Metalurgia

Principalele ramuri ale metalurgiei sunt:

- metalurgia extractiva - se ocupa cu obtinerea metalelor si aliajelor din minereuri sau concentrate ale acestora;

- metalurgia prelucratoare - se ocupa in principal cu turnarea metalelor si aliajelor, prelucrarea prin deformare plastica a acestora (laminare, forjare, extrudare, trefilare si tragere) si prelucrarea termica (tratamente termice).

Obtinerea unui metal din minereu sau elaborarea unui aliaj se realizeaza pe baza unor metode metalurgice care consta dintr-o succesiune de operatii, metode care se pot impartii in trei categorii:

- metode pirometalurgice - cuprind operatii care se realizeaza la temperaturi inalte, cu sau fara topirea totala sau partiala a incarcaturii. Caldura necesara procesului se obtine prin arderea unui combustibil (cocs, gaze naturale, pacura, etc.) sau din reactiile exoterme care au loc intre elementele incarcaturii;

- metode hidrometalurgice - cuprind operatii care au loc la temperaturi scazute in solutii apoase, la temperatura constanta sau variabila (obtinerea cuprului, plumbului);

- metode electrometalurgice - cuprind operatii de obtinere a metalului si aliajului folosind curentul electric care se impart in:

- metode electrotermice - la care se foloseste ca si sursa de energie curentul electric (cuptoare electrice cu arc, cu rezistenta, cu inductie, etc.);

- metode electrochimice - la care curentul electric se foloseste pentru separarea metalelor din solutii apoase si topituri (rafinarea electrochimica a aluminiului si cuprului).

Metodele enumerate mai sus se folosesc combinat in vederea obtinerii unui metal sau aliaj cu un anumit grad de puritate si sub forma dorita, urmarindu-se realizarea unui consum energetic minim.

Aglomerarea

Este un proces fizico-chimic complex, prin care se face incalzirea materialelor la temperaturi ridicate. Aglomerarea se poate face indirect (materialul este incalzit de la o flacara - aglomerare in cuptor rotativ) sau prin introducerea in amestecul de elaborare a unei cantitati de combustibil marunt si arderea lui in amestec - aglomerare pe banda.

Peletizarea

Reprezinta o alta metoda de transformare a materialului marunt (sub 0,8mm) in material (pelete) cu dimensiuni mai mari, pentru a putea fi utilizate in procesul industrial (furnale sau cuptoare electrice cu arc). Aceasta operatie se aplica minereurilor bogate in fier, cu granulatie prea mica pentru a putea fi supuse aglomerarii.

Fonta reprezinta un aliaj al fierului cu carbonul, la care carbonul variaza intre 2,11 si 6,67% si care mai poate contine cantitati variabile de Mn, Si, P, S, etc.

Fonta se obtine fie ca produs primar (prin reducerea oxizilor de fier din minereuri folosind ca agent reducator CO si C), numita fonta de prima fuziune sau fonta bruta sau prin retopirea fontei brute cu adaosuri de fier (aglomerat, pelete, burete de fier) numita fonta de a doua fuziune. Fontele de prima fuziune se elaboreaza in furnale clasice sau electrice iar fontele de a doua fuziune (utilizate in turnatorii) se elaboreaza in cubilouri sau in cuptoare electrice cu inductie.

Elaborarea secundara a fontei

Prin elaborarea secundara a aliajelor se intelege obtinerea acestora din aliaje primare prin metode piro sau electro metalurgice.

Comparativ cu elaborarea primara, la elaborarea secundara se un aliaj cu compozitia chimica in limite de toleranta mai mici, impuritati de zgura, incluziuni nemetalice, gaze in concentratie mai scazuta, proprietati mecanice superioare.

Elaborarea fontelor cenusii in cuptoare cu inductie

In cuptoarele electrice cu inductie se poate elabora orice categorie de fonta (fonta cenusie, fonta cu grafit lamelar si nodular, fonta maleabila, etc. precum si oteluri).

In functie de frecventa curentului de alimentare, cuptoarele cu inductie pot fi:

- de frecventa joasa 5060 Hz;

- de frecventa medie si inalta 50010.000 Hz si >10.000 Hz.

Cuptoarele electrice cu inductie folosite la topirea fontei sunt constructiv de doua tipuri: cu creuzet (fara miez) si cu canal (cu miez).

Metalurgia otelului

Otelul este un aliaj al fierului cu carbonul, in care carbonul este de maxim 2,11% si in care sunt prezenti si alti constituenti naturali Si, Mn, P, S sau introdusi in mod voit cum sunt Ni, Cr, W, Mo, V, s.a.

Metodele folosite la obtinerea otelului sunt metode pirometalurgice sau electrometalurgice.

Elaborarea otelului in cuptoarele Siemens-Martin

Cuptorul Siemens-Martin a fost inventat in 1863, iar in anii 50-60 domina productia de otel pe plan mondial.

Este un cuptor cu vatra care poate incalzit cu combustibil gazos sau lichid. Constructiv este format din doua parti principale, cuptorul propriu-zis amplasat deasupra platformei de lucru si camerele regeneratoare pentru preincalzirea aerului necesar arderii, construite sub platforma de lucru.

Capacitatea cuptoarelor era cuprinsa intre 1001000 tone, la Hunedoara ultimele cuptoare au fost de 400 tone.

Incarcatura era formata din fonta lichida, fier vechi, oxidanti (minereu de fier, arsuri de fier-tunder), fondanti. Fonta lichida era mentinuta in cuptoare numite melanjoare.

Elaborarea otelului in cuptoarele electrice cu arc

In acest procedeu, caldura necesara in procesul de topire este obtinuta prin transformarea energiei electrice in caldura prin intermediul arcului electric. Datorita acestui fapt, otelul obtinut in cuptorul electric este calitativ superior fata de alte procedee de elaborare. Acest tip de cuptor are un randament termic ridicat, permite modificarea rapida a temperaturii in cuptor, prezinta posibilitati de aliere mai bune a otelurilor.

Capacitatea acestor tipuri de cuptoare 0,6300 tone /sarja, la Hunedoara existand cuptoare de 20 si 50 tone /sarja (OE1), iar la OE2 doua cuptoare de 100 tone/sarja si un cuptor nou in constructie de 100 tone/sarja tip EBT, cu evacuarea otelului prin vatra cuptorului.

Constructiv, exista doua tipuri constructive de cuptoare electrice cu arc:

- cuptor electric cu arc fara incalzirea vetrei, la care arcul electric se produce intre electrozii din bolta cuptorului si incarcatura metalica;

- cuptor electric cu arc cu incalzirea vetrei, arcul electric se produce intre electrozii din bolta cuptorului si electrozii din vatra cuptorului. In acest caz arcul electric strabate incarcatura, caldura arcului fiind mai bine utilizata.

Cuptorul electric cu arc cu actiune directa fara incalzirea vetrei cu captuseala bazica

Se compune dintr-o cuva din tabla de otel, captusita la interior cu zidarie refractara. Spatiul de lucru al cuptorului este acoperit cu o bolta detasabila, de asemenea confectionata din tabla de otel captusita cu material refractar.

La partea inferioara este prevazut cu 2 talpi si cu un mecanism de basculare care permite bascularea cu pana la 45⁰ spre jgheabul de evacuare a otelului si cu pana la 15⁰ spre usa de incarcare.

Cuptorul este prevazut cu 3 electrozi, alimentati in curent alternativ trifazic prin intermediul unui transformator de putere. Mentinerea distantei dintre electrozi si incarcatura metalica se face automat prin intermediul unui dispozitiv de automatizare. In cazul imersiei electrozilor in baia metalica (incarcatura) se produce scurtcircuitarea sursei.

Electrozii au diametrul de 200500 mm si sunt confectionati din grafit, iar lungimea este de 1,52 m.

Incarcarea se face fie pe la partea superioara, dupa rabaterea boltii cuptorului, fie prin usa de incarcare, iar evacuarea otelului se face prin inclinarea cuptorului spre orificiul de evacuare.

Procesul tehnologic

Principalele faze sunt: ajustarea, incarcarea, topirea, afinarea, dezoxidarea si alierea, evacuarea.

a. Ajustarea Se face dupa evacuarea otelului si se realizeaza cu magnezita sau dolomita granulata

b. Incarcarea Incarcatura este formata din fier vechi si putina fonta solida. Pentru efectuarea unei incarcari corecte trebuie respectate cateva reguli:

c.TopireaCuptorul electric cu arc este agregatul este cel mai potrivit agregat de topire a fierului vechi.

d. Afinarea Incepe cu sfarsitul topirii. Principalele procese care au loc sunt: decarburare, desulfurare, defosforare, oxidarea partiala a siliciului, manganului, cresterea temperaturii baii metalice.

e. DezoxidareaAre drept scop eliminarea surplusului de oxigen din baia metalica.

f. Evacuarea Otelul este evacuat in oala de turnare unde poate fi supus unui tratament secundar (barbotare cu gaze inerte, tratamente in instalatii de vidare) si apoi turnat clasic in lingouri sau continuu.

Procedeul KALDO

Convertizorul Kaldo se poate roti in jurul axei longitudinale cu pana la 40 rot./min.

In timpul suflarii O₂, convertizorul se inclina fata de planul orizontal. Gazele rezultate sunt absorbite printr-o instalatie de purificare amplasata deasupra gurei convertizorului. Procedeul are o mare fiabilitate, putand sa functioneze cu pana la 45% fier vechi in incarcatura, care este formata din var, fier vechi si fonta lichida.

Turnarea directa

Acesta este cea mai simpla metoda de turnare necesitand doar centrarea orificiului oalei de turnare in axa lingotierei

Turnarea pe sus cu palnie intermediara

La aceasta metoda de turnare, intre lingotiera sau maselotiera si oala de turnare se intercaleaza o palnie intermediara avand in general 1-4 orificii de turnare.

Turnarea pe la partea de jos (in sifon, indirecta)

Aceasta metoda a avut pondere mare in ansamblul productiei mondiale de otel, insa o data cu extinderea turnarii directe si in mod deosebit a turnarii continue, a cedat locul acesteia din urma.

Turnarea in sifon se caracterizeaza prin faptul ca lingotierele sunt umplute cu otel lichid pe la partea inferioara. Oala de turnare este tinuta in macara cu orificiul deasupra palniei centrale a ansamblului de turnare. Jetul de otel patrunde in palnia centrala si de acolo, prin canalele radiale din podul de turnare, in lingotiere.

Utilajul de turnare folosit la turnarea clasica

Oala de turnare

Oala de turnare este recipientul in care se scurge otelul lichid si o parte din zgura la evacuarea din cuptor. Oala de turnare se compune dintr-o manta de tabla de otel moale, avand grosimea de 14-28 mm la pereti si 26-38 mm la fund. Zidaria refractara a oalei de turnare se executa din caramizi de samota. Zidaria oalelor de turnare are in mod obisnuit durabilitatea de circa 15-25 sarje, cu exceptia dopului si a orificiului de turnare, care se folosesc o singura data, si deci, trebuie inlocuite dupa fiecare sarja (pentru grafito-argiloase, durabilitatea oalelor poate ajunge la 35-45 sarje).

Orificiul de turnare este inchis si deschis cu ajutorul unui dop din samota aluminoasa (65% samota, 35% argila) sau din grafit (40% argila, 35% samota si 25% grafit), fixat prin infiletare la o bara port-dop dintr-o tija de otel (cu continut scazut de carbon), imbracata in caramizi tubulare de samota, fixate cu masa refractara.

Lingotierele

Lingotierele sunt forme metalice folosite pentru turnarea lingourilor de otel si au forma de trunchi de piramida cu sectiunea transversala patrata sau dreptunghiulara, sau trunchi de con cu sectiunea transversala rotunda. Lingotierele sunt executate de regula din fonte cenusii sau cu grafit nodular.

Maselotierele sunt parte componenta a lingotierelor invers conice si au rolul de a favoriza formarea golului de contractie (retasurii) in afara corpului propriu zis al lingoului. Maselotiera este situata deasupra lingotierei propriu-zise si este executata din fonta prin turnare si captusita in interior cu material termoizolant.

Podurile de turnare se folosesc frecvent la turnarea in sifon. Podurile de turnare trebuie sa fie foarte rezistente, in care scop se toarna ca o placa masiva din fonta, in care sunt prevazute canale deschise care converg spre mijlocul podului la o cavitate in care se monteaza o caramida stea (centrala) de samota. Pe un pod de turnare pot fi asezate 2, 4, 6, 8, 12, 16, 24 si chiar mai multe lingotiere.

Retasurile sunt goluri de contractie care apar la solidificarea otelului, reprezinta 2 - 4% din volumul lingoului, dar cantitatea de metal afectata de acest defect, care trebuie indepartata din capul lingoului depaseste curent 12%.

Suflurile sunt definite ca fiind mici goluri pline cu gaze si reprezinta discontinuitati in masa lingoului.

Turnarea continua a otelului

Progresul extrem de rapid al turnarii continue a otelului atat din punct de vedere metalurgic, cat si in ceea ce priveste constructia instalatiilor, a permis ca acest procedeu sa se raspandeasca larg in industrie.

Pe langa preocuparile pentru utilizarea cat mai intensa a acestui procedeu specialistii isi indreapta tot mai mult atentia asupra imbunatatirii masinilor de turnare, a calitatii semifabricatelor obtinute ca si a trecerii pe acest flux a unui numar tot mai mare de marci de otel.

In ceea ce priveste constructia masinilor de turnare continua, in ultima perioada nu s-au facut modificari esentiale, tipul constructiei utilizat in prezent fiind cel cu cristalizor si fir curbat dupa o singura raza.

Instalatia de turnare continua a otelului

Oala de turnare

Oala de turnare reprezinta elementul de legatura intre cuptorul de elaborare a otelului si masina propriu-zisa de turnare continua si trebuie sa indeplineasca o serie de functii tehnologice, dintre care cele mai importante sunt: mentinerea unei temperaturi cat mai constante a otelului; separarea cat mai completa a zgurei; curgerea cat mai linistita a metalului si debit constant de turnare. In acelasi timp, oala de turnare trebuie sa prezinte o siguranta cat mai mare in exploatare si o durabilitate avansata a captuselii refractare.

Distribuitorul

Un distribuitor urmeaza sa distribuie otel tuturor cristalizoarelor fara pierderi majore de caldura si trebuie sa permita impuritatilor grosiere sa se ridice la suprafata baii de metal. Distribuitorul trebuie sa serveasca de asemenea ca o capacitate tampon intre oala si cristalizoare, sa permita controlul fluxului de otel in cristalizoare si trebuie sa ofere suficienta capacitate de stocare pentru schimbarea oalei in cazul turnarii secventiale.

In functie de viteza de turnare si numarul de fire, capacitatea distribuitorului poate fi in domeniul 12 - 35 tone.

Referitor la sistemele de inchidere si deschidere a orificiului de turnare, acestea pot fi fie cu dop (cazul instalatiei de la Hunedoara), fie cu sertare glisante. La acestea sunt racordate obligatoriu, tuburi de imersie, care nu numai protejeaza otelul impotriva reoxidarii, dar asigura si o buna centrare a jetului la turnarea otelului din distribuitor in cristalizor.

Cristalizorul

Cristalizoarele reprezinta partea cea mai importanta a masinilor de turnare continua. Constructia lor, conductibilitatea termica, precizia de prelucrare si de asamblare cristalizoarelor joaca un rol important pentru obtinerea unei productivitati maxime si a unei calitati superioare a semifabricatelor.

In timpul turnarii, cristalizorul primeste otelul lichid in partea sa superioara in conditii precise de temperatura si debit, iar la partea inferioara se extrage cu viteza constanta un semifabricat avand o crusta solidificata si miezul lichid.

Scopul racirii secundare este sa continue racirea firului dupa ce a iesit din cristalizor si sa solidifice complet sectiunea transversala a firului Zona de racire secundara urmeaza imediat dupa cristalizor. Este divizata in subzone, care sunt controlate individual. Mediul de racire, care este apa sau un amestec de aer si apa, este pulverizat prin duze la suprafata firului si este astfel controlat incat temperatura suprafetei firului scade uniform in directia de turnare. Temperatura ar trebui sa fie uniforma pe circumferinta firului.

Caldura otelului este astfel indepartata partial prin incalzirea apei de racire, dar cea mai multa caldura este extrasa prin evaporarea apei, desi procentul de evaporare al apei pulverizate pe suprafata firului este in general mai mic de 20%. Toata apa neevaporata care curge de pe suprafata firului este colectata, filtrata si reutilizata.

PRELUCRAREA PRIN TURNARE

Turnarea este metoda tehnologica de fabricatie a unei piese, prin solidificarea unei cantitati bine determinate de metal lichid introdus in cavitatea formei de turnare de configuratie si dimensiuni date.

Avantajele procedeului sunt:

- posibilitatea realizarii unor piese de forme complexe si de configuratie si dimensiuni date;

- adaosuri de prelucrare mai mici comparativ cu alte procedee de prelucrare;

- manopera si pret redus comparativ cu alte procedee de prelucrare.

Principalele proprietati de turnare ale aliajelor metalice sunt:

Fuzibilitatea, reprezinta proprietatea aliajelor metalice de a trece in stare topita, la temperatura de topire t_t;

Fluiditatea, reprezinta proprietatea materialelor metalice topite de a curge cu usurinta, umpland toate detaliile cavitatii formei in care sunt turnate, fluiditatea depinde de urmatorii factori:

- factori caracteristici materialului metalic topit: vascozitatea, tensiunea superficiala, conductivitatea termica, caldura latenta de solidificare, marimea intervalului de solidificare etc.;

- factori caracteristici tehnologiei de turnare: temperatura de turnare, viteza de turnare etc.;

- factori caracteristici formei de turnare: conductibilitatea termica a materialului formei, calitatea suprafetelor cavitatii de lucru a formei etc.

Fluiditatea este influentata in primul rand de vascozitate.

Vascozitatea - reprezinta rezistenta la curgere a fluidelor determinata de frecarea interna a particulelor de lichid in miscarea lor relativa. La temperatura de turnare, metalele lichide prezinta o temperatura de 1,53 ori mai mare decat a apei.

Viteza de solidificare - reprezinta propagarea frontului de cristalizare in interiorul masei de metal lichid. La piesele turnate masive, viteza de solidificare este neuniforma, micsorandu-se de la exterior spre interior, rezultand o macrostructura neomogena din punct de vedere a formei si marimii grauntilor

Contractia reprezinta proprietatea materialelor metalice de a-si micsora

dimensiunile volumice si liniare in timpul proceselor de solidificare si racire care au loc dupa turnare.

Nodul termic este acea zona a cavitatii formei de tunare in care sfera inscrisa ce cuprinde materialul turnat nu poate fi rostogolit prin cavitate pana in zona de alimen­tare cu metal topit.

Masurile tehnologice ce se impun pentru eliminarea retasurilor consta in utilizarea maselotelor si racitorilor.

Maselotele sunt cavitati suplimentare (rezervoare de metal topit), dispuse sub forma unor prelungiri ale pieselor turnate, in care metalul topit se solidifica in ultima etapa, concentrand retasurile si evitand formarea lor in corpul pieselor

Clasificarea procedeelor de turnare.

1. Turnare in forme nepermanente;

a. forme executate din amestec de formare clasic

b. forme executate din amestecuri cu proprietati speciale

- forme coji

- forme coji cu modele fuzibile

- forme executate in vid, etc.

2. Turnare in forme permanente

- turnare statica

- turnare sub presiune

- turnare prin aspiratie

- turnare centrifuga

- turnare continua.

Elemente componente ale formelor de turnare

Prin formare se intelege, realizarea unui gol in amestecul de formare cu ajutorul unui model, in vederea turnarii, golul reprezentand negativul piesei ce urmeaza a fi turnata .

Reteaua de turnare - reprezinta ansamblul canalelor ce servesc la introducerea metalului lichid in cavitatea formei. Trebuie sa asigure umplerea rapida a cavitatii formei fara distrugerea peretilor acesteia, sa retina impuritatile nemetalice.

Maselota reprezinta un rezervor de metal lichid amplasat corespunzator, sub forma unei prelungiri a piesei turnate. Rolul maselotei este de alimenta cu metal lichid cavitatea formei pe durata solidificarii si racirii piesei turnate in vederea compensarii contractiei volumetrice a acesteia, prin proiectare trebuie sa se asigure un timp de solidificare mai mare decat a piesei. Dupa solidificare maselotele si reteaua de turnare se indeparteaza, acestea reprezentand cca. 30% din masa piesei turnate, deci sunt o pierdere de metal.

Canale de aerisire - sunt practicate in amestecul de formare si au rolul de a ajuta la indepartarea gazelor care se produc in cavitatea formei.

Racitori - sunt placi metalice care se introduc in amestecul de formare in locurile in care dorim sa avem o racire mai intensa.

a. Forme coji din rasini termoreactive.

Formele coji se executa numai mecanizat si numai cu modele metalice.

Procesul tehnologic consta in urmatoarele etape:

- introducerea amestecului de formare special intr-un rezervor;

- fixarea modelului incalzit la cca. 300 ^oC deasupra rezervorului;

- rasturnarea rezervorului si mentinerea aproximativ in pozitie rasturnata astfel incat rasina termoreactiva din amestecul de formare sa se topeasca in contact cu modelul, dupa care se va raci si va lega granulele de nisip formand forma coaja. Grosimea peretelui formei poate fi cuprinsa intre 315 mm, functie de temperatura la care este incalzit modelul.

b. Forme coji cu modele fuzibile.

Spre deosebire de formele coji cu rasini termoreactive, formele coji cu modele fuzibile nu au plane de separatie.

Procesul de obtinere a pieselor in forme coji presupune urmat etape:

- confectionarea modelelor fuzibile (din parafina, mase plastice) prin turnare intr-o matrita metalica, asamblarea mai multor modele sub forma de ciorchine

Turnarea in forme durabile (metalice).

Se aplica pentru productie de serie mare si de masa. La alegerea materialului din care se confectioneaza forma se va avea in vedere ca acesta sa nu reactioneze cu metalul lichid.

Turnarea in cochila

Cochila este o forma metalica in care curgerea metalului se face sub actiunea greutatii.

Se utilizeaza in special la turnarea aliajelor din aluminiu si fonte cenusii.

Cochila se executa functie de configuratia si marimea piesei turnate, putand avea plan de separatie vertical sau in trepte (pentru piese de configuratie complexa). Reteaua de turnare se amplaseaza in planul de separatie a cochilei

Fazele turnarii sunt:

- pregatirea cochilei, verificarea suprafetei interioare;

- ungerea suprafetelor de contact cu vopsea refractara (sticla solubila+grafit);

- asamblarea cochilei si preincalzirea acesteia la 200..400 ⁰C pentru inlaturarea umiditatii;

- turnarea metalului lichid;

- dezasamblarea cochilei, extragerea miezurilor pentru bolt si a miezurilor interioare (in ordinea 1,2,3);

- debavurarea piesei.

Turnarea sub presiune.

La piesele care au configuratie complexa se procedeaza frecvent la introducerea metalului lichid in cavitatea formei sub actiunea unei presiuni exterioare.

Pentru forma metalica se utilizeaza oteluri aliate cu W, Cr, Co care rezista la temperaturi ridicate (oteluri refractare).

Un prim tip de instalatie pentru turnare sub presiune este cea cu actionare prin piston si camera de compresie orizontala sau verticala.

Metalul lichid se va introduce in camera de compresie (in cantitate dozata), dupa care se actioneaza pistonul de lucru care va face ca metalul lichid sa treaca fortat in cavitatea formei, prin reteaua de turnare.

Dupa solidificare si racire, se retrage pistonul de lucru, ajutat de cel auxiliar, iar piesa solidificata se dezbate prin extragerea semimatritei dreapta.

Turnarea prin aspiratie.

Acest procedeu se bazeaza pe crearea unei depresiuni in cavitatea formei cu ajutorul unei pompe de vid. Simultan, se produce si umplerea formei cu metal lichid. Greutatea (inaltimea coloanei de metal) este in functie de depresiunea creata. Daca depresiunea este mentinuta pana la sfarsitul solidificarii se va obtine un produs tip bara, iar daca nu se mentine se va obtine un produs tubular.

Turnarea in forme in miscare de rotatie

Procedeul se aplica pentru turnarea unor piese care prezinta suprafete de revolutie. Acest procedeu de turnare poate fi cu ax vertical sau orizontal de rotatie.

Turnarea se caracterizeaza prin rotirea formei de turnare atat in timpul turnarii cat si a solidificarii piesei.

a. Turnare cu ax de rotatie vertical.

Datorita turatiilor mari necesare, turnarea cu ax vertical se aplica pentru piese de revolutie cu inaltime mica (bucse, coroane de roti dintate, etc.)

b. Turnare cu ax de rotatie orizontal.

Pentru turnarea cu ax orizontal de rotatie se disting urmatoarele faze.

- pentru turatie egala cu n₁ metalul este imobil;

- pentru turatie cuprinsa intre n₁ si n₂ metalul incepe sa fie antrenat datorita frecarii cu forma metalica;

- pentru turatie egala cu n₀ > n₂ metalul se roteste odata cu forma de turnare

Deformarea plastica este metoda de prelucrare prin care, in scopul obtin unor semifabricate sau piese finite se realizeaza deformarea permanenta a materialelor in stare solida (la cald sau la rece) fara a se produce fisurare macroscopica.

Prelucrarea prin deformare plastica prezinta:

avantaje

- proprietati mecanice imbunatatite datorita unei structuri mai omogene si mai dense;

- consum minim de material;

- precizie mare de prelucrare (in special la rece);

- posibilitati de obtinere a unor forme complexe.

dezavantaje

- investitii initiale mari;

- sunt necesare forte mari de deformare.

Deformarea prin alunecare:

Se produce cand fortele exterioare care actioneaza asupra cristalului dau nastere unor tensiuni tangentiale capabile sa produca alunecarea unor zone din cristal, de-a lungul unor plane cristalografice cu densitate mare de atomi numite plane de alunecare. ( T>T_critic).

Deformarea prin maclare:

Se realizeaza prin deplasari ale atomilor din anumite zone ale unui cristal, reteaua cristalina a zonelor deformate capata orientari simetrice in raport cu reteaua cristalina nedeformata.

Legile deformarii plastice

In urma studiilor teoretice si a datelor experimentale s-a ajuns la stabilirea unor legi asupra comportamentului metalului sau aliajelor la prelucrarea prin deformare plastica.

1. Legea volumului constant.

Procesele de deformare plastica asigura obtinerea unor produse cu anumite forme si dimensiuni, fara a se produce o modificare a masei metalului in timpul prelucrarii.

2.Legea prezentei deformatiei elastice in timpul deformarii plastice.

Esenta legii consta in faptul ca deformarea plastica este precedata de deformarea elastica a materialului.

3. Legea rezistentei minime.

Orice forma a sectiunii transversale a unui corp supus deformarii plastice prin refulare in prezenta frecarii, tinde sa ia forma care are perimetru minim la suprafata data, la limita un cerc.

4. Legea aparitiei si echilibrarii eforturilor interioare suplimentare.

Aceasta lege precizeaza ca prin deformarea plastica a unui corp metalic vor apare eforturi unitare suplimentare (de intindere sau compresiune) care se opun schimbarii care se produce si care se anuleaza reciproc.

5. Legea similitudinii.

Legea permite aplicarea rezultatelor obtinute in cercetare pe modele de laborator in conditii industriale, daca se respecta niste conditii impuse.

Laminarea materialelor metalice

Laminarea este procedeul de prelucrare prin deformare plastica la cald sau la rece prin care materialul este obligat sa treaca fortat printre doi cilindrii in miscare de rotatie.

Utilajul intrebuintat se numeste laminor iar produsele se numesc laminate.

Laminorul este un complex tehnologic de masini si agregate, destinate deformarii plastice a metalului intre cilindrii, pentru prelucrarea ulterioara si pentru transportarea lui.

Utilajul de baza, care este in legatura directa cu rotirea cilindrilor si deformarea metalului, cuprinde utilajul asezat pe linia principala de laminare: motoare electrice, transmisiile prin angrenaje, bare de cuplare, utilajul cajelor de lucru.

Laminorul degrosisor este acel laminor destinat laminarii lingourilor din otel in semifabricate (tagle si brame). Laminoarele degrosisoare sunt bloominguri si slebinguri.

- bloomingul este un laminor degrosisor, destinat laminarii lingourilor din otel cu sectiune de 125x125 mm pana la 450x450 mm.

- slebingurile - laminoare degrosisoare destinate laminarii bramelor. Sunt mai putin raspandite decat bloomingurile.

Laminoare de semifabricate - sunt laminoare ale caror produse finite sunt folosite ca si materie prima pentru laminoarele de profile.

Laminoare de profile:

- laminoare de profile grele, mijlocii, usoare .

- laminoare de sarma.

Laminoare de tabla:

Dupa sortimentul productiei, laminoarele de tabla se impart:

- laminoare de tabla pentru laminare la cald sau la rece.

- laminoare de benzi pentru laminare la cald.

Laminoare de tevi.

Incalzirea in vederea laminarii.

In cazul laminarii la cald, se impune ca pentru laminare semifabricatul sa fie incalzit la o anumita temperatura numita temperatura de laminare. De temperatura depind comportarea materialului metalic la deformare, valoarea fortei de deformare, structura si proprietatile finale ale produsului laminat.

Temperatura de incalzire se stabileste in functie de marca de otel, dar de regula este cuprinsa intre 1120 1220⁰C. De asemenea se impune si temperatura de sfarsit de laminare (temperatura la care se termina laminarea), care ca si mai sus este stabilita in functie de marca de otel, dar de regula este cuprinsa intre 750 (9001000)⁰C.

Tragerea este procedeul de prelucrare prin deformare plastica care se efectueaza prin tragerea materialului metalic printr-o scula numita filiera, in scopul obtinerii barelor, sarmelor, tevilor.

Materialele folosite pentru constructia filierei sunt:

- pentru tragerea barelor si a tevilor se folosesc oteluri aliate cu Cr si Mo (cromizate si durificate superficial prin ecruisare), oteluri aliate de scule durificate superficial prin tratamente termochimice;

- aliaje dure metaloceramice pe baza de carburi de W si Co, Ti si Co, nitruri de Ti pentru tragerea sarmelor cu diametre mai mari de  0,2 0,5 mm;

- diamantul pentru diametre mai mici de 0,2 0,5 mm. Diamantul folosit poate fi atat natural (0,10 0,5 carate - 1 carat corespunde unei greutati de 0,2 grame) cat si sintetic (se obtine la 1550⁰C si presiuni de cca. 45 60 000 atm.)

Datorita duritatii lor foarte mari, cca. 10 000 HB, filierele din diamant au o durata in exploatare de peste 350 ori mai mare decat filierele din carbura de wolfram, duritate 1 275 HB.

Tehnologia tragerii

Procesul tehnologic de tragere cuprinde urmatoarele etape:

- pregatirea materialului - inlaturarea oxizilor de pe suprafata semifabricatului,etc;

- tragerea propriu-zisa -stabilirea parametrilor tragerii, alegerea lubrifiantului, tragerea;

- tratamentul termic aplicat produsului tras;

- operatii de completare - curatire, control tehnic, etc.

Extrudarea este procedeul de prelucrare prin deformare plastica care consta in trecerea fortata a materialului, datorita unei forte de compresiune, printr-o matrita cu o deschidere profilata si de sectiune mai mica decat materialul comprimat.

Forjarea libera este procedeul de deformare plastica la cald a materialelor metalice, prin lovire sau presare, fara a se produce fisurarea acestora.

Pentru obtinerea pieselor forjate liber, semifabricatelor laminate (blumuri, brame, tagle) sau turnate (lingouri) li se aplica o serie de operatii ca :

-refulare;

- intindere,;

-gaurire;

- rasucire;

- debitare ;

-sudare.

Forjarea libera se poate face manual sau mecanizat.

Operatiile de baza ale forjarii libere.

1. Refularea.

Refularea este operatia de comprimare a unui semifabricat in directia axei lui principale (isi mareste sectiunea transversala in detrimentul inaltimii).

Datorita frecarii dintre semifabricat si suprafetele intre care se produce deformarea, apar forte de frecare care duc la o neuniformitate a deformatiei piesei, curgerea materialului va fi franata, deformarea va fi mai intensa in partea centrala a semifabricatului.

Intinderea prin forjare.

Intinderea prin forjare libera este operatia cu care se realizeaza micsorarea sectiunii transversale a semifabricatelor in avantajul alungirii lor.

Matritarea (forjarea in matrita) este procedeul de prelucrare plastica la cald sau la rece prin care semifabricatul este obligat sa ia forma si dimensiunile cavitatii prevazute in scula de lucru.

Procedeul se aplica la prelucrarea pieselor mici (max. 300kg) de configuratie complexa in productie de serie mare si de masa.

Scula profilata in care se produce deformarea se numeste matrita. Surplusul de material curge in afara cavitatii formand bavura.

PRELUCRARE PRIN AGREGARE DE PULBERI

Principalele avantaje prezentate de realizarea produselor prin metalurgia pulberilor sunt:

- economie de metal si efort, scurtare a perioadei de prelucrare mecanica, reducerea gradului de ocupare a suprafetelor de productie (coeficientul de utilizare este de 95 97% fata de prelucrarea prin strunjire unde coeficientul de utilizare a metalului nu depaseste 60%).

- posibilitate de modificare a structurii si proprietatilor materialelor si produse obtinute prin metalurgia pulberilor.

Dezavantajele acestui procedeu de prelucrare consta in:

- valoarea mult mai ridicata a pulberii comparativ cu cea a laminatelor;

- complexitatea si pretul ridicat al instalatiilor si echipamentelor necesare producerii pulberii;

- sensibilitate mare a proprietatilor finale a produselor sinterizate la modificarile parametrilor tehnologici ai operatiilor de presare si sinterizare.

Presarea pulberilor

Presarea pulberilor se face in matrite metalice, are ca scop obtinerea formei dorite, iar ca si etape se pot deosebi dozarea pulberii, presarea efectiva si extragerea piesei din matrita.

Laminarea pulberilor

Laminarea pulberilor reprezinta un proces de comprimare continua, prin trecerea pulberii printre valturi. Prin laminare este posibila obtinerea de semifabricate cu densitate uniforma. Laminarea pulberilor gaseste o larga aplicabilitate in obtinerea de semifabricate pentru produse electrotehnice, a materialelor de frictiune si antifrictiune, filtre, electrozi etc.. De regula, pretul de cost al benzilor subtiri, obtinute prin laminarea pulberilor, revine de doua ori mai redus decat al celor obtinute prin metodologii conventionale.

Extrudarea pulberilor

Pulberile amestecate cu lianti de presare sau plastifianti (parafina, amidon etc. , in proportie de 6 - 10 %), comprimare eventual in prealabil, in vederea obtinerii unor semifabricate si ulterior sinterizare, se supun extrudarii, obtinandu-se in acest fel bare, tevi sau alte semifabricate cu forme foarte variate. In este prezentata o schema simpla a unui montaj utilizat pentru extruziune.

Comprimarea ultrarapida

In  aceasta categorie se afla variantele care utilizeaza valori ridicate ale vitezei de aplicare a efortului: peste 5-10 m/s. Avantajele metodei sunt:

- posibilitatea realizarii unor presiuni foarte mari;

- posibilitatea realizarii unor valori maxime ale densitatii, apropiate de cele ale materialelor compacte;

- reducerea considerabila a strictiunii in timpul sinterizarii , determinata de densitatea foarte ridicata a comprimatului;

- reducerea considerabila a numarului operatiilor ulterioare;

- posibilitatea obtinerii unor produse stratificate, formate din materiale diferite

Materiale compozite

Materialele compozite sunt amestecuri de doua sau mai multe componente, ale caror proprietati se completeaza reciproc, rezultand un material cu proprietati superioare celor specifice fiecarui component in parte.

Din punct de vedere tehnic, notiunea de materiale compozite se refera la materialele care poseda urmatoarele proprietati: -sunt create artificial, prin combinarea voita, rationala, a diferitelor componente; -reprezinta o combinare a cel putin doua materiale deosebite din punct de vedere chimic, intre care exista o suprafata de separatie distincta; -prezinta proprietati pe care nici un component luat separat nu le poate avea.

TIPURI DE MATERIALE COMPOZITE

Compozitele pot fi clasificate:

Dupa starea de agregare a matricei si a amestecului dispersat

compozite de tip lichid - solid (suspensii, barbotine);

compozite de tip lichid-lichid (emulsii);

compozite de tip gaz solid (structuri fagure)

compozite de tip solid - solid ( metal-particule ceramice, metal fibre metalice, etc)

Dupa natura matricei

-compozite cu matrice metalica (Al, Cu, Ni, Mg, superaliaje, aliaje de Al, Cu);

-compozite cu matrice organica (polimeri);

-compozite cu matrice din carbon;

-compozite cu matrice ceramica (carbura de siliciu, nitrura de siliciu);

Dupa configuratia geometrica a materialului complementar

-compozite cu fibre discontinue (fibre scurte, mono sau multifilamente);

-compozite cu fibre continue (fig1a);

-compozite cu particule mari, avand dimensiuni mai mari de 1mm si diferite forme: sferica, plata, elipsoidala, neregulata (fig1b);

-compozite cu microparticule (la care materialul dispers reprezinta 115 %, iar diametrul mediu al particulelor nu depaseste de regula 0,1mm);

-compozite lamelare stratificate (fig1c);

Dupa marimea materialului complementar

- microcompozite, la care materialul dispers este la scara microscopica sub forma de fibre continue (aliniate sau impletite), fibre scurte (aliniate sau nealiniate), particule (sferice, plate, elipsoidale, alte connfiguratii), microparticule, structuri lamelare, retele spatiale, componente multiple;

macrocompozite, categorie in care se incadreaza compozitele stratificate macroscopic, materialele acoperite, materiale cu elemente de armare la scara macro;

MATRICE CERAMICE

Ceramica tehnica este tot mai des utilizata pentru realizarea compozitelor deoarece aceasta categorie de materiale este caracterizata de proprietati deosebite:

rezistenta mecanica mare la temperaturi inalte;

valori ridicate ale rezistentei la rupere;

rezistenta la oxidare si la agenti chimici;

densitate de doua, trei ori mai mica decat cea a otelurilor;

valori specifice ale modulului de elasticitate superioare celor ale otelurilor;

FIBRE DE CARBON

Fibrele de carbon prezinta numeroase avantaje: proprietati mecanice remarcabile, cost scazut, stabilitate la temperaturi ridicate, compatibilitate chimica buna in raport cu matricele de natura organica si posibilitatea utilizarii unei game variate de materii prime pentru producerea acestora.

FIBRE DE STICLA SI DE CUART

Fibrele de sticla reprezinta 80-85% din productia de fibre folosite pentru armarea materialelor plastice.

La temperaturi superioare celei de tranzitie sticla devine un lichid care poate fi usor tras sub forma de fire de lungimi si grosimi diferite, utilizand o filiera confectionata dintr-un aliaj Pt-Rh.

Fibrele de sticla se pot folosi la temperaturi de pana la 700 ⁰C si prezinta urmatoarele caracteristici tehnologice importante:

Fibrele de cuart reprezinta un caz particular al fibrelor de sticla deoarece se obtin din cristale de silice cu un grad inalt de puritate (99,99 % SiO₂). Pentru realizarea fibrelor cuartul se topeste si se trage sub forma de filamente continue cu un diametru de 7;9 sau 14mm. Fibra se obtine prin impletirea unui fascicul continand peste 240 de filamente.

Fibrele de cuart prezinta o serie de avantaje:

rezistenta la temperaturi ridicate , de pana la 1050 ⁰C;

se comporta bine in mediu oxidant;

rezistenta la soc termic (valorile coeficientului de dilatare termica este mic);

densitate relativ mica;

rezistenta ridicata la actiunea agentilor chimici (in mod special al acizilor);

rezistenta mare la radiatii, ceea ce le face utilizabile in constructiile din centralele nucleare si industria aeronautica;

duritate mare (7 pe scara Mohs);

stabilitate dimensionala remarcabila.

FIBRE DE ALUMINA SI ALUMINA SILICE

Alumina folosita la fabricarea fibrelor are la baza, de regula, forma a-Al₂O₃, oxid cu o structura romboedrica, avand ionii de oxigen situati intr-o retea hexagonala densa.

Alumina este fragila, deoarece dislocatiile sunt imobile, iar alunecarea granulelor nu are loc. De asemenea prezinta anizotropie pentru elasticitate si dilatare termica.

CUPTOARE DE INCALZIRE IN SECTIILE

DE TRATAMENTE TERMICE SI TERMOCHIMICE

Dupa natura energiei termice utilizate, cuptoarele se pot clasifica in:

- cuptoare incalzite cu combustibil ;

- cuptoare incalzite cu energie electrica.

Dupa natura mediului de incalzire exista urmatoarele tipuri de cuptoare :

cu incalzire in mediu gazos ;

cu incalzire in mediu lichid ;

cu incalzire in strat fluidizat.

Dupa temperatura de regim, cuptoarele se impart in:

- cuptoare pentru temperaturi scazute (sub 700°C);

- cuptoare pentru temperaturi medii (700. . .1000°C);

- cuptoare pentru temperaturi ridicate (peste 1000°C).

Cuptoare camera

Cuptoarele tip camera au cunoscut cea mai larga raspandire in sectiile de tratament termic primar si secundar, pentru operatii de recoacere, calire, revenire, tratamente termochimice. Ele prezinta avantajul unei con­structii simple, a unei usoare exploatari si intretineri, necesitand in general o amplasare la sol, fara fundatii speciale. Domeniul de temperatura este cuprins intre 100 si 1500°C, in functie de necesitatile tehnologice. Pentru temperaturi intre 150 si 700°C cuptoarele pot fi incalzite fie cu combustibil gazos, fie electric, prin intermediul unor rezistori metalici.

Cuptoarele incal­zite electric cu ajutorul unor rezistori metalici (crom-nichel) sunt prevazute cu ventilatoare pentru realizarea unei circulatii a atmosferei din cuptor (aer sau atmosfera controlata) in scopul obtinerii unei temperaturi cat mai uniforme in camera de lucru.

Cuptoare camera cu vatra mobila

Cuptoarele cu vatra mobila sunt utilizate in special in atelierele de tratament termic primar pentru operatii de recoacere, normalizare, sau in atelierele de tratament pentru matrite mari, datorita usurintei cu care se incarca si descarca piese sau pachete de piese mari (bare, tevi, table, piese turnate, forjate, lingouri) cu ajutorul podurilor rulante existente in hala.

Cuptoare bai de saruri

Desi incalzirea in medii lichide (saruri, metale, ulei) prezinta unele dezavantaje in comparatie cu incalzirea in atmosfere controlate, totusi datorita simplitatii instalatiilor si a exploatarii usoare, ea cunoaste o raspandire mare in special in atelierele de scularie sau pentru piese in serie mica. Principalele dezavantaje sunt conditiile grele de munca (toxicitate ridicata) consum de energie ridicat, consum mare de materiale tehnologice (saruri), necesitatea exploatarii neintrerupte datorita conditiilor grele de pornire. Avantajele constau in viteza mare de incalzire in comparatie cu incalzirea in gaz, uniformitate mare a temperaturii in spatiul de lucru, posi­bilitatea realizarii unei game largi de operatii in acelasi cuptor, protectie contra oxidarii si decarburarii.

TRATAMENTE TERMICE

Tratamentele termice sunt procedee de prelucrare la cald, care, printr-o succesiune de operatii de incalzire, mentinere si racire, executate in conditii bine determinate, conduc la obtinerea anumitor structuri si proprietati impuse produselor metalice.

Scopul aplicarii tratamentelor termice il constituie, prin urmare, modificarea structurii si proprietatilor initiale. Prin aceasta ele se deosebesc de celelalte procedee de prelucrare (deformare plastica, sudare, prelucrari prin aschiere), care urmaresc modificarea formei si dimensiunilor produselor metalice. Daca insa, la aplicarea unui tratament termic, apar modificari de forma si dimensiuni, acestea se produc accidental, in mod nedorit, si constituie inevitabil defecte de tratament.

Constituenti structurali, transformari de baza in oteluri.

Principalii constituenti structurali sunt:

- austenita - solutie solida de carbon in fier g

- ferita - solutie solida de carbon in fier a

- cementita (Fe₃C) compus chimic al fierului cu carbonul;

- perlita - amestec mecanic format din lamele alternante de ferita si cementita;

- martensita - solutie solida suprasaturata de carbon in fier a

Regimuri si medii de racire

Racirea este cea de a treia operatie de baza a tratamentelor termice. Ea are drept scop readucerea produselor metalice calde la temperatura ambianta (T_rac), in conditii bine determinate, care sa evite aparitia de tensiuni termice periculoase si sa conduca la obtinerea structurilor dorite.

In practica tratamentelor termice, vitezele de racire variaza in limite foarte largi, de la 20 - 30 ^oC⁄h, la unele recoaceri, la 150 - 200 ^oC⁄s, la calire.

Calirea otelurilor.

Scopul calirii volumice il constituie obtinerea unei structuri in afara echilibrului, predominant martensitica, in intreg volumul produsului. O astfel de structura prezinta caracteristici de duritate si rezistenta mecanica ridicate, dar fragila si contine importante tensiuni interne.

Aplicarea tratamentului termic de calire urmareste cresterea duritatii materialelor metalice prin incalzire la temperatura de austenitizare si racire rapida. Se pot cali otelurile care au continutul de carbon de minim 0,2%.

Calirea otelurilor se realizeaza prin incalzirea la temperaturi superioare temperaturii A_C3 (oteluri hipoeutectoide), respectiv A_C1 (oteluri hipereutectoide), mentinerea la aceste temperaturi un timp suficient pentru transformarea perlitei structura in austenita si racirea cu o viteza mai mare decat viteza critica, care asigure obtinerea proportiei dorite de martensita.

Calibilitatea este o caracteristica tehnologica de tratament termic, care defineste comportarea otelurilor la calire martensitica. Cu cat duritatea structurii complet martensitice este mai ridicata, iar adancimea de patrundere a calirii mai mare, cu atat calibilitatea otelului este mai buna

Acestea sunt:

. viteza critica inferioara (v_1M), care reprezinta viteza de racire pentru care se obtine in structura 1% martensita;

. viteza critica semimartensitica (V_50M), respectiv viteza de racire pentru care se obtine in structura de calire 50 % martensita;

Metode practice de calire

In cazul calirii clasice sau obisnuite (curba 1), se utilizeaza un singur mediu de calire, in care se scufunda produsul metalic dupa austenitizare si se agita pana la racirea completa. Metoda este simpla, economica si se preteaza la automatizare, dar prezinta dezavantajul ca implica tensiuni interne (termice si structurale) mari. Drept urmare, calirea clasica este contraindicata in cazul produselor masive, cu o configuratie complicata, confectionate din oteluri cu continut ridicat in carbon.

La calirea intrerupta (curba 2) racirea se realizeaza prin scufundarea produsului, pe rand, in doua medii de calire diferite. Primul dintre acestea trebuie sa prezinte o capacitate de racire mare, astfel incat sa asigure racirea cu o viteza superioara vitezei critice de calire. Mentinerea in acest mediu se face pana cand temperatura produsului metalic este cu putin superioara punctului M_S, dupa care se continua racirea in cel de-al doilea mediu, mai putin energic. Racirea mai lenta in intervalul transformarii martensitice conduce la obtinerea unor tensiuni interne mai reduse.

Mediile de calire utilizate de obicei in practica pentru realizarea calirii intrerupte sunt apa si uleiul. Durata de mentinere in apa este de 1s pentru 5-6 mm grosime de piesa, timp in care temperatura acesteia ajunge la o valoare aproximativ egala cu M_S +20-30°C, iar racirea pana la temperatura ambianta se face apoi in ulei.

Calirea izoterma (bainitica) (curba 4) se aseamana cu calirea in trepte, cu deosebirea ca scopul aplicarii ei este acela de a obtine o structura alcatuita in totalitate din bainita superioara sau inferioara. Acesti constituenti

prezinta duritati mari, de 40-45 HRC, si, drept urmare, o buna rezistenta la uzura si oboseala, in conditiile in care limita de elasticitate este ridicata, iar tenacitatea satisfacatoare.

Si in acest caz se utilizeaza doua medii de racire. Primul este o baie de saruri si are rolul de a aduce produsul la temperatura de transformare bainitica, cu o viteza superioara vitezei critice de calire. Durata de mentinere la aceasta temperatura se alege cu ajutorul curbelor TTT, considerandu-se, pentru siguranta, o valoare cu circa 50% mai mare decat durata de transformare la temperatura aleasa. Rezulta astfel, de regula, un timp total de mentinere in primul mediu de 10-45min.

Racirea finala pana la temperatura camerei se realizeaza apoi in aer.

Revenirea otelurilor.

Structura obtinuta prin calire se caracterizeaza prin duritate ridicata, dar este fragila si prezinta tenacitate scazuta, ca urmare a tensiunilor interne aparute in procesul de calire. Pentru a elimina aceste inconveniente, dupa calire se poate aplica un tratament termic subcritic, numit revenire.

Scopul aplicarii revenirii il constituie aducerea produselor din otel calite in stari structurale si de tensiuni interne mai apropiate de echilibru. Concomitent se produce si inmuierea otelului, in sensul scaderii caracteristicilor de rezistenta si al cresterii celor de plasticitate si ductilitate.

La revenire, constituentii in afara echilibrului obtinuti prin calire (martensita, austenita reziduala, bainita) se descompun treptat in constituenti de revenire: martensita, troostita si sorbita de revenire. Descompunerea se realizeaza prin difuzie si necesita activare termica. Aceasta se asigura prin incalzirea materialului calit la temperaturi superioare celei ambiante, dar inferioare temperaturii critice (A_c1), stadiul de descompunere a structurii initiale fiind cu atat mai avansat, cu cat temperatura de revenire este mai inalta.

Revenire inalta se realizeaza prin incalzirea la temperaturi de 150 - 250⁰C si are drept scop eliminarea partiala a tensiunilor de calire, in conditiile mentinerii unei duritatii ridicate, care sa asigure rezistenta la uzura si oboseala. Dupa revenire joasa, duritatea scade foarte putin (cu numai 1-3 unitati HRC), structura obtinuta fiind alcatuita din martensita de revenire si, eventual, o proportie de austenita reziduala nerevenita. Acest tip de revenire se aplica sculelor confectionate din oteluri nealiate (OSC-uri) si slab aliate, organelor de masini calite superficial sau carburate si calite.

Revenirea medie presupune incalzirea produselor la 350 - 550⁰C si determina diminuarea tensiunilor de calire, in conditiile asigurarii unei tenacitati mai bune, fara a reduce prea mult duritatea. In functie de temperatura de incalzire, constituentii structurali obtinuti pot fi de tipul martensita, troostita sau sorbita de revenire, duritatea variind corespunzator intre 50-40 HRC, iar limita de elasticitate se mentine ridicata. Revenirea medie este un tratament specific arcurilor.

Revenirea inalta se realizeaza la temperaturi situate intre 550 - 650°C, in vederea obtinerii unor caracteristici de tenacitate deosebite. Tratamentul termic constand dintr-o calire, urmata de revenire inalta, se numeste imbunatatire, iar structura rezultata este de tip sorbita sau perlita globulara. Revenirea inalta se aplica sculelor din oteluri inalt aliate si pieselor in miscare(arbori cotiti, biele), confectionate din oteluri carbon si oteluri aliate pentru imbunatatire, si care sunt supuse in exploatare unor solicitari complexe (tractiune, incovoiere, rasucire, soc, oboseala).

Calirea superficiala

Calirea superficiala este un tratament termic local, care se aplica in scopul obtinerii unei structuri martensitice in suprafata produselor, pe adancimi cuprinse intre zecimi de milimetru pana la 5-10 mm.

In urma aplicarii calirii superficiale rezulta piese duplex, avand stratul exterior dur, rezistent la uzura si oboseala si miezul plastic si tenace, rezistent la celelalte tipuri de solicitari in exploatare: incovoiere, soc, rasucire. In plus, tensiunile de compresiune din stratul calit maresc mult rezistenta la solicitari alternante.

Pentru a obtine insa o astfel de asociere de caracteristici, calirea superficiala trebuie aplicata la oteluri hipoeutectoide semidure, avand continutul in carbon cuprins intre 0,3% si 0,65%.

Calirea superficiala se realizeaza prin incalzirea cu viteza mare a stratului superficial al produselor pana la o temperatura situata in domeniul austenitic, mentinerea de scurta durata si racirea rapida, cu viteze mai mari decat viteza critica de calire.

In functie de sursa termica utilizata, se deosebesc urmatoarele metode de calire superficiala:

. calirea superficiala cu flacara;

. calirea superficiala prin inductie;

. calirea in electrolit;

. calirea in topituri;

. calirea prin contact

Calirea simultana se aplica in cazul pieselor de dimensiuni reduse, la care este posibila incalzirea si racirea suprafetei dintr-o data. Arzatorul are pozitie fixa, iar dupa atingerea temperaturii dorite, piesele sunt trecute sub un dus de racire sau se scufunda intr-un bazin de calire.

Calirea succesiva se aplica la piese lungi, la care suprafetele ce trebuiesc calite sunt mari (atat plane, cat si de revolutie). Daca arzatorul are putere suficient de mare, se poate realiza incalzirea dintr-o data a intregului contur, la piesele cilindrice, respectiv a intregii latimi, la cele plane, iar calirea suprafetei totale rezulta prin deplasarea concomitenta a arzatorului si racitorului in lungul piesei.

Tratamente termochimice.Tratamentele termochimice se folosesc pe scara tot mai larga in productie ca mijloc de imbunatatire a caracteristicilor mecanice sau fizico-chimice ale straturilor superficiale ale pie­selor si sculelor. Modificarea structurii si proprietatilor stratu­rilor superficiale se obtine pe seama modificarii compozitiei chimice, imbogatirii intr-un anumit element, eventual urmat de tratament termic. In functie de proprietatile dorite se alege elementul de im­bogatire si regimul de tratament termochimic.

a. Disocierea reprezinta fenomenul de descompunere a moleculelor din mediul gazos (in cazul mediilor solide si lichide faza gazoasa apare ca urmare a unor reactii chimice de descompunere sau de alt tip, determinate de componentele mediului si temperatura de lucru) in atomii activi. In cazul carburarii moleculele de gaz metan se descompun intr-un atom de carbon si doua molecule de hidrogen

b. Adsorbtia este fenomenul de acumulare la suprafata piesei a atomilor activi si de interactiune cu atomii metalului. Ei patrund in locurile vacante din reteaua masei metalice de baza, formand solutii solide, iar dupa atingerea solubilitatii maxime poate avea loc o restructurare a retelei si formarea unor faze noi. In anumite conditii, atomii absorbiti pot forma direct compusi chimici, trecand peste etapa de formare a solutiei solide. Fenomenul de adsorbtie este influentat de natura si debitul de atomi activi, compozitia otelului, temperatura si starea suprafetei piesei, etc.

c. Difuzia consta in migrarea atomilor adsorbiti pe suprafata piesei catre interiorul ei. Cantitatea de metal difuzat spre straturile interioare ale piesei este direct proportionala cu sectiunea transversala de difuzie, gradientul de concentratie in directia difuziunii

d.Carburarea (cementarea): este tratamentul termochimic prin care se face o imbogatire a stratului superficial in carbon. Se aplica la oteluri cu carbon de 0,08 0,15% (oteluri de cementare). Mediul de carburare poate fi solid(mangal), lichid(bai de carbonati), gazos (gaz metan).

e Nitrurarea - tratamentul termochimic prin care se realizeaza o imbogatire a stratului superficial in azot. Este un tratament termic final, piesele se incalzesc la 500 600 ⁰C, timp de 40 80h. Adancimea de nitrurare este de 0,2 0, 3 mm, duritatea poate ajunge 63HRC (datorita nitrurilor Al, Cr, Ti dure care se formeaza).

f.Cianizarea si carbonitrurarea - se produce imbogatirea simultana a stratului superficial in carbon si azot.

g.Alitarea - se produce imbogatirea stratului superficial in aluminiu , se aplica pentru cresterea rezistentei la oxidare la temp inalte.

h.Cromizarea - se produce imbogatirea stratului superficial in crom. Se aplica pentru cresterea rezistentei la coroziune, la uzura, a duritatii.

Alte tratamente termice sunt silicizarea (se produce imbogatirea stratului superficial in siliciu), sulfizarea (se produce imbogatirea stratului superficial in sulf), zincarea (se produce imbogatirea stratului superficial in zinc).

IMBINAREA PRIN SUDARE A MATERIALELOR METALICE

Sudarea este o metoda de imbinare nedemontabila a doua componente, initial separate, prin stabilirea in anumite conditii de temperatura sau presiune a unor forte de legatura intre atomii marginali apartinand celor doua corpuri de imbinat.

Rezultatul actiunii de sudare se numeste sudura sau cusatura sudata (pentru doua componente separate) si incarcare sau depunere (pentru o singura componenta cand de exemplu s-ar face o incarcare cu material de adaos pentru a compensa o uzura a componentei respective).

Principial exista doua variante de sudare:

1^o Sudare prin topire, la care temperatura n zona de sudare este mai mare decat temperatura de topire a componentelor, iar presiunea in zona de sudare este aproximativ presiunea atmosferica.

2⁰ Sudarea prin presiune, la care temperatura in zona de sudare este mai mica decat temperatura de topire, iar presiune poate fi mai mica sau mai mare decat presiunea atmosferica.

Sudarea prin topire

Generalitati

Arcul electric este o descarcare de durata intre doi electrozi executati din materiale conducatoare electric, in conditiile existentei unei diferente de potenia1 suficienta pentru a asigura un inalt grad de ionizare a spatiului dintre acestia. Arcul poate avea actiune directa sau actiune indirecta .

Materiale de adaos folosite la sudarea prin topire

Materialele de adaos sunt acele materiale care se introduc in cusatura din exterior (sarme de sudare, electrozi) si materiale care contribuie la alierea sudurii (fluxuri, invelisuri).

Sarmele de sudura - pot fi sub forma de vergele, colaci cu diametru cuprins intre 0,5 12,5 mm (nealiate sau aliate). Sunt utilizate la sudarea in electrica in medii de gaz protector, sudarea cu flacara, etc.Sunt standardizate.

Electrozi inveliti pentru sudare - sunt destinati in general sudarii manuale cu arc electric.

Invelisul vergelei metalice are rolul de a imbunatati procesul de sudare (mareste stabilitatea arcului electric, formeaza o zgura care protejeaza baia metalica de efectul nociv al oxigenului si hidrogenului din atmosfera, inlatura sulful si fosforul din baie, aliaza baia metalica).

Pregatirea pieselor pentru sudare

In functie de pozitia relativa a pieselor, imbinarile sudate se pot imparti in imbinari sudate cap la cap, de colt si prin suprapunere.

Rosturile pentru sudare - rostul este spatiul dintre suprafetele frontale ale pieselor ce urmeaza a fi sudate. Este necesar pentru a asigura patrunderea sudurii pe intreaga sectiune a metalului de baza.

Tipul si dimensiunile rostului depind de grosimea materialului care se sudeaza, procedeul de sudare folosite, materialul care se sudeaza.

Sudarea cu arc electric cu electrozi inveliti

Este cel mai raspandit procedeu de sudare al otelurilor carbon si slab aliate, dar poate fi utilizat si in cazul sudarii otelurilor aliate, fontelor, aliajelor de aluminiu cand nu sunt disponibile utilaje speciale.

In cazul sudarii cu arc electric, sursa de caldura necesara topirii metalului o constituie descarcarea continua a curentului electric intre doi sau mai multi electrozi, descarcarea se numeste arc electric. Descarcarea este insotita de o dezvoltare puternica de caldura, de radiatii luminoase vizibile si invizibile (infrarosii, ultraviolete).

Recomandari pentru sudare

Sudarea otelurilor slab si mediu aliate

Otelurile cu continut mediu de carbon se preincalzesc la 200-300 0C.

Otelurile cu continut ridicat de carbon se preincalzesc la 300-350 0C.

Se utilizeaza electrozi bazici.

Straturile succesive de sudura se ciocanesc.

Dupa sudare se aplica tratamentul termic de recoacere (675-700 0C) ,racire incuptor si apoi in aer.

Sudarea otelurilor inalt aliate aliate

Se utilizeaza electrozi cu compozitie chimica asemanatoare metalului de baza.

Se aplica preincalzire.

Dupa sudare se aplica tratament termic de recoacere.

Sudarea fontelor cu arc electric descoperit

Sudarea la cald(preincalzire la 600-700 0C);

Sudarea la semicald(preincalzire la 200-300 0C);

Sudarea la rece.

Se incalzesc piesele numai in locurile care permit dilatare termica libera;

Sudarea se face numai in pozitie orizontala cu capetele placate cu grafit;

Se sudeaza cu electrozi subtiri,curenti mici si polaritate inversa;

Se limiteaza propagarea fisurilor prin executarea de gauri la capete;

Sudarea se face de la centru spre margini;

Se utilizeaza electrozi de otel, fonta, aliaje neferoase.

Sudarea aliajelor de aluminiu

Sudabilitatea aluminiului este foarte scazuta datorita peliculei de oxid de aluminiu si a conductivitatii termice ridicate;

Electrozii trebuie sa prezinte puritate mare;

Pregatirea marginilor tablelor se face la un unghi de 80-90 0C;

Trasarea se face cu creionul,iar indreptarea cu ciocanul de lemn;

Tablele se preincalzesc si se sudeaza pe suport de Cu;

Cusatura se incepe la 50-60 mm de la margine si apoi se completeaza;

Amorsarea arcului electric se face pe o placa alaturata;

Electrodul se orienteaza perpendicular pe piesa si nu se executa miscare pendulara;

Arcul electric trebuie sa fie cat mai scurt;

Dupa curatirea de zgura,cusatura se spala cu solutie de HNO₃ si apoi se clateste cu apa.  

SUDAREA CU ARC ELECTRIC SUB STRAT DE FLUX

Dezavantajele sudarii manuale cu arc electric au facut ca procesul de sudare sa fie automatizat. Astfel a crescut foarte mult productivitatea (cca 10 ori), sudurile sunt de buna calitate depinzand de calitatea materialelor utilizate si performanta utilajelor folosite. Sudarea sub strat de flux poate fi considerata drept procedeul de baza al sudarii mecanizate cu arc electric. Acest procedeu de sudare se aplica in doua variante mecanizat sau semimecanizat.

Fluxul ionizeaza spatiul in care arde arcul electric,protejeaza baia de metal topit impotriva oxidarii. Fluxurile sunt de 2 tipuri:

- fluxuri topite;

- fluxuri ceramice.

Fluxurile topite au aspect sticlos,culoare bruna. Se utilizeaza la sudarea otelurilor carbon obisnuite.

Fluxurile ceramice au aspect mat,forma granulara,culoare cenusiu-deschis. Se utilizeaza la sudarea otelurilor speciale.

Sudarea in mediu protector cu electrod fuzibil, procedeul MIG - MAG.

La acest procedeu, arcul electric se amorseaza intre un electrod fuzibil (sarma de sudare) si piesa de sudat. Arcul electric si baia metalica sunt protejate de actiunea gazelor din atmosfera printr-un jet de gaz insuflat in zona de lucru.

In functie de gazul insuflat in zona de lucru, se pot deosebi:

- sudarea MIG (metal-inert-gaz), se utilizeaza ca si gaz protector argonul, heliul sau argon+heliu. Gazul nu are nici o actiune asupra baii metalice.

- sudarea MAG (metal-activ-gaz), se utilizeaza ca si gaz protector dioxid de carbon, argon+dioxid de carbon. Utilizarea amestecului argon+dioxid de carbon duce la o imbunatatire a procesului de sudare, reducerea pierderilor prin stropi comparativ cu dioxidul de carbon.

Sudarea in mediu protector cu electrod fuzibil, procedeul WIG.

Sudarea WIG (wolfram-inert-gaz) este un procedeu de sudare cu arc electric in mediu de gaz protector inert, cu electrod nefuzibil.

Protectia contra aerului se obtine printr-un gaz inert, argon sau heliu. Majoritatea metalelor se sudeaza cu curent continuu,electrodul fiind conectat la borna negativa. Caldura arcului electric este distribuita 1/3 la borna negativa si 2/3 la borna pozitiva.

SUDAREA CU FLACARA DE GAZE

Procedeul de sudare cu gaze consta in incalzirea locala, pana la topire, a marginilor pieselor de sudat si a metalului de adaos cu ajutorul flacarii (oxi-gaz) .

Pentru producerea flacarii este necesar :

- gaz combustibil: acetilena, gaz metan, propan, etc;

- gaz carburant - oxigen.

Cel mai raspandit gaz combustibil este acetilena.

Acetilena este o combinatie metastabila. In cazul unor incalziri locale, scantei electrice, comprimare la presiuni peste 1,5 atm. se descompune prin explozie. Pericolul de explozie creste in prezenta aerului, oxigenului si clorului.

Oxigenul are rolul de a marii viteza de ardere a gazului combustibil si prin aceasta temperatura de ardere. Oxigenul se transporta in forma lichida , comprimat la 150 200 atm, in butelii confectionate din otel de capacitate 40 l. Pentru reducerea presiunii se folosesc reductoare de presiune.

Arzatorul pentru sudare este aparatul in care se face amestecul acetilenei cu oxigenul si la extremitatea caruia are loc iesirea si arderea amestecului de gaze.

Arzatorul are urmatoarele functii:

- amesteca gazele;

- regleaza debitul gazelor;

- produce flacara;

- regleaza flacara;

- dirijeaza flacara.

Sudarea in puncte

Este un procedeu de sudare cu topire, prin suprapunere, intre piese plane. Se executa pe masini specializate. Regimul de sudare poate fi dur (curent mare si timp mic-piese din otel carbon sau slab aliate, aliaje neferoase cu conductivitate termica si electrica ridicate) sau moale (curent mic si timp mare-semifabricate din otel laminat insuficient de curate si de netede, piese din oteluri cu calibilitate ridicata la care se impun viteze mici de racire ).

Sudarea in linie

Este un procedeu de sudare prin presiune, cu topire, aplicat unor piese suprapuse. Cuiele sunt inlocuite cu role de contact racite cu apa.

Rolele parcurg o traiectorie rectilinie sau curba, executand o linie sudata continua sau puncte partial suprapuse. De regula curentul de sudare se aplica intermitent, sub forma de impulsuri de scurta durata.

TAIEREA MATERIALELOR METALICE PRIN PROCEDEE TERMICE

Taierea cu flacara de gaze si oxigen

Materialul metalic ce trebuie taiat este preincalzit pana la temperatura de aprindere in O₂ cu ajutorul flacarii, dupa care se sufla oxigen care declanseaza reactiile de ardere exoterme a metalului cu oxigenul. Produsele arderii sunt indepartate din zona de taiere prin efectul mecanic al jetului.

Pentru a putea fi taiat, un material metalic trebuie sa indeplineasca conditiile:

- sa poata fi aprins si sa arda in prezenta unui jet de oxigen pur (99,8%);

- temperatura de aprindere in oxigen sa fie mai mica decat temperatura de topire;

- sa prezinte conductibilitate termica redusa, pentru a putea concentra caldura in zona de taiere;

- produsele rezultate prin ardere trebuie sa aiba temperaturi de topire mai mici decat temperatura din zona de topire (pentru a putea fi evacuate),etc.

Taierea cu arc electric si oxigen

Procedeul foloseste ca sursa termica de preincalzire arcul electric. Echipamentul este acelasi cu cel folosit la sudarea cu arc electric si electrozi inveliti.

Taierea (sudarea) cu plasma

Prin incalzirea treptata a unei anumite substante are loc trecerea gradata din starea solida in cea lichida si apoi gazoasa. Pentru orice gaz procesul de incalzire poate continua, putand conduce la dezintegrarea moleculelor in atomi si a acestora in electroni si ioni. Daca definim plasma ca un gaz partial sau total ionizat se admite starea de plasma ca fiind a patra stare de agregare a materiei. Spre deosebire de celelalte transformari de faza, trecerea intre starile gaz-plasma nu este brusca; este un proces continuu. Raportul concentratiei de sarcini libere din gaz la concentratia de particule neutre este o marime continuu variabila cu cresterea gradului de incalzire.

Principala caracteristica a plasmei (si diferenta fata de un gaz banal) este prezenta in amestec a sarcinilor electrice libere.

Taierea (sudarea) cu plasma este un procedeu special de sudare, la care arcul electric arde strangulat si alungit intr-un ajutaj, prin care trece un debit de plasma termica, obtinuta prin ionizarea in arcul electric a unui gaz plasmagen. Coloana de gaze in care se produce descarcarea este puternic ionizata, asigurand o conductivitate electrica ridicata.

Plasmele utilizate la sudare si taiere au temperatura cuprinsa intre 600030000⁰C.Pentru a se asigura o protectie a baii metalice se utilizeaza un gaz de protectie (argon, azot).

Se pot suda toate materialele sudabile prin procedeul WIG. Cordonul de sudura este de buna calitate.

In cazul taierii cu plasma, plasma incalzeste metalul si il indeparteaza din zona taieturii. Este un procedeu de taiere raspandit, in primul rand avantajelor: productivitate ridicata, posibilitate de taiere aliajelor refractare de grosimi mari obtinandu-se o taietura ingusta, cu suprafete netede, fara bavuri.

Se pot realiza viteze de taiere de 2501250 mm/min, latimea zonei influentate termic este foarte mica.