în vid.

În cazul bronzurilor cu staniu, aluminiul şi siliciul conduc la formarea unor retasuri interne, a fisurilor sau a altor defecte. Pentru eliminarea lor, se introduc în aliaj oxizi de Cu, Pb sau Zn, azotat de potasiu (KNO3) sau de sodiu (NaNO3), iar pentru zgurificare se utilizează un amestec de borax, sodă (NaOH) şi fluorină (CaF2).

Bronzurile, în special cele cu aluminiu, au tendinţa de a forma cristale columnare, de aceea se modifică în vederea obţinerii unei structuri fine cu adaosuri de Zr, Ti, B, W. Alamele se modifică prin aport de Li, Ce, Zr, Ti, B.

2.5.12. Elaborarea aluminiului

Aluminiul este un metal de culoare alb-argintie, cu luciu metalic pe suprafeţe recent aşchiate, dar care se oxidează la temperatura ambiantă acoperin-du-se cu un strat compact, mat de oxid (Al2O3), care-i conferă o rezistenţă sporită la coroziune. Aluminiul are următoarele proprietăţi:

- densitatea (la 293 K) − 2,7⋅103 kg/m3; - temperatura de topire − 933 K; - temperatura de fierbere −2 329 K; - conductivitatea electrică (la 293 K) − 4,18⋅10-5 Ω-1⋅m-1; - proprietăţile mecanice sunt prezentate în tabelul 2.10; - are o plasticitate foarte bună, dar se aşchiază foarte greu (apar depuneri

pe tăişul sculei). Aluminiul se găseşte în natură sub formă de oxid (corindon, Al2O3), de

oxizi hidraţi (bauxită, Al2O3⋅H2O) sau sub formă de fluorură (criolită, Na3AlF6 ). Corindonul natural, având duritate foarte mare (9 pe scara Mohr) se

utilizează în industria abrazivilor. Formele cristalizate de oxid de aluminiu transparent sunt pietrele preţioase:


Tabelul 2.10. Proprietăţile mecanice ale aluminiului

Starea Rm [MPa]

Alungirea la rupere [%]

Duritatea [HB]

Turnat 60-90 40 15-20 Laminat si recopt 110-120 30-35 30-35

Ecruisat 150-280 2-8 35-40

- rubinul - dacă conţine impurităţi de oxizi de fier şi titan; - safirul - dacă conţine impurităţi de oxizi de crom. Minereul din care se extrage eficient aluminiul este bauxita. Cele mai utilizate procedee de extragere a aluminiului din bauxită sunt

procedeele alcaline: alcalin umed (Bayer) şi alcalin uscat (sinterizare). Există şi procedee acide sau electrotermice, dar până în prezent nu s-au

impus din punct de vedere al eficienţei. Procedeul Bayer (peste 90% din producţia mondială de aluminiu se obţine

prin acest procedeu) constă în următoarele etape (vezi schema tehnologică din fig.2.112):

- prepararea bauxitei în vederea solubilizării; - leşierea − solubilizarea minereului; - separarea soluţiei de aluminat de sodiu (NaAlO2); - hidroliza soluţiei de aluminat de sodiu; - calcinarea hidroxidului de aluminiu Al(OH)3 pentru obţinerea aluminei; - obţinerea aluminiului prin electroliza în topitură a aluminei. Prepararea bauxitei în vederea solubilizării constă în sfărâmare şi

măcinare, amestecare cu var măcinat şi sodă caustică în vederea obţinerii pulpei crude.

Solubilizarea − leşierea pulpei crude, se realizează în autoclave la temperaturi de 423...523 K şi presiuni de 0,5...3 MPa după reacţiile:

Al2O3 ⋅H2O + 2NaOH → 2NaAlO2 + 2H2O; (2.167)

Al2O3⋅3 H2O + 2 NaOH → 2NaAlO2 + 4H2O; (2.168)

Al2O3 + 2 NaOH → 2NaAlO2 + H2O. (2.169)

Bauxita cuprinde, în afară de oxizi de aluminiu cu sau fără apă de cristalizare, şi silice (SiO2), rutil (TiO2 ), sulfuri, carbonaţi, pentaoxidul de fosfor (P2O5), oxizi de crom, oxizi de fier.

În cursul solubilizării, impurităţile din bauxită se comportă diferit, astfel: - oxizii de fier nu se dizolvă în soluţiile alcaline rămânând în nămolul roşu

(colorat astfel de către Fe2O3); - silicea reacţionează cu soluţiile alcaline cu formare de silicat de sodiu:

SiO2 + NaOH → Na2SiO3 + H2O, (2.170)

iar silicatul de sodiu formează silico-aluminaţi insolubili; de aceea, procedeul


Bayer nu se poate aplica bauxitelor cu conţinut ridicat de silice pentru că pierderile de Al2O3 sunt mari;

- rutilul reacţionează cu soluţiile alcaline formând titanatul de sodiu şi prin spălare, metatitanatul de sodiu care este insolubil:

TiO2+ 2NaOH → Na2TiO3 + H2O; (2.171)

TiO2 + NaOH → NaHTiO3; (2.172)

Na2TiO3+ H2O → NaHTiO3+NaOH . (2.173)

- celelalte impurităţi prezente în bauxită trec în soluţia alcalină sub formă de săruri care la punctul de saturaţie precipită.

(NaAlO )Soluţie de aluminatde sodiu 2

Hidroxid de aluminiu(Al(OH) )3

Alumina(Al2O )3

Aluminiu brut

Aluminiu rafinat

Hidroliză

Calcinare

Electroliză

Solubilizare

Rafinare

Bauxită (Al O H O)2 3 2

.

Soluţia de aluminat de sodiu este trecută succesiv prin bazine de spălare, decantare şi apoi filtrare în vederea separării de reziduuri.

Soluţia pură de aluminat de sodiu este supusă la o răcire lentă până la temperatura de 323 K în vederea reacţiei de hidroliză:

NaAlO2+2H2O → Al(OH)3+NaOH (2.174)

Hidroxidul de aluminiu se calcinează în cuptoare rotative la 1 373... 1 473K, rezultând alumina pură:

2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O . (2.175)

Alumina astfel obţinută serveşte la extragerea aluminiului prin electroliză din topitură. Alumina pură este înalt refractară,

Fig. 2.112. Schema tehnologică de obţinere hidrometalurgică a aluminiului.

dar dizolvată în criolită, având temperatura de 1 223...1 233K, formează o baie de săruri (electrolit) topite din care se poate extrage

prin electroliză aluminiul. Cuva de electroliză a aluminei, prezentată în figura 2.113, este căptuşită cu

o masă carbonică ce reprezintă catodul, iar anodul este constituit din electrozi de grafit. Aluminiul se separă la fundul cuvei şi se evacuează prin sifoane la o puritate de 99...99,8%.

Aluminiul obţinut prin electroliza aluminei are ca impurităţi Cu, Na, gaze etc.

Rafinarea aluminiului se realizează în două etape: - într-o primă etapă se elimină Ca şi Na prin barbotarea băii de aluminiu de

puritate 99,9%:


- - - -

+

2

34

5

6

78

1

- - -

1

23

4567

6

+

Fig. 2.113. Schema de principiu a unei cuve pentru electroliza aluminei:

1 - electrozi din grafit; 2 - electrolit solidificat; 3 - masă carbonică; 4 - căptuşeală din şamotă;

5 - manta metalică; 6 - gura de evacuare a aluminiului; 7 - aluminiu; 8 - electrolit topit.

Fig. 2.114. Schema de principiu a cuvei pentru rafinarea electrochimică a aluminiului:

1 - electrozi din grafit, 2 - aluminiu pur (catodic), 3 - căptuşeală, 4 - manta

metalică, 5 - electrolit, 6 - aluminiu brut (anodic), 7 - masă carbonică.

- într-o a doua etapă se realizează rafinarea electrochimică prin dizolvare anodică având drept electrolit săruri topite (60% BaCl2, 23% AlF3, 17% NaF) la temperatura de 1 053...1 073K.

În aluminiul brut topit se dizolvă 25...35% Cu pentru a se realiza un aliaj cu greutate specifică mai mare, care se separă pe fundul băii de electroliză (fig.2.114).

Deasupra se află electrolitul, şi la catod se separă aluminiu rafinat. Atât electroliza aluminiului, cât şi electroliza pentru rafinarea aluminiului

sunt operaţii puternic energofage. Consumul de energie electrică este de 15 300…15 500 kWh/t, pentru electroliza aluminei, iar pentru rafinarea aluminiului este de 18 000 kWh/t.

Aliajele de aluminiu se elaborează în cuptoare cu flacără sau electrice, în creuzete din fontă sau grafit. Pentru preîntâmpinarea saturării cu fier a încărcăturii, creuzetele din fontă se acoperă cu o vopsea de protecţie (de exemplu: 15% talc, 5% sticlă solubilă, 80% apă). Se recomandă utilizarea unor scule din titan, deoarece titanul dizolvat în compoziţia aliajului de aluminiu nu dăunează proprietăţilor aliajului.

Metalele grele (Cu, Ni, Mn, Fe, Cr) se introduc în încărcătură sub formă de bucăţi de metal sau deşeuri de 10...20 mm.

Elementele cu tensiune mare de vapori şi uşor oxidabile (Mg, Zn) se introduc la sfârşitul topirii. Aliajele de aluminiu au tendinţă mare spre oxidare şi dizolvare de hidrogen, care se degajă la răcire şi formează sufluri în piese.

Rafinarea aliajelor de aluminiu se realizează cu fondanţi (halogenuri ale metalelor alcaline), cu gaze active (Cl2, care reacţionează cu hidrogenul şi îl elimină), cu gaze inerte, în vid, cu ultrasunete etc.

Modificarea aliajelor de aluminiu în vederea obţinerii unei structuri fine se face cu Ti, B, Ce, La, Zr, care se introduc în baia de metal topit sub formă de săruri


(cloruri, fluoruri). Eficacitatea modificării durează 30 minute, după care se efectuează din nou dacă turnarea nu s-a făcut.

2.5.13. Elaborarea magneziului şi a aliajelor de magneziu

Magneziul este un metal de culoare alb-argintie, care are următoarele proprietăţi:

- densitatea (la 293 K) −1,74 ⋅ 103 [kg/m3], - temperatura de topire − 923K, - temperatura de fierbere – 1 370K, - are o afinitate foarte mare faţă de oxigen, acoperindu-se la temperatura

ambiantă cu o peliculă protectoare, - în stare pură este maleabil. Cele mai răspândite forme sub care se află în natură sunt carnalita

(MgCl2⋅KCl⋅6H2O) şi dolomita (MgCO3⋅CaCO3). Pirometalurgic, magneziul se obţine din carnalită în următoarele etape

(vezi schema tehnologică din figura 2.115): - încălzirea în vederea obţinerii clorurii de magneziu (MgCl2); - extragerea electrolitică. Eliminarea apei de cristalizare din carnalită se face iniţial prin încălzire în

aer şi apoi în atmosferă de acid clorhidric, care împiedică hidroliza clorurii de magneziu anterior abţinute:

MgCl2 ⋅ 6H2O → MgCl2 ⋅ H2O +5H2O (2.176)

MgCl2⋅H2O + HCl → MgCl2 + H2O + HCl . (2.177)

Electroliza clorurii de magneziu se face în baie de săruri topite, care conţine pe lângă clorura de magneziu şi cloruri ale unor metale alcaline (K, Na, Ca), având anozi din grafit şi catozi din oţel. Magneziul lichid depus la catod se extrage prin canale de vid.

Hidrometalurgic, magneziul se obţine din dolomită în următoarele etape (vezi schema tehnologică din figura 2.115).

- solubilizarea (leşierea) dolomitei; - calcinarea concentratului; - clorurarea în vederea obţinerii clorurii de magneziu; - extragerea electrolitică. Leşierea dolomitei se face cu apă, obţinându-se hidroxidul de magneziu:

MgCO3⋅CaCO3 +2H2O → Mg(OH)2 + Ca(OH)2 + 2CO2 . (2.178)

Prin spălare şi precipitare se separă hidroxidul de magneziu, care se calcinează obţinându-se oxidul de magneziu:


Mg(OH)2 → MgO + H2O . (2.179)

Clorurarea magneziului se face într-un cuptor electric (fig.2.116) a cărui încălzire se realizează prin efectul rezistiv al rondelelor din grafit 5 aflate în contact cu electrozii din grafit 6. Clorul, introdus prin conducta 4, va asigura reacţia de clorurare care are loc în prezenţa carbonului:

Minereu de magneziu

Carnalita(MgCl 2⋅6H2O)

Clorură de magneziu(MgCl2⋅H2O)

de

Încălzireîn atmosferă

HCl

Încălzireîn aer

Mg

Uscarecalcinare

Clorurare

Clorură de magneziu

Oxid de magneziu(MgO)

Dolomita(MgCO3⋅CaCO3)

Precipitat de hidroxid demagneziu[Mg(OH)2]

Ieşiere

Electroliză

(MgCl )2

Fig. 2.115. Schema tehnologică de obţinere a magneziului.

MgO + Cl2 + C → MgCl2 + CO (2.180)

MgO + Cl2 + CO → MgCl2 + CO2 . (2.181)

Clorura de magneziu topită se evacuează prin conducta 7 direct în cuvele de elctroliză.

Aliajele de magneziu se elaborează din metale primare, prealiaje şi/sau deşeuri, în cuptoare cu creuzet, cu flacără sau electrice (cu rezistenţă sau inducţie).

Aliajele pe bază de magneziu trebuie protejate în timpul elaborării împotriva oxidării şi dizolvării gazelor, în special a hidrogenului. Pentru aceasta, topirea încărcăturii se face sub flux de protecţie care este format din halogenuri (MgCl2, KCl, BaCl2, CaF2).

Alierea se realizează astfel: - manganul se introduce sub formă de prealiaj (Al+Mn) sau sub formă de


clorură de mangan (MnCl2); - aluminiul se introduce întotdeauna după mangan; - zincul se introduce la sfârşitul alierii; - beriliul şi siliciul se introduc sub formă de prealiaje (Mg+Be, Mg+Si); - zirconiul se introduce sub formă de fluoruri duble de sodiu sau potasiu şi

zirconiu (K2ZrF6, Na2ZrF6); - ceriul şi borul se introduc după rafinare pentru că reacţionează cu clorul

şi se pierd.

Cl 2

1

2

3

4

5

67

6

8

MgCl 2

Fig. 2.116. Schema de principiu a cuptorului de clorurare:

1 - instalaţie de încărcare; 2 - cuptor; 3 - aglomerat de oxid de magneziu şi cărbune; 4 - conductă de alimentare cu clor; 5 - rondele din grafit; 6 - electrozi de grafit; 7 - conductă de evacuare a clorurii

de magneziu; 8 - orificiu de evacuare a gazelor.

Rafinarea aliajelor de magneziu se face prin insuflare în baia metalică a clorului gazos care reacţionează cu hidrogenul şi îl elimină.

Modificarea aliajelor de magneziu, care au tendinţa să formeze o structură grosolană, se face cu Zr, Ti, B, V + Ti, Ti + B în cantităţi sub 0,1%. Adaosul de Zr (0,5... 0,6%) conduce la creşterea de 1,5 ori a rezistenţei la rupere, de 2 ori a alungirii la rupere şi la creşterea coroziunii sub sarcină.


2.5.14. Elaborarea plumbului

Plumbul este un metal de culoare gri, cu luciu metalic în suprafaţă proaspăt aşchiată, având următoarele proprietăţi:

- densitatea (la 293 K)−11,39 ⋅ 103 kg/m3; - temperatura de topire − 600 K; - temperatura de fierbere − 2 017 K; - conductivitatea termică la (293 K) − 3,47 ⋅10-3 J/m⋅s⋅K; - caracteristicile mecanice sunt prezentate în tabelul 2.11; - are o rezistenţă la coroziune deosebită; - are o plasticitate deosebit de mare.

Tabelul 2.11. Caracteristicile mecanice ale plumbului

Starea Rezistenţa la rupere prin tracţiune, R [MPa]

Alungirea la rupere, [%]

Duritatea [HB]

Turnat 11-13 30-40 3,2-4,5 Deformat 15 - 3...4,8 Recopt 1,12 60-70 -

Galena (PbS) este cel mai răspândit minereu de plumb. Cel mai utilizat procedeu de extragere a plumbului este cel pirometalurgic. Etapele de extragere a plumbului sunt următoarele (vezi schema

tehnologică din figura 2.117): îmbogăţirea minereului, prăjirea aglomerată, topirea reducătoare, rafinarea termică, rafinarea electrolitică.

Îmbogăţirea minereului în vederea obţinerii concentratului plumbos se face prin flotaţie.

Prăjirea oxidantă a concentratului plumbos se face fie pe benzi de aglomerare, fie în cuptoare de aglomerare rotative.

În urma prăjirii oxidante se obţine oxidul de plumb:

2PbS + 3O2 → 2PbO + 2SO2 . (2.182)

Această reacţie trebuie să aibă loc la temperaturi de peste 1 073 K, deoarece la temperaturi mai mici se formează în urma oxidării sulfatul de plumb (PbSO4), care fixează într-o sare complexă o mare cantitate de plumb (PbSO4⋅xPbO). În timpul prăjirii oxidante se formează oxizi complecşi de plumb şi siliciu (xPbO⋅zSiO2 ), de plumb şi fier (xPbO⋅yFe2O3) care au temperaturi joase de înmuiere şi astfel se constituie un liant de aglomerare a oxidului de plumb în vederea topirii reducătoare.

Topirea reducătoare a aglomeratului plumbos se face în cuptorul Water - Jacket (cuptor cu cuvă foarte asemănătoare cu furnalul) a cărui schemă de principiu este prezentată în figura 2.118.

Aglomeratul plumbos mai conţine compuşi de Fe, Zn, Cu, Sb, As, Au, Ag,


Bi, Al, Mg etc. Reducerea oxizilor de plumb, stibiu, bismut este indirectă:

2C + O2 → 2CO (2.183)

2MeO + 2CO → 2Me + 2CO2 (2.184)

2PbO + 2CO → 2Pb + 2CO2 (2.185)

Cu2O + FeS → Cu2S + FeO (2.186)

Cu2O + CO → 2Cu + CO2 (2.187)

2Cu + FeS → Cu2S + Fe . (2.188)

Minereu de plumb

Concentrat de plumb

Aglomerat prăjit

Plumb brut

Plumb rafinat

Plumb catodic

Îmbogăţire prinflotaţie

Prăjireoxidantă

Topirereductoare

Rafinaretermică

Rafinareelectrolitică

4

3

2

5

67

3

1

Fig. 2.118. Schema de principiu a unui cuptor

Water - Jaket: 1 - cuva cuptorului; 2 - creuzet; 3 - guri de

Fig. 2.117. Schema tehnologică de obţinere hidrometalurgică a plumbului.

vânt; 4 - orificiu de evacuare a zgurii; 5 - orificiu de evacuare a plumbului; 6 - gura de încărcare cu dublu con; 7 - orificii de evacuare a gazelor.

Zgurificarea se realizează la temperaturi de peste 1 273K prin interacţiunea componenţilor sterili ai încărcăturii: cuarţ, var, oxizi de fier, Al2O3.

În urma topirii reducătoare, oxizii de Cu din aglomerat (0,5...2%) formează o mată cupro-plumboasă. Această mată este convertizată pentru extragerea cuprului.

Plumbul obţinut apoi în urma topirii reducătoare (97...98% Pb) cuprinde ca impurităţi: Cu, Sb, As, Bi, Au, Ag.

Decuprarea se bazează pe scăderea solubilităţii cuprului în plumb cu scăderea temperaturii. La răcirea lentă de la 873K la 700K se separă o ,,scoarţă” de


cupru (5...20%) şi Pb (50...85%). Pentru o decuprare mai avansată se adaugă sulf care fixează cuprul sub formă de sulfuri care se ridică la suprafaţă. Prin sulfurare se elimină şi fierul.

Dezantimonierea se realizează prin oxidare selectivă în cuptoare cu vatră la 973...1 173K. Odată cu Sb se elimină şi As şi Sn.

Dezargintarea se face cu ajutorul Zn, care formează cu Ag (dar şi cu Au) compuşi de forma Ag3Zn3 (Au3Zn3). La răcirea lentă aceşti compuşi se separă la suprafaţă sub formă de ,,scoarţe’’.

O parte din Zn rămâne în baia de plumb şi de aceea trebuie să se facă o dezincare. Dezincarea se poate face prin oxidare selectivă sau prin tratare cu hidroxid de sodiu sau clorură de sodiu:

Zn + 2NaOH → Na2O⋅ZnO + H2 . (2.189)

Rafinarea electrolitică constă în dizolvarea anodică şi depunerea catodică în urma căreia se obţine plumb cu puritatea de 99,96...99,99%.

Aliajele pe bază de plumb se pot elabora în orice fel de cuptoare, în creuzete de grafit, fontă sau oţel, pentru că se autoprotejează (la suprafaţa băii de metal topit se formează o peliculă galbenă de oxid de plumb compactă).

Alierea cu metale greu fuzibile (Cu, Ni) se realizează cu prealiaje. Aceste prealiaje se introduc imediat după topirea plumbului, iar baia de metal topit se agită continuu. Staniul se adaugă, întotdeauna, ultimul în aliaj.

Aliajul Pb + Sn + Sb se realizează astfel: se încălzeşte prealiajul Pb + Sb la 653 K şi apoi se adaugă plumb şi staniu.

Aliajele antifricţiune Pb + Ca se elaborează din prealiaje Pb + Ca şi plumb. Prealiajul Pb + Ca se elaborează în baza reacţiei:

15Pb + CaC2 + 4CaCl2 → 5Pb3Ca + 2CCl4. (2.190)

Rafinarea aliajelor de plumb se face prin amestecarea cu clorură de amoniu, care reacţionează cu impurităţile de zinc sau aluminiu şi le elimină în zgură.

2.5.15. Elaborarea zincului

Zincul este un metal de culoare gri deschis cu reflexe albăstrui, prezentând luciu metalic. Are următoarele proprietăţi:

- densitatea la (293K) − 7,13⋅103 kg/m3; - temperatura de topire − 692,5K; - temperatura de fierbere − 1 179K; - conductivitatea termică − 1,13⋅102 J/m⋅s⋅K; - are o rezistenţă mare la coroziune; - se prelucrează numai prin turnare (are o turnabilitate foarte bună) şi prin

aşchiere.


Zincul se află în minereuri sub formă de sulfură de zinc (ZnS - aceste minereuri au conţinut redus de zinc - sub 10%) sau sub formă de oxid de zinc (ZnO - minereuri mai bogate, dar cu răspândire mai mică).

Operaţiile de extragere pirometalurgică a zincului din minereu, conform schemei tehnologice din figura 2.119 sunt: îmbogăţirea şi aglomerarea minereului, prăjirea oxidantă, reducerea şi rafinarea.

Îmbogăţirea minereului se face prin flotaţie selectivă. Pentru a separa concentratul plumbos de concentratul zincos prin flotaţie selectivă sunt necesare cheltuieli mari şi de aceea se separă un concentrat plumbo-zincos, din care se extrag ambele metale, care apoi se separă.

Prăjirea oxidantă se aplică în cazul sulfurilor de zinc:

2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2. (2.191)

Minereu de zinc

Concentrat sulfuros de zinc

Concentrat prăjit

Zinc brut

Zinc rafinat


Prăjire oxidantă

Reducere

Rafinare

În acelaşi timp se oxidează şi sulfurile de Fe, Cu, Cd, As, Sb.

Prin prăjire se realizează şi aglomeratul deoarece apar compuşi cu temperatură mai mică de topire care favorizează aglomerarea. Se recomandă ca prăjirea oxidantă să se facă la o temperatură de peste 1 173K pentru a se evita formarea sulfaţilor.

Reducerea oxizilor de Zn, Pb, Cd etc. se poate face direct (cu C) sau indirect (cu CO) după reacţiile:

ZnO+CO → Zn + CO2 , (2.192) Fig. 2.119. Schema tehnologică de obţinere

pirometalurgică a zincului. ZnO +C → Zn + CO. (2.193)

Reducerea se poate face în instalaţii cu retortă orizontală (fig.2.120) sau cu retortă verticală.

În cuptorul - retortă se încarcă aglomeratul de zinc (70...73%) şi reducătorul (27...30%) format din cărbune brun, antracit sau cocs măcinat. Se pot introduce şi deşeuri de ZnO. După reducere zincul vaporizat împreună cu cadmiul şi gazele de cuptor trec în condensator, unde 90...95% din cantitatea de zinc se condensează formând baia metalică, iar restul de zinc şi cadmiul se depune sub formă de oxizi în alonja de oţel. Gazele de cuptor se elimină prin orificiile de evacuare a gazelor.

Un procedeu tot mai răspândit este procedeul ISP (Imperial Smelting Process), care constă în topirea reducătoare a aglomeratului plumbo-zincos într-un cuptor asemănător celui Water-Jacket, prevăzut la partea superioară cu două condensatoare speciale pentru zinc (fig. 2.121). În acest caz, încărcătura este


formată din aglomerat, cocs şi fondant (var). Produsele topirii reducătoare sunt:

7 3 1

5 4 26 Fig. 2.120. Schema de principiu a unui cuptor cu retortă orizontală (Birkengang):

1 - retortă; 2 - încărcătură; 3 - condensator; 4 - baia de zinc lichid; 5 - alonjă; 6 - praf de zinc; 7 - orificiu de ieşire a gazelor.

11 1012 11101 2

161615 1554 6

7

8

13

14 14

13

12

3 99

Fig. 2.121. Schema de principiu a instalaţiei I.S.P. pentru topirea reducătoare şi distilarea

aglomeratelor plumbo-zincoase: 1 - sistem de încărcare cu dublu con; 2 - cuptor; 3 - încărcătura; 4 - creuzet; 5 - guri de vânt;

6 - orificiu de evacuare a zgurei; 7 - orificiu de evacuare a plumbului; 8 - antecreuzet; 9 - canale de legătură la condensator; 10 - condensator pentru zinc; 11 - rotoare; 12 - coş de evacuare a gazelor;

13 - canal de întoarcere a plumbului şi zincului; 14 - baie de separare a zincului; 15 - canal de răcire; 16 - pompă de plumb.

plumbul brut care se colectează în creuzetul 4, dizolvând o mare cantitate de metale preţioase aflate în concentrat (Ag, Au), vaporii de zinc, care trec în amestecul de gaze din cuptor aflate la peste 1 273K, şi zgura, care se acumulează în creuzet.


Condensatorul pentru zinc 10 este prevăzut cu rotoarele 11, care au scopul de a creea o ploaie-ceaţă de plumb pentru mărirea eficacităţii condensării zincului. Circuitul format din canalul de întoarcere 13, baia de separare a zincului 14, canalul de răcire 15, şi pompa de plumb 16, au rolul de a permite recircularea plumbului de condensare şi separarea zincului condensat. Separarea zincului de plumb se face în baia de separare, prin licuaţie (răcire lentă şi separare prin solidificare a zincului).

Rafinarea termică a zincului se poate face prin licuaţie în cuptoare cu vatră sau prin distilare, care constă în vaporizări şi condensări succesive.

Distilarea (rectificarea) se bazează pe diferenţa mare dintre temperaturile de fierbere ale zincului (1 080K), cadmiului (1 038K), plumbului (2 013K).

Schema instalaţiei de rectificare este prezentată în figura 2.122. Instalaţia este formată din două coloane de distilare, care au în interior şicane în calea fluxurilor de lichid care coboară şi de vapori care urcă.

1100°C

800°C

1200°C

2

1

5

6

7

3

4

8

Coloana a Coloana b700°C

Fig. 2.122. Schema de principiu a instalaţiei de rectificare a zincului:

1 - gură de alimentare cu zinc brut; 2 - deflegmatorul coloanei de plumb; 3 - evaporatoare; 4 - cuptoare de încălzire (epuizatoare); 5 - condensator de zinc; 6 - deflegmatorul coloanei de

cadmiu; 7 - condensatorul de cadmiu; 8 - cuptoare de licuaţie.

Partea inferioară a unei coloane (epuizatorul 4), este încălzită cu gaze calde, iar partea superioară (deflegmatorul 2 şi 6) este doar izolată pentru a nu se răci prea


mult vaporii de metal. Zincul brut, care alimentează coloana de separare a plumbului prin canalul 1, se vaporizează în epuizator odată cu cadmiul, urcă în deflegmator şi se condensează în condensatorul de zinc 5. La baza coloanei de plumb se colectează plumb topit, care conţine destul de mult zinc dizolvat în picături de plumb. Zincul lichid din condensatorul de zinc trece în coloana de separare a cadmiului, unde, în epuizator, cadmiul se evaporă, traversează deflegmatorul şi se colectează în condensatorul de cadmiu. La partea inferioară, în cuptorul 8, se colectează zinc pur.

Deflegmatoarele au scopul de a condensa vaporii de plumb ce însoţesc vaporii de zinc (coloana a) şi, respectiv, vaporii de zinc care însoţesc vaporii de cadmiu în coloana b.

Plumbul brut se rafinează termic. Zincul rafinat prin această metodă are o puritate de 99,99%.

Soluţie de sulfaţi+

+ CdSO )

Minereu de zinc

Concentrat zincos

Concentrat prăjit


Prăjire

Solubilizare

Soluţie de sulfat dezinc

catodic

Purificare

Electroliză

4ZnSO

4(ZnSO 4+FeSO4CuSO

Zn

4

Etapele de elaborare hidro-metalurgică a zincului sunt prezentate în schema tehnologică din figura 2.123. Îmbogăţirea minereului, con-centrarea, aglomerarea şi prăjirea oxidantă sunt aceleaşi ca şi în cazul extragerii pirometalurgice.

Solubilizarea concentratului zincos se face cu acid sulfuric:

ZnO+H2SO4→ZnSO4+H2O (2.194)

ZnS+H2SO4→ ZnSO4+H2S . (2.195)

În acelaşi timp cu sulfatul de Zn se formează şi trec în soluţie şi sulfaţi de Fe, Al, Cu, Cd, Pb, As, Sb. Prin hidroliză se îndepărtează din soluţie, prin precipitare, hidroxizii de Al, Fe, Pb, As, Sb.

Eliminarea soluţiei de sulfat

Fig. 2.123. Schema tehnologică de obţinere hidrometalurgică a zincului.

de Cu şi de Cd se face prin cementare cu pulbere de zinc:

CuSO4 + Zn → Cu + ZnSO4 (2.196)

CdSO4 + Zn → Cd + ZnSO4 . (2.197)

Prin filtrare se obţine soluţie pură de ZnSO4. Extragerea electrochimică a Zn (cu anozi din Pb şi catozi din Al) permite

obţinerea unei purităţi de 99,99%.


2.5.16. Elaborarea nichelului şi a aliajelor de nichel

Nichelul este un metal alb-argintiu, cu luciu metalic, având următoarele proprietăţi:

- densitatea la (293 K) − 8,85⋅103 kg/m3 - temperatura de topire − 1 728 K; - temperatura de fierbere − 3 183 K; - prezintă proprietăţi magnetice; - are o rezistenţă la coroziune foarte bună; - este deosebit de ductil. Nichelul se găseşte în minereuri sub formă de oxizi (NiO), de sulfuri (NiS),

sulfuri duble de nichel şi fier (FeNiS), arseniuri (NiAs). În minereul de nichel se găsesc şi compuşi de cupru şi astfel, prin îmbogăţirea minereului de nichel, creşte şi conţinutul în cupru al minereului.

Mată de nichelNi 3S2+ impurităţi

Nichel brut

Nichel catodic

Prăjireoxidantă

Rafinareelectrolitică

Minereu de nichel

Aglomerat prăjit

Mată cupro-nicheliferă(Ni S +Cu S+

Prăjireoxidantă

Topirepentru mată

Solubilizare

Licuaţie

2 impurităţi)3 2

şi

Fig. 2.124. Schema tehnologică de obţinere

pirometalurgică a nichelului.

Etapele de elaborare piro-metalurgică a nichelului sunt urmă-toarele (vezi schema tehnologică de obţinere a nichelului prezentată în figura 2.124):

- prăjirea oxidantă a minereului; - topirea pentru mată; - convertizarea matei; - reducerea oxidului de nichel; - rafinarea electrolitică. Prăjirea oxidantă şi apoi topirea

pentru mată vor permite formarea matei cupro-nichelifere:

6NiS + 6FeS + 3SiO2 + 11O2 →

→ Ni2S3 + 3Fe2SiO4 + 8SO (2.198)

2Cu2O + 2FeS + SiO2 →

→ 2Cu2S + Fe2SiO4 . (2.199)

Separarea sulfurilor de nichel şi de cupru se bazează pe proprietatea că

cele două sulfuri au solubilitate diferită în sulfura de sodiu şi pe licuaţie: la răcirea lentă a soluţiei de sulfuri, sulfura de cupru se separă la suprafaţă cu cel mult 10% impurităţi (printre care şi nichel), iar sulfura de nichel se separă la fundul vasului conţinând cel mult 5% impurităţi (printre care şi cupru).

Sulfura de nichel se supune operaţiei de prăjire oxidantă:

Ni3S2 + 5 O2 → 3 NiO2 + 2 SO2 . (2.200)


Extragerea nichelului brut se face prin reducere directă sau indirectă:

NiO + C → Ni + CO , (2.201)

NiO + CO → Ni + CO2 . (2.202)

Nichelul brut are aproximativ 5% impurităţi (Cu, Fe, C, Si, metale preţioase). Rafinarea nichelului brut se face prin dizolvare anodică şi depunere catodică, în soluţie de sulfat de nichel (NiSO4), acid boric (H3BO3) şi sulfat de sodiu (Na2SO4).

Aliajele de nichel se elaborează în cuptoare cu inducţie. Încărcătura metalică, formată din deşeuri şi aliaje, nichel metalic, metale de aliere trebuie protejată sub un strat de fondant protector (format din: sticlă, borax Na2B4O7, fluorină, sodă calcinată), deoarece nichelul dizolvă foarte uşor gazele din atmosfera cuptorului.

Elementele de aliere se introduc astfel: - cuprul se încarcă odată cu nichelul; - fierul se introduce sub formă de feroaliaj Cu+Fe; - cromul şi manganul se introduc sub formă de metale sau feroaliaje

Fe+Cr, Fe+Mn; - aluminiul se introduce în topitură la sfârşitul elaborării. Dezoxidarea aliajelor de nichel se realizează cu magneziu sau mangan

astfel:

NiO + Mg → Ni + MgO , (2.203)

NiO + Mn → Ni + MnO . (2.204)

Magneziul îndeplineşte şi rolul de desulfurant (dacă este cazul):

Ni3S2 + 2Mg→ 3Ni + 2MgS . (2.205)

2.5.17. Elaborarea titanului şi a aliajelor de titan

Titanul este un metal de culoare gri-argintie, care are următoarele proprietăţi:

- densitatea la (293K) − 4,31⋅103 kg/m3; - temperatura de topire − 1 998 K; - temperatura de fierbere − 3 673 K; - conductivitatea termică la (293 K) − 16,74 J/m⋅s⋅K; - caracteristicile mecanice sunt date în tabelul 2.12; - la temperatură înaltă (peste 1 000K) are o mare afinitate faţă de oxigen,

hidrogen, azot, gaze cu conţinut de carbon, devenind foarte fragil. Titanul se găseşte în natură sub formă de dioxid de titan (TiO2 - rutil) sau

sub forma unui oxid dublu de fier şi titan (FeO⋅TiO2 - ilmenit). Minereurile de titan


sunt foarte sărace şi de aceea se supun unor operaţii intense de concentrare - îmbogăţire gravitaţională, magnetică, prin flotaţie etc. Concentratul de titan conţine 37...45% rutil, 40...50% oxid de fier şi alte impurităţi.

Tabelul 2.12. Caracteristicile mecanice ale titanului

Rezistenta la rupere, R

[MPa]

Alungirea la rupere, [%]

Limita de curgere [MPa]

Modulul de elasticitate, E

[MPa] 267...879 11...40 140-774 98 500-112 000

Prelucrarea metalurgică a minereurilor de titan urmăreşte obţinerea fie a ferotitanului, fie a titanului metalic. Ferotitanul se obţine pirometalurgic prin topirea directă a minereului, asemănător feroaliajelor.

Titanul metalic se obţine hidrometalurgic (vezi schema tehnologică din figura 2.125). Etapele de elaborare a titanului sunt următoarele:

- solubilizarea concentratului de titan prin clorurare; - reducerea clorurii de titan (TiCl4) în vederea obţinerii buretelui de titan; - distilarea buretelui de titan; - retopirea în vid pentru obţinerea titanului metalic.

Burete pur de titan

Titan

Distilare

Retopireîn vid

Concentrat de titan

Tetraclorură de titan

Burete brut de tiran

Minereu de titan Îmbogăţire

magnetică şi

Clorurare

ReducereTiCl4 ) (

gravitaţională,

prin flotaţie

Clorurarea concentratului de minereu de titan are loc în cuptoare electrice cu arc, în prezenţa carbonului (fig.2.126). Încărcătura este formată din brichete de rutil şi cocs sau din zguri titanifere şi cocs. Prin introducerea clorului în cuptor, la temperaturi de 973...1 073K, are loc reacţia de clorurare:

TiO2 + 2C + 2Cl2 → TiCl4 + 2CO (2.206)

Produsele reacţiei, aflate în stare gazoasă, sunt separate de particulele solide în deprăfuitorul 6, iar tetraclorura de titan este condensată în condensatorul 7. Circuitul de recirculare a tetraclorurii de titan lichidă, format din rezervorul 8, pompa

Fig. 2.125. Schema tehnologică de obţinere a titanului.

9, conducta 10 şi răcitorul 11 are rolul de a forma în condensator o ploaie - ceaţă de tetraclorură de titan care măreşte eficienţa

condensării. Tetraclorura de titan se purifică apoi prin filtrare. Extragerea titanului din tetraclorura de titan se face prin reducere cu magneziu în retorte cu atmosferă de argon (fig. 2.127):

TiCl4 + 2Mg → Tiburete + 2MgCl4 . (2.207)


124

3

2

1

11

10

987

65

2

Cl2

Fig. 2.126. Schema de principiu a instalaţiei de clorurare:

1 - cuptor de clorurare; 2 - electrozi din grafit; 3 - încărcatura brichetată de concentrat; 4 - sistem de încărcare a cuptorului; 5 - conductă de evacuare a vaporilor de clorură de titan;

6 - deprăfuitor; 7 - coloană de condensare; 8 - rezervor cu clorură de titan brută; 9 - pompă; 10 - conductă de recirculare; 11 - răcitor.

Buretele de titan, impurificat cu magneziu şi clorură de magneziu se depune la baza retortei. Purificarea buretelui de titan se face prin distilare în vid în urma căreia se obţine buretele pur de titan. Titanul metalic se obţine prin retopire în arc electric în vid.

TiCl

6

5

4

3

2

1

7 Ar4

8

Fig. 2.127. Schema de principiu a instalaţiei de reducere a clorurii de titan:

1 - cuptor; 2 - burete de titan; 3 - lingouri de magneziu; 4 - retorta de reducere; 5 - capacul retortei; 6 - capacul cuptorului; 7 - orificiu de încărcare cu clorură de titan; 8 - orificiu de evacuare a clorurii

de magneziu.

Aliajele de titan se elaborează în cuptoare electrice cu arc sau cu inducţie, cu atmosferă inertă sau în vid. Creuzetul din cupru, grafit sau oxid de toriu este prevăzut cu un orificiu obturat cu burete de titan.


Acest orificiu are propriul sistem de încălzire cu inducţie, aşa încât, după topirea componentelor aliajului şi omogenizare, dopul din burete de titan se topeşte prin inducţie şi aliajul curge în lingotiera care se află în aceeaşi atmosferă controlată cu cuptorul de elaborare.

2.6. CLASIFICAREA ŞI STANDARDIZAREA PRINCIPALELOR

MATERIALE METALICE UTILIZATE ÎN CONSTRUCŢIA DE

SISTEME TEHNOLOGICE

2.6.1. Noţiuni introductive

Criteriile utilizate pentru clasificarea materialelor metalice se referă la compoziţia chimică, structura, modul de obţinere a materialelor, domeniul de utilizare etc. Nici unul dintre aceste criterii nu reuşeşte, el singur, să asigure o clasificare cuprinzătoare a materialelor.

Pentru clasificarea prezentată în figura 2.128 s-au utilizat mai multe criterii, prin întrepătrundere, astfel încât oricare material folosit în practica industrială să poată fi încadrat într-o categorie sau alta.

cu fibre

Convenţionale

Materialemetalice

FonteOţeluri

Cu, Al, Zn, Sn, Mg, Pb, Ti etc.

Aliaje

de:

Cu, Zn, Al, Pb,Mg, Ti etc.

Pure

Neferoase

Neconven-ţionale

Me-Oxid MeEutecticeDisperse

Compozitecu particulecu filamente

Cu aer

Compuse

fagurispongioase

placate

metalizatebombardate

Acoperite

ionic

Feroase

pe bază

Fig. 2.128. Clasificarea materialelor metalice utilizate în construcţia sistemelor tehnologice.


Este de menţionat că dinamica dezvoltării materialelor, creşterea exigenţelor, abordarea unor noi domenii au condus la mai rara folosire sau chiar la dispariţia unor materiale şi la apariţia altora noi. Spre exemplu, în prezent, în practica industrială se folosesc foarte rar metalele pure şi se folosesc pe scară largă aliajele acestor metale, care au proprietăţi net superioare. Odată cu creşterea exigenţelor au apărut, se dezvoltă şi se răspândesc tot mai mult materialele compozite, ceramica tehnică etc.

Materialele utilizate în practica industrială sunt definite în cadrul standardelor de stat, denumite pe scurt STAS-uri. Acestea sunt norme cu caracter de lege şi conţin următoarele date referitoare la un material:

- denumirea materialului; - modul de simbolizare; - calităţile de materiale (mărcile) la care se referă standardul respectiv; - compoziţia chimică; - proprietăţile fizico-chimice, mecanice, tehnologice şi modul de apreciere

a acestora; - forma de livrare, dimensiuni; - modul de marcare. Materialele metalice se împart în două mari categorii: feroase şi neferoase. La rândul lor materialele feroase se împart în fonte şi oţeluri, iar

materialele neferoase se împart în grupe în funcţie de metalul de bază: cuprul şi aliajele de cupru, aluminiul şi aliajele de aluminiu, magneziul şi aliajele de magneziu, zincul şi aliajele de zinc, plumbul şi aliajele de plumb etc.

Materialele nemetalice şi cele neconvenţionale vor fi prezentate în capitole separate.

2.6.2. Fontele

Fontele se clasifică în două mari categorii: - fonte brute sau fonte de primă fuziune sau fonte pentru turnătorie; - fonte de a doua funziune sau fonte turnate în piese. Fontele de primă fuziune se clasifică după compoziţia chimică în fonte

brute nealiate (având conţinuturile de Mn şi Si sub 5%) şi fonte brute aliate (având conţinutul de Mn şi Si peste 5%, precum şi elemente de aliere ca Ni, Cu, Cr, V), iar după structură în fonte albe şi fonte cenuşii. În fontele albe, carbonul se află numai sub formă de ferită sau cementită şi de aceea, în spărtură, aceste fonte prezintă o culoare alb - sidefie. În fontele cenuşii, carbonul se află şi în stare liberă sub formă de lamele de grafit şi de aceea, în spărtură, aceste fonte prezintă culoarea cenuşie.

Conform standardelor în vigoare, fontele de primă fuziune şi simbolurile lor sunt următoarele:

- fonte obişnuite pentru turnătorie - FK 0, . . ., FK 5; - fonte speciale pentru turnătorie - FX 1, . . ., FX 7;


- fonte pentru afinare - FAK 0, . . .,FAK 4; - fonte oglindă - FOg; - fonte silicoase - FS; - fonte silicoase oglindă - FSOg; Literele din simbol sunt urmate, de regulă, de o cifră care indică ordinea

din standard a fontei respective (de fapt, compoziţia chimică dată în tabel la numărul de ordine respectiv).

În cazurile fontelor pentru turnătorie, ale fontelor speciale pentru turnătorie şi al fontelor pentru afinare, după cifra de ordine din standard poate urma un grup de trei cifre care indică în ordine:

- prima cifră - conţinutul mediu de Mn în%; - a doua cifră - conţinutul mediu de P în zecimi de%; - a treia cifră - conţinutul mediu de S în sutimi de%. Spre exemplu, FK2-125 este o fontă obişnuită pentru turnătorie cu numărul

de ordine în standard 2 care conţine în medie 1% Mn, 0,2%P şi 0,05%S. Fontele de a doua fuziune (sau fontele turnate în piese) şi simbolurile lor

sunt următoarele:

Fonte

Fonte de prima fuziune

Fonte de a doua fuziune

Fonte obişnuiteFonte specialeFonte pentru afinareFonte oglindăFonte silicioaseFonte silicioase oglindă

Fonte cenuşii cu grafit lamelarFonte maleabileFonte cu grafit nodularFonte refractareFonte antifricţiuneFonte pentru maşini-unelte

FKFX

FAKFOgFS

FSOg

FCFmp

FgnFrCr

FmAFcX

2 - 125-4

3-1241

21

200350; Fmp 380; Fmp 420

450-71,5-1

300 Fig. 2.129. Clasificarea fontelor.

- fonte cenuşii cu grafit lamelar (exemplu: Fc200), se caracterizează prin proprietăţi mecanice bune (R = 100 - 400MPa), duritate medie (120 - 360 HRB), turnabilitate foarte bună şi aşchiabilitate relativ bună, (în simbol, cifrele indică rezistenţa minimă la rupere la tracţiune în MPa);

- fonte maleabile (exemplu: Fma300 sau Fmp450 sau Fmn400), se caracterizează prin proprietăţi mecanice foarte bune (R poate ajunge la 700 MPa, duritate medie 200 - 270HRB), turnabilitate bună şi aşchiabilitate relativ bună; în simbol literele a, n sau p indică structura obţinută în urma tratamentului termic de maleabilizare aplicat fontei albe din care se obţine: dacă grafitul se separă pe un fond de ferită, fonta se numeşte cu inimă neagră (n), dacă se separă pe un fond de perlită fonta se numeşte perlitică (p) sau (a) inimă albă (cifrele indică rezistenţa minimă la rupere la tracţiune în MPa);


- fonte cu grafit nodular (exemplu: Fgn450-5 sau Fgn420-12), aceste fonte se obţin prin tratamentul de modificare cu Mg care conduce la separarea grafitului sub formă de noduli şi se caracterizează prin rezistenţă mecanică foarte bună (R poate ajunge la 700 MPa, duritate medie 200-300 HRB, turnabilitate foarte bună şi aşchiabilitate relativ bună (în simbol, primele cifre indică rezistenţa minimă la rupere la tracţiune şi cel de-al doilea grup de cifre indică alungirea la rupere în procente);

- fonte refractare (exemplu: FrCr1,5), se caracterizează printr-o refractaritate înaltă, iar elementele de aliere din compoziţie pot afecta atât turnabilitatea cât şi aşchiabilitatea (în simbol este indicat elementul de aliere ce conferă refractaritatea şi conţinutul acestuia în %);

- fonte antifricţiune (exemplu: FcA-1 sau FgnA-2 sau FmA-1), se obţin prin aliere sau microaliere şi în funcţie de structura lor pot fi cenuşii, cu grafit nodular sau maleabile; au foarte bune proprietăţi antifricţiune şi de rezistenţă la uzare (în simbol se precizează grupa din care face parte fonta, caracterul antifricţiune şi ordinea în standard);

- fonte pentru maşini-unelte (exemplu: FcX300), se caracterizează printr-o structură fină şi caracteristici mecanice bune (R poate ajunge la 350 MPa) au o bună capacitate de amortizare a vibraţiilor; prin tratament termic (CIF) se poate atinge duritatea de 450 HRB (în simbol se indică rezistenţa minimă la rupere la tracţiune în MPa).

În figura 2.129 este prezentată o clasificare sintetică a fontelor.

2.6.3. Oţelurile

2.6.3.1. Criteriile de clasificare a oţelurilor

Criteriile de clasificare a oţelurilor sunt multiple. Astfel, conform diagramei Fe-C (sistemul Fe - Fe3 C) oţelurile sunt:

- hipoeutectoide (C < 0,77%); - eutectoide (C = 0,77%); - hipereutectoide (0,77% < C < 2,06%). Din punctul de vedere al compoziţiei chimice oţelurile pot fi: - nealiate sau oţeluri carbon care conţin în cantităţi mici în afară de Fe şi C

o serie de elemente însoţitoare (Mn ≤ 0,8%; P ≤ 0,06%; S ≤ 0,05%); - aliate care conţin în afara elementelor obişnuite şi elemente de aliere

introduse cu scopul de a îmbunătăţi unele dintre propietăţile materialului. Din punctul de vedere al conţinutului de Si oţelurile pot fi: - oţeluri carbon necalmate (sub 0,27%C şi sub 0,07% Si) - oţeluri carbon semicalmate (0,10 ... 0,35%C şi sub 0,17%Si);


O

ELURI

turnate

oţeluri carbon

oţeluri pentru autoturisme ,,Dacia 1300''table groase de oţel pentru podurile şi viaductele peste Borcea

oţeluri aliate pentru construcţii mecaniceoţeluri aliate refractare şi anticoroziveoţeluri rezistente la uzareoţeluri inoxidabile

cu desti-

pentru

şi structuri

deformateplastic

precizată

oţeluri electrotehnice cu grăunţi orientaţi

table şi benzi electrotehnice cu grăunţi

oţeluri pentru pinioaneoţeluri rezistente la uzareoţeluri pentru bandaje de roţi de vehiculepentru calea ferată

oţeluri pentru organe de asamblareoţeluri pentru rulmenţioţeluri pentru arcurioţeluri pentru ţevioţeluri pentru supapeoţeluri pentru motoare termiceoţeluri pentru deformare plastică la receoţeluri rezistente în mediu de hidrogen

oţeluri de uz generaloţeluri cu rezistenţă mărită la coroziune

oţeluri cu granulaţie finăoţeluri pentru îndoire la receoţeluri cu limita de curgere peste 500 MPa

oţeluri pentru precomprimarea betonuluioţeluri pentru aparate şi recipiente sub presi-

oţeluri pentru aparate şi recipiente sub

oţeluri pentru construcţii navale

une utilizate la temperaturi obişnuite şi înalte

presiune utilizate la temperaturi joase

oţeluri pentru armarea betonului

oţeluri carbon obişnuitoţeluri carbon de calitate pentru piese

oţeluri aliate pentru piese tratate termicoţeluri inoxidabile şi refractareoţeluri pentru prelucrări pe maşini-unelte

neorientaţi

oţeluri aliate pentru

oţeluri rapideoţeluri de scule pentru prelucrare la cald

pentruscule

oţeluri carbon de sculeoţeluri carbon de uz general

oţeluri carbon pentru prelucrare la rece

prelucrare la rece

oţeluri rezistente la uzareoţeluri foarte rezistente la uzareoţeluri rezistente la şocurioţeluri cu rezistenţă sporităla anumite medii corozive

pentruconstrucţiimecanice

construcţii

sudate

naţie

cu desti-

precisănaţie

tratate termic

automate

atmosferică

de uz general

şi Dunăre

Ţ

Fig. 2.130. Clasificarea sintetică a oţelurilor.


- oţeluri carbon calmate (0,17...0,37%Si). Toate oţelurile aliate sunt calmate. Prezenţa siliciului în compoziţia unui oţel în cantităţi specifice calmării, dă

certitudinea dezoxidării fierului. După istoria tehnologică (natura şi succesiunea operaţiilor tehnologice

suferite), oţelurile pot fi: - deformate plastic, - turnate. După domeniul de utilizare oţelurile pot fi: - pentru construcţia de maşini, - cu destinaţie generală neprecizată, - cu destinaţie generală precizată, - cu destinaţie specială, - pentru scule. O schemă de clasificare sintetică a oţelurilor este prezentată în figura

2.130. În continuare se prezintă principalele grupe de oţeluri, în conformitate cu

standardele în vigoare.

2.6.3.2. Oţelurile pentru construcţii mecanice STAS 500-80

a. Oţelurile de uz general

1) Oţelurile carbon obişnuit sunt oţeluri care prezintă proprietăţi tehnologice şi de utilizare satisfăcătoare pentru marea majoritate a cazurilor şi în plus sunt cele mai economice. Din această grupă fac parte mărcile OL30, OL32, OL34, OL37, OL42, OL50, OL60, OL70. Cifrele indică rezistenţa minimă la rupere la tracţiune în daN/mm2. Eventualele cifre sau litere (OL37n, OL60.2b) precizează garantarea unor proprietăţi mecanice sau tehnologice specifice metalurgiei.

Semifabricatele din oţeluri carbon obişnuit se obţin numai prin procedee de deformare plastică (laminare, tragere etc)

Trebuie precizat că proprietăţile mecanice ale oţelurilor de uz general diferă în funcţie de grosimea produselor (care determină viteza de răcire în secţiune în urma proceselor de prelucrare la cald) şi de istoria tehnologică. De aceea, în standard, proprietăţile mecanice sunt precizate în funcţie de dimensiunile semifabricatului din oţel de uz general şi în funcţie de operaţiile la care a fost supus: tras (T), cojit - tras (CT), tras - recopt (TR), tras - recopt şlefuit (TS) şi cojit (C).

2) Oţelurile carbon de calitate (STAS 880-80; STAS 7450-79) sunt oţeluri elaborate prin tehnologii metalurgice specifice, pentru a conţine elemente reziduale şi incluziuni cât mai reduse, având o compoziţie chimică precisă astfel


încât să se asigure reproductibilitatea caracteristicilor mecanice în urma tratamentelor termice.

Oţelurile carbon de calitate sunt destinate fie tratamentului termochimic de cementare dacă au conţinutul de C mai mic de 0,2% (OLC10, OLC15, OLC20), fie tratamentului termic de îmbunătăţire dacă au conţinutul de C mai mare de 0,2% (OLC25, OLC35, OLC45, OLC55, OLC60).

În simbolizare, grupul de litere înseamnă oţel carbon de calitate şi grupul de cifre reprezintă conţinutul de carbon exprimat în sutimi de procente. La sfârşitul simbolului pot să apară X care indică garantarea unui conţinut mai redus de impurităţi sau o compoziţie chimică mai precis realizată sau Y care indică garanţii referitoare la structura oţelului. Spre exemplu: OLC35 = oţel carbon de calitate cu 0,35% C.

În urma tratamentului termic, oţelurile carbon de calitate prezintă valori ale limitei de curgere cuprinse între 390 şi 570 MPa şi ale rezistenţei minime la rupere la tracţiune cuprinse între 540 şi 890 MPa şi sunt caracterizate de alungire minimă la rupere cuprinsă între 20 şi 12%.

Oţelurile carbon de calitate sunt utilizate pentru construcţia pieselor supuse la solicitări medii. Semifabricatele din oţeluri carbon de calitate se obţin numai prin procedee de deformare plastică (laminare, tragere etc.)

3) Oţelurile aliate pentru piese tratate termic (STAS 791-80, STAS 7450-79, STAS 11500-80) au capacitatea de a prelua solicitări mari şi foarte mari. În urma tratamentului termic (călire + revenire înaltă sau joasă) se obţin caracteristici mecanice foarte bune : limitele de curgere sunt mai mari de 500 Mpa, ajungând în unele cazuri la peste 1100 MPa (28TiMnCr12), rezistenţele minime la rupere la tracţiune sunt mai mari de 800MPa ajungând la peste 1 300 – 1 400 MPa (de exemplu: 28TiMnCr12, 18CrNi20, 30MoCrNi20).

Simbolizarea oţelurilor aliate pentru piese tratate termic se face astfel: primul grup de cifre reprezintă conţinutul de C dat în sutimi de procente, grupul de simboluri chimice indică elementele de aliere scrise în ordinea creşterii importanţei, ultimul grup de cifre reprezintă conţinutul elementului principal de aliere dat în zecimi de procente. Spre exemplu, 28TiMnCr12 este un oţel aliat destinat construcţiilor de maşini, care are 0,28%C, este aliat cu Ti, Mn, şi cu 1,2% Cr, Cr fiind cel mai important element de aliere.

Se face precizarea că în standardele apărute înainte de 1980 privind oţelurile aliate unele elemente chimice erau simbolizate prescurtat. De exemplu: crom - C, nichel - N, mangan - M, siliciu - S, aluminiu - A, titan - T, azot - Az, cobalt - K.

Din punctul de vedere al conţinutului în elemente de aliere oţelurile aliate se clasifică în:

- oţeluri slab aliate; - oţeluri aliate; - înalt aliate.


Un oţel se consideră înalt aliat dacă suma procentelor elementelor de aliere este mai mare de 10% sau dacă conţinutul unui element de aliere este mai mare decât valorile prezentate în tabelul 2.13. Influenţa elementelor de aliere asupra proprietăţilor oţelurilor aliate este prezentată în tabelul 2.14.

Tabelul 2.13. Conţinutul în elemente de aliere

Elementul de aliere Oţeluri slab aliate [%] Oţeluri mediu aliate [%] Oţeluri înalt aliate [%] Si 0,5…1,1 1,1…6 > 6

Mn 0,8…1,8 1,8…6 > 6 Cr 0,3…0,5 0,5…6 > 6 Ni 0,3…0,5 0,5…4,5 > 4,5 Mo 0,05…0,1 0,1…1 > 1 V 0,05…0,1 0,1…1 > 1 W 0,2…0,3 0,3…4 > 4 Co 0,2…0,3 0,3…1 > 1

Se face precizarea că atât oţelurile carbon de calitate, cât şi oţelurile aliate pentru piese tratate termic prezintă caracteristici mecanice diferite în funcţie de dimensiunile semifabricatului sau piesei şi de natura tratamentului termic la care au fost supuse (amândoi factorii influenţează viteza de răcire care conduce la o anumită structură şi deci, la anumite proprietăţi).

4) Oţelurile inoxidabile şi refractare (STAS 3585-80, STAS 11523-80) Oţelurile inoxidabile au în general în compoziţia chimică mai mult de 11% Cr, cromul şi nichelul fiind principalele elemente de aliere. Oţelurile care, în plus faţă de rezistenţa la coroziune, au şi o rezistenţă mecanică bună la temperaturi ridicate se numesc refractare. Acţiunea cromului se manifestă prin formarea unui strat subţire de oxid de crom la suprafa materialului care are un efect de protecţie. Acest strat de protecţie se formează numai în medii oxidante. Nichelul contribuie la creşterea rezistenţei la coroziune în medii slab oxidante sau neoxidante.Oţelurile inoxidabile sau refractare pot conţine şi alte elemente de aliere a căror influenţă este următoarea:

- Mo şi Cu cresc rezistenţa la coroziune în medii umede; - Si, Al, W, Mo cresc rezistenţa la coroziune la temperaturi ridicate; - W, Mo, Nb, Co îmbunătăţesc caracteristicile mecanice la temperaturi atât

joase, cât şi ridicate; - S, Se, P, Pb îmbunătăţesc proprietăţile de aşchiabilitate. Oţelurile inoxidabile şi refractare se pot clasifica după structură în: - feritice; - martensitice; - ferito-austenitice; - austenitice. Structura oţelurilor inoxidabile şi refractare este influenţată de elementele

de aliere conţinute în compoziţie, astfel:

Ta

bel

ul

2.1

4. I

nflu

enţa

ele

men

telo

r de

ali

ere

asup

ra p

ropr

ietăţi

lor

oţel

uril

or (

după

G.W

.Weg

st)

Car

acte

rist

ica

Pro

prie

tăţi

mec

anic

e P

ropr

ietăţi

tehn

olog

ice

Prop

rietăţi

mag

neti

ce

E

lem

entu

l

Dur

i-ta

tea

Rez

is-

tenţ

a L

imit

a de

cur

-ge

re

Alu

n-gi

rea

Gât

u-ir

ea

Rez

ili-

enţa

E

last

i-ci

tate

a R

ezis

-te

nţa

mec

a-ni

că la

te

mpe

-ra

turi

în

alte

Vit

eza

de

răci

re

For-

mar

ea

de c

ar-

buri

Rez

is-

tenţ

a la

uz

ură

Forj

a-bi

lita-

tea

Prel

u-cr

abi-

litat

ea R

ezis

-te

nţa

la

oxid

a-re

Cap

a-ci

tate

a de

ni

tru-

rare

Rez

is-

tenţ

a la

co

ro-

ziun

e

His

te-r

ezi-

sul

Per

-m

eabi

-li

tate

a

Forţ

a co

er-

citi

vă

Re-

ma-

nen- ţa

Pier

-de

-ri

le

Sil

iciu

↑

↑

↑

↑

↓

~ ↓

↑

↑↑

↑

↓

↓

↓

↓↓

↓

↓

↓

↓

-

↑↑

↑

↑

↓↓

↓↓

M

anga

n-oţ

el

perl

itic

↑

↑

↑

~

~ ~

↑

~ ↓

~

↓↓

↓

~ ~

-

Man

gan-

oţel

au

sten

itic

↓

↓↓

↑

↓

↑

↑↑

~

- -

↓

↓

- -

↓↓

↓

↓↓

↓

↓↓

-

-

Cro

m

↑↑

↑

↑

↑↑

↓

↓

↓

↑

↑

↓

↓↓

↑

↑

↑

↓

- ↓

↓↓

↑

↑

↑↑

↑

↑

↑↑

Nic

hel-

oţel

pe

rlit

ic

↑

↑

↑

~ ~

~ -

↑

↓↓

-

↓↓

↓

↓

↓

-

-

↑

↑

↑↑

Nic

hel-

oţel

au

sten

itic

↓

↓

↑

↓

↑↑

↑

↑↑

↑

↑↑

-

↑↑

↑

↓↓

-

- ↓

↓↓

↓

↓↓

↓

↓

- ↑

↑

Alu

min

iu

- -

- -

↓

↓

- -

- -

- ↓

↓

↓

↓

↑↑

↑

-

↑

↑

↑↑

Wol

fram

↑

↑

↑

↓

↓

~

- ↑

↑↑

↓

↓

↑↑

↑

↑↑

↓

↓

↓↓

↓

↓

↑

-

↑↑

↑

↑↑

↑

↑↑

Van

adiu

↑

↑

↑

~

~ ↑

↑

↑

↑

↓↓

↑

↑↑

↑

↑↑

- ↓

↑

↑

Cob

alt

↑

↑

↑

↑

↓

↓

- ↑

↑

↓↓

↑↑

↑

↓

~ ↓

-

-

↑

↑↑

↑

↑↑

Mol

ibde

n ↑

↑

↑

↑

↑

- ↑

↑

↓↓

↑

↑

↑↑

↓

↓

↑

↑

↑↑

-

↑

Cup

ru

↑

↑

↑↑

~

~ ~

- ↑

-

- -

↓↓

↓

~ ~

- ↑

Sul

f -

- -

↓

↓

-

- -

- -

↓↓

↓

↑↑

↑

- -

↓

Fo

sfor

↑

↑

↑

↓

↓

↓

↓↓

-

- -

- -

↓

↑↑

-

-

↑-c

reşt

e; ↓

-sca

de; ~

- c

onst

ant;

- nu

infl

uenţ

ează

sau

nec

unos

cut;

mul

te săgeţi

- in

flue

nţă

impo

rtan

tă


- Cr, Mo, W, Ti, Nb, Si, Al favorizează formarea structurilor feritice (se numesc alfagene);

- Ni, C, Mn, Cu, Co favorizează formarea structurilor austenitice (se numesc gamagene).

Oţelurile inoxidabile se utilizează până la temperaturi de 300°C, iar peste 300°C se utilizează oţelurile refractare. Toate aceste oţeluri sunt înalt aliate şi ca atare se simbolizează asemănător oţelurilor aliate: 10Cr130, 10TiAlCrNi320, 8NbVMoNiCr160.

5) Oţelurile pentru prelucrări pe maşini-unelte automate (STAS 1350-80, STAS 11521-80) sunt oţeluri carbon de calitate care conţin S şi P în limite strict controlabile 0,08-0,30%S şi 0,06-0,15% P), care asigură o prelucrabilitate prin aşchiere foarte bună. Din această grupă de oţeluri fac parte oţelurile AUT12, AUT20, AUT30, AUT40Mn (STAS1350-80, grupul de cifre reprezintă conţinutul de carbon dat în sutimi de procent). De asemenea, fac parte din această grupă oţelurile aliate cu Pb care îmbunătăţeşte şi mai mult prelucrabilitatea prin aşchiere (OL56Pb, 38Cr05Pb, 18MnCr10Pb, 38MoCrAl09Pb - STAS11521-80). Sunt oţeluri cu caracteristici mecanice bune şi foarte bune, având limitele de curgere cuprinse între 350 şi 520 MPa, iar rezistenţele minime la rupere la tracţiune cuprinse între 400 şi 800 MPa.

Conţinutul suplimentar de S şi P conduc la scăderea alungirii la rupere.

b. Oţelurile pentru construcţii şi structuri sudate

1) Oţelurile de uz general sunt oţeluri carbon sau slab aliate având limite de rupere în intervalul 240-360 MPa şi tenacitatea garantată până la - 20°C. Din această grupă fac parte oţeluri carbon obişnuit (OL37, OL44, OL52), oţeluri carbon pentru ţevi (OLT35, OLT45, OLT65), produse plate sau tubulare din oţeluri pentru construcţii navale (A, B) şi microaliate cu Nb şi V (x42, x46, x52).

2) Oţelurile cu rezistenţă mărită la coroziunea atmosferică (STAS 500/1…3-80) sunt oţeluri slab aliate cu Cr, Cu şi P (RCA37) sau cu Cr, Cu şi V (RCB52). Caracteristicile mecanice sunt similare oţelurilor carbon de uz general, iar rezistenţa la coroziune atmosferică este mărită de prezenţa elementelor de aliere. Cifrele din simbol reprezintă rezistenţa minimă la rupere la tracţiune dată în daN/mm2.

3) Oţelurile cu granulaţie fină (STAS 9021-80; STAS 11082-80) sunt oţeluri slab aliate cu Al, V, Nb, Ti, cu conţinut mic de Mn, cu structură ferito-perlitică fină, având limita de curgere până la 470 MPa şi tenacitate garantată până la -50°C. Aceste oţeluri se simbolizează astfel: OCS44, în care cifrele reprezintă rezistenţa minimă la rupere la tracţiune dată în daN/mm2. Prezintă o comportare superioară la solicitări variabile în raport cu oţelurile de uz general şi au o sudabilitate foarte bună.

4) Oţelurile pentru îndoire la rece (STAS 11505-80) sunt tot oţeluri de granulaţie fină, aliate slab cu Ti, care prezintă o bună deformabilitate la rece şi


garanţii de tenacitate până la -20°C. Se simbolizează astfel: L42, în care cifrele reprezintă rezistenţa minimă la rupere la tracţiune dată în daN/mm2 (similar cu oţelurile de uz general).

5) Oţelurile cu limită de curgere peste 500 MPa (ASTM) sunt oţeluri aliate cu Mn, Mo, Ni, V şi după necesităţi cu Cr, Cu, B, care au rezistenţa minimă la rupere la tracţiune peste 700MPa, cu bune garanţii de tenacitate. Din această categorie fac parte OCS90 şi OCS90.1 în care primul grup de cifre reprezintă rezistenţa minimă la rupere la tracţiune în daN/mm2 şi al doilea grup, dacă apare, ordinea în standard.

6) Oţelurile pentru armarea betonului (STAS 438/1-80) sunt oţeluri carbon sau carbon-mangan de tipurile OB37 având limită la curgere mai mare de 240 MPa, PC60 având limita de curgere mai mare de 430MPa sau OL37 - cifrele simbolizează rezistenţa minimă la rupere la tracţiune dată în daN/mm2. Se livrează sub formă de sârme, bare netede sau profilate periodic şi sub formă de plase, care se utilizează la armarea betonului.

7) Oţelurile pentru precomprimarea betonului (STAS 6482/2-80) sunt oţeluri carbon cu limtă de curgere peste 1 800 MPa. Caracteristica mecanică superioară se obţine prin tragere la rece şi detensionare. Aceste oţeluri sunt SBP şi SBPA.

8) Oţelurile pentru aparate şi recipiente sub presiune utilizate la temperaturi normale şi înalte (STAS 2883/3-80; STAS 8184 - 80; STAS 11523-80) sunt oţeluri carbon (K41, K47, K52- simbolizarea este similară oţelurilor carbon de uz general), oţeluri carbon-mangan (OLT35K, OLT45K) sau oţeluri aliate cu Mo, Cr şi în unele cazuri cu V şi W. Se caracterizează printr-o limită la curgere garantată la variaţii de temperatură într-o gamă largă (0 ... 640°C).

9) Oţeluri pentru aparate şi recipiente sub presiune utilizate la temperaturi joase (STAS2883/2-80; STAS10382-80; STAS11502-80) sunt oţeluri carbon sau carbon-mangan, microaliate cu Al şi V, din clasa oţelurilor cu granulaţie fină şi prezintă garanţii de tenacitate până la -110°C. Din această grupă fac parte oţelurile de tipurile R 37, R 44, R 52, R 55, R 58 (simbolizare similară oţelurilor carbon de uz general). Se livrează în general sub formă de produse plate (RV52) microaliate cu vanadiu (0,05...0,07%), sub formă de tablă groasă, sub formă de ţevi (OLT35R, OLT45R) şi sub două mărci de oţeluri aliate (09Mn16, 10Ni35).

10) Oţelurile pentru construcţii navale şi platforme marime (STAS 8324-80) sunt oţeluri realizate în conformitate cu prescripţiile tehnice ale Registrului Naval Român şi sunt similare celor din grupa oţelurilor de uz general sau de granulaţie fină. Din această grupă fac parte oţelurile A, D, E microaliate cu Al care se utilizează pentru nave de mic tonaj; A32, D32, E32 microaliate cu Al şi Cu care se utilizează pentru construcţia navelor de tonaj media; A36, D36, E36 microaliate cu Cu, Al, Nb, V şi care se utilizează pentru nave de mare tonaj şi platforme marine. Principala particularitate a acestor oţeluri rezultă din regulile specifice de calcul în domeniul naval, care constă în asigurarea, la fiecare clasă de oţel, a unor


valori unice ale tensiunii de calcul indiferent de grosimea produsului. Pentru a compensa efectele metalurgice, cauzate de diferitele viteze de

răcire ce rezultă după laminare sau tratamentul termic aplicat din cauza grosimilor diferite ale materialelor, se dirijează compoziţia chimică şi se adoptă soluţii tehnologice adecvate.

Pricipalul factor de influenţă asupra caracteristicilor materialului pentru asigurarea unui nivel de sudabilitate satisfăcător este compoziţia chimică şi deoarece aceasta este variabilă de la o marcă de oţel la alta, normele navale prescriu pentru fiecare clasă de oţel valori maxime admise pentru conţinutul de C şi Mn şi pentru calculul carbonului echivalent. Pentru mărcile A, D şi E relaţia de calcul a carbonului echivalent este:

6

%Mn%CC +=e , (2.208)

iar pentru celelalte mărci relaţia de calcul este:

15

%Cu%Ni

5

%V%Mo%Cr

6

%Mn%CC

++

++++=e . (2.209)

Carbonul echivalent este un indicator sintetic determinant în proiectarea unui proces tehnologic de sudare.

c. Oţelurile cu destinaţie precizată

1) Oţelurile pentru organe de asamblare sunt oţeluri care au ca principală caracteristică, pe lângă rezistenţa mecanică bună, o sensibilitate minimă la efectul de concentrator de tensiune, care este dat de existenţa filetului. Din această grupă pot face parte oţeluri carbon de uz general, oţeluri carbon de calitate, oţeluri pentru prelucrare pe maşini-unelte automate, oţeluri aliate. O largă răspândire o au oţelurile aliate cu Mn şi B conform STAS 11511-80 (20MnB5).

2) Oţelurile pentru rulmenţi sunt oţeluri caracterizate de o mare duritate obţinută în urma tratamentului termic (~ 60HRC). Din această grupă fac parte oţeluri aliate cu Cr, Ni sau Mo cum ar fi RUL1, RUL2 (STAS 1456-80) sau 55SiMo (STAS 11507-80), 13CrNi35, 90VMoCr180 (STAS 11523-80). În cadrul simbolului specific (RUL1 sau 2), cifrele reprezintă ordinea în standard.

Oţelurile pentru rulmenţi rafinate în vid (RUL1v, RUL2v, RUL3v, - STAS 11250-80) sunt identificate prin litera v de la sfârşitul simbolului.

Oţelurile pentru rulmenţi sunt caracterizate de proprietăţi mecanice dependente atât de marca oţelului şi de tratamentul termic aplicat, cât şi de istoria tehnologică a materialului. De aceea, uneori, în simbolizare apar precizări cum ar fi: A1 - laminat, A2-recopt + cojit; B1 - laminat + recopt, B2 - cojit, B3 - recopt + tras, C1 - cojit + netezit, C2 - tras + recopt, C3 - şlefuit.

3) Oţelurile pentru arcuri pot fi oţeluri carbon de calitate (OLC65A,


OLC85A - STAS 795-80) care au un conţinut mediu de Mn cuprins între 0,30 şi 0,80% şi oţeluri aliate pentru arcuri (40Si17A, 51VCr11A, 35MoCr16A şi multe altele cuprinse în STAS 795-80, STAS 11151A-80, STAS 11523-80). În simbol, A indică domeniul de utilizare al oţelului respectiv: pentru arcuri.

Principalele elemente de aliere cuprinse în compoziţia oţelurilor pentru arcuri sunt Si, Mn, Cr, iar pentru dirijarea structurii şi îmbunătăţirea proprietăţilor se utilizează V, Mo, Ti, Ni.

Oţelurile pentru arcuri sunt caracterizate de o limită de elasticitate foarte mare (peste 700 MPa), rezistenţă la oboseală ridicată, stabilitate a caracteristicilor mecanice în timp, în condiţii specifice de mediu şi temperatură, caracteristici de plasticitate adecvate tehnologiei de obţinere a arcurilor.

4) Oţelurile pentru ţevi pot fi oţeluri carbon pentru ţevi (STAS 8183-80), oţeluri aliate pentru ţevi (STAS 791-80) şi oţeluri inoxidabile pentru ţevi.

Mărcile de oţel carbon pentru ţevi sunt OLT35, OLT45 şi OLT65 (cifrele indică rezistenţa minimă la rupere la tracţiune dată în MPa). Există mărci de oţel pentru ţevi utilizate la temperaturi scăzute, simbolizate printr-un R adăugat la sfârşitul simbolului (OLT35R, OLT45R).

Oţelurile aliate şi inoxidabile pentru ţevi se simbolizează asemănător oţelurilor aliate.

5) Oţelurile pentru supape de motoare termice sunt oţeluri aliate cu Cr, Si (principalele elemente de aliere) şi Ni, Mo, Mn, W, după caz. Sunt caracterizate de o bună comportare la fluaj, la solicitări variabile, au o mare rezistenţă la coroziune şi eroziune la temperaturi ridicate şi în mediu de CO2, CO, N, H2, hidrocarburi nearse, SO2, SO3, SH3, specifice motoarelor cu ardere internă.

Mărcile de oţeluri pentru supape de motoare termice sunt: 45SiCr90, 53NiMnCr210, 45WNiCr180.

6) Oţelurile pentru deformare plastică la rece sunt oţeluri carbon cu maximum 0,10% C, care se livrează sub formă de produse plate (table sau benzi) având grosime mai mică de 3 mm. Aceste oţeluri au caracteristici deosebite de deformabilitate la rece. Mărcile A1, A2 şi A3 (STAS 9485-80) au rezistenţe la rupere cuprinse între 270 şi 410 MPa şi sunt destinate produselor obţinute prin ambutisare obişnuită (A1), adâncă (A2) şi foarte adâncă (A3). Mărcile A4 şi A5 au rezistenţe la rupere între 270 şi 370 MPa şi sunt destinate unor produse obţinute prin ambutisare adâncă şi foarte adâncă (caracteristici auto).

7) Oţelurile rezistente în mediu de hidrogen în cadrul interacţiunii cu mediul de hidrogen apare fenomenul de fragilizare prin hidrogen, care se manifestă diferit în funcţie de temperatura de exploatare:

- la temperaturi sub 220°C, acţiunea hidrogenului se manifestă prin scăderea capacităţii de deformare plastică a oţelurilor, cu tendinţă de comportare fragilă la rupere. Fragilizarea oţelului se manifestă atât prin incapacitatea oţelului de a rezista coroziunii fisurante sub tensiune în prezenţă de hidrogen, cât şi formării de sufluri (blister) cu tendinţă de distrugere ulterioară - fisurarea indusă de


hidrogen; - la temperaturi de peste 220°C, hidrogenul provoacă descompunerea unor

carburi prezente în masa oţelului cu formare de amorse, ceea ce conduce la formarea de fisuri.

Principalele caracteristici ale oţelurilor rezistente în mediu de hidrogen sunt următoarele:

- permeabilitatea la difuzia hidrogenului; - valoarea tensiunii limită la care nu se produc fenomene de coroziune

fisurantă sub sarcină. Mărcile de oţel care fac parte din această categorie sunt: 10MoCr50 (STAS

8184-80), 12MoCr90 (STAS 11522-80) şi G52/28 care este un oţel microaliat cu Cr, Mo, Cu, Al, V, Nb şi Ni.

8) Oţelurile pentru pinioane (STAS 11512-80) sunt oţeluri aliate cu Cr, Ni, Mo şi se caracterizează printr-o rezistenţă ridicată la oboseală în urma tratamentului termochimic de cementare.

Se simbolizeză similar oţelurilor aliate de uz general: 17CrNiMo6. 9) Oţelurile rezistente la uzare (STAS 11513-80) sunt oţeluri aliate cu Mn

şi se caracterizează prin apariţia unui puternic fenomen de ecruisare sub sarcină. Se simbolizează similar oţelurilor aliate de uz general : 40Mn10.

10) Oţelurile pentru bandaje de roţi de vehicule pentru calea ferată (STAS 112-80) sunt oţeluri aliate în special cu Mn, iar simbolizarea indică domeniul de utilizare: V - vagoane, L - locomotive, LD- locomotive diesel.

11) Oţelurile cu grăunţi orientaţi (STAS 11526-80) sunt oţeluri aliate cu Si livrate sub formă de tablă sau benzi. Simbolizarea acestor mărci de oţeluri (FeM89-27) indică pierderile specifice la magnetizare în mW/kg, prin primele cifre, şi grosimea nominală a tablelor în sutimi de mm prin al doilea grup de cifre.

12) Table şi benzi electrotehnice cu grăunţi neorientaţi (STAS 11508) sunt executate din oţeluri aliate cu Si. Simbolizarea acestor mărci de oţeluri (TEM45 sau BEM 43) cuprinde informaţii asupra modului de livrare (T - tablă, B - bandă) şi rezistenţa minimă la rupere la tracţiune în MPa. În simbol pot să apară precizări asupra izolaţiei existente pe suprafeţele tablelor sau benzilor: C0 - fără izolaţie, C3 - izolaţie organică etc.

d. Oţelurile cu destinaţie precisă

1) Oţelurile pentru autoturisme ,,Dacia 1300” sunt oţeluri aliate asimilate după licenţele franceze.

2) Table groase de oţel pentru poduri şi viaducte peste Borcea şi Dunăre sunt oţeluri de tipul oţelurilor carbon obişnuite microaliate cu V, caracterizate prin tenacitate bună la temperaturi obişnuite şi joase şi sudabilitate foarte bună - simbolizare OL37BD, OL52BD - în care cifrele indică rezistenţa minimă la rupere la tracţiune în daN/mm2 şi BD arată destinaţia oţelului).


e. Oţelurile turnate

1) Oţelurile carbon turnate în piese (STAS 600-82) sunt oţeluri similare oţelurilor carbon obişnuite, dar semifabricatele se obţin prin turnare. Se simbolizează astfel: OT400, sau OT500, sau OT600, în care T indică faptul că oţelul este turnat în piese, iar cifrele indică rezistenţa minimă la rupere la tracţiune în MPa.

2) Oţelurile aliate turnate în piese (STAS 1773-76) sunt oţeluri aliate cu Mn, Cr, Mo, Ni, V, Si. Se simbolizează astfel: T35Mn14, sau T30MoCrNi15, în care T indică faptul că oţelul este turnat în piese şi în rest simbolizare similară oţelurilor aliate.

3) Oţelurile aliate refractare şi anticorozive (STAS 6855-78) sunt oţeluri înalt aliate cu Cr, iar ca elemente secundare de aliere mai conţin Si, Mn, Mo, Ti, Ni. Se simbolizează similar oţelurilor aliate turnate în piese.

4) Oţelurile rezistente la uzare (STAS 3718-63) sunt oţeluri austenitice manganoase turnate în piese având un conţinut foarte ridicat de C (peste 0,9% C până la 1,4%) şi de Mn (între 11,5 şi 14,5%). Se simbolizează similar oţelurilor aliate turnate în piese.

5) Oţelurile inoxidabile (STAS 10718-82) sunt oţeluri înalt aliate cu Cr şi Ni pe lângă care mai apar Mo, W, Ti, Si, V. Se simbolizează similar oţelurilor aliate turnate în piese.

2.6.3.3. Oţelurile pentru scule

f. Oţelurile carbon pentru prelucrare la rece

1) Oţelurile carbon pentru scule (STAS 1700-90) sunt oţeluri carbon de calitate, cu conţinut ridicat de carbon (OSC7, OSC8, OSC8M, OSC10, OSC11, OSC12 - în care cifrele indică procentul de C dat în zecimi de procent). O marcă aparte de oţel carbon pentru scule este OSC8M care se utilizează pentru fabricarea sculelor pentru prelucrarea materialelor nemetalice.

2) Oţelurile carbon de uz general sunt oţelurile carbon cu conţinut de carbon cuprins între 0,38% şi 0,65%, având conţinutul de Mn, Si, P şi S mai ridicat decât în cazul oţelurilor carbon pentru scule. Se utilizează pentru fabricarea unor scule de mână, scule utilizate în agricultură (OL50, OL60, OL70, OLC45, OLC55, OLC65).

g. Oţelurile aliate pentru prelucrări la rece

1) Oţelurile rezistente la uzare (STAS 3611-88) sunt oţeluri aliate cu Mn, Cr, W conţinând V şi un procent de C cuprins între 0,9 şi 1,3%.

2) Oţelurile foarte rezistente la uzare (STAS 3611-88) sunt oţeluri înalt aliate cu Cr (aproximativ 12% Cr), cu un conţinut de 1 - 1,5% C, având structură ledeburitică. Sunt caracterizate printr-o stabilitate dimensională bună la


tratamentul termic de călire. 3) Oţelurile rezistente la şocuri (STAS 3611-88) sunt oţeluri

hipoeutectoide, având conţinutul de carbon între 0,60 şi 0,65%. Cele mai utilizate mărci de oţeluri sunt 51Si17A, 56Si17A, 41MoCr11, 45VSiCrW20.

4) Oţelurile cu rezistenţă sporită în anumite medii corozive (STAS 3583-80) sunt oţeluri inoxidabile martensitice, cu călibilitate ridicată, cu rezistenţă bună la coroziune atmosferică şi în mediu coroziv alimentar sau medical. Cele mai utilizate mărci sunt 30Cr130 şi 90VMoCr180.

h. Oţelurile pentru scule pentru prelucrarea la cald

Aceste oţeluri sunt caracterizate prin: - stabilitate a caracteristicilor mecanice la temperaturi ridicate; - rezistenţă la şoc mecanic şi termic; - stabilitate dimensională şi a formei în urma tratamentului termic (în cazul

oţelurilor pentru matriţe); - prelucrabilitate bună. Sunt oţeluri aliate cu W, Cr, Mo, V. Se simbolizează similar cu oţelurile

aliate.

i. Oţelurile rapide (STAS 7382-88)

Sunt aliate în principal cu W, V, Mo, Co, conţinând carbon între 0,7 şi 1,03% şi sunt caracterizate printr-o mare rezistenţă la uzare şi o foarte bună stabilitate a proprietăţilor la cald. Aceste proprietăţi se datorează structurii ledeburitice, bazate pe existenţa unor carburi complexe ale elementelor de aliere. Mărcile de oţel rapid sunt Rp1, Rp2, Rp3, Rp5, Rp9, Rp10, în care cifrele indică ordinea în standard.

2.6.4. Metalele şi aliajele neferoase

2.6.4.1. Criterii de clasificare a metalelor şi aliajelor neferoase.

În practica industrială sunt utilizate foarte mult atât metalele cât şi aliajele neferoase. Metalele neferoase se pot clasifica după următoarele criterii:

- după densitate: - metale uşoare (Al, Mg, V, Ti etc) având densitatea sub 5 000 kg/m3; - metale cu densitatea medie, între 5 000 kg/m3 şi 10 000 kg/m3 (Cu, Sn, Zn); - metale grele (Pb, Ag, Au, Hg, Ni, Pt etc.) având densitatea peste 10 000 kg/m3;

- după temperatura de topire:


- metale uşor fuzibile (Pb, Sn, Zn, Ag) având temperatura de topire sub 1000 K; - metale greu fuzibile (Cu, Si, Cr, Co etc) având temperatura de topire cuprinsă între 1 000 şi 2 000 K; - metale refractare (W, Mo etc) având temperatura de topire peste 2 000 K.

Cele mai utilizate metale neferoase sunt : cuprul, aluminiul, manganul, titanul, zincul, cromul, nichelul, plumbul şi aliajele acestora.

2.6.4.2. Cuprul şi aliajele de cupru

Cuprul şi aliajele de cupru se simbolizează în conformitate cu STAS 270/1-88 SR ISO 1190/1 şi SR 1901190/2 privind simbolizarea materialelor şi simbolizarea stărilor.

Cuprul nealiat se simbolizează prin simbolul chimic urmat de conţinutul minim în procente şi o literă având semnificaţia: k - catodic, b - fără oxigen, p - dezoxidat cu fosfor.

Mărcile de cupru sunt: Cu99,50, Cu99,90, Cu99,90p, Cu99,95, Cu99,95k, Cu99,97b, Cu99,97k, Cu99,98b, Cu99,99k.

Cuprul are proprietăţi mecanice relativ reduse (de exemplu, rezistenţa la rupere la tracţiune este 250…350 MPa). Are conductivitate termică şi electrică foarte bună, proprietăţi de deformabilitate foarte bune, sudabilitate scăzută, aşchiabilitate foarte bună şi rezistenţă la coroziune mică.

După natura lor aliajele de cupru sunt împărţite în: - bronzuri - aliaje ale cuprului cu staniul sau cu aluminiul sau cu

plumbul; - alame-aliaje ale cuprului cu zincul; - alpaca-aliaj al cuprului cu nichelul şi zincul; - aliaje cupru-argint, sub formă de bare şi benzi pentru industria electro-

tehnică şi electronică. După tehnologia de semifabricare, aliajele de cupru pot fi deformate plastic

sau turnate. Aliajele de cupru se simbolizează prin simbolul chimic al cuprului, urmat

de simbolurile chimice ale elementelor de aliere şi procentul mediu, în ordine descrescătoare. De exemplu, un bronz cu 6% staniu se simbolizează: CuSn6, o alamă cu 40% nichel având şi 1% Pb se simbolizează: CuNi40Pb1, iar alpacaua cu un conţinut 60...64% cupru, 17...19% nichel şi restul zinc se simbolizează: CuNi18Zn20.

În conformitate cu SR ISO 1190/1, aliajele de cupru de turnătorie conţin în simbol un prefix care indică procedeul de turnare: GS - turnare în amestec de turnare, GM - turnare în cochilă, GZ - turnare centrifugală, GC - turnare continuă, GP - turnare sub presiune, GC - turnare cu vibrare. În plus, există posibilitatea ca


simbolul materialului să fie urmat de simbolizarea stării. Stările de bază pot fi: M - brut; O - recopt; H - ecruisat; T - tratat termic.

Astfel un bronz cu 6% Sn, conţinând 5% Pb şi 4% Zn turnat în cochilă, ecruisat se simbolizează: GMCuSn6Pb5Zn4H.

În conformitate cu STAS 270/1-88, menţiunea T - turnat se introduce în simbol la sfârşit. Astfel, acelaşi exemplu de mai sus va fi CuSn6Pb5Zn4T; nu se fac specificări asupra procedeului de turnare în simbol, cu toate că în standard caracteristicile mecanice sunt date în funcţie de tehnologia de turnare.

Bronzurile se caracterizează prin proprietăţi mecanice mai bune decât ale cuprului, o turnabilitate net superioară şi rezistenţă la coroziune foarte bună. Proprietăţile bronzurilor pot fi influenţate dacă se adaugă în compoziţie diverse elemente de aliere, ca:

- aluminiul - îmbunătăţeşte turnabilitatea şi plasticitatea; - siliciul - măreşte fluiditatea; - manganul - îmbunătăţeşte elasticitatea şi rezistenţa electrică; - plumbul - îmbunătăţeşte plasticitatea şi proprietăţile antifricţiune; - nichelul - măreşte rezistenţa mecanică şi rezistivitatea electrică; - beriliul şi titanul - măresc rezistenţa mecanică (de exemplu CuBe3 are o

rezitenţă la rupere la tracţiune σr = 650 ... 1 250 MPa şi CuTi4 are σr = 1 500MPa). Alamele prezintă proprietăţi mecanice superioare atât cuprului, cât şi

bronzurilor obişnuite. Se caracterizează prin bune proprietăţi de turnabilitate, foarte bune proprietăţi de deformabilitate, rezistenţă la coroziune. În plus, prin adăugarea în compoziţie a anumitor elemente de aliere se influenţează favorabil unele proprietăţi, astfel:

- plumbul micşorează coeficientul de frecare; - fierul şi manganul măreşte rezistenţa la rupere; - aluminiul măreşte duritatea; - siliciul creşte fluiditatea; - staniu măreşte rezistenţa la coroziune; - nichelul favorizează formarea unei structuri fine şi conferă un aspect

strălucitor.

2.6.4.3. Aluminiul şi aliajele de aluminiu

Aluminiul are culoare alb-argintie, este un metal foarte uşor (ρ = 2 700 kg/m3), are temperatura de topire 933K şi conductivitate termică şi electrică foarte bune, rezistenţă bună la coroziune atmosferică. Proprietăţile mecanice ale aluminiului sunt prezentate în tabelul 2.10.

Are foarte bune proprietaţi de deformabilitate (se poate lamina în foi cu grosimea de până la 0,005 mm). Proprietăţile de turnare sunt afectate de retasură şi coeficientul de contracţie liniară mari. Proprietăţile de turnare se îmbunătăţesc prin alierea cu siliciu, mangan, nichel, cupru. Se aşchiază greu, încărcând tăişurile sculelor. Proprietăţile de aşchiabilitate se îmbunătăţesc prin aliere cu zincul,


manganul şi cuprul. Se sudează în condiţii speciale (atmosferă protectoare) pentru că prezintă o afinitate foarte mare faţă de oxigen.

STAS 7607/1-90 precizează mărcile de aluminiu electrolitic şi aluminiu tehnic pur. Simbolizarea se face prin simbolul chimic urmat de conţinutul minim în procente. Aluminiul tehnic pur are puritate cuprinsă între 99 şi 99,8% (Al99; Al99,3;...Al99,8), iar aluminiul electrolitic are puritate cuprinsă între 99,90 şi 99,99% (Al99,90; Al99,95; Al99,97; Al99,99). Excepţie de la simbolizare face aluminiul pentru electronică (AlE), în al cărui simbol nu este indicată puritatea de 99,5%, ci destinaţia.

Prin aliere se pot obţine aliaje de aluminiu cu proprietăţi deosebite, astfel: - proprietăţi mecanice superioare, cum ar fi duraluminiul (Al-Cu-Mg) sau

aliaje Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu care au rezistenţă la rupere la tracţiune cuprinse între 500 şi 600 MPa;

- rezistenţă înaltă la coroziune (Al-Mg, Al-Cu; Al-Mg-Si); - proprietăţi antifricţiune (Al-Sb-Pb, Al-Sn, Al-Cu-Si-Fe); - proprietăţi de rezistenţă mecanică la temperaturi înalte (Al-Cu-Mg; Al-

Cu-Mn; Al-Cu-Li); - proprietăţi de rezistenţă mecanică la temperaturi joase (Al-Cu-Mg-Si; Al-

Zn-Mg-Cu; Al-Mg). Simbolizarea aliajelor de aluminiu deformate plastic se face în

conformitate cu STAS 7608-88 prin simbolul chimic urmat de simbolurile elementelor de aliere şi procentul acestora în ordinea descrescătoare. De exemplu, un aliaj de aluminiu, deformat plastic, conţinând 8,5% Si şi 3,5% Cu se simbolizează: AlSi8,5Cu3,5.

În cazul aliajelor de aluminiu turnate în piese conform STAS 201/2-80, în simbol se precizează şi procedeul de turnare: ATN - aliaj turnat în formă de amestec de formare, ATC - aliaj turnat în cochilă, ATP - aliaj turnat sub presiune. Astfel, un aliaj de aluminiu turnat în cochilă conţinând 8% Si şi 3%Cu se simbolizează ATCSi8Cu3 şi acelaşi aliaj turnat în forme din amestec de formare se simbolizează ATNSi8Cu3.

Dacă aliajul de aluminiu este turnat în blocuri (STAS201/1-80) nu se specifică procedeul (de exemplu, ATSi8Cu3).

2.6.4.4. Zincul şi aliajele de zinc

Au o bună rezistenţă la coroziune atmosferică datorită proprietăţilor electrochimice. Au proprietăţi mecanice reduse: rezistenţa la rupere a zincului turnat este Rm = 20-30 MPa, iar alungirea la rupere nulă. Zincul prezintă fragilitate la rece, dar între 323 şi 393K se poate lamina şi forja (se pot lamina în foi cu grosimea de 0,050 mm). În stare laminată, zincul are proprietăţi mecanice mai bune:(Rm = 140-180 MPa).

Zincul este caracterizat de proprietăţi bune de turnare. Simbolizarea zincului este similară cu a celorlalte materiale neferoase:


Zn 99,6 - zinc cu puritate de 99,6%. Aliaje de zinc cu aluminiu şi cupru, cunoscute şi sub numele de zamak se

pretează excelent pentru turnare. Simbolizarea aliajelor de aluminiu se face în conformitate cu STAS

6925/1-86 şi STAS 6925/2-86, indicându-se elementele de aliere, procentul acestora, precum şi procedeul de turnare. De exemplu, un aliaj de zinc având 4% aluminiu, 1% cupru turnat în cochilă se simbolizează astfel: ZnAl4Cu1TC.

2.6.4.6. Aliajele pentru lipire

Aliajele pentru lipire pot fi: aliaje pentru lipirea moale (la temperaturi sub 723K) cu conţinut de staniu, plumb, cadmiu şi zinc (STAS 96-87) şi aliaje pentru lipirea tare (la temperaturi peste 723K) de tipul alamelor (STAS 204-77).

Se simbolizează prin litera B care indică aliajul de lipit, simbolul chimic şi procentul materialului de bază, simbolurile elementelor de aliere în ordinea descrescătoare a conţinutului (dacă un element este conţinut în aliaj sub 2% se trece în paranteză) şi temperaturile solidus şi lichidus, în grade Celsius, ale aliajului respectiv (dacă aliajul este eutectic se trece numai temperatura eutectică). De exemplu, un aliaj pentru lipit pe bază de 80% cadmiu, conţinând staniu şi argint peste 2% fiecare, având temperatura solidus 2600C şi temperatura lichidus 2700C se simbolizează astfel: BCd80SnAg260-270.

2.6.4.7. Aliajele antrificţiune

Aliajele antifricţiune sunt de două categorii: - aliaje antifricţiune pe bază de staniu, plumb şi aluminiu (STAS 202-80),

care se utilizează pentru construcţia cuzineţilor; - aliaje antifricţiune pe bază de cupru sau aluminiu (STAS 11271-85), care

se utilizează pentru construcţia lagărelor cu pereţi subţiri. Aliajele antifricţiune pentru cuzineţi se simbolizează prin litera Y urmată

de simbolul chimic al metalului de bază, cu sau fără conţinutul în procente şi simbolurile elementelor de aliere şi conţinutul în procente. De exemplu: Y - Sn89; Y - PbSn6Cd5.

Aliajele antifricţiune pentru lagăre cu alunecare cu pereţi subţiri se simbolizează prin prima literă a simbolului chimic al metalului de bază şi primele litere ale simbolului chimic şi conţinutul mediu în procente ale elementelor de aliere. De exemplu, un aliaj pe bază de cupru, conţinând 20...26% plumb şi 1...3% staniu se simbolizează CP23S2, iar un aliaj pe bază de alumniu, având 5,7...7,7% staniu şi 0,7... 1,2% nichel, se simbolizează AS6N1.

2.6.4.8. Aliajele uşor fuzibile

Aliajele uşor fuzibile (STAS 11958-84) sunt destinate construcţiei pieselor sau elementelor de legătură ce trebuie să se distrugă la o anumită temperatură


limită, pentru a scoate din serviciu utilajul care ar putea fi avariat la temperaturi superioare. Sunt aliaje conţinând în principal bismut, plumb, staniu şi cadmiu.

Se simbolizează prin AF şi un număr care reprezintă temperatura de topire sau temperatura de pierdere a proprietăţilor mecanice, dacă este urmat de un X, de exemplu: AF90, AF115X.

2.7. ALEGEREA MATERIALULUI OPTIM PENTRU

CONFECŢIONAREA UNEI PIESE

Calitatea materialelor folosite la realizarea unei piese sau a unei maşini, utilaj sau aparat, împreună cu concepţia de proiectare şi tehnologia de fabricaţie, determină nivelul performanţelor tehnico-economice pe care piesa (produsul) le poate atinge. De aceea, în prezent, se constată pe plan mondial o sporire continuă a preocupărilor pentru o utilizare cât mai raţională a materialelor, având ca obiectiv principal creşterea eficienţei şi competitivităţii maşinilor, utilajelor şi aparatelor.

O alegere optimă a unui material, pentru o anumită destinaţie, este o problemă deosebit de complexă ce trebuie rezolvată de proiectant, în principiu aceasta însemnând alegerea acelui material care îndeplineşte cerinţele minime de rezistenţă şi durabilitate ale piesei, în condiţiile unui preţ de cost minim şi a unei fiabilităţi sporite. Tendinţa de a alege materiale superioare cerinţelor minime de rezistenţă şi durabilitate ale piesei este inadecvată din punct de vedere economic şi nu contribuie la creşterea performanţelor tehnice ale produsului în care este înglobată piesa respectivă. De aici rezultă că rolul proiectantului este deosebit de important nu numai în stabilirea concepţiei de bază a proiectării procesului tehnologic, ci şi în determinarea cât mai corectă a cerinţelor minime impuse materialului şi alegerea acestuia în consecinţă.

Având în vedere diversitatea foarte mare de piese şi produse şi respectiv de materiale din care acestea pot fi confecţionate este practic aproape imposibil de a stabili o metodă general valabilă şi riguros ştiinţifică, care să permită optimizarea alegerii materialului.

De obicei, se mizează pe experienţa proiectantului şi pentru o alegere rapidă a materialului se pleacă de la câteva date referitoare la: solicitările din timpul exploatării, condiţiile de exploatare (temperatură, presiune, viteză, mediul de lucru), clasa din care face parte piesa şi condiţiile de execuţie. Abordarea problemei în acest mod este neeconomică deoarece nu valorifică corespunzător toate caracteristicile materialului. De aceea, în continuare se va prezenta o metodă de alegere a materialului optim numită metoda de analiză a valorilor optime. Această metodă are la bază valorificarea la maximum a întregului ansamblu de proprietăţi funcţionale, tehnologice şi economice ale materialului în condiţiile concrete de realizare a piesei proiectate. Metoda, uşor aplicabilă în condiţiile actuale ale dezvoltării metodelor de calcul rapid şi al existenţei de softuri


specializate, presupune rezolvarea următoarelor etape: 1 - stabilirea rolului funcţional al piesei, a tehnologicităţii construcţiei şi a

condiţiilor economice de funcţionare ale acesteia: se rezolvă, aşa după cum s-a văzut în paragrafele anterioare folosind metoda de analiză morfofuncţională a suprafeţelor;

2 - determinarea şi stabilirea factorilor analitici ai problemei alegerii materialului optim: se face luând în considerare întregul ansamblu de proprietăţi funcţionale (fizice, chimice, mecanice, electrice, magnetice, optice, nucleare şi estetice), proprietăţi tehnologice (turnabilitatea, deformabilitatea, uzinabilitatea, sudabilitatea şi călibilitatea) şi proprietăţi economice (preţ de cost, consum de energie, combustibili convenţionali, materie primă, poluare etc.);

3 - descompunerea factorilor analitici în elemente primare: se face ţinând cont de condiţiile rezultate din etapele 1 şi 2, luându-se în considerare cel puţin proprietăţile: conductibilitatea termică, temperatura de topire, temperatura de vaporizare, viscozitatea, densitatea, rezistenţa la coroziune, refractaritatea, elasticitatea, rigiditatea, plasticitatea, fragilitatea, fluajul, tenacitatea, rezistenţa la rupere, rezistenţa la curgere, rezistenţa la oboseală, conductivitatea electrică, permeabilitatea magnetică, diamagnetismul, paramagnetismul, opacitatea, absorbţia, rezistenţa la pătrundere a radiaţiilor etc. Toţi factorii primari sunt prezentaţi într-un graf materiale - proprietăţi, de forma celui prezentat în tabelul 2.15;

4 - aprecierea cantitativă a factorilor analitici: se face folosind un anumit sistem de notare, în funcţie de valoarea fiecărei proprietăţi k acordându-i-se o notă tk (se poate folosi sistemul de notare 1...3 sau 1...10 sau 1...100, în funcţie de precizia ce se vrea obţinută);

Tabelul 2.15. Graful Materiale - Proprietăţi

Nr. Proprietăţi P1 P2 Pm Obs crt. Materiale V1 t1 V2 t2 ....... ....... Vn tn

1 M1

2 M2

3 M3

: : : : n Mn

Mi = Materialul; Pi = Proprietatea; Vi = Valoarea proprietăţii; ti = nota acordată proprietăţii

5 - stabilirea ponderii importanţei fiecărui factor primar se face ţinând cont de datele rezultate din etapele 1 şi 3 acordând fiecărei proprietăţi k o pondere dk. În stabilirea ponderii trebuie îndeplinită condiţia:

∑=

=m

kkd

1

1 , (2.210)


în care m reprezintă numărul de factori primari. Stabilirea ponderii importanţei factorilor este o problemă deosebit de

dificilă, rezolvarea ei presupunând îmbinarea mai multor cunoştinţe de specialitate, precum şi rezolvarea corectă a etapei 1;

6 - alegerea soluţiei optime la momentul dat: se face aplicând criteriul

∑=

=⋅m

kkk dt

1

maxim ; (2.211)

7 - analiza soluţiilor din punct de vedere al utilităţii lor şi stabilirea condiţiilor de înlocuire economică a unui material cu alt material: se face în situaţia în care, la momentul dat, materialul optim rezultat în etapa 6 nu se află la dispoziţia executantului, sau în situaţia în care se doreşte proiectarea unui material, care să îndeplinească condiţiile rezultate din etapele 1…5. Pentru aceasta, se întocmeşte şi se optimizează o funcţie obiectiv, care ţine cont cel puţin de următoarele date generale de pornire:

0011

PCGPCG ⋅<⋅ (2.212)

0

0

1

1

G

E

G

E< (2.213)

0

0

1

1

G

CP

G

CP< (2.214)

0

0

1

1

G

Q

G

Q mpmp< (2.215)

000111 etfetf PPPPPP ∪∪≡∪∪ (2.216)

01 tt PP ≡ (2.217)

.........;0101 ccmm RRRR ≥≥ (2.218)

în care G0 este greutatea materialului înlocuit; G1 - greutatea materialului care înlocuieşte; PC0 - preţul de cost al materialului înlocuit; PC1 - preţul de cost al materialului care înlocuieşte; E0 - energia consumată pentru producerea cantităţii G0 de material înlocuit; E1 - energia consumată pentru producerea cantităţii G1 de material care înlocuieşte, CP0 - coeficient poluare mediu ca urmare a producerii materialului înlocuit; CP1 - coeficient poluare mediu rezultat la producerea materialului care înlocuieşte; Qmp0 - cantitatea de materie primă utilizată pentru producerea de G0 material în locuit; Qmp1 - cantitatea de materie primă utilizată pentru producerea de G1 material care înlocuieşte; Pf0; Pt0; Pe0 - proprietăţile funcţionale şi respectiv tehnologice şi economice ale materialului înlocuit; Pf1; Pt1;


Tabelul 2.16. Gama de variaţie a câtorva proprietăţi şi un exemplu de sistem de notare

Nr. crt Proprietatea Gama de variaţie Nota Obs. 0 1 2 3 4 1 Densitatea materialului ρ < 5,0 3 în [kg/dm3]; 5,0 ... 10,0 2

> 10,0 1 2 Conductibilitatea termică CT < 0,2 1 în [cal⋅/cm⋅s⋅°C]; [w/m⋅K] 0,2 ... 0,4 2 > 0,4 3

3 Rezistenţa la coroziune RC < 0,02 3 viteza de coroziune în [mm/an] 0,02 ... 0,05 2 > 0,05 1

4 Duritatea HB < 90 1 în [HB] 90 ... 160 2 > 160 3

5 Modul de elasticitate E < 106 1

în [daN/cm2]; 106...2,0 ⋅106 2

> 2⋅ 106 3

6 Rezistenţa la rupere Rm < 35,0 1 în [daN/mm2]; 35,0 ... 60,0 2

> 60,0 3 7 Rezistenţa la curgere a < 700 1 materialului Rp0,2 700 ... 1500 2 în [N/mm2]; > 1500 3

8 Rezistenţa la oboseală σ1 < 300 1

în [N/mm2]; 300 ... 1000 2

> 1000 3 9 Alungirea relativă At < 20% 1 [%] 20...40% 2 > 40% 3

10 Rezilienţa KCU 30/2 < 50 1 în [J/cm2]; 50 ... 100 2

> 100 3 11 Rezistenţa la fluaj < 100 1 Se ţine cont şi

în [N/mm2]; 100 ... 300 2 de temperatură

> 300 3 12 Proprietăţile tehnologice

(turnabilitatea, deformabilitatea, uzinabilitatea,

satisfăcătoare 1 Deoarece nu există valori pentru proprietăţile

tehnologice sudabilitatea, calibilitatea)

bună 2 notarea se face cu

calificative foarte bună

3

13 Preţul de cost PC < 500 u.m. 3 în [lei/kg] 500 ... 1000 u.m. 2 > 1000 u.m. 1

Observaţie. Valorile trecute în tabel sunt în unităţile de măsură cel mai des întâlnite în literatura de specialitate; u.m.- unitate de măsură aleasă convenabil


Pe1 - proprietăţile funcţionale şi respectiv tehnologice şi economice ale materialului care înlocuieşte; Rm0; Rm1 - rezistenţa la rupere a materialului înlocuit şi respectiv a materialului care înlocuieşte; Rc0; Rc1 - rezistenţa la coroziune a materialului înlocuit şi respectiv a materialului care înlocuieşte.

De exemplu, pentru alegerea materialului optim necesar confecţionării piesei prezentate în figura 1.39 se parcurg corespunzător etapele 1...7.

Folosind analiza morfofuncţională a suprafeţelor s-a determinat rolul funcţional al fiecărei suprafeţe în parte şi al piesei, după care s-au ales ca factori analitici câteva din proprietăţile funcţionale, câteva din proprietăţile tehnologice şi doar preţul de cost din proprietăţile economice. Ţinând cont de rolul funcţional şi tehnologicitatea construcţiei s-a folosit, de exemplu, sistemul de notare cu note de la 1 la 3 în funcţie de valoarea proprietăţii (tabelul 2.16).

După ce s-a făcut aprecierea cantitativă a factorilor se procedează la stabilirea ponderii importanţei factorilor. Fiecare material luat în considerare are k proprietăţi Pk, incluse în cele m proprietăţi analizate. Fiecare proprietate are o pondere dk ce exprimă importanţa ei în raport cu celelalte proprietăţi ţinând cont de rolul funcţional şi tipul fiecărei suprafeţe ce delimitează piesa în spaţiu. Pentru piesa analizată în exemplul de mai sus s-a considerat de cea mai mare importanţa rezistenţa la coroziune (d3=0,20) şi apoi în ordine: preţul de cost (d10=0,15), conductibilitatea termică (d2=0,1).

Pentru proprietăţile tehnologice se consideră, de regulă, aceeaşi pondere (d7,8,9=0,1) deoarece este foarte importantă posibilitatea obţinerii piesei prin oricare dintre procedeele tehnologice clasice. Graful materiale-proprietăţi rezultat în urma parcurgerii etapelor 1...6, în vederea alegerii materialului optim pentru confecţionarea piesei din figura 1.39 se prezintă în tabelul 2.17. Aplicând criteriul

de optimizare ∑=

⋅n

kkk dt

1

= maxim rezultă că pentru confecţionarea piesei luată în

discuţie materialul optim este duraluminiul, care are ∑=

⋅10

1kkk dt =2,35.

În concluzie, se poate spune că pentru realizarea unui produs nou sau pentru îmbunătăţirea unui produs deja existent trebuie ales un material optim care să ţină cont de toţi factorii analitici existenţi şi toate restricţiile impuse: proprietăţile materialului, asigurarea funcţionalităţii şi durabilităţii în exploatare, costul materiilor prime şi al tehnologiilor de prelucrare, disponibilitatea şi chiar impactul asupra mediului înconjurător şi a mediului social.

Observaţie. Metoda de analiză a valorilor optime se poate aplica cu succes şi mare precizie şi în cazurile pieselor cu destinaţie precisă (arcuri, scule, rulmenţi, supape, matriţe, cazane, ţevi, beton armat etc.), când graful materiale-proprietăţi se întocmeşte numai pentru materialele din clasa respectivă sau corespondente.

T

ab

elu

l 2.1

7. A

lege

rea

mat

eria

lulu

i opt

im p

entr

u co

nfecţi

onar

ea p

iese

i din

figu

ra 1

.39

PRO

PR

IETĂŢ

I FU

NCŢ

ION

AL

E

PR

OP

RIE

TĂŢ

I PR

OP

RI-

ETĂŢ

I

Fizi

ce

Chi

mic

e M

ecan

ice

TE

HN

OL

OG

ICE

E

CO

NO

-M

ICE

Nr.

cr

t. M

ater

ialu

l D

ensi

tate

a [k

g/dm

3 ] C

ondu

cti-

bilit

atea

te

rmică

[cal

/ cm

⋅s⋅°

C]

Rez

iste

nţa

la

coro

ziun

e [m

m/a

n]

Dur

itat

ea

[HB

] R

ezis

tenţ

a la

rup

ere

[daN

/

mm

2 ]

(E⋅1

06 )

[d

aN/

mm

2 ]

Tur

nabi

-lit

atea

D

efor

ma-

bilit

atea

U

zina

bi-

lita

tea

Preţu

l de

cost

[lei

/kg]

td

kk

k=∑

1

10

Obs

.

v t 1

v

t 2

v t 3

v

t 4

v t 5

v

t 6

Cal

ifi-

cativ

t 7

C

alif

i-ca

tiv

t 8

Cal

ifi-

cati

v t 9

v

t 10

0 1

2 3

4 5

6 7

8 9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

1 D

ural

umin

iu

2,8

3 0.

25

2 <

,01

3 50

1

30

1 0,

7 1

FB

3 FB

3

FB

3 50

0 3

2,35

M

ate-

rial

ul

opti

m

2 C

uZn1

5 8,

8 2

0,3

2 <

,05

2 60

1

64

3 1,

2 2

FB

3 S

1

FB

3 10

00

2 2,

25

3

Fgn-

700-

2 7,

32

2 0,

01

1 >

,05

1 28

0 3

70

3 1,

6 2

FB

3 S

1

FB

3 30

0 3

2,10

4 C

uSn1

0 8,

8 2

0,25

2

>,0

5 2

20

1 60

1

1,5

2 FB

3

S

1 FB

3

900

2 1,

95

5

OL

37

7,3

2 0,

2 1

<,0

5 2

120

3 45

2

1,7

2 B

2

S

1 FB

3

400

3 2,

15

6

OL

50

7,3

2 0,

2 1

<,0

5 2

164

3 58

2

2,1

3 B

2

S

1 FB

3

450

3 2,

20

7

OL

C45

7,

7 2

0,2

1 <

,05

2 18

7 3

54

2 2,

1 3

FB

3 S

1

FB

3 47

5 3

2,30

8 O

T40

7,

4 2

0,2

1 <

,05

2 11

0 2

40

1 2,

1 3

FB

3 S

1

FB

3 40

0 3

2,15

9 O

T60

7,

4 2

0,2

1 <

,05

2 16

9 3

60

2 2,

1 3

FB

3 S

1

FB

3 42

5 3

2,30

10

41M

oCr1

1 7,

5 2

0,2

1 <

,05

2 21

7 3

95

3 2,

1 3

FB

3 S

1

B

2 75

0 2

1,90

11

12C

r130

7,

5 2

0,3

2 <

,02

3 18

7 3

60

2 2,

1 3

B

2 S

1

B

2 13

00

1 2,

10

12

Fc

300

7,3

2 0,

14

1 >

,05

1 26

0 3

40

1 1,

3 2

FB

3 N

0

FB

3 35

0 3

1,90

13

AT

Si5

Cu

2,6

3 0,

20

2 <

,01

3 90

1

20

1 0,

8 1

FB

3 B

2

FB

3 62

5 2

1,95

14

Fm32

0p

7,36

2

0,14

1

>,0

5 1

250

3 65

3

1,6

2 FB

3

N

0 FB

3

390

3 2,

00

15

C

uZn3

9Pb2

8,

4 2

0,2

2 <

,03

2 65

1

30

1 1,

2 2

FB

3 S

1

FB

3 12

00

1 1,

80

P

onde

rea

d k

d 1=

0,05

d 2

=0,

1 d 3

=0,2

0 d 4

=0,

1 d 5

=0,

05

d 6=0

,05

d 7=

0,1

d 8=0

,1

d 9=

0,1

d 10=

0,15

1,

0


2.8. TENDINŢE ŞI PERSPECTIVE PRIVIND UTILIZAREA

MATERIALELOR

Se poate spune, fără a exagera, că lumea de azi, civilizaţia de azi nu poate fi imaginată fără materiale metalice şi nemetalice. Am început deja cunoaşterea spaţiului cosmic, vom ajunge să explorăm alte planete, alte lumi, dar numai cu ajutorul navelor, navetelor şi rachetelor în construcţia cărora sunt incluse cele mai diferite materiale.

În etapa actuală de dezvoltare a industriei se manifestă următoarele tendinţe predominante:

- creşterea presiunilor şi a puterilor la care sunt solicitate elementele componente ale diferitelor utilaje, instalaţii şi aparate, extinderea temperaturilor de lucru negative şi pozitive (de la aproape zero absolut până la zeci de mii de grade Kelvin), în condiţii de fiabilitate sporită, necesită materiale cu proprietăţi funcţionale deosebite (duritate foarte mare, tenacitate deosebit de ridicată, rezistenţa înaltă la coroziune, refractaritate deosebită, superconductibilitate, superplasticitate etc.);

- evoluţia dimensiunilor de gabarit ale utilajelor, instalaţiilor şi aparatelor către cele două extreme: miniaturizarea şi ultraminiaturizarea (în construcţia aparatelor, microelectronică, microelectrotehnică, nanotehnică etc.), pe de o parte, şi gigantizarea (în construcţia agregatelor din industria chimică, metalurgică, constructoare de maşini, construcţia autostrăzilor, marilor căi navigabile, hidrocentrale, metrouri etc.), pe de altă parte, care necesită o gamă foarte largă de materiale cu proprietăţi funcţionale, tehnologice şi economice dintre cele mai diverse;

- reducerea substanţială a consumurilor de energie, combustibil convenţional şi folosirea cu maximum de eficienţă a materiilor prime şi resurselor energetice necesită noi metode tehnologice şi noi procedee tehnologice de transformare a substanţei în bunuri cu o anumită utilitate socială;

- asimilarea de către economie a metodelor de prelucrare ce permit realizarea unui profit maxim, cu productivitatea cea mai ridicată şi cu obţinerea unei fiabilităţi deosebite, necesită o automatizare, cibernetizare şi robotizare completă în condiţiile unei diversificări din ce în ce mai accentuată.

Toate aceste tendinţe presupun un consum din ce în ce mai mare de materiale cu proprietăţi dintre cele mai diferite, pentru care sunt necesare consumuri din ce în ce mai mari de materii prime şi de energie. Dar, omenirea îşi dă seama că a risipit destul şi că trebuie să înceapă să repare o greşeală pe care o comite de secole: consumul de materiale în neconcordanţă cu resursele şi tehnologiile de extragere. S-a calculat că, până acum, s-a folosit pentru tot ce avem (case, drumuri, maşini, uzine, poduri etc.) peste 200 tone tehno-masă pentru fiecare locuitor al Terrei şi că acum anual fiecărui om îi revin aproximativ 1 000 tone


materii prime din cantitatea totală care se prelucrează. Deci, am fost şi mai suntem încă ,,materiofagi’’, dar nu numai atât. Obţinerea şi prelucrarea materialelor presupune în primul rând consum de energie, iar producerea energiei cere consum de materiale (aproximativ 40% din materiile prime produse sunt folosite pentru producerea energiei), prin urmare suntem şi ,,energofagi’’. Dacă populaţia lumii se va dubla în următorii 50 de ani, producţia de bunuri de consum va trebui să fie echivalentă cu cea realizată în întreaga istorie a civilizaţiei umane şi va avea efectele corespunzătoare asupra asigurării cu materii prime. Trebuie făcută deci o revizuire grabnică a atitudinii faţă de ,,tezaurul naturii’’, în elaborarea şi adoptarea strategiilor social economice avându-se în vedere următoarele considerente:

- unele dintre resursele naturale pe care se bazează producţia actuală ar putea să se epuizeze într-un timp relativ scurt (de luat în considerare sursele greu regenerabile sau neregenerabile);

- accentuarea limitelor dezvăluite de unele legi ale naturii întruchipate în mijloacele de muncă; parametrii maşinilor-unelte, perfecţionate de-a lungul ultimilor 200 de ani, nu mai pot fi îmbunătăţiţi pe seama descoperirilor ştiinţifice care le-au dat naştere (există anumite domenii în care se pare că s-au atins praguri maximale: prelucrarea neferoaselor prin aşchiere, productivitatea războaielor de ţesut, viteza de desfăşurare a lucrărilor agricole etc.);

- eficienţa economică tinde să modifice substanţial criteriile de apreciere a multor materii prime, tehnologii şi chiar produse tehnice tradiţionale (se simte acut nevoia de a se concepe în alţi termeni acţiunile de transformare a naturii în valori de întrebuinţare, respectiv să se ia în considerare modificările survenite în echilibrul sistemului unitar om societate natură univers);

- poluarea mediului şi gravele perturbaţii în echilibrul ecologic determinate de ,,explozia ethnologic’’ realizată ca urmare a dinamicii impetuoase a cercetării.

În vederea diminuării acestor efecte negative şi a soluţionării problemelor majore cerute de tendinţele, ce se manifestă predominant în creşterea şi dezvoltarea economică, sunt necesare căi şi mijloace care să valorifice superior, în primul rând, materia şi substanţa din natură, cele mai importante fiind:

- prospectarea şi descoperirea de noi resurse naturale, furnizoare de materiale necesare unei tot mai diverse game de produse (resurse potenţiale importante de elemente, inclusiv de elemente metalice se găsesc şi în apele mărilor şi oceanelor, pe şi sub fundul acestora sub forma ,,nodulilor oceanici’’, de exemplu, în Oceanul Pacific există aproximativ 1,7×1012 tone de astfel de noduli);

- conceperea de noi materiale metalice şi nemetalice şi extinderea fabricării materialelor compuse, în special, a materialelor inteligente;

- o concepţie nouă în proiectarea materialului pe baza proprietăţilor funcţionale, tehnologice şi economice, va conduce la o corelaţie nouă, avantajoasă între material şi produs;

- noi metode şi procedee tehnologice de extragere, elaborare şi prelucrare a materialelor (de exemplu, cu ajutorul microorganismelor se pot produce în numai


6-8 ore masa de proteine şi substanţe pe care plantele o realizează în 4 - 6 luni); - conservarea metalelor într-un proces general de conservare a materialelor

şi a energiei, în care reciclarea va ocupa un loc important. Reciclarea materialelor, realizabilă prin recuperare, recondiţionare şi refolosire ridică atât probleme tehnologice, cât şi energetice şi economice;

- controlul şi în anumite cazuri limitarea ,,abuzului’’ de tehnologie pentru a evita efectele nocive sau distructive asupra echilibrului ecologic. Acestea presupun noi tehnologii antipoluante şi nepoluante care, odată cu reproducţia lărgită, să permită şi o reproducere a mediului ambiant în concordanţă cu nevoile reale ale omenirii;

- ridicarea permanentă a nivelului de pregătire profesională de specialitate a tuturor categoriilor de oameni, care să fie capabili să înţeleagă conexiunea întregului sistem de factori şi tendinţe, pentru a participa activ în procesul de decizie şi de conducere.

2.9. MATERIALUL ŞI PROCEDEELE DE

TRANSFORMARE ALE ACESTUIA

2.9.1. Comportarea sub acţiunea forţelor de transformare

Materialul din care se confecţionează piesa este elementul de bază ce caracterizează comportarea piesei sub acţiunea solicitărilor din timpul funcţionării, dar şi comportarea sub acţiunea forţelor de transformare a substanţei pentru a căpăta forma şi dimensiunile dorite.

Deci, prin proprietăţile materialului (funcţionale, tehnologice şi economice) se defineşte nu numai o tehnologie de transformare a substanţei până la ajungerea în forma finită corespunzătoare scopului propus, ci şi o tehnologie de exploatare a produsului finit.

În etapa actuală de dezvoltare a omenirii se cunosc două moduri de acţiune pentru transformarea substanţei în procesele tehnologice de prelucrare: presiunea (forţa)şi temperatura. Prin urmare, oricare transformare este o funcţie de forma: forţă P - temperatură T, care foarte simplificat arată ca în figura 2.131.

Atunci când temperatura este mică sunt necesare forţe de transformare mari

P

T

Deformare plasticã

Sudare Turnare

Aşchiere

(procedeele de prelucrare prin aşchiere), iar când temperatura este mare sunt necesare

Fig. 2.131. Dependenţa forţa de transformare P - temperatura T.


forţe de transformare mici (procedeele de turnare şi sudare). Între cele două zone există gama largă a procedeelor de prelucrare prin

deformare plastică. Deoarece în orice proces de transformare intervine o multitudine de fenomene şi parametri, în realitate această dependenţă forţă - temperatură nu este o dreaptă, ci o curbă foarte greu de definit şi de determinat.

Dependenţa forţă - temperatură cerută de natura materialului, prin proprietăţile sale, permite examinarea forţelor de transformare a substanţei. Actualmente, principalele forţe de transformare a substanţei cunoscute sunt centralizate în tabelul 2.18.

O analiză succintă a acestui tabel poate conduce la următoarele concluzii: - mii de ani s-au folosit pentru transformarea substanţei doar forţele de tip

masic (aşchiere, deformare), dar şi acestea în proporţie de 3/4 pentru că ultrasunetele au fost aplicate în ultimele trei decenii;

Tabelul 2.18. Matricea forţelor de transformare

Forţe de prelucrare*

Mecanice Electrice Magnetice Chimice Atomice Nucleare Biologice

Mecanice Aşchierea Deformarea

plastică Ultra-

sunetele

Prelucrările prin electrocontact

Magneto-prelucrarea

Lustruirile ?

?

?

Electrice Electroeroziunea ? Electro-chimia

Laseri Maseri

? ?

Magnetice Magneto-deformare

? ? ? ?

Chimice Coroziunea ? ? Biochimia Atomice Fasciculul

de electroni Jetul de ioni

rapizi

Prelucrarea cu radiaţii

?

Nucleare Prelucrarea prin explozie

Biologice Bioteh-nologia

*Există simetrie faţă de diagonală.

- revoluţia tehnico-ştiinţifică din ultimile decenii a condus la apariţia unor noi metode de transformare a substanţei (fasciculul de electroni, fasciculul de fotoni, biotehnologia, prelucrarea cu radiaţii, prelucrarea prin explozie etc.);

- procedeele prezentate în tabel sunt date de forţele de prelucrare singulare, dar există şi combinaţii între ele (de exemplu, combinaţii între forţele mecanice - electrice - chimice care dau prelucrarea anodo-mecanică), astfel încât există în total

1387

17 =∑

=k

kC combinaţii (acolo unde nu s-a descoperit încă procedeul de prelucrare

s-a pus semnul întrebării, urmând ca tehnologia viitorului să le descopere şi să


completeze tabelul); - definirea transformării ,,presiune – temperatură’’ este foarte greu de făcut

la oricare din metodele de mai sus, de regulă folosindu-se ipoteze simplificatoare şi cazuri particulare.

Comportarea materialului sub acţiunea forţelor de transformare, atât în timpul prelucrării, cât şi în timpul funcţionării, se poate aprecia numai cunoscând foarte bine toate proprietăţile acestuia. Analiza materialului, din punct de vedere al proprietăţilor lui şi al modului de obţinere a acestora, conduce la cunoaşterea comportării lui în interacţiunea cu mijloacele de transformare.Cunoscând şi comportarea materialului sub acţiunea forţelor de transformare, se poate alege metoda tehnologică şi se pot proiecta procedeele tehnologice posibile de realizare a transformării corespunzătoare cu scopul propus, pentru a se putea face apoi alegerea procedeului tehnologic optim.

2.9.2. Metodele de generare a suprafeţelor

În construcţia de maşini şi aparate, elementele de construcţie mecanică, organele de maşini, sculele, elementele de dispozitive şi de verificatoare etc. cunoscute uzual sub denumirea de piese sunt în esenţă corpuri geometrice solide delimitate în spaţiu de un număr de suprafeţe, ce se află într-o anumită combinaţie rezultată din rolul funcţional al piesei.

Fiecare din suprafeţele componente ale unei piese se caracterizează: - printr-o formă geometrică; - prin dimensiuni în diferite direcţii; - prin poziţia relativă în raport cu alte suprafeţe; - printr-un anumit grad de netezime. Aceste patru grupe de caracteristici constituie condiţiile tehnice de

generare (execuţie) a suprafeţelor, prin care se determină: forma, mărimea, dispunerea în spaţiu şi calitatea suprafeţelor componente ale unei piese. În funcţie de aceste caracteristici, suprafeţele componente ale unei piese se împart în cele patru categorii: suprafeţe de asamblare, suprafeţe funcţionale, suprafeţe tehnologice (de bazare) şi suprafeţe auxiliare (de legătură) aşa cum s-a văzut în capitolul 1.

Suprafeţele din punct de vedere al generării lor pot fi (fig.2.132): - suprafeţe geometrice (teoretice), care sunt suprafeţele ideale, reprezentate

convenţional prin desenul tehnic şi considerate fără abateri de formă, dimensionale, de poziţie şi fără rugozitate;

- suprafeţe reale, care sunt suprafeţele rezultate în procesul de transformare ca urmare a interacţiunii materialului cu mijloacele de prelucrare şi au o anumită precizie de formă, de poziţie, dimensională şi o anumită rugozitate.

Forma unei suprafeţe geometrice S este dată într-un sistem de axe triortogonal de relaţiile:


suprafaţă reală

suprafaţă teoretică

Fig. 2.132. Definirea suprafeţei teoretice şi a suprafeţei reale.

S (x,y,z) = 0 sau z = f (x,y). (2.219)

Generarea teoretică a suprafeţelor se poate face dacă în tot timpul generării sunt satisfăcute ecuaţiile lor matematice. Din acest punct de vedere se deosebesc următoarele moduri de generare:

- deplasarea în spaţiu a unui punct, în anumite condiţii; - deplasarea în spaţiu a unui corp, suprafaţa generată fiind dată de înfăşură-

toarea poziţiilor succesive ale acestuia; - intersecţia a două corpuri; - deplasarea unei curbe în spaţiu. Experimental s-a constatat că singurul mod de generare teoretică a unei

suprafeţe geometrice, care ar corespunde cel mai bine condiţiilor de generare a suprafeţelor reale (prelucrate) şi cinematicii mijloacelor de prelucrare este deplasarea unei curbe în spaţiu. Curba care se deplasează şi care generează suprafaţa este denumită curba generatoare G, iar traiectoria descrisă de un punct oarecare al ei în timpul deplasării este denumită curba directoare D. Forma generatoarei şi a directoarei sunt date de însăşi forma suprafeţelor ce se generează. În cazul cel mai general, generatoarea şi directoarea sunt curbe strâmbe (spaţiale). Deoarece majoritatea suprafeţelor reale (prelucrate), utile din punct de vedere tehnic, ce pot fi efectiv generate pe mijloacele de prelucrare, provin din forme geometrice simple (suprafeţe plane, cilindrice, conice, evolventice etc.), rezultă că în majoritatea cazurilor de generare a suprafeţelor reale, generatoarea şi directoarea sunt curbe plane (fig.2.133).

Prin urmare, pentru generarea oricărei suprafeţe geometrice sunt necesare două curbe geometrice - generatoarea şi directoarea - şi deplasarea lor relativă (de exemplu, deplasarea cu viteza vG din figura 2.133).

În vederea transpunerii generatoarei şi directoarei (realizării suprafeţei dorite) pe materialul de transformat, denumit obiectul prelucrării, se folosesc elemente materiale ajutătoare denumite scule de prelucrare, generatoarea sau directoarea fiind realizată de partea activă a sculei de prelucrare (în unele cazuri de materialul de adaos, cum este cazul generării suprafeţelor prin sudare) sau de către piesă.


Mişcările relative ale curbelor geometrice generatoare şi directoare care se efectuează la realizarea suprafeţelor se numesc mişcări de generare a suprafeţelor. Simultan cu mişcările de generare se pot desfăşura şi o serie de procese fizico-chimice caracteristice fiecărei metode tehnologice de transformare a materialului.

D

a b c

d e

vG

G

D

GD

GvDGG

vG

D

G

vG

Fig. 2.133. Forma curbei generatoare G şi a curbei directoare D pentru:

a - o suprafaţa cilindrică; b - o suprafaţa plană; c - o suprafaţă conică; d - o suprafaţă complexă de rotaţie; e - o suprafaţă evolventică.

În majoritatea cazurilor, la generarea unei suprafeţe sunt necesare următoarele mişcări sau acţiuni:

- mişcarea sau acţiunea principală este mişcarea (acţiunea) ce conduce la desfăşurarea mai mult sau mai puţin localizată a fenomenelor fizico-chimice caracteristice metodei tehnologice de transformare (modificarea stării de agregare, deformarea plastică, desprinderea de particule sau microparticule în stare solidă etc.). Se execută de către obiectul prelucrării, de partea activă a sculei de prelucrare sau de ambele;

- mişcarea de avans este mişcarea ce determină parcurgerea, de către fenomenele fizico-chimice caracteristice metodei tehnologice, a volumului necesar din obiectul prelucrării, în vederea generării complete a suprafeţei reale (mişcarea ce aduce noi volume de material în contact cu partea activă a sculei de prelucrare, în vederea transformării). Se execută de către obiectul prelucrării, de partea activă a sculei de prelucrare sau de ambele;

- mişcarea de generare este rezultanta compunerii în spaţiu a mişcării principale şi a mişcărilor de avans.

În general, numărul de mişcări de generare nm se poate determina cu relaţia

nm = ng + nd − nc /2 , (2.220)

în care ng este numărul de mişcări necesar realizării generatoarei; nd - numărul de


mişcări necesar realizării directoarei; nc - numărul de mişcări combinate la generare.

Teoretic, numărul maxim posibil de mişcări de generare este egal cu şase, dar practic, datorită combinării mişcărilor de generare, la prelucrarea bidimensională nu apar mai mult de trei mişcări de generare a suprafeţelor. Această reducere a numărului mişcărilor de generare se realizează şi datorită posibilităţilor de transmitere şi repartizare a energiei de transformare la obiectul prelucrării dimensionale. Transmiterea energiei de transformare la obiectul prelucrării dimensionale poate avea caracter punctiform, liniar, de suprafaţă, volumic, punctiform-liniar, punctiform de suprafaţă şi punctiform-volumic. La toate metodele de prelucrare dimensională, transmiterea energiei de transformare are loc prin contact direct între obiectul prelucrării şi scula de prelucrare (materialul de adaos) sau prin intermediul unui agent eroziv interpus între obiectul prelucrării şi scula de prelucrare.

Transmiterea şi repartizarea energiei de transformare la obiectul prelucrării şi, deci, generarea suprafeţelor corespunzătoare se face şi funcţie de modul cum este realizată generatoarea şi directoarea. Pentru majoritatea suprafeţelor, curba generatoare se poate realiza ca:

• generatoare materializată, de regulă de forma părţii active a sculei de prelucrare pentru suprafeţe de întindere mică;

• generatoare cinematică, obţinută ca traiectorie a deplasării unui punct sau ca înfăşurătoare a poziţiilor succesive ocupate de sculă prin deplasarea acesteia în plan pentru suprafeţe de întindere mare;

• generatoare programată, materializată sub diferite forme pe anumite elemente ale mijlocului de transformare numite portprograme, pentru suprafeţe complicate ca formă şi de întindere mare.

Traiectoria curbei directoare se poate realiza ca: • directoare materializată, dată de forma părţii active a sculelor de

prelucrare (de exemplu, elicea unui tarod etc.); • directoare cinematică, obţinută ca traiectorie a unui punct, ca

înfăşurătoare a poziţiilor succesive ale unei curbe cinematice (de exemplu, cazul prelucrării cu scule cu tăişuri multiple de rotaţie etc.) sau prin rulare (pentru suprafeţe complicate);

• directoare programată, realizată ca şi generatoarea programată cu ajutorul unor şabloane, modele sau portprograme specifice.

Principalele metode de generare a suprafeţelor şi respectiv metodele şi procedeele de prelucrare dimensională corespunzătoare, cele mai des întîlnite, se prezintă în tabelul 2.19. Se consideră piesă-semifabricat acel obiect al prelucrării rezultat în urma unui procedeu de prelucrare, care are anumite suprafeţe (de regulă, cele de asamblare şi cele funcţionale) prevăzute cu adaosuri de prelucrare, ce urmează a fi îndepărtate prin alte procedee de prelucrare. Piesa finită este scopul direct al unui proces tehnologic şi rezultatul său final.

Tab

elu

l 2.1

9. G

ener

area

sup

rafeţe

lor

prin

met

odel

e şi

pro

cede

ele

de p

relu

crar

e ce

le m

ai d

es u

tili

zate

Nr.

crt

Met

ode şi

pro

cede

e te

hnol

ogic

e de

pr

eluc

rare

di

men

sion

ală

S

chem

a de

pri

ncip

iu a

pro

cede

elor

Scu

la d

e pr

eluc

rare

Par

tea

acti

vă a

sc

ulei

şi f

orm

a ge

omet

rică

a

p ărţ

ii ac

tive

Met

ode

de g

ener

are

a cu

rbel

or

N

umăr

de

miş

cări

ne

cesa

re

gene

r ări

i su

praf

eţel

or

O

bser

vaţi

e

G

ener

atoa

rea

Dir

ecto

area

0

1 2

3 4

5 6

7 8

1 T

urna

re

Form

a de

turn

are

Mat

eria

llic

hid

Form

a de

tu

rnar

e -

Cav

itat

ea

form

ei

- C

ombi

naţi

e de

su

praf

eţe

Mat

eria

liza

tă

(cop

iere

) M

ater

iali

zată

(c

opie

re)

0 M

ater

ialu

l se

intr

oduc

e în

sta

re

lich

idă

în c

avit

atea

fo

rmei

de

turn

are

şi p

iesa

se

mif

abri

cat

rezu

ltă în

urm

a so

lidi

fică

rii

2 A

greg

are

de p

ulbe

ri

Ppo

anso

n mat

riţa

pulb

ere

Mat

riţă

-

Cav

itat

ea

mat

riţe

i -

Com

binaţi

e de

su

praf

eţe

Mat

eria

liza

tă

(cop

iere

) M

ater

iali

zată

(c

opie

re)

0 M

ater

ialu

l, su

b fo

rmă d

e pu

lber

e,

se in

trod

uce

în

cavi

tate

a m

atriţe

i, pi

esa-

sem

ifab

rica

t fi

ind

rezu

ltat

ul

acţiu

nii u

nor

forţ

e de

pre

sare

3

Def

orm

are

plas

tică

(l

amin

are,

rul

are)

P

iesa

Sem

ifab

rica

t

Sem

ifab

rica

t

- C

ilin

dri d

e la

min

are

- R

ole

Lin

ie s

au

com

binaţi

e de

su

praf

eţe

Mat

eria

liza

tă

(cop

iere

) R

ular

e 1

(d

e ro

taţi

e a

scul

ei)

Pies

a-se

mif

abri

cat

se o

bţin

e pr

in

redi

stri

buir

ea

volu

mul

ui d

e m

ater

ial i

ntro

dus

in s

tare

sol

idă

intr

e ci

lindr

ii s

au r

olel

e de

def

orm

are

T

ab

elu

l 2.1

9 (

cont

inua

re)

0 1

2 3

4 5

6 7

8 4

Def

orm

are

plas

tică

(t

rage

re, e

xtru

dare

, am

butis

are)

P

Sem

ifab

rica

t

Mat

riţa

Pie

sa -

sem

ifab

rica

t

Mat

riţă

-

Cav

itat

ea

mat

riţe

i -

Lin

ie s

au

com

binaţi

e de

su

praf

eţe

Mat

eria

liza

tă

(cop

iere

) M

ater

ializ

ată

(cop

iere

) 1

(de

tran

sla-

ţie)

Pi

esa

- se

mif

abri

cat

se o

bţin

e pr

in

redi

stri

buir

ea

volu

mul

ui d

e m

ater

ial f

orţa

t să

trea

că p

rin

cavi

tate

a un

ei s

cule

num

ită

mat

riţă

. 5

Def

orm

are

plas

tică

+

rupe

re (

forf

ecar

e,

ştanţa

re, tăi

ere)

PPo

anso

n Sem

ifab

rica

t

Plac

a

Pies

a-se

mif

abri

cat

activă

-Foa

rfecă,

-Ş

tanţă

Lin

ie

Mat

eria

liza

tă

(cop

iere

) M

ater

ializ

ată

(cop

iere

) 1(

de tr

ansl

aţie

) −

6 Aşc

hier

e

(str

unji

re, r

abot

are,

m

orte

zare

, bur

ghie

re)

Supr

afaţ

apr

eluc

rată

Supr

afaţ

apr

eluc

rată

s L(v

L)

s

(v )

naş

v aş(

)

Pie

sa- s

emif

abri

cat

(v ) s

s

naş

v aş(

)

s v

asn c

d

-Cuţ

it d

e st

rung

, -C

uţit

de

rabo

tare

, -B

urgh

iu

-Faţ

a de

aşe

zare

-F

aţa

de d

egaj

are

-Lin

ie

-Com

binaţi

e de

su

praf

eţe

Cin

emat

ică

Cin

emat

ică

(cop

iere

) 1…

3 de

ro

taţi

e, d

e tr

ansl

aţie

, -

Com

bina

te

Sup

rafaţa

pre

lucr

ată

se o

bţin

e pr

in

com

bina

rea

unei

m

işcă

ri p

rinc

ipal

e cu

m

işcă

ri d

e av

ans şi

de

spri

nder

ea d

e pa

rtic

ule

de m

ater

ial

T

ab

elu

l 2.1

9. (

cont

inua

re)

0 1

2 3

4 5

6 7

8 7

Aşc

hier

e (f

reza

re,

rect

ific

are,

su

perf

inis

are)

prel

ucra

tăS

upra

faţa

Dis

c de

rec

tifi

cat

n

Frez

aaş

)(v

as)

(v

SL)

(vLS

asn

SL)

(vLS

SC)

(vcn

aş

Frez

e,

disc

uri d

e re

ctif

icat

Tăiş

uri

mul

tipl

e al

e sc

ulei

aş

chie

toar

e,

Lin

ie

Com

binaţi

e de

su

praf

eţe

Mat

eria

liza

tă

Cin

emat

ică

Prog

ram

ată

Cin

emat

ică

(ca

înfăşu

răto

are

a po

ziţi

ilor

su

cces

ive

) P

rogr

amată

M

ater

ializ

ată

2 …

. 3 d

e ro

taţi

e, d

e tr

ansl

aţie

, co

mbi

nată

Sup

rafaţa

pre

lucr

ată

se

obţi

ne p

rin

com

bina

rea

unei

miş

cări

pri

ncip

ale

de r

otaţ

ie c

u m

işcă

ri d

e av

ans

rect

ilin

iu,

circ

ular

sau

com

bina

t şi

desp

rind

erea

de

part

icul

e de

mat

eria

l so

lid

sub

formă

de

aşch

ii ş

i mic

ro-aşc

hii

as

v -

vit

eza

miş

cări

i

prin

cipa

le d

e a ş

chie

re;

s

v-

vite

za m

işcă

rii d

e

avan

s

8 Aşc

hier

e (b

roşa

re)

Supr

afaţ

a pr

eluc

rată

Broşă

Broşă

Tăişu

l dinţi

lor

scul

ei

Punc

t L

inie

Cin

emat

ică

Mat

eria

lizată

(cop

iere

) 1

De

tran

slaţ

ie

Supr

afaţ

a pr

eluc

rată

re

zultă

din

com

bina

rea

unei

miş

cări

pri

ncip

ale

exec

utată

de s

culă

şi

desp

rind

erea

de

part

icul

e su

b fo

rmă

de

aşch

ii. A

vans

ul d

e ge

nera

re s

e obţin

e pr

in

cons

trucţi

a sc

ulei

T

ab

elu

l 2.1

9. (

cont

inua

re)

0 1

2 3

4 5

6 7

8 9

Sud

are

Lip

ire

Mat

eria

l de

bază

Cor

don

de s

udură

Ele

ctro

d(m

ater

ial d

e ad

aos)

Mat

eria

l de

bază

Mat

eria

lul d

e ad

aos

sub

form

a de

el

ectr

ozi s

au

alte

for

me

Cav

itat

ea

rost

ului

Îm

bină

ri

de s

upra

feţe

Mat

eria

liza

tă

Cin

emat

ic

Mat

eria

lizată

Cin

emat

ic

1 …

.2

Îmbi

nare

a su

dată

(c

ordo

nul d

e su

dură

) se

obţ

ine

prin

de

pune

rea

mat

eria

lulu

i de

adao

s în

ros

tul î

mbi

nări

i

10

Ero

ziun

e el

ectr

ică,

er

oziu

ne

elec

troc

him

ică

Sup

rafaţa

pre

lucr

ată

Ele

ctro

d

Age

nt e

rozi

v

sculă

Ele

ctro

dul-

sculă

Part

ea a

ctivă

a el

ectr

odul

ui -

sc

ulă

Lin

ie

Com

binaţi

e de

su

praf

eţe

Mat

eria

liza

tă

Cin

emat

ic

Mat

eria

lizată

Cin

emat

ic

0(1)

S

upra

faţa

pre

lucr

ată

se o

bţin

e pr

in

desp

rind

erea

de

mic

ropa

rtic

ule

de

mat

eria

l cu

ajut

orul

un

ui a

gent

ero

ziv

exis

tent

într

e el

ectr

odul

-scu

lă s

i su

praf

eţel

e de

pr

eluc

rat

11

Ero

ziun

e ab

razi

v -

cavi

taţi

onală

(pre

lucr

area

cu

ultr

asun

ete)

Age

nter

oziv

Con

cent

rato

r-

Sup

rafaţa

prel

ucra

tă

sculă

Con

cent

rato

rul

- sc

ulă

Part

ea a

ctivă

a co

ncen

trat

orul

ui

sculă

Lin

ie

Com

binaţi

e de

su

praf

eţe

Mat

eria

liza

tă

Cin

emat

ic

Mat

eria

lizată

Cin

emat

ic

0 (1

) S

upra

faţa

pre

lucr

ată

se o

bţin

e pr

in

desp

rind

erea

de

mic

ropa

rtic

ule

de

mat

eria

l cu

ajut

orul

un

ui a

gent

ero

ziv şi

al

acţ

iuni

i und

elor

ul

tras

onor

e 12

În

cărc

are

elec

troc

him

ică

sau

pulv

eriz

are

Par

ticu

le

Stra

t dep

us

Supr

afaţ

a

de în

cărc

at

de m

ater

ial

Însăşi

obi

ectu

l pr

eluc

rări

i S

upra

faţă

C

inem

atică

Cop

iere

C

inem

atică

Cop

iere

1

… 2

−

Degradarea materialelor şi protecţia împotriva degradării 1449

DEGRADAREA MATERIALELOR

ŞI PROTECŢIA ÎMPOTRIVA DEGRADĂRII

12.1. GENERALITĂŢI

Coroziunea este ansamblul proceselor care stau la baza degradării, deteriorării sau distrugerii materialelor sub acţiunea mediului înconjurător, în timpul sau în afara funcţionării produsului (componentei, subansamblului, reperului) respectiv).

În funcţie de gravitatea efectului, folosim unul sau altul din termeni, astfel: - degradarea, care este procesul de modificare în rău a proprietăţilor unui

material sau mediu. Degradarea poate fi prevenită prin condiţionare; ea este reversibilă prin recondiţionare;

- deteriorarea, care este procesul de modificare în rău a caracteristicilor unei piese, ansamblu, structuri. Deteriorarea poate avea loc fără a implica degradarea materialului; ea poate fi prevenită şi este reversibilă prin reparare;

- distrugerea , care este procesul ireversibil prin care un material sau o piesă îşi pierde una sau mai multe dintre caracteristicile de bază. Ea poate fi o consecinţă a degradării şi deteriorării.

Practic, toate mediile sunt corozive într-o măsură mai mică sau mai mare. De exemplu, aerul şi umezeala; apa - în toate variantele ei: naturală, distilată, potabilă, sărată; aburul şi gazele; acizii organici şi anorganici; solvenţii; solul; uleiurile vegetale şi minerale; produsele alimentare etc. Există numeroase situaţii în care condiţiile de funcţionare sunt extreme: temperaturi foarte joase sau dimpotrivă foarte ridicate, presiuni foarte joase sau foarte ridicate, radiaţii ionizante puternice,

12


medii puternic corozive, sarcini mecanice importante şi deci, degradarera, deteriorarea şi distrugerea sunt mai mult sau mai puţin prezente. În activitatea sa zilnică omul utilizează o multitudine de materiale, nemetalice şi metalice, organice şi anorganice, cristaline sau amorfe, naturale sau de sinteză. Unele dintre aceste materiale se află sub forma de piese, ansambluri, structuri (aflate în stare de agregare solidă); iar altele sub formă de medii (aflate în stare de agregare solidă, lichidă sau gazoasă), care interacţionează cu primele. Nu există materiale indestructibile, toate transformându-se mai devreme sau mai târziu, coroziunea fiind, din acest punct de vedere, una din căile de evoluţie.

Tendinţa de creştere a eficienţei proceselor, atât a celor din industrie şi agricultură, cât şi a celor din transporturi, apărare sau cercetare, a condus la mărirea valorii parametrilor de proces: temperatură, presiune, viteză de desfăşurare a fenomenelor. Acest fapt nu ar fi fost posibil fără utilizarea unor materiale adecvate, cu o rezistenţă sporită la coroziune.

12.2. DEGRADAREA MATERIALELOR METALICE

Cazul materialelor metalice (metale şi aliaje), unul dintre cel mai studiat de către cercetătorii mai multor generaţii, este caracterizat prin prezenţa electronilor liberi în reţeaua cristalină, fapt ce le face să reacţioneze foarte uşor cu mediile uzuale, fiind alterabile prin coroziune chiar şi în aer sau apă. Degradarea prin coroziune a materialelor metalice conduce la modificarea greutăţii, a calităţii suprafeţei, la slăbirea proprietăţilor mecanice ale pieselor şi structurilor. Degradarea prin coroziune afectează grav capacitatea de deformare plastică a materialelor metalice, fapt ce are drept consecinţă micşorarea tenacităţii şi creşterea fragilităţii. În anumite cazuri, coroziunea este benefică; de exemplu, în cazul prelucrărilor electrochimice sau a celor chimico-mecanice şi electroerozive.

12.2.1. Clasificarea formelor de coroziune

După aspect, se pot identifica următoarele forme de coroziune prezentate în continuare.

12.2.1.1. Coroziunea uniformă (generalizată)

Procesul de coroziune se manifestă uniform pe întreaga suprafaţă expusă (de exemplu, o bară de oţel sau de zinc scufundată într-o soluţie de acid sulfuric). Această formă de coroziune poate fi estimată suficient de precis prin teste comparative, astfel încât să nu se constituie în factor de risc. Coroziunea uniformă poate fi prevenită prin:


- alegerea corespunzătoare a materialului şi/sau acoperirii; - utilizarea inhibitorilor de coroziune; - aplicarea protecţiei catodice.

12.2.1.2. Coroziunea galvanică (fenomenul de bimetal)

Diferenţa de potenţial dintre două metale diferite aflate în contact produce un flux de electroni, astfel încât, procesul de coroziune al metalului mai puţin rezistent la coroziune este accelerat, în timp ce, coroziunea metalului mai rezistent este încetinită, faţă de comportarea aceloraşi metale când nu se află în contact. Metalul mai puţin rezistent devine anod, iar celălalt devine catod.

Prevenirea coroziunii galvanice se poate face prin (de regulă, este necesară combinarea mai multor soluţii): - alegerea unei combinaţii de materiale cât mai apropiate (a se vedea tabelul 12.1);

- evitarea efectului nefavorabil de suprafaţă (anod mic/catod mare); - izolarea materialelor diferite galvanic (a se vedea fig. 12.1.);

Tabelul 12.1. Activitatea galvanică a metalelor şi a aliajelor în apă salină

Nr. crt. Denumirea materialului Caracterul materialului Rolul electrochimic 1 Platină Nobil Catod 2 Aur

3 Grafit

4 Titan

5 Argint

6 62Ni 18Cr 18Mo

7 62Ni 17Cr 15Mo

8 Inox 18-8 Mo

9 Inox 18-8

10 Inox 11-30 Cr

11 80Ni 13Cr 7Fe

12 Ni

13 Bronz CuSn

14 60-90 Ni, 40-10 Ni

15 Alama CuZn

16 Sn

17 Pb

18 Inox 13 Cr

19 Fontă

20 Otel

21 Al 4,5 Cu 1,5 Mg 0,6 Mn

22 Cadmiu

23 Al 99%

24 Zn ↓↓↓↓ ↓↓↓↓

25 Mg Activ Anod


- folosirea acoperirilor să se facă cu precauţie (astfel, dacă două materiale diferite galvanic aflate în contact trebuie acoperite, se va acoperi întotdeauna materialul mai nobil, pentru a limita efectul catodic al acestuia);

- pentru micşorarea agresivităţii mediului se vor utiliza inhibitori de coroziune;

- toate piesele din materiale active (anodice) trebuie concepute de dimensiuni mai mari (având o rezervă de coroziune);

- introducerea unui al treilea material, care să joace rolul de anod pentru celelalte două materiale aflate în contact galvanic.

Protecţia catodică se utilizează pentru a transforma o structură (piesă) metalică în catodul unei celule galvanice. Astfel, oţelul acoperit cu Zn va fi protejat datorită efectului anodic al zincului, care se va coroda primul (anod de sacrificiu), protejând oţelul. Spre deosebire de Zn, staniul, care este mai rezistent la coroziune decât Zn, reacţionează catodic faţă de oţel, accelerându-i coroziunea din momentul perforării stratului de acoperire (fig. 12.2).

Un alt exemplu este curăţirea electrochimică a Ag, care are la bază reducerea sulfatului de argint la argint metalic (de pe obiectele din argint masiv sau acoperite cu argint). Aceasta se poate realiza utilizând efectul electrochimic al unei băi de carbonat de sodiu (NaCO3) şi aluminiu sau magneziu.

3

1 2 4

7

5

6

2 3

4

1 1

4

Fig. 12.1. Exemplu de izolare a materialelor diferite galvanic:

1, 2 - flanşe; 3 - şurub; 4 - piuliţă; 5 - şaibe izolante; 6 - manşon izolant;

7 - garnitură izolantă.

Fig. 12.2. Comportarea diferită la coroziunea galvanică a materialelor de acoperire:

a – la acoperirirea cu Sn; b – acoperirea cu Zn: 1- oţel; 2- strat de Sn; 3- strat de Zn; 4- crater format

prin coroziunea galvanică.

12.2.1.3. Coroziunea în crevasă (interstiţială)

O tablă de inox poate fi tăiată prin coroziune dacă este legată cu o bandă de cauciuc întinsă şi este imersată în apă de mare. Fanta creată între metal şi banda de cauciuc trebuie să fie suficient de largă pentru a permite intrarea lichidului şi, totodată, suficient de îngustă pentru a menţine o zonă stagnantă. De aceea, acest tip de coroziune apare în jurul unor deschideri înguste, de ordinul sutimilor şi zecimilor de milimetri, ca şi în cazul prezenţei pe suprafaţă a unor zone (depuneri


solide, obstacole etc.), care favorizează stagnarea lichidului. O astfel de zonă de stagnare are ca efect creşterea locală (3-10 ori) a concentratiei ionilor pozitivi şi negativi, fapt ce conduce la intensificarea proceselor de coroziune (fig. 12.3).

Cele mai afectate de acest tip de coroziune sunt metalele şi aliajele a căror rezistenţă la coroziune depinde de formarea la suprafaţa lor a unui strat de pasivizare (de exemplu, aluminiul şi otelurile inoxidabile).

Prevenirea coroziunii interstiţiale se poate face prin: - înlocuirea asamblărilor cu nituri sau şuruburi prin lipire sau sudare; - evitarea zonelor înguste, de tip fantă, colţuri, muchii ascuţite şi a defecte-

lor de tip fisuri şi porozităţi; - evitarea zonelor în care pot apare sedimente sau depuneri; - inspectarea periodică şi înlăturarea depunerilor de pe pereţii recipientelor,

a vaselor sau cuvelor prin care circulă medii corozive.

Na+

Cl-

O2

O2→OH- →e-

Me+←

O2→OH- →e-

Me+← Cl-

O2→OH- →e-

Me+←

O2→OH- →e-

Me+←

Cl- H+

→e-

→e-

Fig. 12.3. Mecanismul coroziunii interstiţiale:

Me → Me+ + e- - oxidare; O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- - reducere; Me+Cl- + H2O = MeOH↓ + H+Cl-.

Coroziunea filiformă este un caz particular de coroziune interstiţială. Ea a fost observată pe suprafeţele oţelurilor, aliajelor de magneziu şi aluminiu acoperite cu staniu, argint, aur, fosfat, email sau lac. Coroziunea filiformă nu distruge materialul, ci afectează doar aspectul suprafeţei (fig. 12.4).

1

24

3

a b c d

Fig. 12.4. Aspectul unui filament de coroziune: 1- vârful, culoare albastru-verde;

2- coada, culoare roşu-brun; 3- sensul de evoluţie al coroziunii; 4- filament.

Fig. 12.5. Interacţiunea filamentelor de coroziune: a- reflexia; b- alăturarea; c- separarea; d- capcana.


Coroziunea filiformă este favorizată de creşterea umidităţii relative a aerului. Apare la o umiditate de 65-90% şi se dezvoltă puternic peste 80%. Acoperirile care sunt puţin permeabile la apă reduc coroziunea filiformă.

Mecanismul coroziunii filiforme (fig. 12.6). În timpul dezvoltării coroziunii, vârful filamentului este alimentat prin osmoza cu apa din atmosferă, datorită concentraţiei crescute de ioni de fier dizolvaţi. Osmoza tinde să elimine apa din coada (inactivă), datorită concentraţiei scăzute în săruri solubile (Fe precipită sub forma de Fe(OH)3). Astfel, apa din atmosferă continuă să difuzeze în vârf şi să se elimine din coadă. Deşi O2 difuzează prin stratul de acoperire în toate zonele, concentraţia în O2 la interfaţa vârf/coadă este ridicată datorită difuziunii laterale. Coroziunea se limitează la vârf, unde hidroliza produsă de coroziune produce un mediu acid. Astfel, coroziunea filamentară poate fi privită ca o coroziune interstiţială autoîntreţinută. Nu există o modalitate complet satisfăcătoare de prevenire a coroziunii filamentare. Se recomandă ca suprafeţele acoperite să fie menţinute în medii cu umiditate redusă.

O2 H2O H2O O2

↓↓ ↓↓ ↑↑ ↓

Fe2+

↑↑

Fe(OH)3

Reducerea O2 (pH ridicat) hidroliza O2 (pH scăzut)

Evoluţia coroziunii 2

1

Fig.12.6. Mecanismul coroziunii filiforme:

1 - materialul de bază oţel; 2 - stratul de acoperire.

12.2.1.4. Coroziunea pitting

Pittingul este o formă extrem de localizată de coroziune, care apare sub formă de găuri în suprafaţa materialului. Găurile pot fi izolate sau concentrate, astfel încât să pară o suprafaţă rugoasă. În general, o astfel de gaură are diametrul mai mare sau egal cu adâncimea sa. Pittingul este una dintre cele mai distructive şi insidioase forme de coroziune, deoarece produce avarierea echipamentelor numai prin corodarea unui volum foarte redus de material. Este adesea dificilă identificarea găurilor, deoarece au dimensiuni mici şi sunt adesea acoperite de produşi ai coroziunii. În plus, este dificil de măsurat cantitativ şi de comparat amploarea pittingului, deoarece variază adâncimea găurilor şi numărul de găuri care pot apare în condiţii similare. Pittingul este greu de prezis prin teste de laborator. Uneori este necesar un timp îndelungat (de la câteva luni - la un an) pentru a se manifesta. Adesea avaria intervine brusc.


Găurile se dezvoltă pe direcţia gravitaţiei. Cele mai multe găuri apar în suprafeţele orizontale. O dată iniţiat procesul de coroziune, găurile penetrează materialul cu viteză mărită.

Coroziunea de tip pitting este o formă specifică de reacţie anodică, fiind un proces autocatalitic. Aceasta înseamnă că procesul dintr-o gaură produce condiţii care stimulează continuarea şi extinderea sa.

Cl- Na

+ O2 Na

+

O2 Na+

Cl-

O2

Cl-

H+

Cl-

O2 O2 H+ Cl

- Cl

- O2 O2

↓ ↓ Cl- Me

+ H

+ ↓ ↓

OH- OH

- Me

+ Me

+ Me

+ OH

- OH

-

Me+ Cl

- Me

+

↑ ↑ ↑ ↑ ↑↑

↑←e- ←↓

↑←e- ←↓

↓←e- ←↑

↓←e- ←↑

Fig. 12.7. Mecanismul autocatalitic.

Mecanismul autocatalitic (fig. 12.7): metalul Me este corodat cu o soluţie aerată de NaCl. În gaură are loc o dizolvare rapidă, în timp ce pe suprafaţa exterioară are loc reducerea O2. Acest proces se autostimulează şi se autopropagă. Dizolvarea rapidă a Me din crater tinde să producă un exces de sarcini pozitive în zonă, care, pentru menţinerea electroneutralităţii, produce migrarea ionilor Cl-. Astfel, în crater este o concentraţie crescută de MeCl, şi ca rezultat al hidrolizei, o concentraţie mare de ioni de H+. Atât ionii de Cl-, cât şi cei de H+ stimulează dizolvarea metalului, accelerând în timp procesul. Deoarece în soluţii concentrate solubilitatea O2 este aproape zero, nu apare o reducere a sa în crater. Reducerea catodică a O2 pe suprafeţele exterioare tinde să reducă coroziunea. Într-un fel, găurile de pitting protejează catodic restul materialului de coroziune. Procesul de iniţiere a pittingului apare în zonele unde dizolvarea Me este la un moment dat relativ ridicată, producând concentrarea ionilor Cl-, care stimulează dizolvarea. Cauze ale dizolvării ridicate pot fi: zgârieturi ale suprafeţei, defecte, dislocaţii sau neomogenităţi ale soluţiei saline. Este evident că în timpul iniţierii condiţiile sunt practic instabile, atâta vreme cât nu există un crater format în material. Condiţiile devin mai stabile pe direcţia gravitaţiei, care favorizează concentrarea soluţiei. Procesul de pitting este îngreunat de mişcarea soluţiei; astfel, o pompă din inox, care vehiculează apa salină, este protejată dacă funcţionează continuu, şi este expusă pittingului dacă este oprită pe perioade mari de timp.


Oţelurile inoxidabile sunt cele mai predispuse materiale la coroziune prin pitting. Deşi oţelurile obişnuite sunt mai corodabile în general decât cele inoxidabile, ele sunt mai rezistente la efectul pittingului.

Prevenirea coroziunii de tip pitting se poate face prin utilizarea riguroasă a acelor materiale care s-au dovedit experimental a fi rezistente la pitting în mediul considerat.

12.2.1.5. Coroziunea intercristalină

În anumite condiţii, marginile grăunţilor cristalini devin reactive şi apare coroziunea intergranulară, cristalele fiind relativ puţin corodate. Drept consecinţă, aliajul se descompune sau îşi pierde rezistenţa. Coroziunea intergranulară este cauzată de: prezenţa impurităţilor la limita grăunţilor, de creşterea sau de reducerea concentraţiei unuia dintre constituenţii aliajului în zona respectivă. Coroziunea intercristalină a aliajelor de aluminiu este favorizată de procente mici de Fe în Al, deşi solubilitatea Fe este redusă în Al, care pot segrega la limita dintre grăunţi. Coroziunea oţelurilor inoxidabile poate fi provocată de reducerea concentraţiei de Cr în zonele intercristaline. Aliajele de Al de înaltă rezistenţă depind de fazele precipitate şi sunt susceptibile la coroziune intercristalină.

Ţinerea sub control şi minimizarea efectului coroziunii intercristaline asupra oţelurilor inoxidabile austenitice se poate face prin una din următoarele metode:

- călirea cu punere în soluţie, astfel încât să se dizolve Cr23C6 (carburi de crom) şi să se obţină un aliaj omogen. Majoritatea oţelurilor inoxidabile austenitice sunt livrate în această stare. Dacă acestea se prelucrează prin sudare, este necesară ulterior o nouă călire, care devine problematică pentru piesele agabaritice;

- adăugarea de elemente chimice stabilizatoare, care să permită formarea carburilor, cum ar fi: columbiu, tantal, titan, care au o afinitate mai mare faţă de C decât Cr; în acest caz nu mai este necesară călirea;

- reducerea conţinutului de C sub 0, 03%.

12.2.1.6. Coroziunea selectivă a unui element de aliere

Cele mai des întâlnite tipuri de astfel de coroziune se prezintă în continuare.

- Dezincarea (îndepărtarea zincului din alame). Se pot distinge zone în care culoarea obişnuită a aliajului - gălbuie - devine roşcată, precum culoarea cuprului. Coroziunea poate fi uniformă sau zonală; cea uniformă e caracteristică alamelor cu conţinut ridicat de zinc, iar cea zonală, celor cu conţinut scăzut de zinc.

Prevenirea dezincării se poate face prin: utilizarea în medii agresive a alamelor cu conţinut redus de Zn; utilizarea alamelor cu inhibitori, precum staniu,


arsen (70Cu29Zn1Sn0,04As); utilizarea în medii foarte corozive a aliajelor CuNi (70-90%Cu 30-10%Ni).

- Grafitizarea (coroziunea grafitică). Fontele cenuşii, în medii relativ blânde, prezintă pe suprafaţă un strat de grafit, care poate fi uşor îndepartat (de slabă rezistenţă). Acest efect se produce prin dizolvarea selectivă a fierului din reţeaua de grafit fără a se constata modificări dimensionale ale piesei. Superficial apare rugina, iar in profunzime materialul îşi pierde rezistenţa. Acest fenomen nu apare la fontele albe, cu grafit nodular sau la cele maleabile. Grafitul este catodic faţă de fier, astfel încât există o celulă galvanică în material.

12.2.1.7. Coroziunea prin eroziune

Coroziunea prin eroziune constă în accelerarea sau creşterea vitezei de deteriorare sau atac asupra materialului, ca urmare a mişcării relative dintre un fluid coroziv şi suprafaţa piesei. În general, această mişcare este rapidă şi sunt favorizate efectele uzării abrazive. Metalul este îndepărtat sub formă de ioni dizolvaţi sau produse solide de coroziune, care sunt îndepărtate mecanic de pe suprafaţa materialului. Uneori, mişcarea relativă reduce coroziunea, în special, când atacul este favorizat de condiţiile de stagnare (în cazul coroziunii interstiţiale).

Coroziunea prin eroziune este caracterizată de apariţia adânciturilor, a găurilor rotunjite, a valurilor care, în mod uzual, indică sensul şi direcţia mişcării relative (fig. 12.8).

3

1

2

4 5

Fig. 12.8. Coroziunea prin eroziune a unui condensator de abur:

1 - perete metalic; 2 - suprafata iniţială a peretelui; 3 - strat de coroziune; 4 - suprafaţa erodată; 5 - sensul şi direcţia de curgere.

În multe cazuri, avariile datorate coroziunii prin eroziune sunt neaşteptat de mari şi de rapide, mai ales când testele de rezistenţă la coroziune au fost efectuate în condiţii statice şi nu au fost luate în considerare efectele eroziunii. Multe metale şi aliaje sunt susceptibile de a fi deteriorate prin eroziune corozivă. Cele mai multe depind de formarea la suprafaţă a unui strat pasiv, rezistent la coroziune (Al, Pb, inox). Capacitatea filmelor de acoperire de a proteja materialul depinde de rapiditatea cu care acestea se formează pe suprafaţa metalelor sau aliajelor, de rezistenţa lor la acţiunea mediului şi de capacitatea lor de a se reface după deteriorare. Un film dur, dens, aderent şi continuu asigură o protecţie mai


mare decât unul care este îndepărtat cu uşurinţă. Un film fragil, care se crapă la efort (presiune) nu asigură protecţia. Rezistenţa la coroziune a oţelurilor inoxidabile depinde de formarea stratului de pasivizare, în consecinţă, aceste materiale sunt sensibile la coroziunea erozivă.

Metalele moi şi cu rezistenţă mecanică redusă, precum cuprul şi plumbul sunt susceptibile de a fi corodate eroziv.

Multe medii pot produce coroziune erozivă: gaze, soluţii apoase, metale în stare topită, materiale organice. Materialele solide, aflate în suspensii în lichide, sunt foarte distructive din punct de vedere al coroziunii erozive.

Toate echipamentele care sunt expuse mişcării fluidelor pot fi afectate de coroziunea erozivă: fitinguri, pompe, elici, amestecătoare, valve, palete, rotoare, schimbătoare de căldură, rezervoare, injectoare, duze, ajutaje etc.

Viteza relativă a mediului joacă de asemenea un rol important în coroziunea erozivă. Ea influenţează puternic mecanismul reacţiilor de coroziune şi prezintă efecte de uzură mari, mai ales când în soluţie există particule solide în suspensie. Testele realizate în condiţii statice sau la viteze joase pot conduce la concluzii complet eronate privind rezistenţa la coroziune erozivă a materialului. Coroziunea erozivă poate apare în materiale care sunt foarte rezistente într-un mediu dat la viteze reduse; mărirea vitezei poate conduce la intensificarea atacului coroziv prin aducerea unor cantităţi sporite de oxigen, dioxid de carbon sau hidrogen sulfurat în contact cu suprafaţa materialului sau prin creşterea transferului de ioni, reducând grosimea filmului stagnant de la suprafaţa materialului. În cazul utilizării inhibitorilor de coroziune, viteza mărită a mediului poate spori eficienţa inhibitorilor la suprafaţa materialului; de asemenea, viteza mărită poate reduce condiţiile apariţiei coroziunii interstiţiale.

Turbulenţa curgerii mediului poate duce la un contact mai apropiat între suprafaţa metalului şi mediu faţă de cazul curgerii laminare. Cel mai frecvent caz de coroziune erozivă în curgerea turbulentă se întâlneşte la schimbătoarele de căldură, în zona în care se modifică secţiunea de curgere a fluidului, la intrarea în ţevile condensatorului (trecerea de la o secţiune mare la o secţiune mică). Pe lângă viteza mare de curgere, orice modificări sau obstacole de ordin geometric, care pot influenţa curgerea laminară, pot conduce la apariţia coroziunii erozive. Agitatoarele şi elicele sunt piese tipice care lucrează în condiţii turbulente.

Impactul cu jeturi de fluid, caracteristic zonelor în care fluidul sub presiune este obligat să îşi modifice direcţia de curgere, este un alt factor favorizant pentru apariţia coroziunii erozive. Efectul impactului poate fi sporit de prezenţa bulelor de gaz sau a suspensiilor solide în interiorul lichidului.

Efectul coroziunii galvanice poate fi de asemenea sporit în condiţiile curgerii fluidului. Polarizarea catodică a oţelurilor inoxidabile şi a titanului creşte la viteze mari de deplasare a fluidului.

Materialele moi sunt mai susceptibile de a fi corodate eroziv, deoarece ele sunt mai puţin rezistente la uzare. Duritatea este în acest caz un bun criteriu de


apreciere a rezistenţei la uzare, dar nu şi la coroziunea erozivă. Dintre metodele de durificare superficială, cea care produce o bună rezistenţă la coroziune erozivă este călirea cu formarea unei soluţii solide. Aceasta presupune adăugarea unui element chimic în scopul realizării unei soluţii solide, care este rezistentă la coroziune şi inerent este dură. Aceasta nu mai poate fi înmuiată sau durificată ulterior prin tratamente termice.

Cel mai uzual exemplu în acest sens este oţelul silicios cu 14,5%Si. Acesta este poate aliajul universal rezistent la coroziune erozivă dintre aliajele nepreţioase şi singurul care poate fi utilizat în multe condiţii grele de lucru.

Călirea prin tratament termic constă în modificări microstructurale şi eterogenităţi, care, în general, reduc rezistenţa la coroziune.

Fonta are uneori mai bune performanţe ca oţelul în condiţii de coroziune erozivă în acid sulfuric fierbinte concentrat. Fierul din fontă este corodat, însă stratul restant de grafit constituit din reţeaua iniţială şi produşii de coroziune asigură o anumită protecţie contra propagării fenomenului.

Prevenirea coroziunii erozive se poate realiza prin: - utilizarea unor materiale cu o rezistenţă mai bună; - proiectarea formei pieselor, în vederea:

- reducerii condiţiilor de curgere turbulentă; - reducerii condiţiilor de apariţie a jeturilor concentrate; - măririi grosimii pereţilor în zonele vulnerabile; - prevederii unor piese de uzură, care să poată fi rapid înlocuite;

- modificarea mediului coroziv, prin: - eliminarea aerului şi a gazelor; - adăugarea de inhibitori de coroziune; - filtrarea şi separarea particulelor solide; - micşorarea temperaturii mediului;

- acoperiri şi depuneri: - nu întotdeauna sunt utile; - depuneri prin sudare; - repararea prin sudare a zonelor avariate;

- protecţia catodică ajută la reducerea atacului, dar nu şi-a găsit încă o utilizare pe scară largă.

Deteriorarea prin cavitaţie este o formă particulară de coroziune erozivă, cauzată de formarea şi implozia bulelor de gaz într-un lichid, în apropierea suprafeţei materialului. Avariile prin cavitaţie apar la turbinele hidraulice, elicele navale, paletele pompelor, ca şi pe alte suprafeţe unde curg fluide cu viteze mari şi sunt întâlnite modificări de presiune.

Aspectul deteriorărilor produse de cavitaţie seamănă cu cele de pitting, cu diferenţa că zonele afectate de pitting sunt plasate grupat, iar suprafaţa are aspect rugos. Avariile produse de cavitaţie au fost atribuite atât coroziunii, cât şi efectelor mecanice. În faza iniţială, impactul produs de implozia bulelor de gaz provoacă


distrugerea filmului protector creat de coroziune; cu toate acestea, implozia are suficientă forţa de impact pentru a deteriora local zone de material necorodat. O dată ce suprafaţa a fost astfel deteriorată şi i s-a mărit rugozitatea, zona serveşte ca nucleu pentru formarea de noi bule cavitaţionale.

Pe lângă măsurile generale de prevenire a coroziunii erozive, cavitaţia mai poate fi prevenită prin modificarea formei şi a dimensiunilor pieselor, astfel încât să se reducă diferenţele de presiune hidrodinamică din procesele de curgere. Suprafinisarea suprafeţelor de impact reduce fenomenul de aderenţă a bulelor de gaz. Protecţia catodică reduce de asemenea efectul cavitaţiei, prin formarea pe suprafaţa protejată a unor bule de hidrogen, care atenuează şocul produs de implozie.

Coroziunea produsă prin fricţiune se referă la coroziunea care apare în zonele de contact dintre piesele aflate sub sarcini, care sunt supuse la vibraţii şi alunecare. Aceasta apare sub forma unor găuri în materialul pieselor, care sunt înconjurate de produse de coroziune. Acestă formă de coroziune mai este cunoscută şi sub denumirile de oxidare de frecare sau de amprenta Brinell falsă. Ea a fost observată pe diverse organe de maşini şi este un caz particular de coroziune erozivă, care apare în mediul atmosferic mai mult decât în lichide. Coroziunea produsă prin fricţiune este însoţită de uzura dimensională, care conduce la crearea unor zone cu concentratori de eforturi şi secţiuni slăbite, susceptibile să se rupă la oboseală.

Condiţiile de bază pentru apariţia coroziunii de fricţiune sunt: - interfaţa dintre piesele conjugate trebuie să fie sub sarcină; - trebuie să existe vibraţii sau o mişcare relativă repetată între cele două

suprafeţe; - încărcarea şi mişcarea relativă a interfeţei trebuie să fie suficient de mari

pentru a produce alunecarea sau deformarea suprafeţelor (mişcarea relativă necesară este extrem de mică, chiar deplasări de ordinul 10-8cm pot provoca deteriorări);

- mişcarea repetată este necesară, coroziunea de fricţiune nu apare între suprafeţe aflate în mişcare continuă, precum rulmenţi, ci mai degrabă în zonele de interfaţă, care fac obiectul unor mişcari reduse, repetate.

Osiile (axele) autoturismelor care sunt transportate pe distanţe mari cu trenul sau vaporul sunt susceptibile la aparţia coroziunii de fricţiune, ca urmare a efectului vibraţiilor şi a greutăţii proprii a acestora. Funcţionarea normală a autoturismelor respective nu implică prezenţa acestui tip de coroziune, deoarece atunci au loc rotaţii complete ale osiilor.

Pentru explicarea acţiunii coroziunii de fricţiune, au fost emise două teorii complementare (fig. 12.9 şi 12.10):

Teoria uzării-oxidării se bazează pe faptul că au loc suduri reci la interfaţă sub efectul încărcării, iar ca urmare a mişcării relative aceste puncte de contact, care sunt rupte şi fragmente de metal, sunt înlăturate. Aceste fragmente, datorită


diametrului foarte mic şi a căldurii generate de frecare sunt imediat oxidate. Procesul se repetă ducând la uzarea dimensională şi la acumularea de particule oxidate. Frecarea şi uzarea sunt cauzele deteriorării, iar oxidarea este un efect secundar.

1 3

I II

2

Fig. 12.9. Teoria uzării-oxidării:

I, II - fazele procesului; 1 - puncte de sudură la rece; 2 - sensul de deplasare; 3 - particule oxidate.

1 3

I II

2

Fig. 12.10. Teoria oxidării-uzării:

I, II - fazele procesului; 1 - strat de oxid; 2 - sensul de deplasare; 3 - particule oxidate.

Teoria oxidării-uzării afirmă că, multe materiale sunt protejate de oxidarea atmosferică prin formarea unui strat aderent şi subţire de oxizi. Când materialele sunt plasate în contact sub încărcare şi sunt deplasate repetat, stratul de oxid se rupe în zonele de contact, rezultând particule oxidate. Se presupune că stratul de oxid se reface şi procesul se repetă. Teoria se bazează pe conceptul oxidării accelerate datorate efectelor frecării.

Prezenţa stratului oxidat nu este absolut necesară în niciunul din cazuri, deoarece deteriorări datorate frecării s-au constatat în aproape toate cazurile de suprafeţe, atât pentru metalele nobile, cât şi pentru nemetale (mică, sticlă, rubin). Prezenţa oxigenului accelerează atacul asupra multor materiale, în special asupra aliajelor de fier.


Principalele măsuri care se pot lua pentru a preveni apariţia coroziunii de fricţiune sunt:

- utilizarea lubrifianţilor cu vâscozitate redusă şi cu tenacitate ridicată. Ungerea reduce frecarea şi tinde să elimine oxigenul. Acoperirea prin fosfatare este utilizată frecvent împreună cu ungerea, deoarece stratul fosfatat este poros şi asigură rezervoare pentru lubrifiant în suprafaţa piesei;

- creşterea durităţii unuia sau ambelor materiale aflate în contact. Se poate realiza prin alegerea unei combinaţii adecvate de materiale. Durificarea superficială poate fi făcută prin bombardare cu alice sau prin prelucrări la rece (ecruisare);

- creşterea frecării prin mărirea rugozităţii. Adesea, suprafeţele în contact care pot fi afectate de vibraţiile din timpul transportului sunt acoperite cu plumb pentru a preveni coroziunea prin frecare. În momentul punerii în funcţiune, stratul de acoperire poate fi rapid înlăturat;

- utilizarea garniturilor şi a manşoanelor pentru a izola suprafeţele aflate în contact, a absorbi vibraţiile şi a elimina contactul cu atmosfera;

- creşterea încărcării în scopul de a reduce alunecarea dintre suprafeţele aflate în contact;

- reducerea încărcării la nivelul interfeţelor. Această metodă nu are întotdeauna efect, deoarece sarcini foarte mici pot produce avarii prin coroziune de fricţiune;

- pe cât posibil, se va căuta mărirea mişcării relative, pentru a se reduce atacul.

12.2.1.8. Coroziunea fisurantă

Acest tip de coroziune este cauzată atât de existenţa sarcinii, cât şi de prezenţa mediului coroziv. Mulţi cercetători au clasificat toate avariile datorate fisurării, apărute în medii corozive, exclusiv ca fiind cauzate de solicitări, incluzând aici şi pe cele datorate fragilizării în prezenţa hidrogenului. Cu toate acestea, cele două tipuri de avarii prin fisurare răspund diferit parametrilor de mediu. De exemplu, protecţia catodică este o metodă eficientă de prevenire a fisurării corozive în sarcină, dar accelerează efectul fragilizării cu hidrogen. De aici apare evidentă tendinţa de a trata separat cele două fenomene, respectiv coroziunea fisurantă şi avariile datorate prezenţei hidrogenului.

În timpul desfăşurării procesului de coroziune fisurantă, suprafaţa materialului nu este atacată, ci, în interiorul materialului se propagă fisuri fine. Acest fenomen are consecinţe grave, deoarece poate apare la solicitări aflate în cadrul limitei admisibile. Cele două cazuri clasice de coroziune cu fisurare sub sarcină sunt:

- crăparea sezonieră a alamei; - fragilizarea caustică a oţelului. Crăparea sezonieră a fost observată la tuburile din alamă ale cartuşelor

păstrate în zone tropicale, în perioade cu ploi abundente. S-au observat fisuri ale


tuburilor în zona de îmbinare cu glontele. Ulterior, s-a constatat că un element important, generator al fisurării era amoniacul, rezultat din descompunerea substanţelor organice.

Fragilizarea caustică (alcalină) a fost observată pentru prima dată la zonele nituite ale cazanelor locomotivelor cu abur, care conduceau la explozia cazanului. Examinarea zonei avariei a pus în evidenţă fisuri sau regiuni fragilizate în jurul găurilor pentru nituri (aceste găuri erau prelucrate la rece). Depunerile găsite în aceste zone au fost în majoritate compuse din sodă caustică, NaOH, şi de aici termenul de fragilizare caustică.

Nu toate materialele metalice sunt predispuse la fisurare în medii corozive; de exemplu, oţelul fisurează în medii de acid clorhidric (HCl) sau sodă caustică (NaOH), dar rezistă bine în acid sulfuric (H2SO4), acid azotic (H2NO3), acid acetic (CH3-COOH) sau apă distilată.

Parametrii care influenţează rezistenţa la coroziune fisurantă sunt: temperatura şi compoziţia mediului, compoziţia şi structura materialului metalic, tipul sarcinii aplicate.

Aspectul ruperii are aparenţa unei ruperi fragile, dar de fapt este efectul unei coroziuni. Deşi nu este rezultatul unui proces mecanic strict, s-a convenit să se menţină denumirea de fisurare. Se observă atât fisurări intercristaline, cât şi transcristaline (fără preferinţă în raport cu limitele de grăunţi). Ambele tipuri apar de regulă în aceleaşi materiale, depinzând de mediu şi de structura materialului. Asemenea tranziţii în modul de fisurare sunt cunoscute pentru aliajele cu conţinut ridicat de nichel, fier, crom, precum şi la alame. Fisura se propagă în general perpendicular pe direcţia de aplicare a sarcinii. În funcţie de structura şi de compoziţia materialului, fisura poate fi singulară sau ramificată.

Efectul sarcinii. Cu creşterea sarcinii scade durata de apariţie a fisurii. Valoarea minimă admisibilă a sarcinii depinde de temperatura mediului, de compoziţia aliajului şi de cea a mediului. Uneori, aceasta a fost mai mică de 10% din rezistenţa materialului, iar în alte cazuri mai mare de 70%. Pentru fiecare combinaţie aliaj/mediu există o valoare limită admisibilă. Aceasta însă trebuie utilizată cu precauţie, deoarece mediul se poate modifica rapid. Sarcinile pot fi: aplicate, reziduale, termice, de sudare. În numeroase cazuri de coroziune fisurantă a lipsit sarcina externă aplicată., în unele situaţii chiar produsele de coroziune pot exercita aceste sarcini.

Durata expunerii. Parametrul timp este important, deoarece avariile majore apar în stadii tardive. Pe măsură ce fisura se propagă în material, secţiunea transversală a acestuia se reduce, iar avaria rezultă în urma acţiunii mecanice (fig. 12.11).

Mediul. Prezenţa oxidanţilor favorizează tendinţa la fisurare. De exemplu, în cazul fisurării oţelului în soluţie de acid clorhidric, prezenţa oxigenului este critică. Nu sunt cunoscute toate mediile oxidante critice noi, medii favorizante continuând a fi descoperite. Este întotdeauna necesar a evalua un material dat prin


teste de coroziune în sarcină, ori de câte ori se modifică compoziţia mediului. Caracteristic acestor fenomene este faptul că fisurarea nu apare în lipsa sarcinii.

Factorii metalurgici. Predispoziţia la coroziune fisurantă este influenţată de compoziţia chimică, de orientarea cristalelor, de compoziţia şi distribuţia precipitatelor, de interacţiunea dislocaţiilor şi de gradul de metastabilitate (deplasarea transformărilor de fază). S-a constatat faptul că şi metalele pure pot prezenta coroziune fisurantă. De exemplu, aliajele de înaltă rezistenţă pe bază de aluminiu prezintă o mai mare susceptibilitate la coroziune fisurantă pe direcţia transversală faţă de direcţia de laminare, datorită distribuţiei precipitatelor rezultate din laminare. Pe de altă parte, polii de ferită din matricea austenitică a oţelului tind să blocheze dezvoltarea fisurilor.

vitezamomentul ruperii

de fisurare

adâncimea fisurii

marimea

timp

momentul ruperii

fisurii

a b

Fig. 12.11. Influenţa parametrului timp şi viteză de fisurare asupra coroziunii fisurante: a- viteza de fisurare în funcţie de adâncimea fisurii; b- mărimea fisurii în funcţie de durata de

expunere.

Mecanismul coroziunii fisurante. Deşi coroziunea fisurantă este una dintre cele mai importante probleme de coroziune, mecanismul ei nu este încă bine fundamentat. Ea este una dintre marile probleme nerezolvate ale studiului coroziunii. Motivul este dat de interdependenţa complexă care există între material, interfaţă şi mediu. În acelaşi timp, este puţin probabil ca să se găsească un singur mecanism care să fie aplicabil tuturor sistemelor material-mediu. Cele mai utile şi fiabile informaţii sunt obţinute din experienţa practică. În continuare sunt prezentate câteva din ipotezele de lucru:

- coroziunea joacă un rol important în iniţierea fisurii (o discontinuitate în suprafaţa materialului acţionează ca un concentrator de efort);

- propagarea fisurii se face prin conjugarea factorilor sarcină şi coroziune (o fisură avansată a putut fi oprită prin protecţie catodică, fără a se modifica sarcina, iar fără protecţie, fisura s-a propagat în continuare);

- în zona fisurii poate apare o deformare plastică a materialului. Dacă materialul este metastabil, atunci poate apare o transformare de fază (de exemplu


austenită → martensită la oţelurile inoxidabile cu nichel), noua fază formată putând avea o rezistenţă diferită, reactivitate sau susceptibilitate la hidrogen. Dacă aliajul e metastabil, zona deformată plastic poate fi mai puţin rezistentă la coroziune decât restul matricei, datorită alunecărilor repetate. Acesta este un proces dinamic şi poate fi pus în evidenţă prin testarea la coroziune a câtorva materiale puternic deformate, în prealabil, caz în care s-a observat propagarea rapidă a fisurilor;

- rolul sarcinii este important în distrugerea filmelor protectoare, atât în iniţierea, cât şi în propagarea fisurii. Întreruperea filmului protector permite coroziunea rapidă şi iniţierea fisurii;

- în cazul fisurării intercristaline, zonele limită pot fi mai mult anodice sau mai puţin rezistente la coroziune datorită prezenţei fazelor precipitate, îmbogăţite sau adsorbite.

Modalităţile de prevenire sunt în consecinţă empirice sau generale şi constau în:

- reducerea sarcinii şi a tensiunilor sub valoarea admisibilă; - eliminarea şi evitarea mediilor critice; - înlocuirea materialului (de exemplu, utilizarea schimbătoarelor de căldură

pentru apă salină confecţionate din oţel carbon moale şi nu din oţel inoxidabil); - aplicarea protecţiei catodice; - utilizarea inhibitorilor de coroziune. Oboseala la coroziune. Oboseala este definită ca tendinţa materialului

metalic de a se rupe după un ciclu de încărcare repetat. Avariile apar uzual la nivele ale sarcinii aflate sub cele admisibile. Studiile efectuate au arătat că în timpul propagării unei fisuri de oboseală prin material, aceasta este accelerată în prezenţa coroziunii. Coroziunea de oboseală este definită ca reducerea rezistenţei la oboseală a materialului datorită expunerii în mediul coroziv.

De exemplu, fierul, oţelurile carbon, oţelurile inox, bronzurile cu aluminiu au o rezistenţă la oboseală bună în apă dulce, în timp ce, în apă de mare această rezistenţă se reduce la 70-80%. Aliajele pe bază de crom, dimpotrivă, cunosc o mărire a rezistenţei la oboseală în apa de mare, cu circa 30 - 40%.

Coroziunea la oboseală este mai sensibilă în mediile care generează coroziune de tip pitting. O fisură la oboseală este transcristalină şi neramificată, iar ruperea finală este pur mecanică şi nu mai depinde de mediu (fig. 12.12).

1

2

a

3

4

b

Fig. 12.12. Aspectul ruperii: a - rupere la oboseală; b - rupere la coroziune de oboseală: 1 - suprafaţă fină strălucitoare;

2 - suprafaţă rugoasă; 3 - suprafaţă cu produse de coroziune; 4 - suprafaţă rugoasă.


Coroziunea la oboseală poate fi prevenită prin: - creşterea rezistenţei materialului care îmbunătăţeşte rezistenţa obişnuită

la oboseală, dar fisura se poate propaga mai repede; - reducerea încărcării piesei prin proiectarea adecvată a formei, tratamente

termice, prelucrarea corespunzătoare a suprafeţei; - recurgerea la acoperiri sau placări, care să nu producă tensiuni în stratul

superficial sau să introducă hidrogen.

12.2.1.9. Avarii datorate prezenţei hidrogenului

Degradarea materialelor metalice în prezenţa hidrogenului cuprinde mai multe tipuri de fenomene, şi anume:

- procese care se desfăşoară la temperatura ambiantă, cum ar fi: - formarea suflurilor (blistering) - pătrunderea hidrogenului în material,

urmată de deformarea locală şi de distrugerea peretelui piesei; - fragilizarea cu hidrogen; - procese care se desfăşoară la temperatură înaltă, cum ar fi: - decarburarea; - atacul cu hidrogen. În materialele metalice poate difuza numai forma atomică a hidrogenului,

nu şi cea moleculară (H2). Ca surse de hidrogen atomic se pot enumera: atmosfera umedă la temperaturi ridicate şi procesele de coroziune sau de electroliză. Pe lângă acestea, surse importante de hidrogen atomic în metale sunt şi protecţia catodică sau electroplacarea, metode folosite frecvent pentru protecţia împotriva coroziunii. Anumite substanţe, cum ar fi: ionii de sulf (S-); fosfor (P-); compuşii de arsen au ca efect reducerea ionilor de hidrogen (H+). În prezenţa acestor substanţe se realizează o concentraţie mare de atomi de hidrogen la suprafaţa metalului.

Formarea suflurilor (fig. 12.13). Hidrogenul atomic apare în interiorul rezervoarelor ca efect al reacţiilor de coroziune sau ca urmare a protecţiei catodice. În orice moment există o concentraţie stabilă de atomi de hidrogen la suprafaţa metalului şi câţiva dintre aceştia difuzează prin metal, formându-se la suprafaţa dinspre exterior a metalului hidrogen molecular. Dacă însă difuzarea are loc spre interior şi spre un defect, se formează hidrogen molecular în jurul defectului din peretele vasului.

Deoarece hidrogenul molecular nu poate difuza, volumul defectului creşte o dată cu presiunea. Presiunea de echilibru H/H2 este de câteva sute de mii de atmosfere, suficientă ca să producă ruperea oricărui tip de material.

Modalităţile de prevenire a apariţiei suflurilor cu hidrogen sunt: - utilizarea oţelurilor calmate, care să nu conţină goluri; - utilizarea acoperirilor metalice, a celor anorganice şi organice, care

trebuie să fie impermeabile pentru hidrogen şi rezistente la acţiunea mediului; - utilizarea inhibitorilor, în special a celor în sisteme închise; - evitarea substanţelor care predispun eliberarea hidrogenului din mediu:


H+ H

+

↓ ↓ H→H2

←H

↓ ↓ H→H2←H

↑ ↑ e

- e

-

↑ ↑ H H

1

2

3

H→H2←H

1

2

3

4

H H H ↓ ↓ ↓

a b

Fig. 12.13. Formarea suflurilor in peretele unui rezervor; a - zona fără defect, nu se formează sufluri; b - zona cu defect, se formează sufluri:

1- soluţie de electrolit (interiorul rezervorului); 2 - perete; 3 - exteriorul rezervorului (atmosferă liberă); 4 - defect interior dezvoltat în suflură.

sulfaţi, compuşi de arsen, cianuri, ioni de fosfor (în special în industria petrolului); - înlocuirea oţelurilor aliate cu nichel şi a aliajelor pe bază de nichel.

Fragilizarea cu hidrogen. Mecanismele propuse pentru explicarea acestui fenomen se bazează pe alunecările generate de hidrogenul dizolvat. Acestea se pot datora acumulărilor de hidrogen în apropierea dislocaţiilor sau a microdefectelor, dar mecanismul exact nu este încă cunoscut.

Fragilizarea cu hidrogen se deosebeşte de coroziunea fisurantă, în general, prin interacţiunea cu curenţii aplicaţi (fig. 12.14). Cazurile în care curentul aplicat face piesa mai anodică şi accelerează fisurarea sunt considerate a fi de tip coroziune fisurantă în sarcină, cu procesul anodic de dizolvare, care contribuie la dezvoltarea fisurii; pe de altă parte, cazurile în care fisurarea este accentuată de un curent în direcţie opusă, care accelerează evoluţia reacţiilor cu hidrogen, sunt considerate a fi de tip fragilizare cu hidrogen (fig. 12.15).

3 1 2

0 curent catodic 2e-+2H+→2H

curent anodic M→M+++2e-

durata de fisurare

Fig. 12.14. Durata de fisurare în funcţie de curentul aplicat:

1- zona de fisurare corozivă sub sarcina anodică; 2 - zona de imunitate; 3 - zona de fragilizare cu hidrogen.


Modalităţile de prevenire a apariţiei fragilizării cu hidrogen sunt: - reducerea ratei de corodare prin utilizarea inhibitorilor; - optimizarea regimului de placare electrică; - îndepărtarea hidrogenului prin încălzirea oţelului (proces reversibil) la

95 - 1500C; - înlocuirea aliajelor cu nichel sau cu molibden (suceptibilitatea fragilizării

la oţelurile de înaltă rezistenţă); - realizarea corespunzătoare a îmbinărilor sudate, în condiţii uscate, având

în vedere faptul că apa şi vaporii de apă sunt surse majore de hidrogen.

1

2

M++

↑

M+ ↑↑↑

σ

← σ

→

↑ 5

4

3

1

2

σ

← σ

→

H ↓

6

4

3

H++e-→H→

H ↓

H ↓

H ↓

H ↓

a b

Fig. 12.15. Deosebirea dintre coroziunea fisurantă şi fragilizarea cu hidrogen: a - coroziune fisurantă; b - fragilizare cu hidrogen: 1- direcţia de propagare a fisurii; 2 - suprafaţa

materialului; 3 - peretele piesei; 4 - marginea fisurii; 5 - sarcina anodică; 6 - difuzarea hidrogenului atomic în material.

Decarburarea este întâlnită în cazul oţelurilor, aflate la temperaturi înalte în medii conţinând hidrogen. Hidrogenul se combină cu carbonul din aliaj, producând metan (CH4) şi cauzând decarburarea aliajului. Procesul este deosebit de periculos, deoarece, pe lângă efectele negative ale decarburării propriu-zise (reducerea rezistenţei mecanice, a tenacităţii şi creşterea fragilităţii), localizarea metanului la presiuni înalte la nivelul structurii aliajului provoacă sufluri, fisuri sau ruperi intercristaline.

Atacul cu hidrogen are loc ca şi decarburarea, la temperaturi înalte, care duc la disocierea hidrogenului molecular în hidrogen atomic şi la difuzarea acestuia în materialele metalice. Hidrogenul atomic este foarte activ chimic la temperaturi înalte, combinându-se cu carbonul, sulful, oxigenul sau azotul, elemente care se


găsesc în mod uzual în cantităţi mici în materialele metalice. Compuşii rezultaţi, ca şi prezenţa hidrogenului difuzat în material au ca efect fragilizarea materialului.

12.2.1.10. Coroziunea în sol

Coroziunea în sol (subterană) apare în cazul pieselor îngropate în sol (structuri, fundaţii, instalaţii) sau care intră în contact parţial cu acesta (utilaje de construcţii, de minerit şi de foraj). Coroziunea în sol poate fi produsă de agresivitatea mediului, de acţiunea microorganismelor, de curenţii de dispersie (curenţi vagabonzi).

Agresivitatea solului depinde de aciditate, grad de aerare, conductivitate electrică, conţinutul în săruri, umiditate, structura solului şi altele.

Solurile granulare cu nisip sau pietriş sunt foarte poroase şi aerate; condiţiile unui astfel de sol sunt asemănătoare celor atmosferice.

Solurile din apropierea surselor de apă sunt sărace în oxigen, dar în schimb favorizează dezvoltarea microorganismelor.

În solurile acide, mecanismul coroziunii este similar celui datorat prezenţei hidrogenului, viteza de coroziune depinzând de valoarea pH-ului solului şi de prezenţa sărurilor. Prezenţa oxigenului accelerează viteza atacului, deoarece acţionează ca un depolarizator catodic. Solurile cu caracter intermediar pot produce coroziune localizată; dacă sunt prezente pungi de aer (în mod natural sau artificial - la îngroparea unei conducte în sol), acestea vor conduce la apariţia unor curenţi locali de aer. Coroziunea poate fi favorizată în cazul unei conducte care străbate mai multe straturi diferite sau care trece pe lângă filoane de sare sau izvoare minerale (acestea pot genera celule de concentraţie pentru curenţi de coroziune).

Coroziunea cu microorganisme. Prezenţa microorganismelor (fungi, bacterii, alge, diatomee) poate accelera viteza proceselor de coroziune. Microorganismele se pot dezvolta în medii aerobe sau anaerobe. Cele mai importante microorganisme, care prin activitatea lor metabolică pot genera procese de coroziune, sunt:

- bacteriile reducătoare de sulfaţi (Sporovibrio desulfuricans); - bacteriile de sulf (Thiobacillus); - bacteriile de fier şi mangan; - microorganisme care formează filme pe suprafaţă. Sunt şi situaţii în care acţiunea bacteriilor este benefică, în cazul eliminării

selective a produselor poluante din mediu. Bacteriile reducătoare de sulfaţi se pot dezvolta în condiţii anaerobe

corodând fierul şi oţelul. Ele au nevoie pentru creştere de cantităţi corespunzătoare de sulfaţi, de temperaturi între 25 - 30 0C şi de un pH între 5 - 9. Mecanismul coroziunii fierului este descris de relaţiile următoare:

- solubilizarea anodică a fierului:


8H2O ↔ 8H+ + 8OH- (12.1)

4Fe + 8H+ ↔ 4Fe2+ + 8H ; (12.2)

- depolarizarea produsă de acţiunea bacteriilor:

H2SO4 + 8H ↔ H2S + 4H2O ; (12.3)

- produsele de coroziune:

Fe2+ + H2S ↔ FeS + 2H+ (12.4)

3Fe2+ + 6OH- ↔ 3Fe(OH)2 . (12.5)

Principalele produse de coroziune sunt sulfatul negru de fier, FeS, şi hidroxidul de fier, Fe(OH)2. Coroziunea apare sub formă intensă, localizată.

Bacteriile de sulf sunt în general aerobe, ele având capacitatea de a oxida sulful din componenţa materialelor sau a mediului, produc acid sulfuric care atacă fierul. Bacteriile se dezvoltă bine la un pH cuprins între 0 şi 1. Bacteriile de fier şi mangan sunt microorganisme aerobe, care transformă ionii de fier şi de mangan în hidraţi insolubili. Aceste produse de coroziune sunt eliminate. Bacteriile de fier şi mangan se dezvoltă în apa stagnantă sau curgătoare, la temperaturi între 5 - 40 0C şi un pH cuprins între 4 - 10, în prezenţa unei mici cantităţi de oxigen dizolvate. Se crede că mecanismul coroziunii este însoţit de formarea de tuberculi din oxizii de fier hidrataţi şi bacterii, care alcătuiesc o structură pâsloasă, care acoperă zone limitate pe suprafaţa materialului. Această structură conduce la formarea unor pile electrice cu aerare diferenţiată, care conduc la un curent de coroziune între colonia de bacterii şi zona adiacentă, neatacată, a materialului. Structura pâsloasă are o aderenţă suficient de mare pe suprafaţa materialului, astfel încât să nu poata fi spălată de către curentul de apă. Cu creşterea grosimii, tuberculul ecranează din ce în ce mai mult contactul oxigenului cu suprafaţa materialului şi aceasta duce la mărirea aerării diferenţiate şi la o mai mare viteză de coroziune.

Microorganismele care formează filme pe suprafaţă sunt bacterii, fungi, alge sau diatomee. Astfel de filme au capacitatea de a menţine gradienţii de concentraţie ai sărurilor, acizilor şi gazelor dizolvate la suprafaţa materialului, conducând astfel la formarea unor pile locale de coroziune. Unele microorganisme pot simultan oxida hidrogenul şi să reducă dioxidul de carbon. Aceste reacţii asigură energia necesară menţinerii funcţiilor lor biologice.

Coroziunea datorată curenţilor de dispersie apare la construcţiile subterane sau îngropate parţial în sol, în prezenta curenţilor de dispersie (curenţi vagabonzi). Curenţii de dispersie apar în sol în mod accidental datorită scurgerilor de curent continuu (de la linii şi instalaţii electrice aferente mijloacelor de transport - metrou, tren, tramvai, trolebuz) sau alternativ (linii şi instalatii electrice). Curenţii de dispersie sunt variabili ca intensitate, direcţie şi traseu; din această cauză, ei sunt denumiţi în mod uzual ,,vagabonzi”.


Combaterea efectelor curenţilor de dispersie poate fi făcută prin: - protecţia conductorilor împotriva scurgerilor de curent prin acoperire cu

bitum, pelicule izolante sau prin protecţie catodică; - creşterea rezistenţei electrice a solului în punctele sensibile unde pot

apare scurgeri; - realizarea de drenaje electrice în sol.

12.2.2. Alte procese de degradare

Iradierea materialelor. Degradarea materialelor prin expunere la radiaţii ionizante (radiaţii gama sau beta) constă în ionizare şi deplasări ale atomilor. Neutronii rapizi sau fragmente atomice de fisiune au suficientă energie pentru a deplasa atomii sau ionii din poziţiile lor de echilibru din reţeaua cristalină.

Un singur neutron rapid este capabil să deplaseze sute de atomi din reţea, ca urmare a coliziunii cu un nucleu atomic. Fiecare atom sau ion deplasat creează o vacanţă, iar prin mutarea sa într-un interstiţiu al reţelei el devine atom (ion) interstiţial.

O mare parte din energia rezultată în urma coliziunii dintre neutron şi nucleul atomic poate astfel cauza efecte ionizante şi termice în masa solidului. Studiul comportarii materialelor la iradiere este deosebit de important, având în vedere utilizările pe scară largă ale energiei nucleare Dintre materialele uzuale, metalele şi aliajele sunt printre cele mai rezistente la efectul radiaţiilor. Radiaţiile gama şi beta nu produc modificări semnificative ale proprietăţilor materialelor metalice, deoarece prezenţa electronilor liberi în reţeaua cristalină a metalelor şi aliajelor duce la atenuarea efectelor ionizării.

Particulele grele, cum ar fi fragmente de de fisiune şi neutroni rapizi, au energie suficient de mare pentru a produce deplasarea atomilor din reţea, rezultând vacanţe, atomi interstiţiali şi dislocaţii.

Toate aceste aniizotropii afectează profund proprietăţile mecanice şi fizice ale materialelor metalice. Efectul general este similar cu cel dat de prezenţa precipitatelor dure în urma călirii sau de ecruisarea de la prelucrările prin deformare plastică la rece.

Se observă o creştere considerabilă a durităţii şi a rezistenţei la rupere, asociate cu o reducere a ductilităţii şi tenacităţii; de asemenea, scad conductivitatea electrică şi termică. Degradarea materialelor metalice prin expunere la radiaţii poate fi remediată prin aplicarea unui tratament termic de normalizare, la fel ca şi materialelor prelucrate prin deformare plastică la rece.

Iradierea la temperaturi ridicate produce mai puţine modificări decât cea la temperaturi scăzute.


12.3. DEGRADAREA MATERIALELOR NEMETALICE

12.3.1. Degradarea materialelor plastice

Materialele plastice se degradează în timp, fenomen cunoscut sub denumirea de îmbătrânire. Îmbătrânirea maselor plastice poate avea loc pe cale fizică sau chimică. Îmbătrânirea fizică, spre deosebire de cea chimică, nu produce modificări ale polimerilor (lanţurilor moleculare). Ea se datorează migraţiei plastifianţilor sau acţiunii solvenţilor. Efectele îmbătrânirii fizice sunt: pierderea elasticităţii, apariţia tensiunilor interne, fisurarea sub sarcină. Migraţia plastifianţilor. În timp, plastifianţii pot migra sau se pot evapora, producând modificarea proprietăţilor masei plastice. Evoluţia migrării depinde de masa moleculară a plastifiantului, fiind mai rapidă în cazul moleculelor mici. Acţiunea solvenţilor. Solvenţii au molecule mici, care pot penetra masa plastică, dislocând plastifiantul dintre lanţurile polimerului. Prin eliminarea plastifiantului şi mărirea distanţelor dintre lanţurile moleculare ale polimerului, modulul de elasticitate al materialului scade, scăzând deformabilitatea şi crescând fragilitatea masei plastice. Pe de altă parte, solventul poate produce şi umflarea locală a materialului, inducând tensiuni interne; deformarea pieselor duce la scoaterea lor prematură din uz. Cu cât structura polimerului este mai cristalizată, el rezistă mai bine la acţiunea solvenţilor, fiind mai puţin permeabil. Îmbătrânirea chimică este cauzată de: oxidare, acţiunea radiaţiilor ultraviolete, acţiunea termică. Oxidarea are loc ca urmare a fixării oxigenului din atmosferă de către un radical liber ce provine dintr-o rupere a lanţului molecular, formându-se peroxizi sau hidroperoxizi. Oxidarea are ca efect scăderea caracteristicilor mecanice şi dielectrice ale polimerului. Un polimer se oxidează cu atât mai repede cu cât există în structura sa legături slabe, capabile de a se rupe. Polimerii cei mai sensibili la oxidare sunt: polipropilena, polibutadiena, polistirenul, poliamidele, polimerii fluoruraţi. Prevenirea oxidării se face adăugând în componenţa masei plastice antioxidanţi (amine şi fenoli). Acţiunea radiaţiilor ultraviolete produce degradarea fotochimică a maselor plastice şi efectul acestora este diminuarea rezistenţei la rupere şi modificarea aspectului (decolorare). Expunerea la radiaţii ultraviolete poate să amorseze oxidarea, prin activarea chimică şi ruperea lanţurilor moleculare. Prevenirea degradării fotochimice se poate face prin adăugarea de pigmenţi (care ecranează radiaţiile) sau absorbanţi de radiaţii. Acţiunea termică produce modificarea structurii lanţurilor macromo-leculare, fie prin ruperea lanţului, prin depolimerizare sau prin stimularea reacţiei cu grupările laterale. Prevenirea degradării termice se face prin utilizarea judicioasă a maselor plastice, în raport cu domeniul de temperatură recomandat.


12.3.2. Degradarea materialelor compozite cu matrice organică

Materialele compozite sunt sisteme multicomponente alcătuite din matrice, material de ranforsare (armătură), colorant, aditiv ignifugant, antistatic etc., resturi de catalizator sau de iniţiator. Matricea polimerică se prezintă ca un sistem neomogen, prin prezenţa fazei amorfe şi a celei cristaline, a defectelor structurale etc., fapt ce face foarte dificil studiul mecanismului şi dinamicii proceselor de degradare. Degradarea materialelor compozite polimerice este similară procesului de îmbătrânire al maselor plastice, factorii de mediu favorizanţi fiind: temperatura, solicitările mecanice, expunerea chimică, radiaţiile electromagnetice etc. În matricele polimerice au loc reacţii de distrugere a legăturilor dintre catenele principale şi de eliminare a substituenţilor, care au ca efect micşorarea densităţii de reticulare. În acelaşi timp poate fi afectat şi materialul armăturii. Acţiunea mediului asupra materialelor compozite se manifestă şi prin modificări chimice în microstructura răşinii, având ca efect înrăutăţirea proprietăţilor fizice şi mecanice, formarea de fisuri, modificări dimensionale, de culoare şi de textură. Gradul de deteriorare depinde de durata expunerii, de nivelul solicitării, de sensibilitatea materialului compozit la acţiunea factorilor de mediu. Comportarea materialului compozit faţă de agenţii chimici depinde de natura matricei polimerice, iar comportarea faţă de factorii fizico-mecanici depinde de natura materialului armăturii. Rezistenţa materialului compozit la acţiunea factorilor de mediu depinde de soliditatea legăturii interfaciale dintre matrice şi armătură. Prin asocierea unui polimer rezistent la degradare cu un material de ranforsare termostabil mecanic (fibre de carbon, de alumină, de carbură de siliciu sau de cuarţ) se pot obţine materiale compozite stabile la temperaturi ridicate. Diferenţele mari între valorile coeficienţilor de dilatare termică ai matricei şi armăturii conduc inevitabil la ruperea la oboseală a materialului compozit.

12.3.3. Degradarea betoanelor

Betonul este un material compus, alcătuit dintr-un liant hidraulic (cimentul), din nisip şi pietriş. Betonul armat este – la rândul său – un material compozit alcătuit din armătura de oţel şi matricea din beton. Principalele tipuri de degradări ale betoanelor sunt: degradarea sub acţiunea sulfaţilor, degradarea climatică, corodarea armăturilor. Degradarea sub acţiunea sulfaţilor. Sulfaţii de magneziu, calciu sau sodiu (conţinuţi în apele reziduale) reacţionează cu aluminatul tricalcic (3CaO × Al2O3) formând sulfoaluminat de calciu, care conduce la apariţia tensiunilor interne şi la fisurarea materialului. Prevenirea atacului cu sulfaţi se poate face utilizând un ciment sărac în aluminat tricalcic, prin impermeabilizarea suprafeţelor, prin


micşorarea porozităţii betoanelor, prin reducerea conţinutului în sulfaţi a apelor. Degradarea climatică. Ciclurile climatice iarnă - vară, îngheţ - dezgheţ produc fisurări prin îngheţarea apei infiltrate în betoane.

Prevenirea degradării climatice se poate face prin protejarea suprafetelor, prin impermeabilizare şi finisare, precum şi prin crearea în betoane a unor microgoluri cu bule de aer, spre care migrează în momentul îngheţului apa conţinută în beton. Corodarea armăturilor. În mod obişnuit betonul are un pH în jur de 13, fiind un mediu puternic bazic, care nu reacţionează cu armătura din oţel. Scăderea valorii pH-ului se produce în prezenţa dioxidului de carbon, a clorurilor de sodiu şi calciu, şi de la un pH = 11, armătura începe să se corodeze. Formarea oxidului de fier are loc cu mărirea volumului armăturii, conducând la apariţia tensiunilor şi a fisurilor în betoane.

Prevenirea corodării armăturilor se poate face prin: realizarea unui strat dens de beton în jurul armăturilor, adăugarea unui inhibitor de coroziune (nitrat de calciu) în masa betonului, utilizarea armăturilor tratate împotriva coroziunii (prin galvanizare).

12.3.4. Degradarea calcarelor

Poluarea atmosferică poate conduce la degradarea monumentelor şi a faţadelor din piatră naturală, în special a celor din marmură. Principalul factor poluant este în acest caz anhidrida sulfuroasă (SO2), care, în contact cu apa pluvială, formează acidul sulfuric (ploi acide).

În contact cu ploaia acidă carbonatul de calciu (CaCO3) se transformă în ipsos (CaSO4 × 2H2O), care, având un volum mai mare, produce crăparea straturilor afectate ale pietrei, permiţând continuarea în profunzime a procesului de degradare.

12.4. PROTECŢIA MATERIALELOR ÎMPOTRIVA DEGRADĂRII

Deteriorarea şi degradarea materialelelor pot fi prevenite prin tratamente de condiţionare, prin lucrări de întreţinere curentă, prin inspecţii şi evaluări periodice urmate de intervenţii precise.

Prin astfel de măsuri procesele de degradare pot fi încetinite şi efectele lor pot fi reduse şi ţinute sub control. Este întotdeauna mult mai economic să previi – printr-o acţiune sistematică şi de durată, decât să înlocuieşti sau să intervii pentru limitarea efectelor avariei – în situaţii urgente de criză. Tehnologiile de exploatare trebuie să conţină în mod obligatoriu lucrări de întreţinere preventivă şi evaluări ale proceselor de degradare.


12.4.1. Tratamente de suprafaţă

Tratamentele de suprafaţă sunt acele procedee tehnologice care au drept scop modificarea proprietăţilor fizico-chimice ale stratului superficial al pieselor.

Modificarea proprietăţilor stratului superficial se poate realiza prin: - tratamente mecanice (sablare, bombardare cu alice, tratamente cu vibraţii

sau ultrasunete, prelucrări mecanice etc.); - tratamente termice, termochimice, termomecanice; - acoperiri (metalizare, vopsire, emailare, impregnare, lăcuire etc.). Tratamentele termice şi mecanice au loc fără a se modifica compoziţia

chimică a stratului superficial, în timp ce, tratamentele termochimice şi acoperirile au drept consecinţă modificarea compoziţiei chimice a acestuia.

Acoperirile sunt tratamente de suprafaţă prin depunere. Ele pot avea grosimi de la câţiva micrometri la câteva zecimi de milimetru sau chiar milimetri. Cele două materiale (substratul-materialul de bază; stratul de acoperire) rămân distincte, dar în zona de contact a celor două materiale are loc un proces de difuzie a atomilor, care conferă aderenţa stratului depus. Acoperiririle pot fi realizate în scop decorativ, estetic, sau funcţional, materialului de bază îi sunt adăugate noi proprietăţi, cum ar fi: rezistenţa anticorozivă, antiuzare, proprietăţi refractare, electrice, optice etc.

Metodele de acoperire pot fi clasificate după fenomenele fizico-chimice pe care se bazează, astfel: metode electrice, mecanice, fizico-termice, chimice.

Metalizările sunt acoperiri cu straturi metalice (metale şi aliaje) pe substraturi metalice şi nemetalice (tabelul 12.2).

Tabelul 12.2. Metode de metalizare

Denumirea Schema de principiu Utilizări

Metalizări în baie galvanică

+ - strat

piesă

anod de sacrificiu

Cromare dură ; Liant galvanic pentru scule diamantate Cromare Nichelare Argintare Aurire Cadmiere Cuprare Zincare

Metalizări prin deformare plastică – placări

strat

material debază

Placarea prin laminare Placarea prin extrudare Placarea prin explozie Placarea prin tragere


Tabelul 12.2 (continuare)

Placarea prin lipire cu adezivi adeziv

material debază

strat

Folii placate pentru electrotehnică Folii pentru ambalaje Restaurarea monumentelor şi a obiectelor de artă

Metalizări prin sinterizare

cuptor

strat

piesă

Scule aşchietoare acoperite cu carburi cu liant de cobalt; Scule diamantate cu liant de cupru

Metalizări prin imersie strat

topitură

cuvă

piesă

Metalizări prin cufundare – zincarea la cald; Metalizări prin turnare Metalizări prin turnare centrifugală

Metalizări prin sudare

electrod

arc electric

material debază

strat

Metalizarea cu electrod bandă Metalizarea cu electrozi înveliţi Straturi antiuzare Straturi anticoroziune Straturi refractare

Metalizări prin depunere din fază de vapori

strat

piesă

ioni metalici

material acoperire

vaporizator

Acoperiri CVD Acoperiri PVD Straturi dure subţiri Straturi optice Straturi decorative Scule aşchietoare Lentile Carcase de ceas, bijuterii

Metalizări prin implantare ionică

incintă vidată

strat modificat

piesă

electroni

ioni

Nitrurare ionică Implantări ionice pentru electronică Mixarea interfeţelor straturilor de acoperire Mixajul multistrat Microimplantări ionice


Tabelul 12.2 (continuare)

Metalizări prin pulverizare din stare topită

role antrenare

sârma electrod

arc electric

piesăstrat

metal pulverizat

sursă de aer

Topire cu arc electric, din electrod sârmă şi pulverizare cu aer comprimat Topire cu flacară, din material de adaos pulbere şi pulverizare cu aer comprimat Topire cu plasmă, din material de adaos pulbere şi pulverizare cu aer comprimat Straturi refractare Straturi dure Straturi anticorozive

Pasivizarea este o acoperire cu oxizi sau săruri ale materialului de bază. Metoda se poate aplica atât pieselor metalice neacoperite, cât şi celor acoperite prin metalizare, în vederea obţinerii unor proprietăţi funcţionale (rezistenţa la coroziune, la uzare, straturi electroizolante, optico-absorbante) sau decorative (straturi de diverse culori ; colorarea se poate face fie direct, din baia de pasivizare – în cazul oţelului, cuprului, zincului, argintului, staniului ; sau prin colorarea ulterioară a stratului de pasivizare obţinut – în cazul eloxării aluminiului). Pasivizarea urmăreşte de regulă obţinerea unui strat compact şi uniform de oxizi sau săruri (compuşi metalici) pe suprafaţa metalului de bază, astfel încât, să se constituie o barieră protectoare împotriva coroziunii exercitate de mediu.

Brunarea este o pasivizare a pieselor din oţel (corpuri de matriţe, portscule şi se poate recunoaşte după culoarea negru mat) obţinută prin oxidarea bazică. Tot negru mat sunt protejate prin pasivizare monturile aparatelor optice – straturile optico-reflectante.

Fosfatarea este formarea pe suprafaţa metalelor a unui strat insolubil de fosfaţi. Pelicula de fosfaţi îşi exercită rolul protector anticoroziv numai în combinaţie cu alte pelicule, depuse peste aceasta, cum ar fi: lacuri, vopsele, uleiuri. Stratul poros de fosfaţi favorizează astfel depuneri ulterioare, datorită proprietăţilor sale absorbante. În industria constructoare de maşini fosfatarea mai este utilizată şi pentru reducerea frecării şi prevenirea gripării organelor de maşini aflate în mişcare relativă, atât datorită naturii stratului fosfatat de separator intermetalic, cât şi datorită porozităţii stratului fosfatat, care are capacitate ridicată de absorbţie a lubrifianţilor. Peliculele de fosfaţi sunt mai ieftine decât acoperirile cu cupru, staniu, cadmiu, având aceleaşi rezultate antifricţiune. Datorită proprietăţilor antifricţiune, fosfatarea se aplică şi la pregătirea semifabricatelor înainte de prelucrări prin deformare plastică, cum ar fi extrudarea la rece a oţelului sau ambutisările adânci.


Acoperirile cu oxizi ai materialului de adaos. Spre deosebire de pasivizări, unde stratul de oxizi provine din materialul de bază, în acest caz oxizii de tip ceramic provin din materialul de acoperire.

Vopsirea constă în acoperirea unor substraturi metalice sau nemetalice cu substanţe organice sau anorganice, lichide sau pulverulente, care se solidifică prin polimerizare şi uscare, alcătuind pelicule compacte, de grosime determinată, care izolează piesa (materialul de bază) de mediul înconjurător. Pot avea atât rol functional, cât şi decorativ. Tendinţa modernă este de a se utiliza vopsele catalizate, bazate pe soluţii apoase, care au un grad redus de poluare, precum şi vopsele pulverulente, care nu degajă vapori. Există vopsele cu proprietăţi şi utilizări precise. În funcţie de gradul de utilizare se pot enumera: vopsele pentru construcţii marine, vehicule terestre, aeriene, pentru utilaj chimic, metalurgic, utilaje alimentare, pentru industria construcţiilor etc. Tehnologia de vopsire trebuie să aibă în vedere forma şi mărimea suprafeţelor de acoperit, tipul vopselei utilizate, caracterul producţiei etc. (tabelul 12.3).

Tabelul 12.3. Metode de vopsire

Denumirea Schema de principiu Utilizări

Metoda clasică; vopsirea manuală, cu rola sau pensula

Uz casnic, prototipuri Consum mare de vopsea, productivitate scăzută, depinde de calificarea operatorului

Pulverizare clasică

Uz casnic, producţie de serie, serie mică, reparaţii Consum mare de vopsea, productivitate scăzută, depinde de calificarea operatorului

Pulverizare electrostatică

+-

Producţie de serie mică, medie şi mare, reparaţii Consum redus de vopsea, vopseaua se depune şi pe faţa invizibilă, productivitate bună, depinde de calificarea operatorului

Prin imersie

Producţia de serie, piese de dimensiuni medii, consum ridicat de vopsea, nu depinde de calificarea operatorului, vopseaua pătrunde în toate spaţiile, udă toate suprafeţele piesei

Prin turnare

Suprafeţe plane de dimensiuni mici şi medii; productivitate ridicată, serie mare şi masă; Consum ridicat de vopsea; nu depinde de calificarea operatorului



Cu valţuri

Piese de lungimi mari (benzi), industria poligrafică, textilă, de ambalaje Consum redus de vopsea, permite imprimarea în mai multe culori, productivitate ridicată

Electroforetică - +

Producţia de serie mare şi masă, productivitate ridicată; nu depinde de calificarea operatorului

În pat fluidizat

Se aplică în cazul vopselelor pulverulente; piesele trebuie preîncălzite la temperatura de polimerizare a vopselei; Consum redus de vopsea; nu se degajă vapori, productivitate ridicată; nu depinde de calificarea operatorului.

Lacurile, spre deosebire de vopsele, care sunt pigmentate (colorate), se folosesc pentru realizarea de pelicule lucioase, rezistente, incolore. Ca şi vopselele, lacurile se utilizează în toate domeniile vieţii moderne: lacuri termoreflectante pentru autovehicule şi geamuri, lacuri hidroizolante pentru construcţii şi vehicule terestre, navale şi aeriene, lacuri radioabsorbante pentru avioane şi antene; lacuri cu proprietăţi optice antiuzare (antizgâriere) pentru acoperirea lentilelor şi a parbrizelor etc. Emailurile sunt lacuri pigmentate care formează pelicule dure, cu aspect neted, lucios. Emailurile se utilizează ca straturi de interfaţă cu mediul de lucru al pieselor vopsite, fiind rezistente la uzare. Acoperirile cu bazalt şi porţelan se utilizează ca straturi anticorozive, antiuzare şi refractare în industrie. Acoperirile cu porţelan sunt utilizate şi în tehnica dentară şi biomedicală.

Acoperirile cu mase plastice şi cauciuc se aplică pieselor metalice în vederea protejării acestora împotriva coroziunii, a uzării abrazive şi cavitaţionale, cât şi pentru scopuri decorative.

12.4.2. Protecţia electrochimică

Metodele electrochimice de protecţie împotriva coroziunii se bazează pe schimbarea prin polarizare a potenţialului metalului de protejat în mediul de funcţionare. Polarizarea poate fi anodică sau catodică (fig. 12.16).


Un material metalic se corodează într-un mediu dat cu o viteză vcr corespunzătoare unui curent anodic i+, respectiv catodic i-, şi unui potenţial de coroziune ∆ε. Iniţial curenţii anodic şi catodic sunt egali, polarizând catodic suprafaţa metalului, viteza de coroziune scade, astfel încât pentru un potenţial ∆ε1 viteza de coroziune este nulă. Polarizând anodic, la valori peste ∆εp (potenţialul de pasivizare) curentul de coroziune devine egal cu zero. Pentru atingerea potenţialului de pasivizare este necesar ca prin metalul protejat să treacă un curent de coroziune cel puţin egal cu icr, numit curentul critic. Atingerea curentului critic se asigură prin reducerea oxidanţilor cu ajutorul unei surse exterioare de curent.

Protecţia anodică este mai puţin utilizată datorită dificultăţilor de realizare practică (sunt necesare aparate electronice de menţinere constantă a potenţialului de echilibru ∆ε1, în caz contrar existând riscul de accentuare a coroziunii când nu sunt îndeplinite condiţiile de lucru). Ea se aplică doar metalelor pasivabile. Pe de altă parte, protecţia anodică este mult mai avantajoasă decât cea catodică, pentru că foloseşte densităţi de curent de circa 100 de ori mai mici.

∆ε2

∆εp

∆εc

vc

[mg/min]

∆ε

[V]

[A/cm2]

∆ε1

Reducerea oxidanţilor carepasivizează metalul

M Mn++ne-

Zona de corodareStare activă

Peretele pieseiStare pasivă

Degajare O2Stare de

transpasivizare

icr

i+

i -

0ip

Fig. 12.16. Modificarea potenţialului de electrod:

i- – curentul catodic; i+ – curentul anodic; icr – curentul critic; ip – curentul de pasivizare; ∆ε – potenţialul metalului; ∆ε1 – potenţialul de echilibru; ∆ε2 – potenţialul de pe cealaltă parte a

peretelui piesei; ∆εc – potenţialul de coroziune; ∆εp – potenţialul de pasivizare; vc – viteza de coroziune.


Protecţia catodică se aplică pe scară largă la protejarea construcţiilor subterane (conducte, rezervoare, piloni de susţinere etc.). Suprafaţa de protejat se polarizează catodic, astfel încât zonele anodice devin catodice şi pe acestea se vor desfăşura doar reacţii electrochimice de reducere. Protecţia catodică se poate pune în practică folosind o sursă de curent externă sau cu anozi de sacrificiu.

Protecţia catodică cu sursă de curent se aplică pieselor metalice aflate în contact cu medii solide sau lichide (nu se foloseşte în medii gazoase) bune conducătoare de electricitate. Metoda constă în legarea piesei protejate la polul negativ al unei surse de curent şi legarea la polul pozitiv a unui electrod (anod) care se introduce în acelaşi mediu (fig. 12.17).

3

2

51

4

Fig. 12.17. Protecţia catodică cu sursă de curent: 1- piesa de protejat; 2 - anod; 3 - mediul de funcţionare; 4 - sursa de curent; 5 - circuit de protecţie.

Valoarea densităţii de curent pentru atingerea potenţialului minim de protecţie se stabileşte experimental, ea poate varia în domeniul 0,075 – 5 A/m2. Valoarea curentului de protecţie se poate estima în funcţie de rezistenţa electrică a mediului, a piesei de protejat, de distanţa dintre anod şi piesă. În cazul utilizării protecţiei catodice cu sursă de curent, trebuie luate măsuri suplimentare de protejare a pieselor învecinate contra coroziunii generate de curenţii vagabonzi.

Uzual sunt folosiţi anozi din materiale solubile sau parţial solubile – oţel şi aluminiu, sau pasive (inerte) – grafit, aliaje Fe-Si, Pb-Sb, platină-titan. Acest tip de protecţie catodică se aplică în cazul pieselor de dimensiuni mari îngropate în sol.

Protecţia catodică cu anod de sacrificiu constă în realizarea unui element galvanic între piesa de protejat (catod) şi un metal cu un potenţial mai electronegativ decât al materialului piesei în mediul de funcţionare (anod). Astfel potenţialul materialului de protejat este deplasat spre valori mai negative decât cele la care se poate coroda. Anozii pentru protecţia oţelului se execută din metale mai puţin nobile decât acesta: zinc, magneziu, aluminiu. Folosirea anozilor de sacrificiu presupune lucrări de întreţinere periodică pentru înlocuirea acestora, pe măsură ce


se consumă. Un exemplu de anod de sacrificiu este stratul de zinc care acoperă piesele din oţel galvanizat.

12.4.3. Tratarea mediului

Tratarea mediului are ca efect reducerea agresivităţii acestuia. Principalele procedee folosite în acest scop sunt:

- eliminarea din mediu a oxigenului şi a dioxidului de carbon; - folosirea inhibitorilor de coroziune. Eliminarea oxigenului este utilizată pe scară largă în protecţia cazanelor de

abur, a schimbătoarelor de căldură, a evaporatoarelor, a condensatoarelor de abur, a instalaţiilor de încălzire casnice şi industriale, în general a circuitelor prin care circulă lichide. Procedeul cuprinde două etape distincte: degazarea (eliminarea aerului, impropriu spus în practică ,,aerisirea instalaţiilor”), repectiv dezoxigenarea (dezactivarea).

Degazarea se poate face la rece sau la cald prin pulverizarea apei în recipiente închise la presiune joasă. În acelaşi timp apa trebuie să fie lipsită de oxizi şi săruri (dedurizarea apei), care pot forma cruste aderente pe pereţii instalaţiilor. Prezenţa crustelor îngreunează transferul termic, putând genera supraîncălziri locale care pot reduce rezistenţa mecanică a materialului şi cauza intensificarea coroziunii până la distrugerea locală a materialului. Pe de altă parte, crustele reduc randamentul termic al instalaţiilor, scăzând eficienţa economică şi crescând cheltuielile de exploatare. Apa dură conţine bicarbonat şi sulfat de calciu. Bicarbonatul de calciu tinde să formeze şlam (nămol), care poate fi îndepărtat prin spălare. Sulfatul de calciu formează depuneri aderente. Dedurizarea apei se face în special pentru eliminarea sulfatului de calciu. Dezactivarea constă în legarea oxigenului pe cale chimică, utilizând substanţe reducătoare (sulfitul de sodiu, hidrogenul) sau schimbătoare de ioni (răşini). Limitele admisibile pentru conţinutul în oxigen pentru cazanele de joasă şi medie presiune, 0,02 - 0,03 mg/l, respectiv de 0,007 mg/l, pentru cazanele de înaltă presiune. Inhibitorii de coroziune sunt substanţe chimice care se adaugă în mediile lichide sau gazoase pentru reducerea vitezei de coroziune prin:

- încetinirea proceselor anodice sau catodice; - schimbarea naturii produşilor de coroziune; - modificarea rezistenţei chimice a electrolitului. Inhibitorii de coroziune constituie unul dintre cele mai adecvate mijloace

de diminuare sau eliminare a efectelor procesului de coroziune; putând fi introduşi relativ uşor în instalaţii aflate deja în funcţiune, ei pot ajunge în orice loc de pe suprafaţa metalică expusă acţiunii corozive, fiind vehiculaţi în însăşi mediul coroziv. Protecţia prin inhibitori poate fi aplicată simultan cu alte metode de


protecţie anticorozivă, de exemplu, cu protecţia anodică sau catodică. Pentru a fi bun inhibitor de coroziune o substanţă chimică trebuie să aibă

următoarele proprietăţi: - să fie solubilă sau dispersabilă în mediul coroziv, astfel încât să poată

ajunge în toate punctele suprafeţei de protejat; - să fie stabilă la procesele de degradare care au loc în timpul utilizării, să

nu interacţioneze cu mediul coroziv prin reacţii de oxido-reducere sau prin formarea de produşi de precipitare;

- să acţioneze rapid după introducerea în mediul coroziv; - să nu contribuie la creşterea duratei proceselor tehnologice de lucru; - să asigure efectul inhibitor în condiţiile tehnologice de lucru; - capacitate mare de protecţie la concentraţii reduse; - să nu aibă influenţe defavorabile asupra prelucrărilor ulterioare ale

substanţelor de lucru în care a fost înglobată; - stratul protector pe care îl formează pe suprafeţele produsului să fie

impermeabil la acţiunea mediului şi să acţioneze un timp îndelungat; - să acţioneze împotriva pierderilor de acid şi de metal în procesele de

decapare prin oprirea reacţiilor de electrod; - să contribuie la obţinerea unei calităţi cât mai bune a suprafeţei metalului

decapat; - să împiedice procesele secundare de fragilizare a metalelor, provocate de

hidrogenul rezultat din reacţiile de decapare. Inhibitorii anodici cresc polaritatea anodului şi deplasează potenţialul de

coroziune spre valori pozitive, acţionând prin formarea unei pelicule protectoare pe anod. Din clasa inhibitorilor anodici fac parte: ortofosfaţii, silicaţii, azotiţii, cromaţii. La concentraţii sub cea critică, ei devin stimulatori de coroziune, funcţionând ca depolarizanţi catodici (tabelul 12.4 şi tabelul 12.5).

Tabelul 12.4. Utilizările inhibitorilor de coroziune

Domeniul Aplicaţii Extracţia petrolului În procesele de acidizare a sondelor la recuperarea secundară a

ţiţeiului Aditivi în noroaiele de foraj

Industria extractivă La flotaţia minereurilor Industria chimică La polimerizare, emulgatori

Inhibitori ai coroziunii acide sau bazice, Acceleratori de vulcanizare, antioxidanţi Antiaglomeranţi pentru îngrăşăminte

Lacuri şi vopsele Mărirea gradului de dispersie al pigmenţilor Oleofilizarea pastelor apoase de pigmenţi Ameliorarea proprietăţilor antirugină Aditivi pentru cerneluri de tipar

Petrochimie Inhibitori pentru protecţia coloanelor de distilare Aditivi pentru combustibili şi lubrifianţi



Construcţii de maşini Protecţia interfazică a materialelor metalice în timpul prelucrării Lichide de aşchiere Lubrifianţi

Termoenergetică Protecţia circuitelor de apă şi abur Prevenirea formării crustelor (pietrei)

Transporturi Aditivarea antigelului, a lichidelor de frână, a combustibililor şi lubrefianţilor

Industria textilă Antistatizanţi pentru firele şi fibrele sintetice Construcţii Fabricarea emulsiilor de bitum

Consolidarea drumurilor

Tabelul 12.5. Utilizările inhibitorilor de coroziune anorganici

Denumirea Domeniul Metalul protejat Mecanismul

Trioxid de arsen Arsenit de sodiu

Medii acide Decapare Protecţia vaselor de transport

Materiale feroase Nichel

Măreşte supratensiunea de descărcare a hidrogenului

Bicromat de potasiu Medii neutre Protecţia vaselor de transport

Materiale feroase Frânarea procesului anodic

Carbonat acid de calciu

Soluţii neutre de săruri Antigeli

Toate materialele metalice

Formarea de pelicule protectoare de carbonaţi

Cromaţi Fosfaţi

Soluţii neutre de săruri Antigeli

Materiale feroase Zinc Cupru, alamă

Formarea de pelicule protectoare fosfatice

Hiroxid de calciu Schimbătoare de căldură cu apă Protecţia sistemelor de alimentare cu apă


Alcalinizarea mediului şi formarea de pelicule protectoare

Cromaţi, fosfaţi, disubstituţi, haxametafosfat de sodiu şi calciu Ferocianură Hidroxid de sodiu

Instalaţii petroliere şi miniere Protecţia cazanelor de abur


Pasivare, formarea de pelicule insolubile de fosfaţi Alcalinizarea mediului

Azotat de sodiu Instalaţii petroliere şi miniere Contactul cu produse petroliere umede

Materiale feroase Zinc Cupru Aluminiu

Pasivare Frânarea procesului anodic

Silicat de sodiu Instalaţii petroliere şi miniere Protecţia sistemelor de alimentare cu apă


Formarea de pelicule protectoare

Sulfit de sodiu Instalaţii petroliere şi miniere Materiale feroase Legarea oxigenului Hidroxid de sodiu Instalaţii petroliere şi miniere Materiale feroase Alcalinizarea

mediului, pasivizare Amoniac Instalaţii petroliere şi miniere Materiale feroase Mărirea pH-ului apei

din circuite



Cromaţi de zinc şi plumb

Lacuri şi vopsele Materiale feroase Zinc Cupru, alamă Aluminiu

Pasivare

Azotit de sodiu Protecţia metalelor în apă Materiale feroase Pasivare Permanganat de potasiu

Soluţie de NaOH 0,3% Oţel Aluminiu

Formarea de pelicule insolubile

Inhibitorii catodici frânează procesul de coroziune prin controlul tensiunii catodice. Ei sunt cationi care pot migra către suprafaţa catodică unde precipită ca săruri bazice sau hidroxizi, formând pelicule aderente şi compacte. Din clasa inhibitorilor catodici fac parte: combinaţii ale arsenului, magneziului, nichelului, stibiului, zincului, fosfaţii alcalini etc. Inhibitorii catodici sunt eficienţi în mediile acide.

Inhibitorii de absorbţie sunt substanţe organice care sunt absorbite pe suprafaţa metalului şi pe zonele anodice/catodice formând pelicule de pasivizare, rezistente la acizi (aceşti inhibitori sunt ineficienţi în cazul mediilor bazice). Ei sunt de acelaşi tip cu inhibitorii folosiţi la decaparea metalelor în acizi. Din clasa inhibitorilor de absorbţie fac parte: compuşii azotului (amine), ai sulfului (HS-, S2-). Inhibitorii cu sulf sunt mai eficienţi decât cei cu azot, pentru că sulful este un donor de electroni mai bun ca azotul. Inhibitorii de absorbţie sunt eficienţi la concentraţii mici. Efectul lor creşte cu masa moleculară a inhibitorului.

12.4.5. Alegerea metodei optime de protecţie anticorozivă

Scopul protecţiei este obţinerea unei rezistenţe optime şi fiabile la coroziune, îmbunătăţirea caracteristicilor estetice şi a calităţii suprafeţelor, cu cheltuieli minime de fabricaţie şi exploatare.

Stabilirea unei soluţii universal valabile de protecţie nu este posibilă datorită complexităţii fenomenului de coroziune, deoarece fiecare categorie de produse în parte trebuie considerată drept un caz particular, necesitând elaborarea de studii şi verificări prealabile pentru stabilirea celei mai eficiente metode de protecţie anticorozivă.

Aplicarea metodelor de protecţie trebuie să se facă diferenţiat, în funcţie de solicitările la care este supus produsul, de mediul de lucru, de posibilităţile tehnologice şi de costurile implicate. Utilizarea uneia sau alteia din metodele de protecţie poate fi o clauză contractuală.

Stabilirea eficienţei protecţiei trebuie să ia în calcul atât cheltuielile de fabricaţie, cât şi economiile generate pe întreaga durată de viaţă a produsului respectiv. Dacă valoarea cheltuielilor aferente protecţiei (de execuţie şi de întreţinere) este mai mică decât pierderile directe, care s-ar înregistra în lipsa protecţiei, atunci se poate considera protecţia drept economic avantajoasă.


Este avantajos uneori să se aleagă materiale superioare, scumpe, sau o metodă de protecţie mai bună, care să asigure o durabilitate mai mare produsului, decât soluţii mai ieftine, dar care implică cheltuieli mai mari de întreţinere şi reparaţii, cu perioade mai mari de întrerupere a funcţionării produsului.

În cazul unor solicitări diferenţiate la coroziune a suprafeţelor produselor, acelor suprafeţe expuse unor solicitări mai mari trebuie să li se asigure o protecţie mai ridicată, prin utilizarea unor metode mai scumpe.

Optimizarea protecţiei trebuie să aibă în vedere următoarele date de intrare: - caracteristicile mediului de funcţionare; - fiabilitatea previzională a produsului; - cerinţele funcţionale pentru protecţia anticorozivă; - degradarea în timp a protecţiei anticorozive; - datele tehnico-economice privind tehnologiilor disponibile.

Tabelul 12.6. Recomandări de aplicare a protecţiilor anticorozive

Mediul de funcţionare Metoda de protecţie

Spaţiu închis Aer Sol Apă

Tratamente de suprafaţă aplicabil limitat neaplicabil aplicabil Acoperiri izolatoare aplicabil aplicabil aplicabil aplicabil Protecţie catodică neaplicabil neaplicabil aplicabil aplicabil Acoperiri de sacrificiu aplicabil aplicabil limitat limitat Modificări constructive aplicabil aplicabil aplicabil aplicabil

12.5. PROIECTAREA FORMEI PIESELOR

În mod obişnuit, la proiectarea formei pieselor din construcţia de maşini, se urmează schema din figura 12.18. Se porneşte de la rolul funcţional al piesei, se determină schema de solicitare, în baza căreia se fac calculele de dimensionare şi de alegere a materialului, care trebuie să facă faţă cerinţelor impuse de funcţionarea piesei şi cerinţele de ordin tehnologic, adică de realizare practică a formei piesei, care contribuie la definitivarea dimensională a formei piesei.

Dacă se are în vedere posibilitatea de a utiliza acoperiri, se alege mai întâi materialul de bază din cerinţe de rezistenţă mecanică, rigiditate, durabilitate, economicitate; iar cel de acoperire, din cerinţe de rezistenţă la: uzare, frecare, presiune de contact, la factorii externi de mediu (coroziune, temperatură, conductibilitate electrică, cerinţe estetice).

Alegerea materialelor piesei (de bază şi de acoperire) depinde şi de procedeele tehnologice care pot fi aplicate la firma producătoare, ca şi de caracterul producţiei. Parcurgerea acestor etape se finalizează în documentaţia de execuţie a piesei.

Pentru evitarea coroziunii se aleg materiale care nu sunt degradate de mediul respectiv de funcţionare (uneori utilizarea unui oţel carbon obişnuit cu o


protecţie catodică, cu anod de magneziu, este de preferat în locul unui oţel inoxidabil).

În raport cu tipurile diverse de mecanisme de deteriorare a materialelor trebuie respectate următoarele reguli generale de proiectare constructivă şi tehnologică:

- să se evite crearea de cupluri galvanice între metale cu potenţial diferit; - să se evite formarea interstiţiilor (se poate face astuparea acestora cu

mastic sau chit hidrofob);

Rolul funcţional

Schema de încărcare

Materialul piesei

CALCULERezistenţăDeformaţiiVibraţiiÎncălzire

DurabilitateEconomice

Speciale

Material debază

Material deacoperire

CERINŢEAnticoroziuneRefractaritate

AntiuzareTribologice

Electrice

Secţiune Formă Procedee tehnologice

Posibilităţile firmei

Caracterul producţieiDocumentaţia

constructivă a piesei

Fig. 12.18. Proiectarea formei pieselor de acoperit.

- să se evite acumularea de apă sau de depuneri de şlam, ca şi crearea de spaţii închise, greu accesibile pentru lucrările de curăţare şi întreţinere;

- să se elimine tensiunile reziduale din piesele fabricate prin sudare sau deformare plastică la rece (se pot face recoaceri de detensionare);

- să se evite schimbările bruşte de secţiune şi în general zonele de turbulenţă din conducte;

- să se evite punctele calde şi gradienţii de temperatură (fig.12.19).


3

2

4

1

Fig. 12.19. Prevenirea coroziunii termogalvanice: 1 - conductă punct cald (catod); 2 - fluid cald; 3 - suport de fixare punct rece (anod);

4 - material izolator.

Obţinerea pieselor din pulberi metalice 459

OBŢINEREA PIESELOR DIN PULBERI

METALICE

4.1. NOŢIUNI INTRODUCTIVE

Procesul tehnologic de obţinere a pieselor din pulberi metalice constă, în principiu, din compactarea pulberilor metalice sub forma piesei ce trebuie obţinută şi consolidarea compactatului prin sinterizare. Sinterizarea este, după cum a definit-o Fritz Thümmler, un proces de formare şi consolidare a legăturilor dintre particule printr-un transfer de masă activat termic, caracterizat de creşterea rezistenţei contactului dintre particule, schimbarea porozităţii şi geometriei porilor şi scăderea energiei libere.

Aşa după cum se observă din figura 4.1 procesul tehnologic de obţinere a pieselor din pulberi metalice cuprinde mai multe etape menite să asigure dirijarea compoziţiei şi structurii pieselor din pulberi metalice şi implicit a proprietăţilor.

Astfel, prin metalurgia pulberilor, se pot obţine piese din pseudoaliaje ale unor metale nemiscibile în stare lichidă prin utilizarea amestecului de pulberi sau prin prealiere.

În altă ordine de idei, pentru creşterea substanţială a caracteristicilor mecanice, ale pieselor din pulberi, se apelează la un proces combinat de presinterizare − forjare – postsinterizare, menit să închidă porii şi să consolideze punţile de legătură între particule, ajungându-se în final la piese de înaltă rezistenţă. La creşterea caracteristicilor mecanice contribuie şi operaţiile de tratament termic ce se execută după sinterizare.

4


Materie primă:

deşeuri metalice, aşchii, topitură, compuşi chimici

Pulbere metalică

Fabricare pulberi

Amestec de pulberi şi adaosuri tehnologice

Dozare, amestecare

Presare

Compactat crud

Compactat semisinterizat

Presinterizare

Piesă semisinterizată

Forjare

Sinterizare

Piesă sinterizată

posibileDebavurare, prelucrări ulterioare

Impregnare AşchiereTratamente termice

Piesă finită

Fig.4.1. Schema logică a procesului tehnologic de obţinere a pieselor din pulberi metalice.

În final, pentru a se obţine proprietăţi deosebite (autolubrifiere, creşterea rezistenţei mecanice) se execută operaţii de infiltrare, eventual urmate de tratamente termice.


Procesul tehnologic de obţinere a pieselor din pulberi metalice, denumit pe scurt şi metalurgia pulberilor, este esenţial diferit de celelalte procese tehnologice de semifabricare, atât prin aceea că în marea majoritate a cazurilor metalele sau aliajele nu trec prin faza topită, cât şi prin aceea că se obţin direct organe de maşini cu forme, dimensiuni şi precizie cerute.

Avantajele metalurgiei pulberilor sunt următoarele: - gradul de utilizare al materialului tinde către 100 %; - energia specifică necesară foarte redusă (în figura 4.2 sunt prezentate

comparativ date privind consumul de material şi de energie pentru diferite tehnologii de fabricaţie a pieselor şi se observă că metalurgia pulberilor este cel mai eficient procedeu de semifabricare din acest punct de vedere);

- se pot obţine configuraţii dintre cele mai complexe ale pieselor, cu condiţia ca acestea să prezinte un singur plan de separaţie (roţi dinţate, sectoare dinţate, capace şi carcase utilizate în mecanica fină etc.);

Materia primă utilizată Procesul de prelucrare Energia necesară pentru

1kg de piesă finită

% 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 MJ

Fig.4.2. Comparaţia procedeelor de semifabricare din punctul de vedere al coeficientului de utilizare a materialului şi al consumului de energie.

- omogenitate chimică şi structurală, care determină proprietăţi superioare; - precizia geometrică ridicată, corespunzătoare treptelor de toleranţe IT8,

IT9; - prin metalurgia pulberilor se obţin piese din metale care nu pot fi

prelucrate prin tehnologiile clasice, cum ar fi wolframul, sisteme wolfram - cupru, wolfram - cupru - argint, cupru - grafit etc.;

- se pot obţine piese poroase, autolubrifiante, care pot funcţiona fără

40-50 prelucrări mecanice 66-82

75-80 forjare la cald 46-49

85 extrudare 41

95 sinterizare 29

90 turnare 30-38


ungere luni şi chiar ani; - foarte important este faptul că utilajele necesare în tehnologia de

fabricaţie sunt cele clasice universale utilizate în metalurgie;

- procesul tehnologic se pretează la automatizare, fiind adecvat producţiei de serie mare şi masă.

Aceste avantaje deosebite au lărgit mult aria de aplicare a pieselor din pulberi metalice (dinamica utilizării acestora este prezentată în figura 4.3). Astfel, în 1990, în ţările vest-europene se produceau aproape 100 000 t de piese din pulberi metalice, dintre care 68 % în industria automobililelor, 14 % în construcţia de scule şi electrotehnică, 8 % în birotică, 7 % în construcţia de maşini.

Totuşi, extinderea domeniului de aplicaţii este limitată de câteva dezavantaje:

- preţul ridicat al pulberilor; - limitele impuse complexităţii de un singur plan de separaţie;

2468

1012141618

2220

0 1970 1975 1980 1985 1990

Industria de automobile

Construcţia de maşini

Alte domenii

Birotică

Scule, aplicaţiiîn electrotehnică 14%

8%

3%7%

68%

[t]

Greutatea 10 -3×

Fig.4.3. Dinamica utilizării pieselor din pulberi metalice în diferite domenii de activitate.

- preţul ridicat al sculelor, care presupune rentabilitatea numai în producţia de serie mare şi masă;

- proprietăţi afectate de porozitate.

4.2. OBŢINEREA PULBERILOR METALICE

Pulberile metalice utilizate pentru obţinerea pieselor prin sinterizare pot fi din metal pur, din aliaje, din amestec de metale şi/sau aliaje, din prealiaje. În anumite cazuri, amestecurile din pulberi metalice pot conţine şi pulberi nemetalice


(grafit, stearat de zinc etc.).

Pro

cede

e de

obţin

ere

apu

lber

ilor

Mec

anic

e

Din

fază

solidă

Aşc

hier

eMăc

inar

e

Din

fază

lichi

dă

Ele

ctro

eroz

iune

Am

alga

mar

e

Red

ucer

ea o

xizi

lor

Con

dens

are

Ele

ctro

liză

Sfă

râm

are

Şta

nţar

e

Pul

veri

zare

Ato

miz

are

Cu

C

Cu

gaze

Cu

met

ale

Pre

lucr

area

abr

aziv

-cav

itaţio

nală

cu

ultr

asun

ete

Impa

ct

Cem

enta

re

Car

boni

l

Fizi

co-

chim

ice

Com

bina

te

F

ig. 4

.4.

Cla

sifi

care

a pr

oced

eelo

r de

obţ

iner

e a

pulb

eril

or m

etal

ice.


Clasificarea procedeelor de obţinere a pulberilor metalice este prezentată în figura 4.4. Procedeele de fabricare a pulberilor metalice pot fi de natură mecanică (aşchiere, sfărâmare, ştanţare, pulverizare, atomizare) sau fizico-chimică (electroeroziune, reducerea oxizilor, condensare, electroliză, prelucrarea cu ultrasunete, cementare, descompunerea carbonililor de metale).

4.2.1. Obţinerea pulberilor metalice prin aşchiere

Aşchierea este utilizată foarte rar pentru obţinerea pulberilor metalice deoarece calitatea este scăzută (diversitate mare a formelor de granule, compoziţie chimică variabilă de la un lot de aşchii la altul, conţinut mare de impurităţi), iar rentabilitatea este scăzută. Un caz aparte îl constituie magneziul, ale cărui pulberi, prezintă un mare pericol de explozie şi care poate fi transformat din blocuri în pulberi printr-un proces de aşchiere-pilire, la viteză foarte mică, cu ajutorul unor perii rotative de sârmă din oţel aliat, în atmosferă protectoare.

4.2.2. Obţinerea pulberilor metalice prin măcinare

Măcinarea materialelor în vederea fabricării pulberilor metalice se poate face în mori cu bile, mori vibratoare cu bile, mori planetare cu bile şi atritoare.

1

42

3

apă

apă

Morile cu bile utilizează ca materie primă sfărâmături din materiale casante rezultate prin concasare sau sfărâmare în mori cu ciocane sau cu role (feroaliaje, carburi, aliaje Al-Fe sau Al-Si-Fe, catozi poroşi şi fragili obţinuţi prin electroliză). Materialul metalic se transformă în pulbere ca urmare a ciocnirilor repetate care au loc în interiorul tobei cu bilele sau cu pereţii tobei. Deoarece tobele se încălzesc foarte mult în timpul procesului de sfărâmare, sunt puternic stropite cu apă, iar în cazul materialelor cu mare afinitate faţă de oxigen, unde pericolul de ardere explozivă a pulberii este

Fig.4.5. Schema de principiu a unui atritor: 1 - ax cu palete; 2 - pompă; 3 - conductă de

recirculare a suspensiei; 4 - bile.

foarte mare, se creează în tobă o atmosferă de protecţie (azot, argon).

În atritoare, măcinarea materia-


lului se face în suspensie, care este circulată continuu prin conducta 3 şi atritor cu ajutorul pompei cu membrană 2 (fig.4.5.). Arborele central 1 prevăzut cu bare radiale, se roteşte şi intensifică procesul de măcinare prin mişcarea continuă a bilelor 4 şi a suspensiei. Atritoarele sunt utilaje cu productivitate de 2...3 ori mai mare decât morile cu bile.

Pulberile metalice fabricate prin măcinare au următoarele caracteristici: - granulaţie neuniformă cu dispersie relativ mare, care scade cu creşterea

timpului de măcinare; - sunt compacte; - au muchiile rotunjite cu tendinţă spre forma ovoidală sau sferoidală; - sunt contaminate cu particule desprinse din pereţii tobei şi din bilele de

măcinare; - în marea majoritate a cazurilor sunt acoperite cu un strat de oxid, ceea

ce presupune o operaţie ulterioară de reducere a acestuia.

4.2.3. Obţinerea pulberilor metalice prin procedeul Coldstream

Procedeul Coldstream - impactarea cu răcire a granulelor pe un perete din oţel manganos - este un procedeu de mare productivitate. Granulele de dimensiuni mai mari, concasate, sunt proiectate cu ajutorul unui jet de aer având o presiune de 0,7 MPa la temperatura ambiantă (fig.4.6.). La ieşirea din duză a jetului de aer

1 2 3 4

0,1MPa273K

0,7MPa293K

5

cu particule metalice, datorită scăderii bruşte a presiunii de la 0,7 la 0,1 MPa, are loc scăderea bruscă de temperatură la aproximativ 200C, ceea ce face ca materialul să devină mai fragil şi să se sfărâme mai uşor. Prin recirculare se ajunge la granulaţia dorită. Pulberile metalice fabricate prin acest procedeu au următoarele caracteristici:

Fig.4.6. Schema de principiu a obţinerii pulberilor metalice prin procedeul

Coldstream: 1 - perete de oţel; 2 - granule de pulbere metalică; 3 - granule de dimensiuni mari;

4 - duză; 5 - aer comprimat.

- granulaţie neuniformă cu dispersie relativ mare, care scade cu creşterea numărului de recirculări;

- sunt compacte; - au forme variate, cu

suprafeţe neregulate şi prezintă muchii ascuţite;

- pot fi contaminate cu particule desprinse de pe peretele de impact;


- uneori prezintă şi pelicule de oxid, ceea ce presupune o operaţie ulterioară de reducere a acestuia.

4.2.4. Obţinerea pulberilor metalice prin pulverizare

Pulverizarea din stare lichidă a pulberilor metalice este cel mai productiv procedeu, care permite producerea unor pulberi de calitate în condiţii de eficienţă economică. Prezintă multe variante, dintre care cele mai utilizate sunt pulverizarea cu jeturi lichide şi pulverizarea cu disc rotitor.

Pulverizarea cu jeturi lichide (fig.4.7) constă în destrămarea, cu ajutorul a 6 până la 8 jeturi lichide dispuse circular, a unui jet de metal lichid, topit în creuzet. Cei mai importanţi parametri sunt presiunea jeturilor lichide (în jurul a 14 MPa) şi unghiul de impact al jeturilor asupra jetului de metal lichid (70...75o). Variaţii mari în jurul acestor valori conduc la împroşcări de material, la granulaţii într-o plajă extrem de largă.

Pα

1

2

3

P

6

5

4321

n

Fig. 4.7. Schema de principiu a procedeului de obţinere a pulberilor metalice prin pulverizare cu

jeturi lichide: 1 - creuzet; 2 - ajutaje; 3 - rezervor pentru colectarea pulberii.

Fig. 4.8. Schema de principiu pentru obţinerea pulberilor metalice prin pulverizare cu disc rotitor:

1 - creuzet; 2 - jet de metal; 3 - capac; 4 - pulbere; 5 - disc rotitor; 6 - bazin cu apă.

Pulverizarea cu disc rotitor (fig.4.8) se bazează pe destrămatrea unui jet de metal lichid 2, topit într-un creuzet 1, la impactul cu un disc a cărui turaţie este cuprinsă între 1 500 şi 1 800 rot/min. Turaţia este parametrul care determină granulaţia pulberii.

Pulberile obţinute prin pulverizare au următoarele caracteristici: - granulaţie relativ uniformă; - sunt compacte; - au formă sferoidală;


- sunt acoperite de o peliculă de oxid, ceea ce presupune o operaţie ulterioa-ră de reducere a acestuia.

4.2.5. Obţinerea pulberilor metalice prin atomizare

Atomizarea se bazează pe pulverizarea metalului lichid cu un jet de aer de mare presiune (fig.4.9). Metalul topit într-un creuzet 1 urcă în tubul capilar 2.

p

3

2

4 5

1 6

Fe O3 4

C+CaO

Retorta din SiC

Fig. 4.9. Atomizarea: 1 - creuzet; 2 - tub capilar; 3 - duză; 4 - pulbere

metalică; 5 - perete; 6 - rezervor.

Fig. 4.10. Schema de principiu a obţinerii pulberilor metalice prin reducerea oxizilor.

Presiunea aerului la ieşirea din duza 3 este în jur de 10 MPa şi datorită depresiunii create aspiră metalul în jet şi îl pulverizează pe peretele 5. Pulberea metalică (oţel, cupru, bronz, alamă, aluminiu) este colectată într-un rezervor 6. Pulberile obţinute prin atomizare au caracteristici asemănătoare celor obţinute prin pulverizare, cu precizarea că prezintă pori.

4.2.6. Obţinerea pulberilor metalice prin reducerea oxizilor

Reducerea oxizilor cu reducători solizi sau gazoşi este foarte răpândită în fabricarea pulberilor de fier şi la toate pulberile de Ni, Cu, Co, W, Mo. Atunci când se doreşte o puritate înaltă a pulberii (cazul metalelor nobile, aliajelor dure), reducerea se face cu hidrogen. Structura spongioasă, specifică pulberilor metalice obţinute prin reducerea oxizilor, conferă presabilitate foarte bună. Cel mai răspândit procedeu de reducere a oxizilor de fier este procedeul Höganäs al cărui principiu este ilustrat în figura 4.10. Se utilizează minereu de fier de mare puritate - Kiruna (nordul Suediei), care este introdus împreună cu cocs şi var în retorte


ceramice închise. Aceste retorte parcurg un cuptor de tip tunel lung de 200 m, timp în care are loc reducerea minereului de fier şi obţinerea buretelui tubular din fier.

Centru de cercetare, consulting şi asistenţă tehnică in ingineria materialelor şi

sudare (CAMIS), face parte din Universitatea “Politehnica” din Bucureşti, care îndrumă şi verifică din punct de vedere financiar activitatea centrului şi asigură prin personalitatea sa juridică toate facilităţile conform HG nr. 57/1992.

Sediul centrului CAMIS este în spaţiul aferent Facultăţii I.M.S.T., catedra T.M.S, respectiv sala CE 201 (ca unitate de lucru). Durata de activitate a centrului este nelimitată. Centrul CAMIS este unitate fără profit

Director Centru: Prof. univ. dr. ing. AMZA Gheorghe OBIECTUL DE ACTIVITATE

Obiectul de activitate al centrului îl constituie contracte de cercetare – proiectare în

domeniul: • Tehnologii de control nedistructiv în orice domeniu; • Tehnologii şi echipamente de prelucrare a materialelor; • Tehnologii neconvenţionale de prelucrare a materialelor; • Tehnologii de asamblare nedemontabilă a materialelor convenţionale şi

neconvenţionale; • Tehnologii de condiţionare şi recondiţionare în construcţia de maşini; • Tehnologii de tăiere şi debitare; • Expertize l în utilaje energetice şi construcţii mecanice; • Proiectare materiale; • Proiectare hale pentru construcţiile sudate, la cheie; • Proiectare asistată.

Formarea şi perfecţionarea prin cursuri intensive de scurtă durată a resurselor umane în domeniu

• Tehnologii şi prelucrări; • Baze de date în ingineria mecanică; • Tehnologii de sudare şi procedee conexe; • Tehnologii de recondiţionare; • Tehnologii speciale; • Proiectare asistată de calculator; • Tehnologii de control; • Cursuri acreditare în control nedistructiv.


Prin măcinarea acestuia se obţine pulberea de fier. Pulberea trebuie supusă unui tratament de recoacere reducătoare în atmosferă de hidrogen sau amoniac.

Pulberea de fier obţinută prin reducerea minereului de fier se caracterizează prin forme tridimensionale şi porozitate. Are o foarte bună presabilitate.

4.2.7. Obţinerea pulberilor metalice prin electroliză

Electroliza permite obţinerea pulberilor metalice prin alegerea adecvată a parametrilor procesului de electroliză, astfel încât metalul să se depună la catod sub formă de pulbere. Electroliza se poate face din soluţii apoase ale sărurilor metalului respectiv (cupru, staniu, fier, argint) sau din topitura sărurilor metalului (tantal, uraniu, niobiu, titan, zirconiu). Factorii care influenţează forma sub care se depune pulberea sunt: concentraţia electrolitului, temperatura, densitatea de curent, agitarea electrolitului, mişcarea sau vibrarea electrozilor.

La densităţi mici de curent se depune metal compact, dar fragil, şi acesta poate fi uşor măcinat. La densităţi medii de curent se depune metal poros, iar la densităţi mari de curent se depune pulbere.

Granulele pulberilor electrolitice au formă dendritică cu structură spongioasă. Se caracterizează printr-o mare puritate, presabilitate foarte bună şi sinterabilitate bună.

Au dezavantajul că sunt de 3...4 ori mai scumpe decât pulberile obţinute prin pulverizare.

4.2.8. Obţinerea pulberilor metalice prin metoda carbonil

Metoda carbonil permite oţinerea pulberilor din metale care formează cu oxidul de carbon compuşi chimici numiţi carbonili (fier, nichel, cobalt, crom, molibden, wolfram).

Spre exemplu, fierul spongios (sau aşchii sau deşeuri din fier) se introduce într-un reactor, la temperatură de 473 K şi presiune de 15...20 MPa în atmosferă de oxid de carbon. Rezultă pentacarbonilul de fier. Acesta, aflat în stare gazoasă, se descompune în coloanele de transformare, la temperatură de 513K şi presiune atmosferică, după cum urmează:

5COFeFe(CO)5 +→ . (4.1)

În acest fel, apar germenii de cristalizare, pe care fierul se depune concentric, formându-se granule aproape sferice cu diametrul de 5...10 µm.

Pulberea obţinută se supune unui tratament termic de recoacere reducătoare şi decarburantă în atmosferă de hidrogen.

Pulberile carbonil se caracterizează printr-o mare puritate, iar forma sferică


a granulelor asigură o campactare uşoară. Utilizând amestecuri de carbonili, se pot obţine şi pulberi aliate (fier-cobalt, fier-nichel, fier-molibden, nichel-cobalt etc.).

Dezavantajul major este acela că pulberile carbonil sunt foarte scumpe: de 7...15 ori mai scumpe decât cele obţinute prin reducere.

4.2.9. Obţinerea pulberilor metalice aliate

Pulberile metalice aliate pot fi obţinute în mai multe moduri: - prin amestecul pulberilor metalelor componente (figura 4.11. a): dozarea

se poate face foarte precis, dar local pot să apară variaţii ale compoziţiei chimice dacă procesul de difuzie nu este complet;

- prin prealiere parţială (figura 4.11. b); - prin prealiere totală (figura 4.11. c). Primele două variante se utilizează pentru a se spori presabilitatea,

deoarece în multe cazuri pulberile din aliaje au o presabilitate redusă în raport cu metalele componente. Totuşi, se recomandă să se utilizeze pulberile prealiate total în vederea obţinerii unei omogenităţi superioare, chiar dacă presiunile de compactare reclamate sunt mai mari, iar tehnicile de compactare sunt mai complicate.

Pulberile prealiate se obţin prin pulverizarea aliajelor, reducerea amestecurilor de oxizi, măcinarea unor prealiaje casante, electroliza unor amestecuri de săruri în soluţie apoasă, descompunerea amestecurilor de carbonili.

a b c

Fig. 4.11. Tehnici de aliere a pieselor din pulberi metalice: a - amestec simplu de pulberi; b - pulbere prealiată parţial; c - pulbere prealiată total.


4.3. PROPRIETĂŢILE PULBERILOR METALICE

Proprietăţile pulberilor metalice, atât cele fizice, chimice, mecanice, cât şi cele tehnologice determină proprietăţile produselor obţinute din aceste pulberi.

4.3.1. Proprietăţile fizice ale pulberilor metalice

Proprietăţile fizice ale pulberilor metalice sunt următoarele: forma granulelor, mărimea granulelor şi repartiţia granulometrică, structura granulelor, calitatea şi mărimea suprafeţei granulelor.

Forma granulelor este determinată de procedeul de fabricare a pulberii şi poate fi sferoidală, ovoidală, lenticulară, poliedrică, lamelară sau dendritică. Aprecierea formei granulelor se face prin raportul dimensiunilor măsurate pe cele trei direcţii. Forma granulelor influenţează presabilitatea pulberilor, pulberile sferoidale având cea mai bună presabilitate.

Mărimea granulelor şi repartiţia granulometrică au influenţă decisivă asupra densităţii aparente a pieselor ce se vor obţine din pulberi şi implicit asupra caracteristicilor mecanice ale acestora. Nu sunt utilizate pulberi monogranulare, ci se utilizează un spectru dimensional mai larg al granulelor, ceea ce permite ocuparea judicioasă a spatiului şi obţinerea unei densităţi aparente a pieselor mai apropiată de densitatea materialului compact. Pentru a se obţine o piesă cu anumite proprietăţi, se determină dimensiunile maxime şi minime ale granulelor, se definesc clasele granulometrice intermediare şi ponderea fiecărei fraţiuni granulometrice. Caracteristicile de sinterizare cresc cu scăderea granulaţiei pentru că drumul de difuzie este mai scurt. Cu cât granulele sunt mai fine, cu atât se obţin proprietăţi fizice şi mecanice mai bune, dar cu cât particulele sunt mai fine au fluiditate şi capactitate de umplere mai slabe.

Structura granulelor depinde de procedeul de obţinere a pulberii. Granulele pot fi compacte, poroase sau spongioase.

Calitatea şi mărimea suprafeţei granulelor depind de procedeul de obţinere a pulberii. Suprafaţa granulelor poate fi netedă, cu asperităţi rotunjite sau colţuroase, cu fisuri, pori sau canale capilare. Suprafaţa specifică a pulberii,

exprimată în g/cm3, este cu atât mai mare cu cât pulberea este mai fină sau

granulele au forme cât mai neregulate.

4.3.2. Proprietăţile chimice ale pulberilor metalice

Proprietăţile chimice ale pulberilor metalice, care influenţează direct proprietăţile pieselor din pulberi, sunt compoziţia chimică şi rezistenţa la coroziune.

Compoziţia chimică determină, împreună cu structura granulelor, atât


proprietăţile mecanice ale viitoarei piese din pulberi, cât şi proprietăţile tehnologice ale pulberii (natura şi structura materialului). În plus, marea majoritate a procedeelor de obţinere a pulberilor favorizează apariţia unui conţinut mare de oxigen în pulberea metalică sub forma oxizilor care se formează şi prin absorbţie. De aceea, în marea majoritate a cazurilor, pulberile metalice trec printr-un tratament termic de recoacere în atmosferă puternic reducătoare. Pulberile metalice prezintă o pronunţată tendinţă de absorbţie a vaporilor de apă şi a diverselor gaze, ceea ce impune condiţii deosebite de depozitare.

4.3.3. Proprietăţile mecanice ale pulberilor metalice

Proprietăţile mecanice ale pulberilor metalice afectează atât proprietăţile mecanice ale viitoarei piese, prin natura materialului, dar şi proprietăţile tehnologice. Cea mai importantă proprietate mecanică caracteristică pulberilor metalice este microduritatea. Microduritatea granulelor influenţează defavorabil presabilitatea pulberii şi durabilitatea matriţelor de compactare.

De exemplu, pulberile metalice obţinute prin măcinare sunt puternic ecruisate din cauza deformării plastice la care au fost supuse şi au o microduritate foarte mare. Microduritatea poate fi redusă printr-o recoacere în atmosferă puternic reducătoare, prilej cu care se elimină şi oxizii formaţi pe suprafaţa granulelor.

4.3.4. Proprietăţile tehnologice ale pulberilor metalice

Proprietăţile tehnologice ale pulberilor metalice sunt densitatea aparentă de umplere, capacitatea de umplere, porozitatea de umplere, densitatea de tasare, fluiditatea, presabilitatea, coeficientul de umplere şi stabilitatea formei semifabricatului după compactare.

Densitatea aparentă de umplere ρu se determină ca fiind raportul dintre masa pulberii care umple un recipient în cădere liberă şi volumul recipientului

(STAS 8432-79) şi se măsoară în g/cm3. Este foarte importantă pentru

dimensionarea matriţelor de compactare.

Compactitatea de umplere Cu reprezintă procentul din volumul total ocupat de pulbere care este efectiv umplut de către material şi se exprimă prin

Cu = 100 ⋅ ρu/ρm [%], în care ρm este densitatea materialului pulberii.

Porozitatea de umplere Pu reprezintă procentul de goluri din volumul total

ocupat de pulbere şi este Pu = 100−Cu [%]. Porozitatea de umplere este, de regulă, cuprinsă în intervalul 70...80 %.

Densitatea de tasare ρt, compactitatea de tasare Ct, porozitatea de tasare

Pt sunt proprietăţi similare celor de mai sus, cu deosebirea că se definesc în cazul


unei pulberi tasată prin scuturare sau vibrare. Prezintă valori modificate cu 20… 25 %.

Fluiditatea (conform STAS 8651-75 este denumită viteză de curgere) este timpul de scurgere a unei cantităţi de 50 grame de pulbere printr-un orificiu calibrat la diametrul de 2,5 mm. Se măsoară în secunde. Fluiditatea este foarte importantă în cazul matriţelor complicate a căror umplere trebuie să fie rapidă şi sigură şi în cazul proceselor tehnologice automatizate, unde fluiditatea determină tactul liniei tehnologice.

Presabilitatea ρp reprezintă densitatea compactatului obţinut prin presare bilaterală dintr-o anumită masă de pulbere, la o anumită presiune. În figura 4.12 sunt prezentate curbe de presabilitate pentru diferite materiale (Fe, Cu, Mo, W). Aceste curbe de presabilitate se determină efectuându-se încercări pentru aceeaşi cantitate de pulbere compactată la diferite presiuni. Se afirmă că o pulbere are o presabilitate mai bună cu cât densitatea obţinută, la aceeaşi presiune de compactare, este mai mare.

20

60

[%]Compactitatea

0 5 10 [ 100MPa]Presiunea

FeCuMoW

40

80

×

Din acest punct de vedere, pulberile metalice pot fi normal compactibile, înalt compactibile şi supercompactibile.

Se pot defini, pentru compactatul crud, la fel ca mai sus, densitatea

aparentă de presare ρp, compactitatea de

presare Cp, porozitatea de presare Pp. Coeficientul de umplere U se

defineşte prin relaţia

Fig. 4.12. Presabilitatea pulberilor metalice.

p

u

h

hU ==

u

p

ρ

ρ, (4.2)

în care hu este înălţimea de umplere şi hp înălţimea de presare a pulberii. Coeficientul de umplere permite calculul înălţimii matriţei necesare pentru obţinerea unei piese date

u

p

ρ

ρ⋅= pu hh . (4.3)

În cazul pulberilor metalice industriale uzual utilizate, coeficientul de umplere este cuprins în intervalul 2...3,5, astfel că matriţele de compactare trebuie să aibă înălţimea cavităţii de umplere de 2...3,5 ori mai mare decât a piesei din pulberi ce se va obţine.

Stabilitatea formei semifabricatului după compactizare caracterizează


rezistenţa mecanică a acestuia şi trebuie să permită manipularea semifabricatului în procesul tehnologic. Granulele care au forme foarte neregulate sau care sunt foarte poroase conduc la rezistenţe la crud mari. Aceste tipuri de granule se utilizează cu precădere în cazul pieselor din pulberi care se compactează la presiuni mici (piese poroase caracterizate de autolubrificaţie, filtre). Pulberile cu presabilitate mare nu dau rezistenţe la crud mari, dar suficiente pentru a putea fi manevrate în procesul tehnologic.

4.4. PREGĂTIREA AMESTECURILOR DIN PULBERI METALICE

Pregătirea amestecurilor din pulberi este o etapă foarte importantă în vederea realizării produsului finit, având compoziţia chimică, structura, distribuţia porilor şi proprietăţile mecanice dorite.

Pregătirea amestecurilor din pulberi constă în următoarele operaţii: - se determină dimensiunile maxime şi minime ale granulelor, se definesc

clasele granulometrice intermediare şi ponderea fiecărei fracţiuni granulometrice pentru fiecare component metalic al amestecului de pulberi şi se dozează prin cântărire proporţia fracţiunilor granulometrice ale amestecului din pulberi;

- dozarea, prin cântărire, a componentelor metalice ale amestecului, conform reţetei de fabricaţie;

- dozarea, prin cântărire, a eventualilor compuşi nemetalici, care se adaugă în amestec cu rolul de lubrifiant (pentru creşterea presabilităţii şi obţinerea unei densităţi mai mari) sau cu rolul de liant (pentru creşterea rezistenţei compactatului crud);

- omogenizarea amestecului se realizează în amestecătoare cu cuvă dublu tronconică, având capacităţi cuprinse între 50 şi 500 litri, timp de 15...30 minute.

4.5. FORMAREA PIESELOR DIN PULBERI METALICE

Formarea pieselor din pulberi metalice presupune două etape: compactarea şi sinterizarea.

Compactarea este operaţia de presare a pulberii metalice într-o matriţă (sau sculă adecvată procedeului de compactare) în vederea obţinerii formei piesei.

Sinterizarea este un proces de transport de masă activat termic care constă în formarea unor punţi de legătură între particule, creşterea acestor punţi de legătură, schimbarea porozităţii şi geometriei porilor, acompaniată de reducerea energiei libere şi în urma căruia se obţin proprietăţile mecanice caracteristice piesei.

Formarea pieselor din pulberi metalice se poate executa:


- cu compactare şi sinterizare într-un singur pas; - cu compactare şi sinterizare în paşi diferiţi. Formarea pieselor din pulberi metalice cu compactare şi sinterizare într-un

singur pas se aplică rar, numai în cazurile în care se doreşte sau se acceptă piese cu porozitate mare.

În cazurile în care pulberea metalică este sferoidală, caracterizată de o bună presabilitate, umplerea formelor executate din oţel sau grafit se realizează prin cădere liberă, eventual cu vibrare, şi se execută sinterizarea. În acest mod se obţin piese cu porozităţi foarte mari, ajungînd pînă la 25 %, cum sunt filtrele din pulberi metalice sinterizate. În cazurile în care pulberile nu au o presabilitate bună, procesele de compactare şi sinterizare se execută simultan sub presiune la temperatura de sinterizare în forme din grafit sau ceramică. În acest mod se poate ajunge la scăderea porozităţii pînă la 10 %.

Cea mai utilizată metodă de formare este compactarea şi sinterizarea în paşi diferiţi. Compactarea se realizează prin presarea pulberilor în matriţe din oţel, astfel că se obţin precizie dimensională bună, calitate superioară a suprafeţelor piesei şi grad de compactare foarte mare în condiţiile unei productivităţi ridicate, procesul de presare pretându-se la mecanizare şi automatizare.

4.5.1. Etapele procesului de compactare

Etapele procesului de compactare sunt prezentate în figura 4.14. Dozarea amestecului din pulberi în cavitatea matrţei se face foarte precis prin metoda gravimetrică (prin cântărire), dar aceasta nu este operativă în producţia de serie şi se aplică foarte rar. De regulă, se aplică metoda volumetrică, folosindu-se dozatorul automat 2 (fig.4.14. a), care introduce pulberea în cavitatea de umplere a matriţei 4. Cavitatea de umplere a matriţei este proiectată conform coeficientului de umplere şi cantităţii de pulbere necesară pentru realizarea piesei. În etapa a doua se retrage dozatorul (fig.4.14. b) şi urmează compactarea prin coborârea poansonului 1 (fig.4.14. c).

Presiunea de compactare este cuprinsă între 200 şi 700 MPa şi se determină în funcţie de natura şi forma pulberii, de densitatea aparentă a piesei ce trebuie obţinută (fig.4.12). A patra etapă este extragerea compactatului din matriţă (fig.4.14. d). De regulă, extragerea compactatului se face prin ridicarea contrapoansonului 5. Etapa a cincea este eliminarea compactatului pe plan înclinat (fig.4.14. e). În urma presării se obţin compactate ce au suficientă rezistenţă mecanică spre a fi astfel manevrate. În cazul în care rezistenţa mecanică nu este suficientă (pulberi cu microduritate mare, greu compactibile), manevrarea se face piesă cu piesă sau presarea se face în matriţe din grafit, iar compactatele se introduc în cuptor pentru sinterizare cu tot cu matriţă.

Presarea pulberilor se poate realiza:


1

2

3

4

5

6

7

a b c

de

Fig. 4.14. Ciclul de compactare a pulberilor metalice: a - umplere; b - retragere; c - compactare; d - extragere; e - eliminare;

1 - poanson superior; 2 - dozator; 3 - masă; 4 - matriţă; 5 - contrapoanson; 6 - compactat din pulbere; 7 - plan de evacuare.

1

2

3

4

a b c Fig.4.15. Sisteme de matriţe:

a - cu presare unilaterală; b - cu presare bilaterală; c - cu matriţă deplasabilă; 1 - poanson superior; 2 - compactat; 3 - matriţă; 4 - contrapoanson.


- unilateral (fig.4.15. a); - bilateral (fig.4.15. b); - cu matriţă deplasabilă (fig.4.15. c); Problema centrală a operaţiei de compactare a pulberilor este asigurarea

uniformităţii densităţii de compactare în întreg volumul piesei. Densitatea de compactare este influenţată de forma granulelor, fracţia granulometrică şi presabilitatea pulberii utilizate, tehnica de compactare, înălţimea compactatului, frecarea dintre particule, dintre pulbere şi pereţii matriţei de compactare.

Cea mai mică variaţie a densităţii de compactare se obţine cu pulberi spongioase, care se deformează în timpul procesului de presare, fapt care contribuie la umplerea judicioasă a spaţiului. În aceeaşi ordine de idei se face afirmaţia că presabilitatea influenţează benefic uniformitatea gradului de compactare. Cea mai mare variaţie a densităţii de compactare rezultă în cazul pulberilor aciculare.

Presarea unilaterală are avantajul simplităţii construcţiei sculelor şi al modului de lucru, dar are dejavantajul major al variaţiei mari a gradului de compactare. Densitatea de compactare este maximă în proximitatea suprafeţei frontale a poansonului (fig.4.16) şi scade o dată cu depărtarea de suprafaţa poansonului. Variaţia densităţii de compactare va conduce în final la variaţia proprietăţilor mecanice ale piesei din pulberi, cel mai mult fiind afectate rezistenţa mecanică şi tenacitatea. Prin această metodă se pot obţine caracteristici mecanice bune, în cazurile pieselor cu înălţimi mai mici decât diametrul echivalent al piesei.

Presarea bilaterală are avantajul că atenuează variaţia densităţii de compactare pe înălţimea piesei (fig.4.17), deoarece atât poansonul, cât şi contrapoansonul sunt active. Are dezavantajul unei construcţii mai complicate a utilajului şi sculei de compactare. Prin această metodă se pot obţine piese cu uniformitate a gradului de compactare acceptabilă, chiar la înălţimi mai mari decât diametrul. Practic se poate ajunge la un raport h/d cuprins între 2 şi 4.

ρ

p

ρ ρ

h

h

maxmin Fig. 4.16. Presarea unilaterală.

Presarea cu matriţă deplasabilă atenuează şi mai mult variaţia densităţii de compactare, în special în zona centrală, deoarece matriţa se deplasează odată cu


pulberea şi astfel nu se mai pune problema frecării dintre pulbere şi pereţii matriţei.

maxρρ

min ρ

h

Fig. 4.17. Presarea bilaterală.

Dispozitivele de compactare cu matriţă deplasabilă se pot construi în doua variante:

- cu matriţă deplasabilă pe arcuri - în acest caz matriţa se deplasează datorită frecării dintre pulbere şi matriţă, forţa de frecare fiind capabilă să comprime arcurile de sprijin ale matriţei;

- cu matriţă deplasabilă cu acţionare hidraulică - în acest caz matriţa are un rol activ în compactarea pulberii, dar utilajul şi scula de compactare sunt mai complexe şi în consecinţă, mai scumpe.

Este foarte important să se obţină un grad de compactare cât mai uniform în tot volumul piesei, deoarece în zonele cu grad mai mic de compactare se obţin caracteristici mecanice mai slabe şi apar abateri dimensionale şi de formă. Apariţia abaterilor dimensionale şi de formă se explică prin aceea că, în timpul sinterizării, în zonele cu porozitate mai mare, transferul de masă este mai accentuat.

Pentru a se reduce frecarea dintre particule şi dintre particule şi pereţii matriţei se utilizează lubrifianţi care se introduc la dozare, în proporţie de 0,5...1 %. Cel mai utilizat lubrifiant este stearatul de zinc.

Valoarea presiunii de compactare se determină din diagrame de presare asemănătoare celor prezentate în figura 4.12, în funcţie de densitatea de presare ρp cerută. Forţa de presare F se calculează cu relaţia

F p S= ⋅ , (4.4)

în care p este presiunea de presare şi S este suprafaţa de presare, respectiv suprafaţa piesei.

Viteza de presare trebuie să fie suficient de mică pentru a permite evacuarea aerului dintre granule. În caz contrar, se formează în interiorul compactatului perne de aer care provoacă fisurarea compactatului la retragerea poansoanelor sau fisurarea piesei la sinterizare.


La extragerea compactatului din matriţă, are loc revenirea elastică laterală a compactatului care poate provoca fisurarea compactatului. Pentru uniformizarea tensiunilor de relaxare elastică şi evitarea fisurării, matriţele sunt prevăzute cu o degajare uşor conică sau înclinată în zona de ieşire. Această zonă nu va afecta volumul util al compactatului, ci numai volumul de umplere al matriţei.

Forţa necesară pentru extragerea din matriţă a compactatului atinge 20...40% din valoarea forţei de compactare. Este influenţată benefic de natura şi proporţia lubrifiantului.

4.5.2. Construcţia sculelor pentru compactare

Principalele elemente constructive ale sculelor pentru compactare, prezentate în figura 4.18, sunt: poansoanele 1 şi 2, matriţa 4, contrapoansoanele 5 şi 6, miezul 7.

3

4

5

6

7

a b c d e

128

Fig. 4.18. Etapele presării unei piese cu variaţii mari de înălţime de presare:

a - umplerea matriţei; b - închiderea matriţei; c - presare; d - deschiderea matriţei cu extragere parţială; e - extragerea compactatului; 1 - poanson interior; 2 - poanson exterior; 3 - pulbere; 4 - matriţă; 5 - contrapoanson exterior; 6 - contrapoanson interior; 7 - miez; 8 - compactat.

Precizia dimensională şi calitatea suprafeţelor poansoanelor, contra-poansoanelor, matriţei şi miezului determină nemijlocit precizia compactatului şi în ultimă instanţă a piesei sinterizate. Cu cât calitatea suprafeţelor (rugozitatea) matriţei şi miezului este mai bună, cu atât frecarea dintre pereţii matriţei sau miezului şi pulbere va fi mai mică, se va obţine o uniformitate mai mare a gradului de compactare şi se vor obţine proprietăţi mai bune.

Asigurarea uniformităţii gradului de compactare devine o problemă dificil de rezolvat atunci când piesa prezintă variaţii mari ale înălţimii. Spre exemplu, se consideră piesa din figura 4.19. a care prezintă o trecere de înălţime de 10 mm, adică 50 %. Considerând un coeficient de umplere

5,2== pu hhU , (4.5)


rezultă că umplerea cu pulbere pe înălţime, pentru a se păstra acelaşi grad de compactare, trebuie să fie ca aceea din figura 4.19. b. Dar acest lucru este imposibil pentru că umplerea matriţei se face prin cădere liberă din dozator şi astfel se va obţine o suprafaţă frontală superioară plană, ceea ce va conduce la o umplere în exces a cavităţii matriţei. Dacă se acceptă suprafaţa frontală superioară plană, cum este normal şi se construieşte un contrapoanson monobloc, va rezulta o trecere de înălţime de 25 mm. Soluţia este de a se utiliza contrapoansoane divizate (fig.4.19.c). În faza de umplere a matriţei, contrapoansonul 1 se află în poziţia superioară, pentru a asigura umplerea corectă a matriţei, iar în timpul presării, coboară la nivelul de bază al contrapoansonului 2. În acest mod rezultă un compactat cu acelaşi grad de compactare pe toată secţiunea.

a b c d

3

21

5010

20

2550

15

75

85

25

Fig. 4.19. Schema de principiu a presării cu poansoane divizate:

a - piesa de realizat; b - umplerea corespunzătoare cu pulbere; c - utilizarea de contrapoansoane divizate; d - realizarea piesei dorite.

Etapele presării unei piese cu variaţii mari de înălţime sunt următoarele: - umplerea matriţei, în care contrapoansoanele se află în poziţia

superioară; - închiderea matriţei; - presarea, în care contrapoansoanele coboară până la poziţia inferioară; - deschiderea matriţei, în care poansoanele se ridică complet, ridicându-se

parţial şi contrapoansoanele; - extragerea compactatului, în care contrapoansoanele se ridică până la

suprafaţa frontală a matriţei, când compactatul este degajat complet din matriţă. O proprietate a pulberilor metalice de care trebuie să se ţină seama la

proiectarea cavităţii matriţelor pentru compactare este contracţia de sinterizare,


care este determinată atât de natura pulberii, cât şi de porozitatea impusă şi parametrii tehnologici ai operaţiei de sinterizare. Deoarece predicţia contracţiei de sinterizare este practic imposibilă, pentru fiecare combinaţie de materiale şi proces tehnologic în parte, se determină experimental.

4.5.3. Procedee de compactare a pulberilor

Presarea mecanică în matriţă este cel mai utilizat procedeu de compactare a pulberilor metalice. În funcţie de forma pieselor ce trebuie obţinute din pulberi metalice, de proprietăţile urmărite, de natura pulberii şi nu în ultimul rând din considerente economice, se mai utilizează şi alte procedee de compactare a pulberilor metalice. Aceste procedee sunt următoarele: laminarea, extrudarea, presarea izostatică, presarea prin şoc, turnarea în forme poroase.

4.5.3.1. Compactarea pulberilor metalice prin laminare

Dozarea pulberilor metalice în vederea laminării se realizează între cilindrii de laminor, care compactează pulberea, sub forma unui semifabricat continuu, de tip bandă sau tablă. Dacă cilindrii de laminor se află în plan orizontal (figura 4.20. a), alimentarea se face prin cădere liberă. Dacă cilindrii de laminor se află dispuşi în plan vertical, atunci sunt necesare dispozitive speciale, de tip pâlnie, pentru alimentare. Dispozitivele de dozare pot fi astfel construite încât să permită alimentarea cu două sau mai multe tipuri de pulbere (figura 4.20. b, prezintă schematic un alimentator cu două compartimente), astfel că se pot obţine benzi sau table bimetalice sau cu mai multe straturi.

1 2 1 1 3 2

1

4a b

Fig. 4.20. Laminarea pulberilor metalice: a - laminarea unei benzi monomaterial; b - laminarea unei benzi bimaterial;

1 - cilindri de laminor; 2 - pulberea metalică; 3 - perete despărţitor; 4 - banda laminată.

Proprietăţile benzii crude compactate depind de diametrul cilindrilor şi de


rugozitatea suprafeţelor active ale acestora, de grosimea benzii, de repartiţia granulometrică, de densitatea de umplere şi de fluiditatea pulberii metalice. Viteza de laminare este cuprinsă între 10 şi 20 m/min.




Director Centru: Prof. univ. dr. ing. AMZA Gheorghe

OBIECTUL DE ACTIVITATE

Obiectul de activitate al centrului îl constituie contracte de cercetare – proiectare în

domeniul: • Tehnologii de control nedistructiv în orice domeniu; • Tehnologii şi echipamente de prelucrare a materialelor; • Tehnologii neconvenţionale de prelucrare a materialelor; • Tehnologii de asamblare nedemontabilă a materialelor convenţionale şi





Banda laminată are o porozitate destul de mare. Atunci când se cere un produs finit cu compactitate ridicată, se utilizează linii continue de laminoare şi cuptoare de sinterizare, astfel că prin alternanţa operaţiilor de laminare şi sinterizare se poate ajunge la densităţi apropiate de densitatea materialului compact.

Avantajele procedeului sunt următoarele: posibilitatea obţinerii unor benzi şi table de grosime foarte mică, posibilitatea obţinerii unor produse cu compoziţie chimică foarte riguros dirijată, coeficientul de utilizare a materialului tinde către 100%, porozitatea se poate regla riguros cu valori într-o plajă foarte largă, continuitatea procedeului oferă posibilitatea automatizării, cheltuielile de investiţii sunt foarte reduse pentru că se pot folosi utilajele clasice de laminare, cu foarte mici adaptări.

Principalele produse care pot fi obţinute sunt: benzi şi table speciale pentru construcţia de maşini, benzi şi table din metale şi aliaje de mare puritate pentru industria electrotehnică şi electronică, benzi bimetalice, trimetalice sau placate, benzi din oţel acoperite cu material antifricţiune, poros, cu proprietăţi de autolubrificaţie, table poroase pentru filtre, uscătoare, evaporatoare.

4.5.3.2. Compactarea pulberilor metalice prin extrudare

Compactarea pulberilor prin extrudare permite obţinerea unor profile cu secţiune constantă, având lungimi foarte mari şi proprietăţi constante. Secţiunea extrudatului din pulberi poate fi deosebit de complicată, compactă sau tubulară.

Schema de principiu a compactării pulberilor metalice prin extrudare este prezentată în figura 4.21. a. Sub acţiunea pistonului 2 (se mai numeşte poanson), pulberea din cilindrul de presare 3 (se mai numeşte contenor), se compactează în matriţa conică 4 şi iese prin matriţa de calibrare 5.

6

5

7

1

2

3

4

2 8 7 9 4 10 11 12

F

v1

a b

Fig.4.21. Extrudarea pulberilor metalice: a - extrudarea la rece; b - extrudarea la cald a pulberilor încapsulate; 1 - cap de presare;

2 - piston de presare; 3 - cilindru; 4 - matriţă conică; 5 - matriţă de calibrare; 6 - bara extrudată;


7 - amestecul de pulberi; 8 - cilindru încălzit; 9 - capsulă metalică etanşă; 10 - suport matriţă; 11 - extrudat; 12 - pat de role.

4.5.3.3. Compactarea pulberilor metalice prin presare izostatică

Compactarea se poate face la rece sau la cald. În cazul compactării la rece, pulberea se amestecă cu un liant, care asigură rezistenţa mecanică a compactatului crud. Acest liant se va volatiliza şi va fi îndepărtat în timpul procesului de sinterizare. În cazul în care compactarea se va face la cald, nu mai este necesar liantul, deoarece particulele se deformează într-o oarecare măsură şi între ele se formează micropunţi de sudură.

O variantă modernă a extrudării pulberilor la cald este prezentată în figura 4.21. b. Pulberea este compactată prin scuturare sau vibrare într-o capsulă metalică 9. Aerul din interiorul capsulei se extrage prin vidare şi apoi capsula se va închide etanş. Prin extrudarea capsulei ce conţine pulberea metalică se va obţine o compactare de peste 98%.

Schema de principiu a compactării pulberilor prin presare izostatică este prezentată în figura 4.22. a.

6

5

4

3

2

1

7

8

9P

a b

F

F

Fig. 4.22. Presarea izostatică:

a - presare izostatică în lichid; b - presare izostatică în mediu solid elastic; 1 - cilindru; 2 - capsula cu pulbere; 3 - ulei; 4 - sistem de etanşare; 5 - capac; 6 - elemente de finisare

a capacului; 7 - matriţă; 8 - cauciuc; 9 - poansoan.

Compactarea pulberilor metalice prin presare izostatică se caracterizează prin aceea că fluidul de presiune (apă, ulei, glicerină, gaze inerte) acţionează uniform pe toate direcţiile, obţinându-se o densitate constantă în întreg volumul compactatului. Cantitatea necesară de pulbere este precompactată prin vibrare, scuturare şi vidare într-o formă flexibilă din cauciuc, mase plastice sau chiar folie din oţel inoxidabil. Această formă se închide etanş şi se introduce într-un cilindru de înaltă presiune (300...500 MPa). Se pot obţine compactităţi de peste 98 %.

Presarea izostatică se poate face la rece sau la cald. În cazul în care


presarea se face la rece, se folosesc forme din cauciuc sau mase plastice. Dacă presarea se face la cald, capsula se execută din oţel inoxidabil, iar presarea se poate face fie cu gaze inerte, fie cu metale (sau aliaje) topite.

Avantajele procedeului de compactare prin presare izostatică sunt următoarele: se obţine o compactitate foarte mare şi uniformă în tot volumul piesei, ceea ce conduce la proprietăţi mecanice foarte bune; instalaţia este relativ simplă şi cu grad mare de universalitate; se pot fabrica piese cu forme geometrice complexe şi de dimensiuni mari (pot ajunge la înălţimi de peste 1 000 mm).

Dezavantajele procedeului sunt următoarele: dificultăţile în respectarea precisă a formei şi dimensiunilor piesei, productivitatea foarte redusă. O variantă foarte simplă a presării izostatice utilizează o căptuşeală groasă din cauciuc sau dintr-un alt material elastic, aşezată într-o matriţă din oţel (fig. 4.22. b). Prin ungerea căptuşelii şi folosirea unui

- +

7

6

5

4

3

2

1

lubrifiant superior în amestecul de pulbere, se pot obţine compactităţi mari (85...92 %) şi deosebit de uniforme.

O altă variantă a presării izostatice este presarea prin explozie în

Fig. 4.23. Schema de principiu a presării izostatice prin şoc (explozie):

1 - capac; 2 - exploziv; 3 - cilindru de explozie; 4 - piston; 5 - ulei; 6 - cilindru de

presare; 7 - capsula cu pulbere.

mediu lichid (fig. 4.23). Deoarece forţa de presare creşte foarte rapid, frecarea dintre particule este mai mică şi compactizarea pulberii este mai bună.

4.5.3.4. Compactarea pulberilor metalice prin turnare în forme poroase

Metoda, larg utilizată în industria ceramică, constă din turnarea unei suspensii de pulbere metalică, numită barbotină sau şlicher, într-o formă cu pereţi poroşi, executată dintr-un material care absoarbe bine lichidul suspensiei.

Pentru prepararea barbotinelor se folosesc pulberi metalice foarte fine, cu granulaţie de 1...3 µm pentru ca suspensiile să fie mai omogene şi mai stabile în timp (uneori poate fi şi de maxim 10 µm). Cel mai utilizat lichid este apa distilată, iar pentru împiedicarea sedimentării se adaugă substanţe pentru defloculare (NaOH, KOH etc.). Proporţia de pulbere în lichid este de 30...60 %.

Schema de principiu şi etapele de lucru sunt prezentate în figura 4.24. Formele pot fi executate din două sau mai multe bucăţi, de cele mai multe ori din ipsos, cavităţile de lucru reprezentând negativul piesei ce trebuie obţinută


(fig. 4.24. a). Cavitatea formei se proiectează ţinând cont de contracţia la uscare şi la sinterizare. Înainte de utilizare, formele se ususcă până ce conţinutul în apă este 5...10 %, după care se vopsesc cu o soluţie de săpun care va uşura deslipirea semifabricatului de peretele formei. În amestecul de vopsire poate intra şi grafit sau talc, bentonită, caolin etc.

După turnarea barbotinei în formă (fig. 4.24. b), uscarea începe prin absorbţia lichidului suspensiei în pereţii formei. Particulele de pulbere din suspensie, care sunt antrenate de lichidul absorbit de peretele formei, se depun sub forma unui strat pe peretele formei şi se compactizează legându-se puternic între ele. Grosimea stratului metalic astfel format creşte în timp, dar viteza de depunere a pulberii din barbotină scade pe măsură ce creşte grosimea şi compactitatea stratului. În funcţie de grosimea dorită a stratului, durata procesului de depunere poate fi cuprinsă între 1 şi 60 minute. Dacă se cere o piesă goală la interior, după depunerea stratului de grosimea dorită, surplusul de barbotină se îndepărtează din formă (fig.4.24. c). În cazul fabricării produselor pline, formele sunt prevăzute la partea superioară cu maselote ce se constituie în rezervoare de barbotină care va compensa lichidul absorbit în pereţii formei. Pentru a evita fisurările şi deformările compactatului crud, cauzate de o uscare prea rapidă şi neuniformă, se recomandă ca semifabricatul crud să se scoată din formă după 10...16 ore de la turnare.

suspensie

a b c d e Fig. 4.24. Etapele formării pieselor din pulberi în forme poroase:

a - forma din ipsos; b - umplerea cu pulbere în suspensie; c - golirea surplusului de suspensie; d - centrifugarea pentru creşterea compactării; e - compactat crud.

Pentru creşterea compactităţii pulberii se utilizează centrifugarea (fig.4.24.d), dar pot fi utilizate şi alte tehnologii mai complexe, cum ar fi turnarea sub presiune, turnarea în forme vidate.


Semifabricatele, uscate complet (fig.4.24. e), se sinterizează prin procedeele obişnuite.

4.5.3.5. Compactarea pulberilor prin vibrare

Gradul de compactare a pulberilor prin vibrare depinde de următorii factori: frecvenţa, amplitudinea şi durata vibraţiilor, sarcina aplicată în partea superioară a coloanei de pulbere vibrată, prezenţa unui lubrifiant.

Scopul compactării prin vibrare poate fi: obţinerea unei mase de pulbere cu densitate mare destinată fie pentru sinterizare directă în această stare, fie pentru compactarea ulterioară printr-o altă metodă, în vederea obţinerii unor piese cu densităţi foarte mari. Mărirea densităţii piesei poate fi accentuată dacă su utilizează un amestec de fracţiuni granulometrice înguste şi bine dozate.

Cele mai bune rezultate s-au obţinut la vibraţiile cu frecvenţe sonore, 20...5 000 Hz. Creşterea amplitudinii de vibrare conduce la creşterea densităţi, dar valoarea optimă depinde de înălţimea coloanei de pulbere. Instabilitatea procesului de compactare prin vibrare se observă la straturile superioare ale coloanei de pulbere şi, de aceea, se aplică la partea superioară a coloanei de pulbere, hidraulic sau pneumatic, o forţă de presare de 5...15 MPa. Timpul de vibrare trebuie să fie suficient pentru compactare, dar nu prea lung deoarece apare segregarea pulberii în funcţie de granulaţie. S-a constatat că 10 secunde sunt suficiente pentru a se obţine rezultate optime.

4.5.3.6. Compactarea pulberilor în vederea obţinerii pieselor poroase

Compactarea pulberilor pentru obţinerea pieselor poroase se face prin presărare, fără tasare. În acest mod se realizează filtrele. Filtrele din pulberi sinterizate pot fi construite monobloc sau din mai multe plăci componente.

Corpurile filtrante monobloc se fabrică prin umplerea simplă, prin presărare a unor forme refractare din grafit, oţeluri inoxidabile sau materile ceramice. Pentru a preîntâmpina sudarea pulberii de pereţii formei, aceasta se

acoperă cu o vopsea pe bază de Al2O3, MgO, ZrO2 sau grafit, în cazul formelor metalice.

La proiectarea formelor trebuie să se ţină cont de contracţia foarte mare care apare la sinterizarea pulberilor liber vărsate.

Este de remarcat faptul că prin acest procedeu se pot produce numai corpuri filtrante de formă conică, tronconică sau cu secţiune continuu descrescătoare, deoarece la piesele cilindrice apare fisurarea în timpul sinterizării, datorită contracţiilor de sinterizare şi incompresibilităţii miezurilor executate din materiale refractare. Miezul trebuie să se execute din materiale refractare pentru că însoţeşte piesa în timpul sinterizării, deoarece compactatul crud obţinut prin presărare nu are stabilitatea formei.

Plăcile poroase filtrante, din care se asamblează prin sudare sau lipire


corpuri filtrante de mari dimensiuni şi forme foarte complicate, se obţin prin presărarea pulberilor pe plăci din oţel refractar şi netezirea stratului pentru uniformizarea grosimii plăcii. Plăcile suport, acoperite cu pulberea presărată, se stivuiesc şi pachetele de plăci se introduc în cuptorul de sinterizare. Aderenţa pulberii la placa suport este împiedicată cu ajutorul vopselelor antiaderente.

Discurile şi lamele de fricţiune se obţin prin aceeaşi tehnologie, cu precizarea că placa suport este însuşi discul metalic pe care se aplică materialul de fricţiune şi că între discul metalic şi pulbere nu se mai introduce stratul de vopsea aderentă. Dacă discul de fricţiune este dublu se procedează în felul următor: se presară şi se sinterizeză pulberea pe o parte a discului, apoi se presară şi se sinterizează pulberea şi pe partea a doua. În final, pentru a se obţine o densitate mai mare, materialul sinterizat se supune unei forjări sau presări pe prese mecanice sau hidraulice corespunzătoare.

Pe lângă aceste metode de compactare ce se aplică pe scară industrială, din dorinţa de a se obţine compactităţi tot mai mari, au apărut şi alte metode de compactare a pulberilor, cum ar fi: compactarea cu impulsuri electromagnetice, compactarea cu ultrasunete, compactarea prin explozie şi altele, a căror aplicabilitate industrială urmează a fi confirmată în viitor.

4.6. SINTERIZAREA PULBERILOR

4.6.1. Mecanismul sinterizării

În urma presării pulberilor, compactatul crud prezintă o rezistenţă

mecanică cuprinsă între 10 şi 20 N/mm2, în funcţie de natura pulberii şi presiunea

de compactare. Rezistenţa mecanică este mică pentru că se datorează fie lubrifiantului, care poate juca şi rol de liant, fie forţelor de adeziune dintre particule, atunci când în punctul de contact dintre ele se formează prin difuzie micropunţi de legătură.

Rezistenţa mecanică mare se obţine în urma procesului de sinterizare, care este un proces de transport de masă activat termic, ce constă în formarea unor punţi de legătură între particule, creşterea acestor punţi de legătură, schimbarea porozităţii şi geometriei porilor, acompaniată de reducerea energiei libere şi în urma căruia se obţin proprietăţile mecanice caracteristice piesei. Un compactat din pulberi metalice este un sistem termodinamic instabil, stare influenţată de fineţea pulberii, rugozitatea suprafeţelor granulelor, forma granulelor, gradul de ecruisare ridicat apărut în urma procesului de deformare a granulelor, distorsiunile reţelelor cristaline la suprafaţa granulelor şi a cărei instabilitate este accentuată de temperatura la care are loc procesul de sinterizare. În prima etapă a sinterizării,


prin încălzire, creşte mobilitatea atomilor şi se manifestă fenomenul de difuzie de suprafaţă (fig.4.25).

Atomii se deplasează pe suprafaţa granulelor către punţile de legătură şi, astfel, începe un proces de netezire a suprafeţelor către forma de energie superficială minimă, de sferoidizare a porilor mai mari şi închidere a porilor mici.

2

2

1

1

P P3

3

3

3

Concomitent apare şi difuzia la limita de contact a granulelor. Apoi, la temperaturi mai mari, încep şi fenomenele de difuzie în volum. La temperaturi joase este predominantă difuzia de suprafaţă, iar la temperaturi înalte este predominantă difuzia în volum. La temperaturi înalte apare şi fenomenul de recristalizare şi creştere rapidă a grăunţilor nou formaţi. În timpul procesului de sinterizare poate să apară şi un alt tip de transport de materie, prin faza gazoasă, cauzat de evaporări parţiale, urmate de condensări parţiale în zona

Fig. 4.25. Căile de transfer a materialului în timpul sinterizării:

1 - difuzie în volum; 2 - difuzie la limita de contact a granulelor; 3 - difuzie de suprafaţă;

P - forţe rezultate din acţiunea tensiunii superficiale.

punţilor de legătură în curs de formare între particule. În funcţie de temperatura de sinterizare, există posibilitatea apariţiei fazei lichide concomitent cu un puterinc fenomen de dizolvare-precipitare a elementelor

componente ponente ale granulelor. Sensul de dizolvare - precipitare a atomilor, este de la granulele mai mici, a căror tensiune superficială este mai mare, către granulele mai mari. Un rol important îl joacă tensiunea superficială a fazei lichide care determină capacitatea de umectare a fazei solide.

Cu cât capacitatea de umectare este mai mare, cu atât mai bine se închid porii şi se realizează o compactitate mai mare, dar în acelaşi timp apare o contracţie foarte mare, apar abateri dimensionale şi sunt necesare prelucrări ulterioare.

În cazul sistemelor multicomponent, prin apariţia fazei lichide, pot apare aliaje dacă elementele componente sunt solubile la temperatura de sinterizare.

În cazul sinterizatelor din oţel, există posibilitatea compensării contracţiei prin introducerea unui procent de pulbere de cupru, deoarece cuprul se dizolvă în


reţeaua fierului mărindu-i volumul. Sinterabilitatea, înţeleasă ca fiind proprietatea unui material pulverulent

de a se transforma într-o piesă cu proprietăţi mecanice corespunzătoare, este influenţată de mărimea granulelor pulberii şi de parametrii de sinterizare. Cu cât granulele sunt mai mici, cu atât se creează mai multe punţi de legătură, suprafaţa totală este mai mare, având o energie superficială mai mare şi în consecinţă procesul de difuzie este mai activ, se obţin piese mai compacte, cu structură fină şi contracţie minimă.

4.6.2. Parametrii tehnologici ai sinterizării

Parametrii tehnologici ai sinterizării sunt următorii: temperatura de sinterizare, viteza de încălzire, durata sinterizării, viteza de răcire şi mediul în care se execută sinterizarea.

Temperatura de sinterizare este cel mai important parametru al procesului de sinterizare şi determină proprietăţile mecanice ale piesei sinterizate. În figura 4.26 este prezentată influenţa temperaturii de sinterizare asupra principalelor proprietăţi mecanice ale unei piese din pulbere din oţel cu conţinut scăzut de carbon: rezistenţa la tracţiune (fig. 4.26. a) şi alungirea la rupere (fig. 4.26. b).

Elongaţiala rupere

Temperatura de sinterizare

1

2

400 600 800 1000

b

[°C]0

4

8

12[%]

Rezistenţala tracţiune

[MPa]

a

1 2

0

100

200

400 600 800 1000Temperatura de sinterizare

[°C]

Fig. 4.26. Influenţa temperaturii de sinterizare asupra rezistenţei la tracţiune (a) şi a elongaţiei la

rupere (b): 1 - piese din pulbere din Fe obţinută prin reducerea oxizilor; 2 - piese din pulbere din Fe obţinută prin măcinare.

Se observă că o influenţă semnificativă a temperaturii privind creşterea proprietăţilor se înregistrează începând de la 800°C în sus. În plus, se observă că o influenţă importantă o are şi procedeul de obţinere a pulberii metalice, deoarece determină forma granulelor, capacitatea de compactare a pulberii, gradul de umplere a volumului matriţei, puritatea pulberii, care la rândul lor determină eficienţa procesului de sinterizare.

Temperatura de sinterizare trebuie să fie superioară temperaturii de recristalizare a componentelor şi este cuprinsă între 2/3 şi 3/4 din temperatura de


topire a componentului principal din amestecul de pulberi. În tabelul 4.1 sunt prezentate temperaturile de sinterizare optime pentru diferite materiale sau cupluri de materiale.

Dacă valorile temperaturii se situează la limita inferioară, atunci procesul de sinterizare se realizează prin recristalizare cu difuzie predominant de suprafaţă. Dacă valorile temperaturii se situează către limita superioară, atunci procesul de sinterizare se realizează predominant prin recristalizare cu difuzie de volum şi prin apariţia fazei lichide.

Viteza de încălzire poate fi aleasă la valoarea maximă permisă de utilajul de încălzire, pentru că piesele sunt mici şi nu apar tensiuni interne din cauza diferenţelor de temperatură şi contracţie sau dilatare.

Tabelul 4.1. Temperatura de sinterizare pentru unele materiale uzuale

Materialul Temperatura de sinterizare [K] Aliaje de aluminiu 863...893 Bronz 1 013...1 053 Alamă 1 163...1 203 Nichel 1 133...1 223 Fier 1 393...1 553 Fier-Cupru 1 393...1 553 Fier-Cupru-Nichel 1 393...1 553 Fier-Carbon 1 393 Fier-Cupru-Carbon 1 393 Fier-Cupru-Nichel-Carbon 1 393 Fier-Cupru-Nichel-Molibden (Distaloy) 1 393...1 473 Fier-Mangan 1 553 Fier-Crom 1 473...1 553 Fier-Mangan-Cupru 1 393 Fier-Crom-Cupru 1 473...1 553 Fier-Carbură de crom >1 553 Fier-Carbură de vanadiu >1 553 Fier-Carbură de wolfram >1 553 Fier-Mangan-Crom-Molibden-Carbon >1 553 Fier-Mangan-Vanadiu-Molibden-Carbon >1 553 Oţel inoxidabil crom-nichel 1 473...1 553 Oţel inoxidabil cu crom 1 473...1 553 Aliaje de wolfram 1 673...1 773

Durata sinterizării trebuie corelată cu gradul de sinterizare dorit. Se stabileşte experimental în funcţie de proprietăţile ce trebuie obţinute (structură, proprietăţi mecanice, conductivitate electrică, porozitate etc.). În figura 4.27 este prezentată influenţa duratei sinterizării asupra rezistenţei la tracţiune (se face precizarea că influenţa duratei de sinterizare asupra alungirii la rupere este asemănătoare). Se observă şi în acest caz că modul de obţinere a pulberii este un


factor important de influenţă, deoarece determină forma granulelor, capacitatea de compactare a pulberii, gradul de umplere a volumului matriţei, puritatea pulberii, care la rândul lor determină eficienţa procesului de sinterizare.

Pentru a se asigura o productivitate corespunzătoare, durata operaţiei de sinterizare este cuprinsă între 30 şi 80 minute. Viteza de răcire se limitează în cazul pieselor cu forme complexe sau în cazul materialelor cu călibilitate ridicată.




Director Centru: Prof. univ. dr. ing. AMZA Gheorghe OBIECTUL DE ACTIVITATE

Obiectul de activitate al centrului îl constituie contracte de cercetare – proiectare în domeniul:

• Tehnologii de control nedistructiv în orice domeniu; • Tehnologii şi echipamente de prelucrare a materialelor; • Tehnologii neconvenţionale de prelucrare a materialelor; • Tehnologii de asamblare nedemontabilă a materialelor convenţionale şi





Mediul de sinterizare permite obţinerea unor proprităţi superioare ale pieselor sinterizate atât prin protecţia materialului faţă de atmosfera cuptorului, cât şi prin rolul pe care îl poate juca în scurtarea duratei de sinterizare şi chiar a temperaturii de sinterizare.

1

250

100

0

150

[MPa]

15 30 60 90 120 150 [min]

Rezistenţa la tracţiune

7,0

[g/cm ]36,76,8

6,36,56,1

Densitatea

Timpul de sinterizare Fig. 4.27. Influenţa duratei sinterizării asupra rezistenţei la tracţiune:

1 - pulbere de Fe obţinută prin reducerea oxizilor; 2 - pulbere de Fe obţinută prin măcinare.

Cele mai utilizate sunt mediile de sinterizare gazoase, care se vehiculează continuu prin spaţiul de lucru al cuptorului reuşind să menţină un echilibru termochimic şi să asigure o calitate constantă a produselor.

4.6.3. Medii de sinterizare

Din punct de vedere chimic, mediile de sinterizare utilizate pot fi: neutre, reducătoare, oxidante sau carburante. Natura mediului de sinterizare este foarte importantă, deoarece compactatele din pulberi metalice prezintă o suprafaţă specifică foarte mare, au porozitate deschisă şi interacţionează cu mediul de sinterizare nu numai la suprafaţă, ci şi în adîncime, practic în tot volumul.

Mediile neutre pot fi: vidul, azotul şi argonul. Mediile neutre se utilizează în cazurile în care pulberile sau elementele de încălzire ale cuptorului ar putea să reacţioneze cu mediul. Azotul şi argonul se utilizează în cazul pulberilor lipsite de oxizi şi sunt uşor de manipulat. Vidul are avantajul că permite disocierea anumitor tipuri de oxizi, dacă este îndeplinită condiţia funcţională tensiune de disociere- temperatură, permite obţinerea unor piese de mare puritate, dar este mai greu de obţinut şi construcţia cuptorului este mai complicată pentru că trebuie asigurată etanşarea.


Mediile reducătoare sunt cel mai des utilizate pentru că permit fixarea oxigenului existent în pulberile compactate, permit dezoxidarea pulberilor în timpul sinterizării (oxizii metalici din pulberi pot proveni din procesul de elaborare, din manipularea şi depozitarea necorespunzătoare a pulberilor). Cele mai eficiente medii reducătoare sunt: hidrogenul, amoniacul disociat şi hidrocarburile convertite sau arse parţial.

Hidrogenul este cel mai activ reducător şi de cea mai mare puritate, dar prezintă un pronunţat pericol de explozie, motiv pentru care nu se poate utiliza în cuptoarele mari. De asemenea, este foarte scump. Se utilizează pentru sinterizarea metalelor foarte sensibile la oxidare şi foarte scumpe: W, Mo, aliaje dure, materiale magnetice, contacte electrice.

Amoniacul disociat se obţine prin disociere termică cu catalizator de

nichel, are un caracter reducător foarte bun (75 % H2 şi 25 % N2), prezintă un pericol de explozie mai mic decât hidrogenul prin prezenţa azotului, este mai eficient din punct de vedere economic.

Gazul metan ars parţial în reactoare cu catalizator din nichel (amestecul de ardere metan-aer conţine doar 25 % din cantitatea de aer necesară pentru arderea completă şi este de 10 ori mai ieftin decât hidrogenul). Este foarte larg utilizat la sinterizarea produselor din oţel şi cupru. Prezintă pericol de explozie în amestec cu aerul şi este foarte toxic din cauza CO2.

Gazul metan sau hidrocarburile, convertite cu vapori de apă, pot conduce la amestecuri de H2, CO şi CO2 şi pot avea caracter reducător, carburant sau oxidant, în funcţie de raportul volumic dintre hidrocarburi şi apă. Sunt mai puţin utilizate deoarece conţin cei mai periculoşi compuşi pentru produsele sinterizate: oxigenul şi apa.

Eliminarea impurităţilor din mediile de sinterizare se face astfel: - oxigenul se elimină prin trecerea gazului peste aşchii din cupru încălzite

la 775...825K; - apa se elimină prin trecerea prin turnuri de uscare umplute cu silicagel

sau prin răcire pentru condensarea vaporilor de apă.

4.6.4. Utilaje pentru sinterizare

Cuptoarele pentru sinterizare trebuie să se caracterizeze prin: - posibilităţi de reglare a temperaturii la valoare constantă, specifică

fiecărei zone a cuptorului; - posibilităţi de reglare a vitezei de încălzire şi a vitezei de răcire; - alimentarea continuă cu gaze în vederea menţinerii atmosferei de

sinterizare, chiar şi în condiţiile unui proces de alimentare; - evacuarea continuă a semifabricatelor; - siguranţă mare în funcţionare;


- productivitate mare; - consum redus de energie. Din punctul de vedere al sistemului de încălzire, cuptoarele de sinterizare

pot fi: cu flacără, cu rezistenţă electrică şi cu încălzire prin inducţie.

1 2 3 4 5

Fig.4.28. Cuptor tunel pentru sinterizare: 1 - compactat; 2 - cuptor de preîncălzire; 3 - cuptor de sinterizare; 4 - tunel răcire;

5 - bandă transportoare.

apă

vid

1

2

3

4

apă

Din punctul de vedere al sistemelor de alimentare−evacuare cuptoarele pot fi: cu funcţionare continuă şi cu funcţionare discontinuă. Constructiv, cuptoarele cu funcţionare continuă pot fi: tubulare cu bandă transportoare, cu bandă transportoare şi tunel cu role transportoare sau cu vatră păşitoare. Cuptoarele cu funcţionare discontinuă pot fi: cu clopot, cu inducţie şi incintă vidată, cu

Fig. 4.29. Cuptor cu inducţie şi incintă vidată: 1 - incintă vidată; 2 - capac; 4 - inductor.

încălzire prin rezistenţă şi incintă vidată.

Dintre cuptoarele cu funcţio- nare continuă, cel mai utilizat este cuptorul tunel cu bandă transportoare (fig.4.28), care poate fi utilizat pentru toată gama de dimensiuni de piese. Prin reglarea vitezei benzii transportoare şi a puterii sistemului de încălzire, care poate fi cu flacără sau cu rezistenţă electrică, cuptorul permite controlul perfect asupra vitezei de încălzire, a temperaturii de sinterizare şi a vitezei de răcire. Are o productivitate foarte mare.

Dintre cuptoarele cu funcţionare discontinuă, cea mai rapidă încălzire o asigură cuptorul cu inducţie şi incintă vidată (fig.4.29). Acest tip de cuptor poate


realiza temperaturi foarte ridicate.

4.7. PROCEDEE SPECIALE DE OBŢINERE A PIESELOR DIN

PULBERI METALICE

4.7.1. Sintermatriţarea

Sintermatriţarea este un procedeu combinat de sinterizare şi deformare plastică prin care se obţine o creştere a densităţii până la valori apropiate materialului compact, simultan cu creşterea corespunzătoare a rezistenţei mecanice şi a tenacităţii. Se aplică, de regulă, pentru obţinerea pieselor din oţel. Procedeul are două variante:

- dubla sinterizare, care constă într-o compactare iniţială la o presiune specifică de 600 MPa, o sinterizare de 20 minute la temperatura de 1 125K, o nouă presare la 600 MPa şi o sinterizare finală la parametri normali. După prima sinterizare, în timpul presării apar noi contacte între particule, care permit formarea unor noi punţi de legătură, ceea ce conduce la creşterea densităţii

(7,3...7,4 g/cm3) şi, implicit, la creşterea caracteristicilor mecanice.

1

2

3

4

5

a b c

d e Fig. 4.30. Etapele sintermatriţării:

a - compactare; b - prima sinterizare; c - matriţare; d - a doua sinterizare; e - calibrare; 1 - poanson; 2 - matriţă; 3 - piesa din pulberi metalice; 4 - contrapoansoane; 5 - cuptor de sinterizare.

- sintermatriţarea, care seamănă cu dubla sinterizare, cu deosebirea că sinterizarea se face la temperaturi mari (1 375...1 475K). Etapele sintermatriţării sunt prezentate în figura 4.30. În prima etapă se realizează o compactare la o presiune specifică de 600 MPa (fig. 4.30. a). În etapa a doua (fig.4.30. b) se execută sinterizarea la temperatură înaltă de sinterizare (conform tabelului 4.1).


După sinterizare se excută o forjare-matriţare la temperatură înaltă (fig.4.30. c), prin care se închid foarte mulţi pori, se crează noi puncte de contact şi apare chiar o structură tipică de fibraj de deformare plastică în material.

După cea de-a doua sinterizare (fig.4.30. d) se mai execută o matriţare de calibrare (fig.4.30. e), care desăvârşeşte fibrajul permiţând obţinerea unor caracte-ristici mecanice deosebite. De exemplu, o roată de clichet sintermatriţată are o capacitate portantă apropiată ca valoare de varianta forjată şi cu 25 % mai mare decât o roată prelucrată din bară rotundă.

Rezistenţa la tracţiune

[MPa]

100

200

300

0 200 400 600 [MPa] Presiunea la calibrare

bronz

Fig. 4.31. Creşterea rezistenţei în urma represării şi calibrării.

În figura 4.31 este prezentată creşterea rezistenţei la tracţiune a pieselor din bronz în urma sintermatriţării.

4.7.2. Obţinerea pieselor din pulberi metalice prin injecţie în matriţă

Procesul de obţinere a pieselor din pulberi metalice prin injecţie în matriţă (Metal Injection Moulding) este un proces tehnologic care îmbină avantajele mai multor tipuri de procese tehnologice: permite obţinerea unor piese într-o gamă foarte largă de pulberi, aliaje şi pseudoaliaje, utilizează pulberi foarte fine, care conduc la o structură omogenă de mare densitate (peste 96 % din densitatea materialului compact), permite obţinerea unor piese cu configuraţie foarte complicată, asemănătoare pieselor din mase plastice.

Etapele procesului sunt prezentate în figura 4.32. Materia primă utilizată este compusă din pulbere metalică, liant, solvent şi lubrifiant, care se amestecă foarte bine în vederea omogenizării. Nu toate componentele sunt obligatorii, utilizarea lor fiind impusă de natura pulberii sau a liantului care se foloseşte. Liantul cel mai utilizat este compus din termoplaste cu punct înalt de topire, cum ar fi: polietilena sau polipropilena. Se pot utiliza şi agenţi în soluţii apoase cum ar fi metilceluloza. Parafina se poate introduce în amestec cu termoplastele pentru a se reduce la minimum frecările. Proporţia de liant (ingrediente) este de 30..50 %.


pulbere liant solvent lubrifiant

amestecare

granulare

injecţie

uscare sinterizare

Fig. 4.32. Etapele de obţinere a pieselor prin injecţia în forme a pulberilor metalice.

După omogenizare, mixtura se extrudează sub formă de granule, care se stochează chiar şi pe perioade îndelungate, prezentând o mare stabilitate în timp.

Injectarea în matriţă, perfect asemănătoare injectării maselor plastice, permite obţinerea compactatului crud având forma asemănătoare piesei finite, dar cu un volum mai mare cu 30...50 %, corespunzător conţinutului de liant.

Îndepărtarea liantului se face prin încălzire uşoară, astfel încât volatilizarea liantului să se facă foarte lent spre a nu se crea perne de gaz cu presiune mare, ceea ce ar conduce la fisurarea compactatului şi compromiterea piesei. Îndepărtarea liantului poate dura de la câteva ore, pentru piese cu dimensiuni mai mici de 10 mm, la câteva zile, pentru piese de dimensiuni mai mari. În urma uscării rezultă un compactat cu rezistenţă foarte scăzută şi există pericolul deformării sau distrugerii la manipulare. De aceea, uscarea nu se face total, pentru ca liantul remanent să confere o oarecare rezistenţă mecanică, finalizarea uscării făcându-se în primele momente ale sinterizării.


Sinterizarea va permite obţinerea unei piese cu densitate foarte mare (peste 96 % din densitatea materialului compact), pornindu-se de la un compactat crud având 30...50 % porozitate. De aceea, este necesar ca procesul de difuzie să se petreacă numai la suprafaţă sau la limita grăunţilor. Difuzia de volum este periculoasă, pentru că poate crea noi punţi de legătură care pot închide canalele de legătură dintre pori. Este necesar ca difuzia de suprafaţă să permită migraţia materialului spre a se închide toţi porii. De aceea, sinterizarea trebuie să se facă la temperatură foarte scăzută. Procesul de sinterizare este foarte îndelungat din cauza temperaturii de sinterizare scăzute.

În tabelul 4.2 este prezentată o comparaţie sugestivă, din punctul de vedere al avantajelor, între procedeele clasice de obţinere a pieselor din pulberi şi injecţia în matriţă.

Tabelul 4.2. Comparaţie între procedeele clasice de obţinere a pieselor din pulberi şi injecţia în forme metalice

Procedee clasice Injecţia în formă Granulaţia pulberii 200 - 500 µm < 20 µm

Deformaţia pulberii în procesul de formare

Deformată plastic Nedeformată

Porozitate înainte de sinterizare 10 ... 15 % Vol 30 ... 40 % Vol. Conţinutul de lubrifiant şi liant 2 ... 3 % Vol 30 ... 40 % Vol.

Omogenitatea compactatului Densitate neuniformă Densitate uniformă Densitatea piesei sinterizate ≈ 90 % > 96 %

Prin acest proces tehnologic se pot obţine piese cu dimensiuni sub 100 mm, având pereţi de 0,5...5 mm grosime; de exemplu, greutatea ideală pentru piesele din oţel este de 50 g. Precizia geometrică depinde foarte mult de configuraţia piesei. Fără dificultate se obţine o precizie de 0,5 %. Se pot obţine găuri de orice formă, cu condiţia ca secţiunea să fie mai mare de 1 mm2.

Piesele din pulberi obţinute prin injecţie în matriţă se pot utiliza cu sau fără acoperiri cu Cr, Ni, Zn, Bz. Piesele din oţeluri cu nichel pot fi tratate termic.

4.8. OPERAŢII DE PRELUCRARE FINALĂ A PIESELOR DIN

PULBERI METALICE

4.8.1. Ajustarea prin aşchiere a pieselor din pulberi metalice

Prelucrarea prin aşchiere a pieselor din pulberi metalice este foarte dificilă, deoarece există pericolul ca unele particule din material să se smulgă în faţa sculei aşchietoare, în loc să se secţioneze. De asemenea, nu se recomandă


prelucrarea pieselor din pulberi prin aşchiere cu acţiune discontinuă a sculei asupra materialului (frezare, mortezare, rabotare etc.), deoarece piesele din pulberi metalice au rezistenţă mică la şoc.

Cea mai recomandată este prelucrarea prin abraziune, deoarece vitezele de prelucrare sunt mari şi aşchiile, respectiv forţele de aşchiere, sunt mici.

Principalele operaţii de prelucrare prin aşchiere necesare în cazul pieselor din pulberi sunt:

- executarea unor găuri transversale direcţiei de compactare; - filetarea unor găuri existente; - executarea unor degajări transversale ce nu s-au realizat la compactare; - îndepărtarea prin polizare a muchiilor vii (gradului) care se formează la

compactare, din cauza jocului existent între poanson şi matriţă (în special la sculele uzate);

- rectificarea în vederea obţinerii unei calităţi superioare a suprafeţelor. Pentru prelucrările prin aşchiere a pieselor din pulberi metalice se

recomandă utilizarea sculelor armate cu plăcuţe din carburi metalice, prelucrarea cu viteze mari de aşchiere (80...300 m/min) şi avansuri mici (sub 0,3 mm/rot). Nu se indică folosirea lichidelor de răcire pentru că pătrund în pori şi pot conduce la coroziune sau impiedică evantualele impregnări.

4.8.2. Calibrarea pieselor din pulberi metalice

Calibrarea pieselor din pulberi metalice este o operaţie de presare cu modificare de volum, efectuată în matriţe de calibrare cu scopul de a se obţine o precizie dimensională mai mare. În figura 4.33. a este prezentată o schemă de calibrare pentru o suprafaţă cilindrică exterioară, în matriţă tronconică, cu dorn de calibrare. În figura 4.33. b este prezentată calibrarea cu bilă a unui alezaj.

Este foarte important, ca în timpul calibrării, să se asigure o ungere cât mai bună, fie folosind bisulfura de molibden, depusă iniţial pe suprafaţa piesei, fie utilizând lubrifianţi tradiţionali (vaselină, ulei etc.).

4.8.3. Impregnarea pieselor din pulberi metalice

Impregnarea pieselor din pulberi metalice îmbracă două aspecte: îmbibarea cu lubrifianţi lichizi şi infiltrarea cu metale sau aliaje topite.

Impregnarea cu lubrifianţi solizi se aplică în cazul pieselor poroase, de tip lagăr, pentru obţinerea proprietăţii de autolubrifiere. Îmbibarea se face fie prin fierbere în ulei până la încetarea degajării bulelor de gaz, fie folosind ulei cald şi acţiunea vidului (mai neproductivă şi mai scumpă, deşi mai eficace).

Infiltrarea cu metale sau aliaje topite permite obţinerea unor piese cu


porozitate minimă şi proprietăţi mecanice deosebite. De exemplu, prin infiltrarea unor piese sinterizate din oţel cu Cu sau cu un aliaj din Cu cu 8% Mn şi 2 % Fe, la 1 375...1 400K, se obţine un sistem ce poate fi tratat termic (călire urmată de revenire a scheletului din oţel şi durificare, prin precipitare a aliajului de cupru care umple porii), obţinându-se proprietăţi excelente de rezisteţă la tracţiune (peste 650 MPa), duritate ridicată şi rezistenţă la uzare, dar în acelaşi timp caracterizat şi de tenacitate, alungire la rupere şi plasticitate. Tot prin această tehnologie se fabrică contactele electrice W - Cu.

P

1

2

3

4

5

1

ο

a b

P

1

6

7

5

Fig. 4.33. Calibrarea pieselor sinterizate:

a - în matriţă tronconică; b - cu bilă; 1 - poanson; 2 - miez de calibrare; 3 - bucşă sinterizată; 4 - matriţă; 5 - masă; 6 - bilă; 7 - roată dinţată bucşată.

4.9. PROPRIETĂŢILE PIESELOR DIN PULBERI METALICE

4.9.1. Proprietăţi fizice

Proprietăţile fizice importante ale pieselor din pulberi metalice sunt

următoarele: densitatea aparentă după sinterizare ρs, porozitatea totală închisă şi

deschisă Ps, compactitatea produsului sinterizat Cs (toate se definesc analog cu


proprietăţile similare ale pulberilor metalice prezentate anterior), conductivitatea electrică şi conductivitatea termică. Acestea din urmă au o mare însemnătate pentru piesele de fricţiune sau pentru contactele electrice şi sunt direct influenţate de porozitatea piesei. Astfel, metoda de fabricaţie, condiţiile presării, condiţiile sinterizării şi operaţiile complementare aplicate după sinterizare influenţează hotărâtor aceste proprietăţi. Cu cât porozitatea este mai mică, cu atât mai bune sunt conductivitatea electrică şi termică. Infiltrarea cu metale sau aliaje cu conductivitate bună permite o creştere importantă a acestor proprietăţi.

4.9.2. Proprietăţi chimice

Tehnologia pulberilor permite respectarea cu o precizie neobişnuit de mare a compoziţiei chimice a materialelor. Din acest punct de vedere, proprietăţile chimice ale pieselor din pulberi pot fi foarte bine controlate. Rezistenţa la coroziune este cea mai importantă dintre proprietăţile chimice, deoarece procesul de coroziune are loc nu numai la suprafaţa piesei, ci şi în profunzime, din cauza porilor şi a canalelor care-i unesc. Este cu atât mai importantă în cazul pieselor din pulberi bi- sau polimetalice pentru că acestea pot forma micropile galvanice în mediul corosiv, şi procesul de coroziune devine mai accentuat. Pentru a reduce acţiunea corozivă a mediului, când acesta este agresiv, se recomandă alegerea judicioasă a combinaţiilor de materiale sau infiltrarea, fie cu metale rezistente la coroziune, fie cu polimeri.

4.9.3. Proprietăţi mecanice

Proprietăţile mecanice depind în cea mai mare măsură de porozitatea piesei sinterizate. Rezultă că factorii de influenţă asupra porozităţii sunt şi factori de influenţă asupra caracteristicilor mecanice, şi anume: natura pulberii şi procedeul de obţinere a pulberii metalice, forma şi dimensiunile granulelor, care determină capacitatea de compactare a pulberii, procedeul de compactare şi parametrii regimului de sinterizare.

Creşterea densităţii (scăderea porozităţii) aparente a piesei din pulberi atrage după sine o creştere importantă a caracteristicilor mecanice. Spre exemplu, în cazul unui oţel aliat cu nichel (fig. 4.34), creşterea densităţii aparente

de la 7 kg/dm3 la 7,8 kg/dm

3 conduce la o creştere a rezistenţei la tracţiune şi a

alungirii cu peste 300%. Din figură se observă că o mare influenţă asupra caracteristicilor mecanice o are şi compoziţia chimică a materialului, respectiv conţinutul de nichel.

În paragraful 4.6.2 a fost prezentată influenţa parametrilor regimului de sinterizare asupra proprietăţilor mecanice ale pieselor din pulberi.


07,0 7,2 7,4 [g/cm ]3

300

200

100

[%]

Alungirea

Rezistenţa

Densitatea

la rupere

la tracţiune

5% Ni

2,5%Ni

2,5%Ni5% Ni

În cazul pieselor din pulberi metalice mai au o importanţă deosebită o serie de proprietăţi particulare: proprietăţile antifricţiune ale pieselor autolubrifiante, proprietăţile de fricţiune ale discurilor de ambreiaj sau de frâne, capacitatea de filtrare în cazul materialelor pororoase, proprietăţile specifice cerute contactelor electrice sinterizate, materialelor magnetice, materialelor speciale pentru reactoare nucleare etc.

Fig. 4.34. Influenţa densităţii asupra rezistenţei la tracţiune şi a alungirii la rupere a unor piese din pulberi de oţel aliat cu Ni.

4.10. FORMA TEHNOLOGICĂ A PIESELOR DIN PULBERI

METALICE

În construcţia de maşini se utilizează din ce în ce mai mult piesele din pulberi metalice într-o gamă tipo-dimensională foarte largă, atât pentru proprietăţile deosebite ce le caracterizează, cât şi pentru eficienţa economică a procesului de obţinere. Piesele tipice sunt: bucşe, came, pârghii, came cu sector dinţat, roţi dinţate cilindrice şi conice, roţi de lanţ, palete de turbine, pistoane şi segmenţi de pistoane pentru motoare şi compresoare, piese polare pentru maşini electrice etc.

La proiectarea acestora trebuie să se ţină seama de particularităţile tehnologiei de obţinere a pieselor din pulberi, aşa încât să se evite apariţia defectelor şi uzura prematură. În figura 4.35 sunt prezentate câteva elemente de formă tehnologică a pieselor din pulberi.

Spre deosebire de alte procedee, tehnologiile pieselor din pulberi permit obţinerea muchiilor vii. Se face precizarea că din cauza jocurilor existente între poanson şi matriţă apare chiar şi un ,,grad” (o prelungire ascuţită a muchiei), care trebuie îndepărtat prin abraziune.

Ne se recomandă muchii vii având unghiuri mai mici de 90o pentru că se deteriorează foarte uşor (fig. 4.35. b). Nu se recomandă nici forma sferică perfectă, deoarece zona centrală cilindrică (fig. 4.35. a) prezintă o rezistenţă la uzare superioară.

Ne se recomandă realizarea colţurilor interioare, deşi este posibilă, pentru


că un colţ interior este un concentrator de tensiune foarte puternic, accentuat şi de natura poroasă a pieselor din pulberi metalice (fig. 4.35. c şi d).

Ne se recomandă realizarea unor suprafeţe cu înclinări mari (fig. 4.35. d), pentru că gradul de tasare variază în limite foarte largi şi muchiile poansonului se uzează foarte repede. De aceea, se prevăd înclinări mai mici de 30o, care să conducă la egalizarea gradului de îndesare şi zone de trecere de cel puţin 0,1 mm, care să confere o robusteţe mai mare muchiei poansonului.

Greşit Corect

a

b

c

d

e

45-60°

b ≥0,5 mm

R

b ≥1 mm

0,1-0,2

30°

Fig. 4.35. Elemente de formă tehnologică a unor piese din pulberi metalice:

a - piese de formă sferică; b - piese prevăzute cu muchii; c, d - piese prevăzute cu colţuri: e - piese cu găuri orizontale.

Ne se pot obţine configuraţii închise sau semiînchise (fig. 4.35. e) pentru că nu se poate asigura compactarea pe toată înăţimea piesei. De asemenea, nu se pot obţine prin compactare găuri orizontale (fig. 4.35. e).

În figura 4.36 sunt prezentate câteva soluţii constructive pentru piese specifice din pulberi metalice.

Se recomandă ca trecerile de secţiune să se facă prin racordare pentru a se


evita apariţia tensiunilor interne (fig. 4.36. a). Ne se recomandă proiectarea dinţilor roţilor de clichet sau dinţate direct pe

trecerea de secţiune, pentru că se accentuează concentratorul de efort de la baza dintelui. Se recomandă ca trecerea de secţiune să se facă pe zone de material compact (fig. 4.36. b şi c).

a

b

c

Greşit Corect

R

4°

Fig. 4.36. Forma tehnologică a unor piese din pulberi metalice:

a - piese cu racordări; b, c - piese danturate şi canelate.

Forţele de frecare dintre poansoane sau contrapoansoane şi pulberea compactată, care apar în timpul retragerii acestora, pot conduce la apariţia fisurilor, la deteriorarea suprafeţelor compactatului. De aceea, se recomandă ca pereţii orientaţi pe direcţia de retragere a poansoanelor sau contrapoansoanelor de compactare să fie uşor înclinaţi, spre a se evita deteriorarea compactatului crud (fig. 4.36. c).

4.11. DOMENIILE DE UTILIZARE A PIESELOR DIN PULBERI

METALICE

Aria de utilizare a pieselor din pulberi metalice este din ce în ce mai largă, datorită multiplelor avantaje pe care le prezintă, atât în construcţia de maşini, cât şi în domenii dintre cele mai diverse.

Decizia de alegere a tehnologiei pulberilor pentru obţinerea pieselor în


construcţia de maşini se ia în baza următoarelor criterii: - posibilitatea sau imposibilitatea prelucrării unui material prin alte

procedee tehnologice; - posibilitatea sau imposibilitatea de obţinere a pieselor prin alte procese

tehnologice; - eficienţa economică. Materialele ce nu pot fi obţinute sau prelucrate prin alte procedee sunt

materialele refractare (W, Mo, Ta, Nb), care prin topire la temperaturi înalte reacţionează cu materialul creuzetului şi dizolvă mari cantităţi de gaze.

Produsele ce se obţin prin tehnologia pulberilor sunt următoarele: - lagăre poroase antifricţiune - datorită porozităţii aceste lagăre prezintă

proprietatea de autolubrifiere, pentru că lubrifiantul acumulat în pori contribuie la creşterea rezistenţei la strivire a peliculei de lubribifiant din lagăr, pe de o parte, iar, pe de altă parte, asigură o frecare cel puţin semiumedă. Se realizează din pulberi de fier sau de bronz.

- filtre şi electrozi poroşi sinterizaţi – care au o porozitate fină şi uniform repartizată pe întreg volume şi este cuprinsă în limite foarte largi (25...50 %). Au avantajele unei rezistenţe mecanice ridicate, chiar şi la temperaturi ridicate, rezistenţă bună la coroziune (în funcţie de materialul de bază). Filtrele se fabrică uzual din pulberi de bronz sau oţel, dar şi din pulberi de oţel inoxidabil, monel, nichel, wolfram, molibden. Electrozii poroşi, pentru baterii de acumulatoare sau pile electrice, au o porozitate foarte mare (până la 70 %) şi se fabrică sub formă de plăci subţiri, sub 1 mm, dintr-un material ales în funcţie de electrolitul folosit.

- materiale de fricţiune – care sunt caracterizate de rezistenţă la uzare mare, conductivitate termică bună, coeficient mic de dilatare şi suportă temperaturi ridicate. Sunt materiale complexe, pe bază de fier, cupru sau bronz, ce conţin până

la 35 % componenţi nemetalici: grafit, SiO2, Al2O3, carbură de siliciu, azbest etc. Porozitatea este cuprinsă între 12 şi 20 %. Stratul de material de fricţiune, cu grosime mică în industria aeronautică (0,25...2 mm) şi ceva mai mare la autovehicule terestre (2...8 mm), se aplică prin sinterizare pe plăci din oţel. Se utilizează şi materiale antifricţiune pe bază de cermeţi, de tipul oxizilor asociaţi cu crom, molibden sau nichel.

- plăcuţe din aliaje dure sinterizate sau mineraloceramice - plăcuţele dure sinterizate se realizează din carburi de W sau Ti având ca liant Co, iar cele

mineraloceramice din pulbere de Al2O3 (peste 98,7 %) cu adaos de SiO2, CaO şi

Fe2O3. Au caracteristici mecanice deosebite chiar şi la temperaturi de peste 1 275K şi o foarte mare rezistenţă la uzare. Se utilizează pentru construcţia sculelor aşchietoare armate cu plăcuţe dure.

- materiale sinterizate pe bază de carburi, boruri, nitruri - au ca liant pulberi metalice de Cr, Ni, Mo, Co, Nb şi au temperaturi de topire foarte


înalte, utilizându-se în construcţia de turbine ce lucrează la temperaturi de peste 1 800K.

- materiale pe bază de cermeţi - pulberea ceramică (de regulă este Al2O3, dar se utilizează şi carburi, boruri, siliciuri) este amestecată cu pulbere metalică

din Fe, Ni, Co, W, Nb. Cei mai utilizaţi sunt cermeţii pe bază de Al2O3. - scule diamantate – care se pot realiza prin înglobarea pulberii de

diamant, natural sau artificial, în lianţi de la cei mai moi (organici, răşini sintetice, cauciuc dur), până la matrici metalice (aliaje pe bază de cupru, fier, molibden, nichel - scule aşchietoare diamantate, chiar şi cu carburi dure - scule de foraj diamantate).

Tabelul 4.3. Domenii de utilizare a pieselor din pulberi

AF

A

B

C

D

E

F

G

S

Clasade

materialsinterizat

Porozitatea

[%]

Filtre LagărePiese

demaşini

Aria de aplicare

Sintermatritaţe

Piesede

maşini

Lagăre şi piesecu suprafeţe de

alunecare

Infil-trate

Densitatea

- materiale refractare metalice - aceste materiale trebuie să prezinte o serie de proprietăţi deosebite cum ar fi: temperatură de topire ridicată, conservarea proprietăţilor mecanice chiar şi la temperaturi foarte înalte, stabilitate chimică şi la recristalizare la temperaturi mari, limită de fluaj ridicată, rezistenţă mare la şoc termic. Materialele care satisfac aceste condiţii severe se împart în trei categorii:

- metale greu fuzibile (Mo, W, Ta, U, Th, Zr) care se obţin sub formă de semifabricate direct prin tehnologia pulberilor; aceste semifabricate se prelucrează în continuare prin tehnologiile clasice;

- materiale sinterizate refractare pe bază de carburi, boruri, nitruri, siliciuri care se fabrică din amestecuri de pulberi în care intră ca liant metale greu fuzibile ca Mo, Cr, Ni, Co etc.;

- materiale refractare pe bază de cermeţi în care pulberea


ceramică, de regulă Al2O3, este amestecată cu pulbere metalică din Ni, Co, W, Nb; - contacte electrice şi perii colectoare − care se realizează din aliaje

ale căror componente nu se pot alia prin tehnologiile clasice, cum ar fi: Cu - grafit, W - Cu, W - Ag, Mo - Ag, W - Re, Ag - Ni, Ag - CdO, Cu - Zn - Sn - grafit (pentru perii colectoare de maşini electrice), Fe - Cu - grafit (periile glisante pe firul troleibuzelor);

- materiale magnetice sinterizate − care sunt fabricate din pulberi fine din fier de mare puritate, din amestecuri de pulberi (Fe - Ni, Fe - Si, Al - Si - Fe, Fe - Al - Ni, Fe - Al - Ni - Co), din compuşi de cobalt şi samariu ( SmCo5) sau din ferită de bariu (BaO⋅ 6Fe2O3);

- materiale compozite bimetalice, polimetalice sau armate cu fibre de mare rezistenţă.

Domeniile de utilizare ale diferitelor piese din pulberi sunt în strânsă interdependenţă cu caracteristicile mecanice ale acestora, iar caracteristicile mecanice sunt direct condiţionate de densitatea (sau porozitatea) pieselor din pulberi. În tabelul 4.3 sunt prezentate diversele aplicaţii ale pieselor din pulberi în construcţia de maşini, având ca principal criteriu densitatea aparentă.

4.12. EFICIENŢA ECONOMICĂ A PIESELOR DIN PULBERI

METALICE

Factorii determinanţi ce trebuie luaţi în considerare la analiza eficienţei economice în producţia de piese din pulberi metalice sunt următorii:

- componentele sinterizate au o mare precizie şi se obţin în cele mai multe cazuri în stare finită;

- nu există riscul de apariţie în procesul tehnologic a unor defecte majore; - pulberea metalică este mai scumpă decât orice alt tip de materie primă,

dar randamentul de utilizare a materialului este foarte mare (peste 98 %), ceea ce face ca utilizarea pulberilor metalice să fie deosebit de rentabilă în cazul materialelor preţioase sau deficitare;

- echipamentul este mai scump numai dacă este specializat pentru producţia de serie, dar se pot utiliza şi echipamentele specifice proceselor tehnologice clasice;

- procesul tehnologic presupune executarea unor operaţii la temperaturi înalte, în mediu controlat de gaze de protecţie;

- instalaţiile de manevrare şi transport ale elementelor de mare precizie, care necesită precauţii speciale, sunt mai scumpe;

- piesele din pulberi se pot obţine printr-un proces tehnologic simplu,


format numai din 3 paşi, dar pot fi şi trasee tehnologice extrem de complicate. Din cele arătate mai sus rezultă că tehnologia fabricării pieselor din

pulberi metalice poate fi rentabilă numai în producţia de serie, peste 200...2 000 bucăţi, de la caz la caz. În figura 4.37 este prezentată o comparaţie sugestivă privind costurile de fabricaţie pentru una şi aceeaşi piesă extrudată (fig. 4.37. a) sau obţinută din pulberi (fig. 4.37. b).

[DM]

c d

a b

Costunitar

10

20

30

40

50

[DM]

Costunitar

Costscule

Cost de prelucrare

Cost dematerial

23,09

8,48

Cost de

10

20

30

40

50

[DM]

prelucrare

1000

2000

3000

40003300

47,14Costscule

Cost dematerial

10,88

[DM]

5000

1000

2000

3000

4000

50005300

Fig. 4.37. Comparaţie privind eficienţa obţinerii pieselor prin extrudare + aşchiere şi prin metalurgia

pulberilor: a - semifabricat extrudat; b - piesa sinterizată; c, d - costuri de prelucrare.

Din figurile 4.37. c şi d se observă că, pentru piesa extrudată, costurile de material şi prelucrare sunt mai mari decât în cazul piesei obţinută din pulberi. În schimb, costurile de scule pentru tehnologia pulberilor sunt mai mari, ceea ce conduce la ideea că amortizarea acestora se poate face numai în producţia de serie, pe seama costurilor reduse de material şi prelucrare.

Date post:	07-Aug-2015
Category:	Documents
Upload:	avalansa
View:	82 times
Download:	0 times

sttinta mat

Documents