MODULUL 1

Material

Cheltuieli de energie în petrol

[T/h]

Cheltuieli energetice [Kcal/cm3]

Oţel 1,0 82 Aluminiu 1,2 112 Cupru 5,6 158

OBIECTIVE

Obiectivele capitolului constau în prezentarea generală a materialelor feroase.

Sunt prezentate apoi fontele, cu precizarea proprietăţilor principale, a clasificării lor şi a domeniilor de utilizare.

1. MATERIALE FEROASE Aliajele fierului sunt cele mai întrebuinţate materiale metalice, atât în industrie, în general, cât şi în construcţia de maşini, în special. Aceasta se datorează, între altele, şi preţului de cost relativ scăzut (în tabelul 1.1 sunt date cheltuielile energetice pentru câteva materiale).

Tabelul 1.1 Cheltuieli energetice pentru unele materiale metalice Proprietăţile mecanice ale materialelor

feroase pot fi modificate în limite largi, în mai mare măsură decât în cazul altor materiale. De asemenea, materialele feroase pot fi prelucrate aproape prin toate metodele tehnologice cunoscute şi, în mare măsură, pot fi refolosite.

In funcţie de conţinutul de carbon se deosebesc două categorii mari de materiale

feroase: aliaje de Fe cu până la 1,5…2,11 % carbon - oţelurile şi până la 4,5…6,67 % carbon - fontele.

1.1. Fonte

Fontele sunt aliaje fier - carbon al căror conţinut de carbon, depăşind 1,7 %, este frecvent cuprins între 2,2…3,8 % şi care mai conţin elemente însoţitoare (Si, Mn, P, S) şi elemente de aliere. Aceste aliaje au, în general, foarte slabe proprietăţi plastice (forjabilitatea) şi sudabilitate redusă, rezistenţa mecanică mai mică decât a oţelurilor, dar turnabilitate bună (temperatură de topire mai scăzută, fluiditate mare, interval de solidificare şi implicit tendinţă de segregare reduse, contracţie mică la solidificare - până la max.2 %), precum şi capacitate de amortizare a vibraţiilor. Clasificarea fontelor se poate face după sistemul de cristalizare, în modul următor: • fonte albe; • fonte cenuşii (de turnătorie). Clasificarea fontelor de turnătorie se poate face după cum urmează:

- după conţinutul în carbon echivalent CE, care se determină cu relaţia:

CE = Ctot +1/3 ⋅ (Si + P) + 0,4 ⋅ S (1.1)

• fonte hipoeutectice: CE < 4,26 %; • fonte eutectice: CE = 4,26 %; • fonte hipereutectice: CE > 4,26 %. - după forma grafitului: • fonte cu grafit lamelar; • fonte cu grafit nodular (fonte modificate); • fonte cu grafit în cuiburi (fonte maleabile).

- după modul de aliere: • fonte nealiate (conţin Fe şi C, dar şi Si, Mn, P, S, în cantităţi mici); • fonte aliate (conţin şi Cr, Ni, Cu, Al, Mo etc.): - slab aliate (suma elementelor de aliere sub 4 %); - mediu aliate (suma elementelor de aliere 4…10 %); - bogat aliate (suma elementelor de aliere peste 10 %).

a) Fonte albe Datorită durităţii foarte ridicate a cementitei (750 HB) şi ledeburitei (700 HB), fontele albe sunt aliaje foarte dure, dar şi foarte fragile. Ca urmare a acestor proprietăţi, precum şi a dificultăţilor de prelucrare care rezultă, fontele albe au o utilizare limitată în industrie. Un domeniu de utilizare a fontei albe în industrie îl prezintă piesele turnate, supuse ulterior operaţiei de maleabilizare, prin care se obţin în final piese din fontă maleabilă. Un alt exemplu de utilizare îl constituie folosirea fontelor albe perlitice pentru executarea corpurilor de măcinare din morile de ciment. O utilizare ceva mai largă o au aşa numitele fonte cu crustă dură. În aceste fonte, datorită vitezelor de răcire diferite în miez şi la suprafaţă, se obţin structuri diferite. În miez se obţine structură de fontă cenuşie, iar la suprafaţă se obţine un strat de 12…30 mm cu structură de fontă albă. Din fontă cu crustă dură se toarnă piese care lucrează în condiţii de frecare foarte intensă cum sunt: cilindrii de laminor pentru siderurgie, calandrii pentru industria chimică şi a hârtiei, tăvălugii pentru mori, rolele pentru industria siderurgică, roţile de vagoane, axele cu came pentru motoare cu ardere internă etc. b) Fonte cenuşii cu grafit lamelar Aceste fonte conţin între 2,8 % şi 3,6 % C, precum şi Si, Mn, P, S. Prezenţa unor conţinuturi mai mici de Ctotal conferă fontelor cenuşii proprietăţi mecanice mai bune (figura 1.1). Dintre elementele însoţitoare, prezenţa unor cantităţi mai mari de Si micşorează proprietăţile mecanice ale acestor aliaje (figura 1.2): Fig. 1.1. Influenţa conţinutului de Fig. 1.2. Influenţa conţinutului de carbon asupra proprietăţilor mecanice siliciu asupra proprietăţilor mecanice

Fontele cenuşii au cea mai bună capacitate de amortizare a vibraţiilor. Simbolizarea fontelor cenuşii se face cu grupul de litere Fc (fontă cenuşie) urmat de un grup de cifre care indică rezistenţa minimă la rupere prin tracţiune Rm (N/mm2). c) Fonte modificate Fontele de calitate superioară sunt obţinute prin modificare - introducerea unei cantităţi mici de substanţe (modificatori), care formând particule insolubile în topitură, servesc ca centre de cristalizare, conducând la formarea unui grafit fin, uniform dispersat.

Fontele cu grafit nodular au proprietăţi superioare tuturor fontelor, fiind similare cu cele ale oţelurilor. Modulul de elasticitate este ridicat (16.500 - 18.500 daN/mm2), aşchiabilitatea este foarte bună, recomandându-se pentru piese care reclamă rezistenţă (îndeosebi la solicitări dinamice) şi plasticitate mai ridicate decât cele ale fontelor cu grafit lamelar. Simbolizarea fontelor cu grafit nodular se face cu grupul de litere Fgn (fontă cu grafit nodular) urmat de un grup de cifre care indică rezistenţa minimă la rupere prin tracţiune Rm (N/mm2).

d) Fonte maleabile Acestea sunt fonte superioare, obţinute prin grafitizarea celor albe turnate în piese, printr-

un tratament termic caracteristic – recoacere de maleabilizare. Forma mai convenabilă a grafitului (grafit în cuiburi), obţinută în fontele maleabile, face ca acestea să posede caracteristici mecanice superioare fontelor cenuşii.

Simbolizarea fontelor maleabile se face astfel: F – fontă; m – maleabilă; a – albă; n – neagră; p – perlitică, iar cifrele adăugate simbolului reprezintă rezistenţa la rupere prin tracţiune, exprimată în [N/mm2]. În funcţie de modul cum se realizează răcirea în timpul maleabilizării se pot obţine structuri diferite ale masei metalice de bază, astfel încât fontele maleabile pot fi: • fonte maleabile albe; • fonte maleabile negre; • fonte maleabile perlitice. Utilizarea fontelor maleabile este îngrădită de grosimea limitată a pereţilor pieselor (max.25…30 mm), iar a celor negre, parţial şi de duritatea redusă care împiedică folosirea lor pentru piese rezistente la uzare. În general, ele se recomandă pentru confecţionarea pieselor turnate mici, în forme complicate, cu pereţi subţiri, cu bună rezistenţă, oarecare tenacitate şi rezistenţă la şocuri. e) Fonte aliate Acestea sunt fonte cenuşii, albe sau maleabile care datorită prezenţei unor elemente de aliere ca: peste 0,3 % Ni, Cr, Cu sau W, peste 0,1 % Mo, V sau Ti, mai mult de 2 % Mn şi 4 % Si, posedă caracteristici mecanice îmbunătăţite, inclusiv rezistenţă la uzare şi la temperaturi înalte (fontele slab şi mediu aliate) sau rezistenţă ridicată la coroziune (fontele bogat aliate). Prezenţa nichelului, influenţând grafitizarea, măreşte rezistenţa (de exemplu, fontele pentru cilindrii de laminoare), îmbunătăţind în acelaşi timp prelucrabilitatea. Adaosurile de Cr, V şi Ti, care formează carburi, măresc duritatea şi rezistenţa fontei, înrăutăţind însă prelucrabilitatea. Adaosuri concomitente de Ni - Cr se utilizează pentru compensarea reciprocă a grafitizării şi formării exagerate a carburilor nedorite. Aceste fonte sunt recomandate pentru turnarea unor piese greu solicitate, ca: arbori cotiţi pentru motoare Diesel şi compresoare, segmenţi de pistoane, cămăşi de cilindrii răciţi cu aer, cochile şi matriţe pentru prelucrarea metalelor neferoase etc.

REZUMAT Aliajele fierului sunt cele mai întrebuinţate materiale metalice, atât în

industrie, în general, cât şi în construcţia de maşini, în special. Fontele au, în general, foarte slabe proprietăţi plastice (forjabilitatea) şi

sudabilitate redusă, rezistenţa mecanică mai mică decât a oţelurilor, dar turnabilitate bună (temperatură de topire mai scăzută, fluiditate mare, interval de solidificare şi implicit tendinţă de segregare reduse, contracţie mică la solidificare - până la max.2 %), precum şi capacitate de amortizare a vibraţiilor.

MODULUL 2

OBIECTIVE

Obiectivele capitolului constau în prezentarea principalelor grupe de oţeluri utilizate în industrie, în general şi în construcţia de maşini, în special.

Se prezintă proprietăţile principale, clasificarea lor şi domeniile de utilizare.

1.2. Oţeluri Datorită multitudinilor proprietăţilor care se cer în diferite ramuri industriale, gama calităţilor de oţeluri a ajuns să fie foarte largă, cuprinzând un foarte mare număr de mărci. Clasificarea este necesară, atât pentru clarificarea proprietăţilor şi destinaţiilor diferitelor categorii de oţeluri, cât şi pentru a înţelege principiul care stă la baza simbolizării mărcilor de oţeluri. În funcţie de scopul urmărit, mărcile de oţel pot fi clasificate după criterii diferite, cum sunt: compoziţia chimică, domeniul de utilizare, structura etc. Clasificarea oţelurilor în funcţie de compoziţia lor chimică poate fi făcută astfel:

• oţeluri nealiate sau oţeluri carbon: - cu destinaţie generală;

- cu destinaţie precizată (pt. arcuri, pt. automate etc.); • oţeluri aliate: - slab aliate; - mediu aliate - cu destinaţie generală; - cu destinaţie precizată; - înalt aliate. Clasificarea în funcţie de domeniul de utilizare poate fi făcută în modul următor:

• oţeluri pentru construcţia de maşini: - de cementare (conţin până la 0,25 % C);

- de îmbunătăţire (conţin 0,25…0,65 % C); • oţeluri de scule (conţin 0,65…1,5 % C). Clasificarea în funcţie de structură poate fi făcută după cum urmează: • oţeluri hipoeutectoide (0…0,77 % C);

• oţeluri eutectoide (0,77 % C); • oţeluri hipereutectoide (peste 0,77% C).

În general, proprietăţile oţelurilor sunt influenţate de conţinutul de carbon, deci de variaţia cantitativă a constituenţilor lor structurali. Caracteristicile lor de rezistenţă mecanică cresc, iar cele de plasticitate scad cu creşterea conţinutului de carbon (figura1.3.).

a) Oţeluri carbon de uz general Acestea sunt oţeluri cu conţinut de carbon până la 0,6 %, nealiate sau slab aliate cu Mn (OL 44) sau cu Mn, Si şi V (OL 52), disponibile sub formă de semifabricate deformate plastic la cald (laminate, forjate etc.). Ele sunt utilizabile în mod curent netratate termic (eventual normalizate), pentru piese solicitate static la temperaturi cuprinse între –40 0C şi +300 0C. Oţelurile carbon de uz general au largă utilizare fiind ieftine dar şi pentru că, în general, nu mai necesită deformare plastică la cald, au bună deformabilitate la rece şi o bună sudabilitate.

Fig.1.3. Influenţa conţinutului de carbon asupra proprietăţilor mecanice

ale oţelurilor în stare normalizată

În tabelul 1.2. se prezintă caracteristicile mecanice şi tehnologice ale oţelurilor carbon de uz general.

Tabelul 1.2. Caracteristici mecanice şi tehnologice ale oţelurilor carbon de uz general

Caracteristici mecanice minime Energ. de rupere

Marca de

oţel

Clasa de calitate

Limita de curgere

Rc [N/mm2]

Rezistenţa la rupere

Rm [N/mm2]

Alungirea la rupere

A5 [%]

Rezili-enţa KCU 300/2 [J/cm2

]

Tempe-ratura [oC]

KV I

OL 32 1, 1a, 1b 180/170/160

310…390 33 - - -

OL 34 1, 1a, 1b 210/200/190

330…400 31 - -

- -

- -

OL 37 1, 1a, 1b 2 3 4

240/230/210

Idem Idem Idem

360…440

Idem Idem Idem

25

25 26 26

-

69/59 - -

-

+20 0

-20

-

27 27 27

OL 42 1, 1a, 1b 2 3

260/250/250

Idem Idem

410…490

Idem Idem

22

22 23

-

69/59 -

-

-20 0

-

27 27

OL 44 2 3 4

280/270/250

Idem Idem

430…540

Idem Idem

23

25 25

59 - -

+20 0

-20

27

27 27

OL 52 2 3 4

350/340/330

Idem Idem

510…630

Idem Idem

21

22 22

59 - -

+20 0

-20

27

27 27

OL 50 1, 1a, 1b 290/280/270

490…610 21 - - -

OL 60 1, 1a, 1b 330/320/330

590…710 16 - - -

OL 70 1, 1a, 1b 360/350/340

690 11 - - -

OL 30 - - 310 20 - - -

După garanţiile date la livrare se disting patru clase de calitate: - clasa 1 - cu garanţii privind compoziţia chimică, caracteristicile mecanice la tracţiune şi îndoirea la rece; - clasa 2 - cu garanţii suplimentare privind rezilienţa (KCU) la 20 0C; - clasa 3 - cu garanţii suplimentare privind energia la rupere (KV) la 0 0C; - clasa 4 - cu garanţii suplimentare privind energia la rupere la –20 0C. Se simbolizează cu grupul de litere OL (oţel laminat) urmat de un grup de cifre care indică

rezistenţa la rupere Rm (daN/mm2). b) Oţeluri carbon cu calitate şi aliate

Primele sunt oţeluri nealitate cu compoziţie şi proprietăţi mecanice garantate (STAS 880-80) utilizate - tratate termic sau termochimic - pentru piese mai puternic solicitate mecanic. În funcţie de caracteristicile prescrise pot fi: - oţeluri de calitate propriu-zise; - oţeluri de calitate superioare. În funcţie de tratamentul termic pot fi: - oţeluri pentru cementare;

- oţeluri pentru îmbunătăţire. Oţelurile carbon de calitate se simbolizează cu grupul de litere OLC (oţel laminat de

calitate), urmat de un grup de cifre care indică conţinutul mediu de carbon exprimat în sutimi de procent.

Oţelurile aliate se simbolizează prin litere şi cifre, după cum urmează: primul grup de cifre indică conţinutul în carbon în sutimi de procent, urmează simbolurile elementelor de aliere; cifrele care urmează după fiecare element indică concentraţia acestuia în zecimi de procent iar dacă nu urmează cifre concentraţia acestuia este aproximativ 1 %. Elementul principal de aliere, care se găseşte în cantitatea ce a mai mare, se trece ultimul în şirul acestor simboluri.

b.1) Oţeluri pentru cementare Cementarea conduce la obţinerea unor suprafeţe dure, rezistente la uzare şi chiar la oboseală. Cel mai convenabil şi ieftin tratament termic ulterior este călirea direct de la temperatura de carburare (în săruri sau gaze carburante). În cele mai multe cazuri însă, piesele se răcesc lent de la temperatura normală de carburare până la cea normală, în structură rezultând grăunţi fini. Apoi se face o călire, simplă sau dublă, urmată de revenire joasă, pentru detensionare. În construcţia de maşini se utilizează de exemplu OLC 10 pentru clicheţi, furci, pene de ghidare, role pentru lanţuri; OLC 15 pentru şuruburi de mişcare, piuliţe, pârghii, pene de ghidare; 15Cr0,8 pentru arbori cu came, bucşe, roţi dinţate, melci; 13CrNi30 sau 16CrMn12 pentru roţi dinţate, arbori, pene. b.2) Oţeluri pentru îmbunătăţire În vederea obţinerii concomitente a unor rezistenţe şi tenacităţi ridicate, aceste oţeluri sunt supuse unei căliri urmată de o revenire înaltă (îmbunătăţire). În funcţie de compoziţia lor chimică, oţelurile de îmbunătăţire sunt pot fi de cinci tipuri: - nealiate (OLC 25, OLC 35, OLC 45, OLC 55, OLC 60); - aliate cu Mn; - aliate cu Cr; - aliate cu Cr - Mo; - aliate cu Ni-Cr-Mo. La oţelurile nealiate, rezistenţa după îmbunătăţire creşte odată cu conţinutul de carbon. Prezenţa manganului îmbunătăţeşte şi mai mult călibilitatea, ridicând şi stabilitatea după revenire. Nichelul măreşte tenacitatea oţelurilor. Până la C < 0,3 % aceste oţeluri se sudează bine, dar condiţionat, necesitând preîncălzire şi recoacere după sudarea prin topire. Aşchiabilitatea cea mai favorabilă o au cele nealiate până la 0,45 % C precum şi cele de tipul 35Mn16. Pentru toate celelalte este recomandabilă o recoacere prealabilă de înmuiere. În industrie, În funcţie de tratamentul termic pot fi: - oţeluri pentru cementare;

- oţeluri pentru îmbunătăţire. O grupă aparte a oţelurilor pentru îmbunătăţire o formează cele pentru nitrurare, care conţin elemente de aliere ca Al, Cr, Mo şi V. Ele sunt aşchiabile atât după recoacerea de înmuiere, cât şi în stare îmbunătăţită. Din aceste oţeluri se execută, de exemplu, arborii principali ai maşinilor-unelte. O altă grupă aparte a oţelurilor pentru îmbunătăţire o constituie cele pentru piese mari (cu dimensiuni peste 100 mm) forjate. Ele sunt elaborate îngrijit (dezoxidate în vid), lipsite de hidrogen şi incluziuni nemetalice. În tabelul 1.3. se prezintă caracteristicile mecanice ale oţelurilor carbon de calitate şi aliate folosite în construcţia de maşini.

Tabelul 1.3. Caracteristici mecanice ale oţelurilor carbon de calitate şi aliate

Caracteristici mecanice Nr. de ord

Marca de oţel Stare material /

Φ epruvetă

[mm]

Limita de

curgere [N/mm2]

Rezist. la rupere

[N/mm2]

Alung. A5 [%]

Rezili- enţa

KCU/2 [J/cm2]

a) Oţeluri carbon de calitate (STAS 880-80) 1. OL 10 Cr / 30 290 490…640 16 89 2. OL 15 Cr / 30 350 590…780 14 78 3. OL 20 Cr / 16 310 490…630 20 - 4. OL 25 Cr / 16 360 540…690 19 108 5. OL 35 Cr / 16 420 620…760 17 70

6. OL 45 Cr / 16 480 690…840 14 60 7. OL 55 Cr / 16 540 780…930 12 - 8. OL 60 Cr / 16 570 830…980 11 - b) Oţeluri aliate (STAS 791-80) 9. 15Cr08 Cr/ 30 410 690…880 11 78 10. 18MnCr10 Cr/ 30 540 790…1080 10 69 11. 21MoMnCr12 Cr/ 30 740 980…1270 10 59 12. 18MoCrNi13 Cr/ 30 690 930…1220 9 78 13. 13CrNi30 Cr/ 30 640 880…1170 10 78 14. 20MoNi35 Cr/ 30 690 930…1220 11 78 15. 21TiMnCr12 Cr/ 30 78 1030…1320 9 69 16. 28TiMnCr12 Cr/ 30 980 1230…1320 8 59 17. 35Mn16 CR/ 16 510 740…930 12 59 18. 40Cr10 CR/ 16 790 980…1180 10 39 19. 40BCr10 CR/ 16 740 880…1080 11 69 20. 33MoCr11 CR/ 16 780 980…1180 12 69 21. 41MoCr11 CR/ 16 880 1080…1270 10 59 22. 50VCr11 CR/ 16 880 1080…1270 9 59 23. 34MnCrNi15 CR/ 16 980 1180…1370 9 59 24. 30MoCrNi20 CR/ 16 1030 1230…1420 9 59 25. 38MoCrA109 CR/ 16 790 980…1180 10 59 26. 41CrNi12 CR/ 16 830 980…1180 11 69 27. 35MnSi12 CR/ 16 740 930…1130 14 39

Notaţii: Cr - călit şi revenit la temperatură joasă CR- călit şi revenit la temperatură înaltă

c) Oţeluri turnate în piese Din punct de vedere tehnologic şi economic este mai avantajos ca piesele cu configuraţie complicată cărora li se cer rezistenţă şi tenacitate să fie executate nu prin forjare sau sudare, ci prin turnare din oţeluri adecvate. În pofida proprietăţilor în general scăzute de turnare şi a sensibilităţii pronunţate la răcire, actualmente, destul de numeroase oţeluri nealiate (OT 40…OT 70, STAS 600-82) sau aliate (T20Mn14, T35MoCrNi08 etc., STAS 1773-82) se elaborează şi se utilizează pentru obţinerea pieselor turnate. Datorită granulaţiei mai grosolane şi prezenţei defectelor de turnare, oţelurile turnate, comparativ cu cele laminate au rezistenţa, plasticitatea şi tenacitatea inferioare celor în direcţia laminării şi uşor superioare celor perpendiculare pe direcţia laminării. Rezistenţele la oboseală, la temperaturi înalte şi la uzare sunt, de asemenea, sensibil inferioare celor ale oţelurilor laminate.

Domeniile de utilizare sunt: roţi pentru cabluri şi lanţuri, roţi dinţate, carcase, corpuri de pompe, arbori cotiţi, flanşe etc. Se simbolizează cu grupul de litere OT (oţel turnat) urmat de un grup de cifre care indică rezistenţa minimă la rupere Rm (N/mm2). În tabelul 1.4. se prezintă caracteristicile mecanice ale oţelului carbon turnat în piese, după tratamentul termic de normalizare.

Tabelul 1.4. Caracteristici mecanice ale oţelurilor carbon turnate în piese

Grupa Marca oţelului

Rezistenţa la rupere Rm [N/mm2]

Limita de curgere Rp o,2,

[N/mm2]

Alungireala rupere

A5 [%]

Rezilienţa

KCU [J/cm2]

Duritatea Brinell

HB (inf.)

OT 400 390 - 20 - 110 OT 450 440 - 18 - 124 OT 500 490 - 15 - 138 OT 550 540 - 12 - 153 OT 600 590 - 10 - 169

1

OT 700 690 - 6 - 179 OT 400 390 200 25 - 110 OT 450 440 240 22 - 124 OT 500 490 270 18 - 138 OT 550 540 310 15 - 153 OT 600 590 340 12 - 169

2

OT 700 690 410 10 - 179 OT 400 390 200 25 50 110 OT 450 440 240 22 40 124 OT 500 490 270 18 35 138 OT 550 540 310 15 30 153

3

OT 600 590 340 12 25 169

d) Oţeluri cu înaltă rezistenţă mecanică, sudabile Acestea sunt oţeluri slab aliate cu Mn, Si, Mo, Cr, Ni (max.2 % fiecare şi sub 5 % în total) cu structură austenică fină şi rezistenţa la rupere ridicată (Rm = 60…220 daN/ mm2). Ele sunt de două tipuri:

- oţeluri "non QT" (laminate la cald sau normalizate) a căror rezistenţă ridicată se datorează elementelor de aliere; ele se pot deforma la cald şi suda bine, fără pericol de fisurare.

- oţeluri "QT" a căror rezistenţă foarte ridicată se datorează atât elementelor de aliere cât şi unui tratament termic de îmbunătăţire, necesar în urma scăderii proprietăţilor mecanice după deformarea la cald sau sudare. Pe de altă parte, aceste oţeluri se împart frecvent în trei grupe: I - cu rezistenţă ridicată: Rm > 50 daN/ mm2 şi Rp > 31 daN/ mm2; II - suprarezistente: Rm = 70…90 daN/ mm2 şi Rp = 60…80 daN/ mm2; III - ultrarezistente: Rm = 140…200 daN/ mm2 şi Rp = 120…180 daN/ mm2. Din această categorie fac parte oţeluri ca: OL 52.3, OCS 52…OCS58, 15Cr08, R 58, 20Mn10, OLT 65. Oţelurile cu înaltă rezistenţă îşi găsesc o utilizare din ce în ce mai largă în construcţii aeronavale şi spaţiale, dar sunt utilizate şi în industrie pentru piese puternic solicitate sau expuse la presiuni mari: arbori de antrenare a rotorului principal, rezervoarele cilindrilor sub presiune, elemente ale cutiilor de viteze, angrenaje, pistoanele preselor pentru extrudat aliaje neferoase etc. e) Oţeluri pentru automate Întrucât prelucrarea prin aşchiere pe maşini-unelte automate este caracteristică pieselor mici, de serie foarte mare, în acest scop se utilizează preponderent oţeluri nealiate, de cementare sau îmbunătăţire cu 0,10…0,45 % C care conţin - în vederea obţinerii unei aşchieri mai uşoare cu viteze mari - şi S (0,1-0,3 %) şi P (0,04-0,15 %).

Sulful formează cu Mn incluziuni de sulfuri, care întrerup continuitatea masei metalice, asigurând formarea unor aşchii fărâmicioase, scurte. Prezenţa fosforului are efecte de fragilizare, mărind caracterul casant al aşchiilor şi conduce, de asemenea, la obţinerea unor suprafeţe netede, de

calitate superioară. De asemenea, se utilizează oţeluri pentru automate aliate şi cu alte elemente, spre exemplu cu 0,15…0,30 % Pb care are şi un efect lubrifiant, mărind durabilitatea sculelor aşchietoare de până la patru ori. Rezultate şi mai bune se obţin la aşchierea oţelurilor cu adaosuri de Te, Se, Bi sau Pb-Te, care permit mărirea vitezei de aşchiere cu peste 40 %. Oţelurile pentru automate pot fi supuse aceloraşi tratamente termice ca şi oţelurile cu compoziţii chimice similare, dar cu conţinuturi scăzute în S şi P.

Se simbolizează cu grupul de litere AUT urmat de un grup de cifre care indică conţinutul mediu de carbon exprimat în sutimi de procent. În tabelul 1.5. se prezintă caracteristicile mecanice ale oţelurilor pentru automate (STAS 1350-80).

Tabelul 1.5. Caracteristici mecanice ale oţelurilor pentru automate Caracteristici mecanice Duritatea

Brinell HB

Marca de

oţel

Starea materia-

lului Limita de curgere

[N/mm2]

Rezist.la rupere [N/mm2]

Alungirea A

[%] N R AUT 12 L 220 410…560 22 - 160 AUT 20 L 250 450…600 20 - 168 AUT 30 L - 510…660 15 - 183 AUT 40M L - 590…740 14 - 207

Notaţii: L - laminat la cald; N - normalizat; R - revenit

f) Oţeluri microaliate şi de înlocuire Aceste materiale sunt oţeluri microaliate cu anumite elemente în proporţii foarte mici (sutimi sau miimi de %) care micşorează granulaţia şi îmbunătăţesc călibilitatea. Astfel, oţelurile microaliate cu V (0,01…0,03 %), călite şi revenite înalt, au duritatea, rezistenţa la rupere Rm şi rezistenţa la curgere Rp mult superioare aceloraşi oţeluri fără V. Prezenţa unui adaos de 0,001 % B (în 40BCr10) conferă aceeaşi călibilitate ca şi 1,33 % Ni + 3,1 % Cr + 0,04 % Mo, economisindu-se astfel elemente de aliere scumpe, deficitare şi îmbunătăţindu-se concomitent proprietăţile mecanice. Alierea cu mai multe elemente în proporţii mici influenţează proprietăţile oţelurilor într-o măsură mai mare decât alierea cu un singur element în cantităţi mari.

REZUMAT În general, proprietăţile oţelurilor sunt influenţate de conţinutul de carbon:

caracteristicile lor de rezistenţă mecanică cresc, iar cele de plasticitate scad cu creşterea conţinutului de carbon.

Oţeluri carbon de uz general sunt oţeluri cu conţinut de carbon până la 0,6%, nealiate, disponibile sub formă de semifabricate deformate plastic la cald (laminate, forjate etc.), utilizabile în mod curent netratate termic.

Oţeluri carbon cu calitate sunt oţeluri nealitate cu compoziţie şi proprietăţi mecanice garantate (STAS 880-80) utilizate - tratate termic sau termochimic - pentru piese mai puternic solicitate mecanic.

Oţelurile aliate, datorită elementelor de aliere din compoziţia lor, sunt mai scumpe dar au proprietăţi, mai ales mecanice, mai ridicate.

Din punct de vedere tehnologic şi economic este mai avantajos ca piesele cu configuraţie complicată cărora li se cer rezistenţă şi tenacitate să fie executate nu prin forjare sau sudare, ci prin turnare din oţeluri adecvate.

MODULUL 3

OBIECTIVE

Obiectivele capitolului constau în prezentarea generală a materialelor neferoase.

Sunt prezentate aluminiul şi aliajele sale, magneziul şi aliajele sale, cuprul şi aliajele sale, zincul şi aliajele sale.

2. MATERIALE NEFEROASE

Materialele neferoase cele mai utilizate în industria constructoare de maşini pot fi clasificate astfel: - metale şi aliaje uşoare; - cupru şi aliaje de cupru; - zinc şi aliaje de zinc. 2.1. Metale şi aliaje uşoare

a) Aluminiu şi aliaje de aluminiu Aluminiul, datorită proprietăţilor sale - îndeosebi tehnologice (plasticitate la cald şi la rece, turnabilitate) - precum şi mai ales raportului favorabil dintre caracteristicile mecanice (susceptibile la îmbunătăţiri substanţiale prin tratamente mecanice sau termice) şi greutatea specifică mică ( γ = 2,7 g/cm3), are - în special sub formă de aliaje - o largă întrebuinţare în industrie. Se utilizează cu precădere pentru piese în mişcare rapidă, reclamând inerţie mică, diferite carcase, recipienţi pentru depozitat şi transportat etc. Conductivitatea termică relativ ridicată a aluminiului (0,52 cal / cm s oC) îi conferă utilizabilitate pentru piese cărora li se cere o viteză maximă de transport de căldură (pistoane de motor, schimbătoare de căldură etc.). Conductivitatea electrică ridicată (37 m / Ω mm2, cca. 62 % din cea a cuprului raportând la volum şi 190 % raportând la greutate), asigură utilizarea aluminiului şi în industria electrotehnică. Aluminiul este rezistent la coroziune în aer, apă dulce, într-o serie de acizi. La temperatură normală este inalterabil datorită formării unei pelicule compacte şi aderente de oxid (netoxic pentru organismul uman). Ca atare, aluminiul este utilizat în industria alimentară (vase, recipienţi, folii), iar aliajele lui în industria chimică, a petrolului etc. În construcţia de maşini, în afară de repere puţin solicitate, se utilizează de obicei aliajele de Al cu Cu, Mg, Zn, Mn, Si, Ni, Fe, elemente care, având solubilitate limitată şi variabilă în Al, conduc la îmbunătăţirea atât a proprietăţilor mecanice cât şi a celor tehnologice, făcând oportună aplicarea tratamentelor termice. Aliajele de aluminiu pot fi binare (Al - Cu, Al - Mg, Al - Mn, Al - Fe, Al - Ni) sau complexe. Cele folosite în construcţia de maşini sunt aliaje hipoeutectice, deci cu un conţinut redus al elementului de aliere. Aliajele de aluminiu se clasifică în următoarele categorii: aliaje deformabile şi aliaje pentru turnătorie; aliaje care nu se durifică prin tratament termic şi aliaje care se durifică prin tratament termic. Aliaje deformabile Aliajele care nu se durifică prin tratament termic (aliaje Al - Mn cu 1,0…1,6 % Mn) sunt utilizate pentru piese prelucrate prin ambutisare. Sunt utilizate, recoapte sau ecruisate sub formă de profile, table, benzi, pentru rezervoare, caroserii etc.

Aliajele de aluminiu care se durifică prin tratament termic (Duraluminuri slab, mediu sau bogat aliate) conţin şi Cu, Mg, Mn, Si, Zn. Duraluminul se deformează plastic, în general, la temperatura de 440…480 oC. Prezintă proprietăţi mecanice bune (Rm = 420…500 N/mm2, HB = 150), dar o rezistenţă redusă la coroziune, ceea ce impune placarea cu aluminiu. Aşchiabilitatea acestor aliaje este foarte bună, mai ales în cazul prezenţei unor adaosuri de 1…3 % Pb sau Bi. Dintre numeroasele utilizări ale Duraluminiului trebuie menţionate: suprastructuri de aeronave şi autovehicule, elice, piese pentru maşini de birou. Aliajele de aluminiu pentru turnătorie sunt aliajele Al-Si, Al-Cu, Al-Mg, Al-Zn precum şi polinare. Conţinutul de elemente de aliere este mai ridicat decât la aliajele deformabile, conducând la apariţia unei cantităţi de eutectic care conferă fluiditate, compactitate şi rezistenţă la tensiunile de contracţie după turnare. Aliajele de Al pentru turnătorie pot fi sau nu durificate prin tratamente termice, în funcţie de natura şi calitatea componentelor; efectul durificării este mai scăzut decât la aliajele deformabile, efect ce scade pe măsura creşterii cantităţii de eutectic.

Aliajele binare Al-Si (Siluminuri) sunt indicate pentru turnarea de piese cu pereţi subţiri şi configuraţie complicată, mai puţin solicitate sau lucrând în mediu coroziv (corpuri de pompe, răcitoare, fitinguri, blocuri motor, cartere, chiuloase etc.). Aliajele binare Al-Cu sunt mai puţin utilizate pentru că se toarnă relativ greu prin procedeele clasice şi au tendinţă de fisurare la solidificare. Sunt întrebuinţate în construcţii deosebite, în industria aviatică pentru construcţia de pistoane şi chiuloase de motor (ATCu4Ni2Mg2). Aliajele binare Al-Mg sunt cele mai uşoare aliaje de Al, cu rezistenţa mecanică destul de ridicată, foarte bună rezistenţă la coroziune şi aşchiabilitate excelentă. Aliajele Al-Zn, întotdeauna aliate şi cu Mg, Si sau Cu, au rezistenţă mecanică şi la coroziune reduse, sunt ceva mai grele, însă se elaborează uşor şi se toarnă bine. b) Aliaje de magneziu Magneziul are cea mai mică greutate specifică (γ = 1,75 g/cm3) dintre toate metalele utilizate în construcţia de maşini, dar rezistenţa şi plasticitatea lui sunt reduse (turnat Rm ≤ 10 daN/mm2, A=2 %, iar laminat, extrudat Rm = 18…20 daN/mm2, A = 5 %). Căldura sa specifică este mică, conductivitatea electrică mare şi rezistenţa la coroziune foarte scăzută; se topeşte la 650 oC. Se foloseşte cu precădere la elaborarea aliajelor pentru turnătorie sau deformabile (laminabile). Aliajele de Mg sunt foarte uşoare (γ < 2 g/cm3), au o rezistenţă mecanică suficientă (Rm = 30 daN/mm2) şi o bună rezistenţă la coroziune. Aliajele laminabile au fie bune proprietăţi mecanice (aliajele Mg-Al-Zn, Mg-Zn-Cr), fie rezistenţă la coroziune ridicată (aliajele Mg-Mn). Se utilizează sub formă de profile sau table pentru piese diverse. Aliajele pentru turnătorie au un conţinut mai mare de elemente de aliere, care conduc la obţinerea de eutectic, îmbunătăţind astfel turnabilitatea. Sunt utilizate pe scară largă în construcţii aeronavale (elice, trenuri de aterizare), pentru alte construcţii foarte uşoare, corpuri de pompe, cartere - motor, aparate foto - optice şi de birou etc. 2.2. Cupru şi aliaje de cupru Cuprul are importante caracteristici tehnice: plasticitatea bună la cald (la 700…950 oC) şi la rece, foarte ridicată conductivitate electrică şi termică (0,94 cal/cm.s.grd), rezistenţă la coroziune (în aer şi gaze uscate, apă, vapori de apă supraîncălziţi, unii acizi anorganici). Aceste proprietăţi mecanice, mai bune decât ale aluminiului, sunt totuşi prea scăzute, cuprul fiind utilizat în construcţia de maşini numai sub formă de aliaje (alame, bronzuri).

a) Alame Alamele utilizate practic sunt aliajele cuprului cu până la 45 % Zn, având proprietăţi mecanice şi tehnologice suficient de ridicate, superioare celor ale cuprului, precum şi o bună stabilitate la coroziune. Diagrama parţială a sistemului Cu-Zn, menţionând şi unele date asupra utilizării şi prelucrabilităţii diferitelor alame, se prezintă în figura 2.1.

Fig.2.1 Sistemul Cu-Zn de interes practic Alamele se pot clasifica după mai multe criterii: - după numărul de faze: monofazice şi bifazice; - după compoziţie: obişnuite (Cu + Zn) şi speciale (Cu + Zn + elemente de aliere); - după modul de prelucrare: pentru deformare plastică şi pentru turnătorie. Alamele obişnuite - sunt aliaje ale sistemului binar Cu-Zn, având doar elemente însoţitoare. Alamele speciale - conţin şi unele elemente de aliere (Sn, Mn, Al, Ni, Fe), care îmbunătăţesc unele caracteristici:

- Sn - max. 4% - măreşte rezistenţa la rupere, la coroziune şi densitate; - Mn - max. 4% - măreşte rezistenţa la rupere, la coroziune şi elasticitatea; - Al - max. 4% - măreşte rezistenţa la rupere, limita de curgere, densitatea, rezistenţa la

coroziune, însă determină creşterea fragilităţii; - Ni - max.14 % - măreşte rezistenţa la rupere, elasticitatea, alungirea, refractaritatea şi

rezistenţa la coroziune; - Fe - max.3,5 % - provoacă finisarea structurii, măreşte tenacitatea şi aşchiabilitatea.

Dacă conţinutul de cupru depăşeşte 80 % aliajele se numesc TOMBAC-uri, materiale (sub formă de table, benzi) foarte maleabile, care însă se prelucrează mai greu prin aşchiere. Alamele deformabile sunt prelucrate sub formă de profile, table, benzi, ţevi, sârme şi bare destinate pieselor prelucrate prin aşchiere. Ele se utilizează pentru piese ca: şuruburi (CuZn36 ... CuZn43Pb2), bucşe, lagăre aşchiate pe strunguri automate (CuZn36Pb1... CuZn39Pb3), scaune de ventile, fusuri, inele şi colivii de rulmenţi (CuZn40Mn).

Alamele pentru turnătorie se toarnă de obicei în cochilie, în amestecuri de formare şi mai rar sub presiune.

b) Bronzuri Aliajele cuprului cu o serie de elemente ca: Sn, Al, Pb, Si, Mn, Be, Ni ş.a. poartă numele de bronzuri.

Aliajele Cu-Sn se numesc bronzuri obişnuite, iar cele cu celelalte elemente se numesc bronzuri speciale. b.1) Bronzuri cu staniu Interes tehnic prezintă aliajele de Cu cu max. 25-30 % Sn, procentaj peste care devin dure şi fragile. Ele au în general proprietăţi mecanice bune, rezistenţă mare la coroziune (mediu ambiant, abur uscat şi umed, apă dulce şi sărată, gaze uscate etc.), turnabilitate şi laminabilitate bune. Bronzurile cu Sn se prelucrează prin turnare (cel mai bine dintre toate bronzurile) sau prin deformare plastică. b.2) Bronzuri cu aluminiu Importanţă tehnică prezintă aliajele de Cu cu max.10…12 % Al. Ele au proprietăţi mecanice net superioare celor cu Sn, bune proprietăţi tehnologice (mai ales turnabilitate), rezistenţă foarte ridicată la coroziune (de circa nouă ori mai ridicată decât cea a bronzurilor cu Sn). Bronzurile cu Al se prelucrează fie prin turnare, fie prin deformare plastică. Ele se utilizează pentru confecţionarea de piese presate (scaune de supape, glisiere, tije de pistoane), roţi dinţate, bucşe, flanşe etc. b.3) Bronzuri cu plumb Prezentând un interval extrem de mare de solidificare (peste 700 oC), o greutate specifică diferită a componenţilor şi insolubilitate a acestora, aliajul manifestă o segregaţie puternică, ceea ce impune condiţii speciale de turnare. Aliajele Cu - Pb (de exemplu CuPb25, STAS 1512-75) au o rezistenţă mecanică scăzută (Rm = 6 daN/ mm2), motiv pentru care la confecţionarea lagărelor - în general pentru presiuni mari şi viteze reduse - se toarnă de obicei sub formă de straturi subţiri (0,4…0,7 mm) într-o carcasă din oţel. Matricea bogată în Cu asigură duritate ridicată, rezistenţă şi conductivitate termică, iar granulele de Pb (insolubile) conferă proprietăţi de alunecare. b.4) Bronzuri cu siliciu Interes practic prezintă aliajele Cu - Si la care conţinutul de Si nu depăşeşte 4…5 %, deoarece peste acest procent scade plasticitatea. Aceste aliaje au înaltă plasticitate la rece şi la cald, bune proprietăţi de turnare, înalte caracteristici mecanice şi antifricţiune, se sudează şi se lipesc foarte bine, sunt nemagnetice, îşi păstrează în mare măsură caracteristicile mecanice la temperaturi joase, au bună rezistenţă la coroziune, în apă dulce, apă de mare, gaze uscate. Se utilizează pentru piese obţinute prin turnare de precizie (bucşe, cuzineţi) sau pentru elaborarea de sârme, bare, table obţinute prin laminare, din care se execută piese diverse (şuruburi, cleme, componente de motoare aviatice etc.) b.5) Bronzuri cu mangan Acestea conţin de obicei 5…15 % Mn aflat în soluţie cu Cu, au înaltă plasticititate, îşi păstrează rezistenţa mecanică ridicată şi la temperaturi mai înalte (până la 400…500 oC), sunt rezistente la coroziune.

Ele sunt utilizabile pentru confecţionarea de armături, ventile, conducte pentru aburi, mai ales supraîncălziţi, arcuri exploatate la temperaturi înalte, organe de maşini puternic solicitate (roţi dinţate cilindrice, elicoidale, rulmenţi cu bile, şuruburi etc.).

b.6) Bronzuri cu beriliu Acestea sunt aliaje de Cu cu 2…2,7 % Be, bifazice, care se pretează foarte bine tratamentului termic de durificare prin precipitare. În urma acestuia, ele ajung la caracteristici mecanice foarte ridicate şi anume până la Rm = 150 daN/mm2, A = 2…3 % şi 350…450 HB, iar în cazul şi a unor adaosuri de 0,2…0,5 % Ni, până la Rm = 180 daN/mm2 şi duritate 500 HB. În stare călită aceste bronzuri sunt plastice (A = 30…35 %), se prelucrează uşor prin presare şi aşchiere, au sudabilitate corespunzătoare şi bună rezistenţă la coroziune. Sunt utilizabile pentru confecţionarea arcurilor speciale (membrane, diafragme), a pieselor de maşini (de ex. pompe) puternic solicitate, inclusiv la şocuri şi la coroziune, a instrumentelor de precizie, uneltelor şi sculelor anti-explozive (prin lovire nu produc scântei). b.7) Bronzuri cu nichel

Aceste aliaje se caracterizează printr-o rezistenţă bună la rupere, elasticitate ridicată, o foarte bună alungire, maleabilitate şi rezistenţă la coroziune. Aliajele utilizate curent în tehnică sunt: - aliaje cu 20 % Ni - foarte plastice, rezistente la coroziune şi temperaturi înalte; - aliaje cu 25 % Ni - aliaje pentru monede, de culoare albă; -aliaje cu 32 % Ni (Nichelina) şi 40…45 % Ni (Constantanul), cu rezistivitate electrică mare, folosite ca rezistenţe în electrotehnică. 2.3. Zinc şi aliaje de zinc Zincul are ca principală caracteristică stabilitatea chimică foarte ridicată în atmosfera ambiantă şi în apă, ca urmare a formării unei pelicule de oxid, protectoare. Totodată, el se toarnă foarte bine, se poate lamina uşor în table, benzi, sârme (având astfel Rm = 12…16 daN/mm2, A = 35…40 % şi duritatea 35…35 HB), se poate suda şi lipi. Se utilizează ca strat de protecţie a unor produse din oţel, ca anozi pentru elemente galvanice, la fabricarea ZnO şi la elaborarea aliajelor. Aliaje de zinc Principalele elemente de aliere sunt Al şi Cu, existând atât aliaje de Zn pentru turnătorie (STAS 6925/1-76, STAS 6925/2-77), cât şi deformabile. Rezistenţa la oboseală a aliajelor de Zn este de 7…9 daN/mm2 la 20x106 cicluri. Fiind susceptibile la fluaj chiar la temperatura normală, ele sunt utilizabile doar la temperaturi cuprinse între 0…80 oC. Datorită excelentei turnabilităţi, aliajele de Zn sunt dintre puţinele aliaje grele folosite ca materiale cu largă utilizare, solicitate preponderent mecanic, în construcţia de maşini. Se recomandă îndeosebi pentru confecţionarea (prin turnare sub presiune) de piese mici, cu grosimi ale pereţilor g > 0,6 mm, cu găuri dificile, de Φ > 0,8 mm şi precizie deosebită, cu toleranţe de ± 0,02 mm la dimensiuni nominale de 15 mm (de ex. corpurile carburatoarelor, piese pentru mecanică fină, roţi dinţate, armături, robinete, cuzineţi etc.).

REZUMAT Materialele neferoase cele mai utilizate în industria constructoare de maşini pot fi clasificate astfel: - metale şi aliaje uşoare (aluminiu şi magneziu); - cupru şi aliaje de cupru;

- zinc şi aliaje de zinc.

MODULUL 4

OBIECTIVE Prezentarea generală a modului de obţinere a materialelor sinterizate,

avantajele acestor materiale, operaţiile complementare şi domeniile de utilizare.

3. MATERIALE SINTERIZATE

Se obţin prin procedeele metalurgiei pulberilor (figura 1), care dau posibilitatea de a se asocia metale foarte diferite între ele sau metale şi materiale ceramice.

Fig. 1

1

Procesul tehnologic de fabricaţie a produselor sinterizate este fundamental deosebit de tehnologia metalurgiei clasice, unde semifabricatele obţinute prin turnarea metalelor şi aliajelor topite, sunt prelucrate prin laminare, forjare, matriţare şi aşchiere complexă pe maşini - unelte,

operaţii, costisitoare şi de lungă urată.

in direct rmele adul de

tilizar

fi elaborate prin procedeele lasice u şi wolfram-cupru-

ncipal de

te.

ajungând astfel până la piesele finite printr-un număr mare de d Avantajele pieselor obţinute prin sinterizare sunt multiple: ► piesele sunt obţinute fără ca metalele şi aliajele să treacă prin faza topită, se obţfo , dimensiunile şi calitatea cerute, se realizează economii de timp şi manoperă, gru e a metalelor este aproape 100%, iar pierderile energetice se reduc cu aproape 15%; ► piesele au o compoziţie precisă şi uniformă, cu o mare constanţă a proprietăţilor; ► pot fi obţinute materiale şi produse metalice care nu potc (wolframul şi alte metale greu fuzibile, pseudoaliajele wolfram-cuprargint, materialele poroase pentru filtre şi lagăre autolubrifiante etc.); ► pot fi uşor realizate proprietăţi specifice şi noi asocieri ale acestora; ► fabricaţia este economică numai la număr mare de piese sinterizate (peste 10.000 buc.) şi este limitată de configuraţia şi dimensiunile reperelor (secţiuni maxime de cca.150…200 cm2). ► rezistenţa materialelor sinterizate feroase este comparabilă cu cea a fontelor cenuşii, metalelor uşoare şi aliajelor lor (Al, Mg) sau a oţelurilor carbon (nealiate) şi depinde în priporozitate. Rezistenţa pieselor sinterizate poate fi ridicată şi printr-o serie de elemente de aliere - îndeosebi C (0,4…1 %), Cu, Ni (ambele sub 5%), Mo, Cr etc. - precum şi prin tratamen La unele produse, după operaţia de sinterizare se mai aplică una sau două operaţii complementare cu scopul de a îmbunătăţi unele proprietăţi ale materialului sinterizat:

atamente termice: în principiu se pot aplica toate tipurile de tratamente termice şi

- calibrare, care constă într-o presare în matriţe de calibrare; se aplică atunci când se cere o precizie dimensională foarte mare; - îmbibare cu lubrifianţi lichizi a pieselor sinterizate poroase; se aplică în special pentru obţinerea proprietăţii de autolubrifiere a lagărelor; - aşchiere, utilizată numai la produse unicat sau de serie mică din două motive: preţul de cost creşte, iar calitatea suprafeţei şi porozitatea sunt influenţate negativ. - trtermochimice cunoscute, care sunt compatibile cu compoziţia şi structura iniţială a aliajului sinterizat. - infiltrare cu metale sau aliaje topite; permite obţinerea unor produse cu o porozitate minimă (compactitatea putând fi majorată până la 98,9%) şi proprietăţi mecanice deosebit de bune. Domeniile de utilizare ale materialelor sinterizate sunt foarte largi, în concordanţă cu

te anterior. Dintre numeroasele domenii de utilizare, se

că la gripare, o întreţinere foarte uşoară, o funcţionare silenţioasă şi o însemnată economie de lubrifiant. Pot lucra fără nici o ungere suplimentară mii de ore, respectiv o perioadă de mai mulţi ani.

proprietăţile deosebite care au fost prezentaprezintă în continuare câteva exemple de materiale şi grupe de produse obţinute prin sinterizare. Cuzineţi poroşi autolubrifianţi Sunt fabricaţi pe bază de pulberi de fier sau bronz (figura 2). Prin impregnarea cu ulei a porilor, care pot ajunge până la 30 % din volumul piesei, se asigură caracteristici funcţionale deosebit de bune: un coeficient de frecare redus, o rezistenţă bună la uzare şi tendinţă mi

2

Fig.2 Soluţii constructive pentru cuzineţi poroşi autolubrifianţi 1 - bucşă sinterizată îmbibată în ulei; 2 - inel de pâslă îmbibat în ulei

Utilizări: lagăre mai puţin încărcate ale automobilelor, avioanelor, maşinilor - unelte şi ale maşinilor agricole; lagărele maşinilor textile şi ale industriei alimentare, ale motoarelor electrice de mică putere, ale maşinilor de birou şi aparatelor de mecanică fină, precum şi toate lagărele magnetofoanelor, casetofoanelor, maşinilor de spălat rufe, uscătoarelor de păr, aparatelor electrice de ras, ale altor aparate şi maşini cu largă utilizare. Filtre şi electrozi poroşi sinterizaţi Filtrele sunt produsele sinterizate de mare porozitate, utilizate pentru filtrarea diferitelor lichide şi gaze. Au o porozitate fină şi uniformă, reglabilă după dorinţă între limite foarte largi (25...50 %). Sunt fabricate din pulberi de bronz cu granule sferice, iar pentru utilizări deosebite, din pulberi de oţel, de oţel inoxidabil, monel, nichel, wolfram, molibden etc. Electrozii poroşi au devenit de neînlocuit în fabricarea bateriilor de acumulatoare şi a pilelor electrice moderne. Sunt fabricaţi sub formă de plăci subţiri, din pulberi metalice de nichel şi de argint. Piese feroase şi neferoase sinterizate, pentru maşini O mare varietate de piese de rezistenţă pentru construcţia de maşini şi aparate sunt fabricate din pulberi metalice. La aceste produse sinterizate se aplică metode de îmbunătăţire a preciziei şi a rezistenţei mecanice (utilizarea unor pulberi de calitate superioară, optimizarea tuturor parametrilor de presare şi de sinterizare, dublă presare, calibrare, aliere, tratamente termice, infiltrare cu alt metal topit etc.). Piesele tipice sunt: bucşe, came, pârghii, came cu sector dinţat, roţi dinţate cilindrice şi conice, roţi de lanţ, palete, pistoane şi segmenţi de pistoane pentru motoare şi compresoare, piese polare pentru maşinile electrice etc. La proiectarea acestor piese trebuie să se ţină seama de particularităţile tehnologiei metalurgiei pulberilor (figura 3).

3

Fig.3

Materiale de fricţiune din pulberi metalice Sunt materiale complexe, cu baza de fier, cupru sau bronz şi conţin până la 35% componenţi nemetalici (grafit, SiO2, Al2O3, carbură de siliciu, azbest etc.). Sunt utilizate la discurile frânelor şi ambreiajelor moderne, de mare capacitate şi cu volum (gabarit) cât mai redus. Asigură un coeficient de frecare ridicat, o bună conductivitate termică, o rezistenţă mare la uzare, un coeficient mic de dilatare şi suportă temperaturi foarte înalte.

Aliaje dure sinterizate şi plăcuţe mineraloceramice Sunt fabricate de obicei din granule de carbură de wolfram şi de titan, aglomerate de către cobaltul introdus ca liant la sinterizare, din pulbere de oxid de aluminiu, din policristale de diamant sau nitrură cubică de bor (figura 4).

Fig.4

4

Au o duritate deosebit de mare, o rezistenţă foarte mare la uzare şi suportă fără deteriorare temperaturi deosebit de ridicate, chiar peste 1000 oC. Utilizări: armarea sculelor aşchietoare, a sapelor de foraj, fabricarea matriţelor de presare sau de deformare plastică, fabricarea ştanţelor de mare productivitate, a filierelor de trefilare, duzelor în instalaţiile de sablaj, fabricarea balanţelor, a instrumentelor de măsură şi control etc. În tabelul 1 se prezintă comparativ, pentru mai multe materiale de scule aşchietoare, durităţile acestora. Tabelul 1. Durităţi ale unor materiale pentru scule aşchietoare

Denumirea materialului Duritatea KNOOP [GPa] Scule din oţel călit Carburi metalice Carbură de wolfram (WC) Mineralo-ceramice (Al2O3) Carbură de titan (TiC) Carbură de bor (B4C) Nitrură cubică de bor (NCB) Diamant

7 14…10 10 20 24,7 2 45…90 65…100

Materiale refractare sinterizate

Aceste materiale trebuie să satisfacă o serie de condiţii foarte grele: temperatură de topire cât mai ridicată, proprietăţi mecanice bune, bună rezistenţă la oxidare, rezistenţă la şocuri termice, densitate mică. Materialele care satisfac aceste cerinţe severe, pot fi grupate în trei categorii: ► metale greu fuzibile ca W, Mo, Ta, Nb etc., precum şi aliajele acestora; ► materiale refractare pe bază de carburi, boruri, nitruri, siliciuri şi alţi compuşi cu temperatura de topire foarte înaltă; ► materiale pe bază de oxizi metalici greu fuzibili şi lianţi metalici, cunoscuţi sub denumirea de cermeţi. Utilizări: filamentele, grilele, anozii şi catozii din becuri, lămpi cu mercur, lămpi cu vapori de sodiu, tuburi fluorescente, tuburi electronice, tuburi pentru raze X etc; elementele de încălzire a cuptoarelor speciale pentru temperaturi foarte ridicate; duzele de ejectare a gazelor fierbinţi în motoarele cu reacţie şi sistemele de propulsie a rachetelor, respectiv navelor cosmice; paletele de turbine rezistente la gaze cu foarte înalte presiuni şi temperaturi; electrozii neconsumabili pentru sudare (cu argon, la metoda arcatom etc.).

REZUMAT Materialele sinterizate se obţin prin procedeele metalurgiei pulberilor. ► pot fi uşor realizate proprietăţi specifice şi noi asocieri ale acestora; ► piesele au o compoziţie precisă şi uniformă, cu o mare constanţă a proprietăţilor; ► pot fi obţinute materiale şi produse metalice care nu pot fi elaborate prin procedeele clasice; ► piesele sunt obţinute fără ca metalele şi aliajele să treacă prin faza topită; ► rezistenţa materialelor sinterizate feroase este comparabilă cu cea a fontelor cenuşii, metalelor uşoare şi aliajelor lor.

5

MODULUL 5

OBIECTIVE

Obiectivele capitolului constau în prezentarea generală a materialelor compozite.

Sunt prezentate proprietăţile principale, structura şi organizarea internă, domeniile de utilizare.

4. MATERIALE COMPOZITE Materialele compozite sunt materiale cu proprietăţi anizotrope, formate din mai multe componente, a căror organizare şi elaborare permit folosirea caracteristicilor celor mai bune ale componentelor, astfel încât materialul rezultat să posede proprietăţi finale generale, superioare componentelor din care este alcătuit. Principalele proprietăţi ale materialelor compozite sunt:

- densitate mică în raport cu metalele (compozitele din răşini epoxidice armate cu fibre de Si, B şi C au densitate sub 2 g/cm3);

- rezistenţă sporită la tracţiune, la şoc şi abraziune (de exemplu, în tabelul 1 se prezintă comparativ cinci materiale şi lungimea la care se rupe o bară cu secţiunea de 1 cm2 sub greutatea proprie);

Tabelul 1. Compararea rezistenţei la rupere pentru unele materiale

Materialul Oţel Titan Aluminiu Sticlă Fibre de carbon

Lungimea, [km] 5,44 15,6 19,95 24,6 78,8

- coeficient de dilatare foarte mic în comparaţie cu metalele; - durabilitate mare în funcţionare (în aceleaşi condiţii de funcţionare, 1 kg de kevlar

înlocuieşte 5 kg de oţel la o durată de funcţionare echivalentă); - capacitate mare de amortizare a vibraţiilor (de circa 3 ori mai mare decât Al); - siguranţă mare în funcţionare (ruperea unei fibre dintr-o piesă fabricată din materiale

compozite nu constituie amorsă de rupere imediată a piesei); - rezistenţă îndelungată la agenţi atmosferici (oxidare, coroziune etc.); - stabilitate chimică şi termică la temperaturi înalte (fibrele de kevlar, teflon, hyfil până la

500 0C iar fibrele ceramice de tip SiC, S3N4 şi Al203 până la 1400 0C); - în procesul de elaborare nu solicită instalaţii complexe şi consumuri energetice mari în

comparaţie cu materialele metalice. Având în vedere proprietăţile deosebite ale materialelor compozite, acestea se utilizează în numeroase domenii:

- domeniul construcţiei de maşini (lagăre – figura 1, rotoare de compresoare centrifugale, palete de ventilatoare, biele, scule aşchietoare, scule pentru deformări la rece sau la cald etc.);

- domeniul aerospaţial (structuri de aeronave – figura 2, componente ale motoarelor funcţionând în regim termic ridicat, sisteme de frânare etc.);

- domeniul transportului naval ( structuri pentru ambarcaţiuni sportive şi nave uşoare, elemente puternic solicitate ale motoarelor etc.);

- domeniul transportului rutier (caroserii pentru autovehicule, sistemul de alimentare cu combustibil, panoul de comandă – figura 3, sistemul de frânare etc.);

- domeniul electronicii şi electrotehnicii (componente pasive – piese diverse pentru imprimante, conductoare, conectoare, componente active – capsule pentru circuite integrate etc.);

- domeniul medical (proteze), casnic etc.

1

Fig.1 Lagăre (bronz+grafit)

Fig.2 Profiluri pt. suprastructuri (poliester+fibre de sticla)

Fig.3 Panou de bord Ford Explorer (termoplaste+fibre de sticlă)

2

Un material compozit este alcătuit din: ► matrice ► materialul de ranforsare. Matricea constituie în general liantul în care sunt impregnate materialele de ranforsare. Rolul său este de a prelua şi a transmite solicitările materialului de ranforsare şi a constitui împreună cu acestea elementele de rezistenţă ale compozitului. Materialul de ranforsare este alcătuit din fibre sau particule diverse (oxizi, nitruri, carburi, boruri etc.). Prin urmare, după arhitectura lor internă, materialele compozite se pot clasifica astfel:

- materiale compozite armate cu fibre (fig. 4., a); - materiale compozite disperse (fig.4, b); - materiale compozite stratificate (fig.4, c).

Fig.4 Materiale compozite

4.1. Materialele compozite armate cu fibre Matricea are rolul de a lega fibrele într-un tot unitar, de a le proteja împotriva acţiunii factorilor externi agresivi şi de a asigura o serie de proprietăţi fizico – chimice. În funcţie de natura materialului, ea poate fi metalică, ceramică sau polimerică. Matricea metalică este realizată dintr-un aliaj cu bază de Ni sau Co, îmbunătăţit prin aliere cu W, Mo, V, Al, Zr sau B, sau din metale pure ca Al, Ti, Ni, W, Mo etc. Matricea ceramică este realizată din Cr2O3 sau sticlă. Avantajul acestui tip de matrice îl constituie compatibilitatea fizică şi chimică ridicată cu fibrele la temperatură înaltă. Matricea polimerică este constituită din materiale termoplaste sau materiale termorigide. Dintre materialele termoplaste sunt mai des utilizate polietilena, polipropilena, ABS-ul (acrilonitril – butadienstiren), policarbonaţii, poliamidele, PTFE-ul ( politetrafluoretilena), iar dintre materialele termorigide, răşinile epoxidice. Fibrele interioare au rolul de a prelua sarcinile mecanice la care este supus materialul, acţionând ca o barieră în calea deplasării dislocaţiilor. Cele mai utilizate sunt fibrele metalice, ceramice, de carbon , de sticlă, de bor, mixte etc.

3

Fig.5 Geometria compozitului şi a elementului de ranforsare Principalele proprietăţi ale unor fibre utilizate la elaborarea materialelor compozite sunt prezentate în tabelul 2, iar principalele forme ale fibrelor şi ţesăturilor, în figurile 6 şi 7.

4

Tabelul 2. Proprietăţi ale materialelor fibroase

Tipul fibrei Greutatea specifică [g/cm3]

Rezist. la rupere la tracţiune

[daN/mm2]

Modulul de elasticitate E,

[daN/mm]

Temperatura de topire, [0C]

Carbon 1,50 245 21000 3650 B 2,34 300 40000 2300 W 19,4 405 42000 3400 Mo 10,2 215 37000 2620 Sticlă 2,55 350 7100 700 Oţel special 7,7 420 20000 1400 SiC pe miez de W 4,09 210 49000 2690 B4C pe miez de W 2,36 235 49000 2450

Fig.6 Tipuri de fibre

Fig.7 Tipuri de ţesături

Comportamentul mecanic al materialelor compozite unidirecţionale se prezintă în diagrama din figura 8.

5

Fig.8. Curba tensiune – deformaţie a unui compozit unidirecţional Rezistenţa la rupere RC şi modulul de elasticitate EC ale compozitului pot fi calculate utilizând relaţiile: RC = Vf ⋅ Rf + Vm ⋅ Em ⋅ εf, EC = Vf ⋅ Ef + Vm ⋅ Em, În care : V - % din volum; ε - alungirea la rupere; indicii c, f, m – indică materialul compozit, fibra, respectiv matricea. Exemple: compozitul cu matricea din aluminiu şi fibrele din B acoperite cu B4C (rezistenţa la rupere la încovoiere de 90 daN/mm2, suportă 107 cicluri de solicitări la eforturi de peste 80 % din rezistenţa la rupere), compozitul cu matricea din aluminiu şi fibrele din sticlă (rezistenţa 130…400 daN/mm2, alungirea cca.5 %), compozitul cu matrice polimerică şi fibre aramidice KEVLAR 49 (rezistenţa 130 daN/mm2 la o greutate specifică de 1,38 g/cm3 ) etc. 4.2. Materiale compozite disperse.

La aceste materiale, matricea este armată cu particule, dispersate uniform în masa materialului. Matricea are rolul de a prelua sarcinile mecanice, iar particulele disperse au rolul de a se împotrivi propagării dizlocaţiilor, ridicând astfel proprietăţile mecanice ale matricei. Matricea poate fi şi în acest caz metalică, ceramică sau polimerică, iar particulele disperse pot fi oxizi (Al2O3, Cr2O3, MgO, SiO2, ZrO2), carburi (SiC, TiC), boruri (Cr3B2, TiB2, ZrB2), siliciuri (MoSi2), nitruri (TiN, Si3N4) etc. Principalele proprietăţi ale unor materiale de ranforsare sub formă de particule utilizate pentru materiale compozite se prezintă în tabelul 3.

6

Tabelul 3. Proprietăţi ale unor materiale disperse

Tipul fibrei Greutatea specifică, [g/cm3]

Rezistenţa la rupere,

[daN/mm2]

Modulul de elasticitate E,

[daN/mm]

Temperatura de topire, [0C]

Al2 O3 3,96 2100 43000 2040 Be O 2,85 1400 35000 2570 Si C 3,18 2100 70000 2690 B4 C 2,52 1400 49000 2450 Si N4 3,18 1400 38500 1900 Grafit 1,7 2800 72000 3870

De exemplu, compozitul pe bază de siliciu (materialul de ranforsare) şi cordierit (pulberi de MgO, Al2O3, şi SiO2 – matricea) se caracterizează printr-o conductivitate termică scăzută, rezistenţă mecanică înaltă şi stabilitate înaltă la oxidare, compozitul pe bază de răşină epoxidică şi răşină poliesterică (matricea) şi ferită (materialul de ranforsare) se caracterizează prin rigiditate ridicată, caracteristici mecanice de amortizare şi stabilitate chimică bune etc. 4.3. Materiale compozite stratificate Sunt obţinute prin aplicarea, la suprafaţa materialului de bază, a unui strat din alt material. Aplicarea acestui strat din alt material cu proprietăţi diferite de cele ale materialului de bază se realizează cel mai des prin turnare, sudare sau laminare. Principalul avantaj al acestor materiale este de ordin conomic şi de ordin calitativ, deoarece prin utilizarea lor se economisesc importante cantităţi de materiale scumpe sau deficitare, îmbunătăţindu-se, în acelaşi timp, calităţile produselor şi mărindu-se durata lor de funcţionare în condiţiile unor performanţe ridicate. Câteva exemple de asemenea materiale compozite sunt:

- duraluminiul, cu rezistenţă ridicată la rupere, placat cu aluminiu pur, cu rezistenţă ridicată la coroziune;

- oţeluri carbon, ieftine, placate cu oţeluri de scule cu duritate ridicată şi rezistenţă la uzare sau cu oţeluri inoxidabile rezistente la coroziune;

- plăcuţele din oxid de aluminiu placate cu nitrură de titan (utilizate pentru părţile active ale sculelor aşchietoare) etc. În afară de materialele compozite bicomponente, prezentate mai sus, se utilizează şi compozite tricomponente (tip “sandwich”). De exemplu, pentru împiedicarea difuziunii carbonului dintr-un oţel în altul, se poate interpune prin placare un strat de nichel, care nu permite difuziunea prin el a carbonului. Tot un material tip “sandwich” este prezentat în figura 9. El este alcătuit din două plăci subţiri din metal (de exemplu aluminiu, titan sau oţel), între care se găseşte o structură tip fagure, din material mai dur (duraluminiu sau aliaj de titan), rezultând un material compozit deosebit de rezistent şi rigid. În figurile 10 şi 11 se prezintă structura unui material compozit utilizat la confecţionarea compact – discurilor utilizate pentru stocarea datelor. Materialele compozite sunt materiale cu proprietăţi anizotrope, formate

din mai multe componente, a căror organizare şi elaborare permit folosirea caracteristicilor celor mai bune ale componentelor, astfel încât materialul rezultat să posede proprietăţi finale generale, superioare componentelor din care este alcătuit.

7

Fig.9. Material compozit tip “sandwich”

8

Fig.11 Discul din policarbonat înainte de metalizare

LAC PROTECTOR

ALUMINIU

POLICARBONAT 99%

ETICHETĂ

Fig. 10 Structura unui CD

MODULUL 6

OBIECTIVE

Obiectivele capitolului constau în prezentarea generală a proceselor de coroziune şi a metodelor de protecţie împotriva acestora.

Sunt prezentate apoi grupele principale de materiale rezistente la coroziune.

5. MATERIALE REZISTENTE LA COROZIUNE

5.1. Coroziunea metalelor şi aliajelor. Coroziunea metalelor constă în distrugerea spontană, parţială sau totală, a acestora, în urma unor reacţii chimice, biochimice sau electrochimice survenite în cursul interacţiunii cu mediul înconjurător. Coroziunea are efecte dintre cele mai nefaste, datorită ei pierzându-se anual mari cantităţi de metale. Unele aprecieri consideră că, în general, din întreaga cantitate de oţel produsă anual în lume, cca. 30 % se transformă în rugină, ca urmare a proceselor de coroziune. Coroziunea se clasifică după mai multe criterii, şi anume:

► după natura agentului agresiv: - coroziune uscată (ce implică reacţii în gaze la temperaturi ridicate); - coroziune umedă (ce presupune prezenţa umidităţii sau a unui lichid).

► după mecanismul coroziunii: - coroziune chimică; - coroziune biochimică; - coroziune electrochimică.

► după aspectul exterior al metalului corodat: - coroziune generalizată (este afectată întreaga suprafaţă a metalului); - coroziune localizată (sunt atacate doar zone, respectiv suprafeţe mici):

- coroziune localizată macroscopică (coroziunea punctiformă - pitting, selectivă, galvanică etc.);

- coroziune localizată microscopică (coroziunea intercristalină sau fisurantă sub tensiune).

Coroziunea generală de suprafaţă (figura 1) se manifestă prin atacarea suprafeţei metalului, de obicei în mod uniform, dar şi neuniform, sub formă de pete. Pelicula formată este pasivă din punct de vedere chimic faţă de agentul coroziv şi astfel metalul de bază devine anticoroziv prin pasivare.

Fig.1. Coroziune generală de suprafaţă

Coroziunea punctiformă (prin ciupituri - pitting) se manifestă (figura 2) prin atacarea numai în anumite puncte a suprafeţei metalului. Atacul progresează în adâncime, provocând orificii adânci, care pot duce la perforare. Această formă de coroziune este periculoasă deoarece este greu de supravegheat.

Fig.2. Coroziune punctiformă

Coroziunea selectivă (figura 3) se manifestă prin atacarea numai a unui constituent sau prin dizolvarea soluţiilor solide, din care un component se separă iarăşi ca metal. Un exemplu frecvent, şi în acelaşi timp periculos, de astfel de coroziune este, “ dezincarea” alamei.

Fig.3. Coroziune selectivă

Coroziunea intercristalină (figura 4) se manifestă printr-un atac produs de-a lungul limitelor grăunţilor cristalini, consecinţa fiind o deteriorare a structurii, urmată de scăderea rezistenţei materialului metalic. În cazuri extreme se produce o dezagregare a constituţiei metalului, acesta transformându-se în pulbere. In cazurile uşoare, coroziunea intercristalină se manifestă prin apariţia de fisuri, cel mai frecvent cu ocazia unor operaţii de deformare plastică a metalelor.

Fig.4. Coroziune intercristalină

Coroziunea fisurată sub tensiune (figura 5) poate să apară sub efectul unor tensiuni remanente existente în metal şi ea se produce la punerea lui în exploatare chiar în medii puţin agresive.

Fig. 5. Coroziune fisurantă sub tensiune

5.2 Metode de protecţie împotriva coroziunii Protecţia împotriva coroziunii reprezintă totalitatea măsurilor care se iau pentru a feri materialele metalice sau nemetalice, folosite la construcţia maşinilor şi instalaţiilor, de acţiunea distructivă a mediului înconjurător. Diferitele metode de protecţie contra coroziunii se prezintă în figura 6.

Metode de protecţie contra

coroziunii

Fig. 6. Metode de protecţie împotriva coroziunii

Protecţie activă

Evitarea coroziunii

Protecţie pasivă Influenţarea mediului coroziv

Menţinerea la distanţă a substanţelor

agresive

Alegerea corespunză-toare a materialului şi

formei piesei

Straturi de protecţie şi acoperiri artificiale

a) Protecţia anticorozivă prin schimbarea compoziţiei. Materialele obişnuite, supuse procesului de coroziune, se vor înlocui cu materiale rezistente la coroziune, dintre cele prezentate în cap. 5.3. b) Protecţia anticorozivă prin proiectare. Proiectarea trebuie să ţină cont de toate condiţiile impuse de procesul tehnologic ale cărui maşini şi instalaţii se proiectează, de proprietăţile fizice şi mecanice ale materialelor, de acoperirile de protecţie corespunzătoare (acolo unde sunt necesare), de metodele de asamblare, uşurinţa de fabricare şi de preţul de cost. Exemplul 1: In proiectarea pieselor trebuie să se evite pe cât posibil cavităţile

orizontale, crestăturile, şi zonele în care umiditatea poate fi reţinută (figura 7).

Fig.7. Reducerea coroziunii prin proiectare corectă Exemplul 2: Coroziunea prin contact sau galvanică apare în cazurile în care metalele cu potenţiale de electrod diferite sunt legate între ele iar conductivitatea electrică este asigurată de existenţa unui electrolit (chiar şi umiditatea condensată din atmosferă). Se va acorda o atenţie deosebită proiectării subansamblurilor din cupluri de materiale cum sunt: aluminiu – oţel (figura 8), aluminiu - fontă, aluminiu - aliaje de cupru, oţel - cupru, oţel - alamă, oţel - plumb etc.

Fig.8. Prevenirea coroziunii prin contact

c) Protecţia anticorozivă prin acoperiri. In multe cazuri nu este justificată utilizarea unui aliaj scump, rezistent la coroziune, ci se poate utiliza un material obişnuit, care însă va trebui protejat contra coroziunii prin acoperiri (procedee pasive). Schematizat, metodele anticorozive prin protecţie pasivă se prezintă în figura 9. Oxidare

Fig. 9. Metode anticorozive prin protecţie pasivă

Protecţia anticorozivă

pasivă

Acoperiri anorganice

Acoperiri metalice

Acoperiri nemetalice

Fosfatare

Imersie la cald

Metalizare

Difuzie

Placare

Vopsire, emailare

Acoperirile cu peliculă de oxizi sunt posibile atât în cazul materialelor metalice feroase cât şi în cazul celor neferoase. Acoperirile cu pelicule de fosfaţi (fosfatările) constau în formarea pe suprafaţa metalului de protejat, a unor fosfaţi stabili, foarte greu solubili în apă. Acoperirile prin imersie la cald sunt posibile numai dacă există posibilitatea ca între cei doi parteneri să se poată forma aliaje (de ex. zincul şi aluminiul se aliază cel mai uşor cu oţelul). Acoperirile prin metalizare sunt procedee termo-mecanice de acoperire a unei suprafeţe metalice cu un alt metal. Metalul care se depune se topeşte la flacăra unui arzător şi se pulverizează cu ajutorul unui fluid sub presiune pe suprafaţa care trebuie metalizată. Metalele cele mai frecvent utilizate pentru metalizare sunt zincul, plumbul, aluminiul, staniul, cuprul şi aliajele sale, molibdenul, nichelul şi oţelurile inoxidabile. Acoperirile prin difuzie termică constau în îmbogăţirea suprafeţei unui metal obişnuit cu alte metale mai stabile din punct de vedere chimic. Cromizarea (depunerea cromului prin difuzie) permite creşterea rezistenţei la coroziune a pieselor din oţel şi conferă acestora o mai mare stabilitate la temperaturi ridicate. Alitarea (depunerea aluminiului prin difuzie) se aplică pieselor din oţel, cupru sau alamă, crescând rezistenţa acestora la oxidare. Şerardizarea (depunerea zincului pe oţel sau fontă prin difuzie) duce la obţinerea unor straturi protectoare cu grosimi de 0,02…0,07 mm , rezistente la coroziune şi cu o duritate cuprinsă între 250…300 HV. Acoperirile prin placare reprezintă o metodă eficientă de protecţie a unui material suport cu un alt material rezistent la coroziune. Materialele placate se realizează sub formă de table, benzi, ţevi etc. Acoperirile cu straturi de email se folosesc mult în industria chimică deoarece prezintă o foarte ridicată rezistenţă la coroziune faţă de mediile agresive cele mai diverse. Emailul este o combinaţie aderentă, de natură anorganică, sticloasă, pe bază de silicaţi, având următoarele calităţi: aderenţă la suportul metalic, rezistenţă la şoc termic şi mecanic, lipsa porilor, rezistenţă chimică în soluţii acide şi alcaline. Acoperirile cu lacuri şi vopsele reprezintă unul dintre cele mai vechi mijloace de protecţie anticorozivă a suprafeţelor metalice şi nemetalice. Lacurile şi vopselele sunt suspensii de pigmenţi anorganici sau organici, naturali sau sintetici şi diferite materiale de umplutură într-un liant al cărui component principal este o substanţă peliculogenă. Aceasta poate fi uleiul sicativ, o răşină naturală sau sintetică. Din punct de vedere al mecanismului de protecţie conferit, acoperirile cu lacuri şi vopsele se pot împărţi în două categorii: - vopsele active ce conţin pigmenţi capabili să inhibe coroziunea; - vopsele pasive care exercită doar o acţiune de ecranare (izolare a suprafeţei metalice).

5.3 Materiale anticorozive a) Oţeluri inoxidabile anticorozive. Convenţional, se numesc oţeluri inoxidabile aliajele Fe-C-Cr, care conţin cel puţin 12 % Cr şi au o participare sub 0,1 % C. Conţinutul de min. 12 % Cr conferă oţelurilor proprietatea de a se acoperi cu un strat pasiv din oxizi de crom, foarte aderent, dens, impermeabil şi puţin solubil. Utilizări: scuturi pt. turbine cu abur, supape (corp, tije, scaune) buloane, şuruburi, piuliţe, accesorii pentru pompe, arbori şi elice pentru nave, cuzineţi, accesorii aeronautice, arcuri, decoraţiuni, instrumente chirurgicale, rulmenţi, lame de bărbierit, bile de rulmenţi, piese turnate pentru instalaţii chimice şi menajere etc. b) Aliaje de nichel Nichelul este stabil la acţiunea chimică a numeroase medii ca: atmosferă, gaze de ardere, apă dulce şi sărată, acizi organici şi anorganici, soluţii alcaline sau neutre. In general, aliajele cu bază de Ni sunt utilizate ca materiale anticorozive (pentru instalaţii de răcire, recipiente de reacţie, pompe, ventile, conducte, arcuri, colivii ş.a. în industria chimică, petrolieră, a construcţiilor de maşini etc.) atât datorită pasivării lor uşoare cât şi caracteristicilor lor mecanice ridicate. c) Fonte anticorozive Rezistenţa maximă la coroziune se obţine, în cazul fontelor cenuşii, prin aliere înaltă cu elemente ca: 11…21 % Ni, 7…11 % Cu, 30…35 % Cr, 10…18 % Si, 19…25 % Al. Din această categorie fac parte fontele denumite Nirezist, Nicrosilal, Anticlor, Ferosilid, Sormait ş.a. Se utilizează pentru confecţionarea prin turnare a unor piese cu pereţi subţiri pentru pompe, reactoare, condensatoare, ventile, armături etc. d) Aluminiu şi aliaje de aluminiu. Aluminiul de puritate tehnică (min. 99,5 %) prezintă o mare rezistenţă la coroziunea atmosferică (în medii industriale, conţinând bioxid de sulf, negru de fum, praf), la acţiunea apei până la 180 0C şi faţă de o serie de agenţi chimici (acizi, hidroxid de amoniu etc), datorită formării pe suprafaţa metalului a unui strat subţire (submicronic) şi aderent de oxizi. El este utilizat îndeosebi pentru confecţionarea rezervoarelor, conductelor şi robinetelor în industria alimentară şi petrolieră. Aliajele se utilizează pentru confecţionarea de panouri, accesorii, conducte, rezervoare în construcţia de maşini, alimentară, armăturile şi carcasele de maşini navale etc. e) Magneziu şi aliaje de magneziu. Comportarea la coroziune a magneziului, deşi inferioară aluminiului, este bună şi este hotărâtor influenţată de prezenţa unor elemente de aliere (până la 2 % Mn, 8 % Al şi 3 % Zn).

f) Titan şi aliaje de titan. Titanul, acoperindu-se spontan cu o peliculă protectoare de oxid, are o foarte bună rezistenţă la acţiunea corozivă a apei de mare, a mediilor oxidante (acid azotic), a clorurilor umede şi a acizilor organici. Prezenţa unor elemente de aliere (20…30 % Mg, 9 % Ta, 0,01 % Pt etc.) îmbunătăţeşte rezistenţa la coroziune în diferite medii. Aliajele de Ti se utilizează pentru diferite arcuri (în locul oţelurilor inoxidabile), palete, discuri, piese diverse în industria construcţiilor de maşini, chimică, petrolieră etc. g) Cupru şi aliaje de cupru. Cuprul are o rezistenţă ridicată la coroziune, care se transmite şi aliajelor bogate în Cu (alame, bronzuri). Stabilitatea ridicată faţă de acţiunea corozivă a apei, a mediului atmosferic etc. combinată cu conductivitatea termică ridicată fac ca aceste materiale să fie folosite la transmiterea căldurii (pentru condensatoare, schimbătoare de căldură, preîncălzitoare, răcitoare), la confecţionarea de recipienţi, armături, arcuri, ţevi, conducte etc. Alamele conţinând 60…90 % Cu posedă o anticorozivitate (în atmosferă, apă de mare etc.), similară celei a cuprului, fiind larg utilizate pentru armături, schimbătoare de căldură, tuburile condensatoarelor, ţevile fierbătoarelor etc. (CuZn20 , CuZn30). Bronzurile cu Sn, deformabile, sunt folosite ca benzi pentru furtunuri metalice, ţevi, conducte (CuSn2, CuSn4Pb4Zn4), piese din industria chimică (CuSn4, CuSn6), iar cele turnate, pentru piese de maşini rezistente la coroziune (carcase, statoare şi rotoare de pompe, armături - CuSn10). h) Plumb şi aliaje de plumb. Plumbul îşi datorează deosebita sa rezistenţă la coroziune capacităţii de formare la suprafaţa lui a unor pelicule dense şi aderente de diverşi compuşi de Pb. El rezistă bine la acţiunea acidului sulfuric, fosforic, cromic, mediului atmosferic umed sau cu conţinut de bioxid de carbon, apei de mare, soluţiilor alcaline diluate. Plumbul nu rezistă însă în acizii: clorhidric, acetic, fluorhidric, azotic, formic, precum şi în soluţiile alcaline concentrate. Aceste materiale se utilizează pentru ţevi, conducte, plăci de acumulator, anozi insolubili în băi galvanice etc.

MODULUL 7

OBIECTIVE

Obiectivele capitolului constau în prezentarea generală a produselor sintetice macromoleculare, denumite materiale plastice.

Sunt prezentate atât materialele termoplaste, cât şi cele termorigide, evidenţiindu-se proprietăţile şi domeniile principale de utilizare.

7. MATERIALE PLASTICE

Prin mase plastice se înţeleg de obicei produsele sintetice macromoleculare,

care pot lua forma dorită folosindu-se proprietatea comună – plasticitatea. Indiferent de categoria în care se încadrează, masele plastice au câteva

caracteristici generale prezentate în continuare: - greutate specifică redusă, în general sub 1,8 g/cm3, datorită faptului că elementele componente (în principal H şi C) au masa atomică redusă;

- rezistenţă la încovoiere, întindere şi compresiune bune; - stabilitate chimică remarcabilă faţă de majoritatea mediilor agresive; - coeficient de dilatare specifică mare datorită legăturilor Van der Waals

(legături slabe) dintre catene şi conformaţiei acestora; - inflamabilitate (în marea majoritate a cazurilor) şi stabilitate termică reduse

datorită faptului că sunt substanţe organice; din acelaşi motiv pot fi degradate de microorganisme (biodegradabilitate);

- porozitate reglabilă (structură cu pori închişi sau deschişi); - prelucrabilitate simplă; - conductivitate electrică nulă şi conductivitate termică mică; - proprietăţile lor sunt afectate de radiaţiile din spectrul vizibil, de ultraviolete

şi de radiaţiile ionizante care pot rupe legăturile dintre catene şi/sau dintre monomeri modificând astfel structura iniţială prin reducerea gradului de polimerizare;

- aspect estetic (produse colorate în masă, translucide sau transparente); - cost scăzut. Pentru evidenţierea calităţilor deosebite ale maselor plastice, în tabelul 7.1 se

prezintă, comparativ, câteva proprietăţi ale unor metale frecvent utilizate în tehnică şi ale unui termoplast (NYLON 66).

Clasificarea materialelor plastice după comportarea la încălzire se poate face astfel:

- materiale plastice termoplaste - supuse încălzirii, pot fi prelucrate prin diferite procedee. Produsele pot fi supuse la numeroase topiri sau înmuieri ulterioare, fără a suferi transformări chimice.

- materiale plastice termorigide - se înmoaie prin încălzire, putând fi prelucrate, iar apoi se întăresc ireversibil, deoarece moleculele suferă transformări chimice.

Tabelul 7.1 Compararea proprietăţilor materialului NYLON 6.6 şi ale unor metale Metale NYLON 6.6 Proprietăţi

caracteristice U.M.

Oţel Al Mg Unifilar 30% fibre de sticlă

30% fibre de carbon

Greutate specifică g/cm3 7,8 2,8 1,8 1,14 1,37 1,28

Rezistenţă la tracţiune daN/mm2 50 20 22,5 8 18 24

Rezistenţă la încovoiere daN/mm2 50 12 10 10 26 35

Modul de încovoiere

daN/mm2

x 104 2,10 0,70 0,50 0,03 0,09 0,20

Alungire la tracţiune % 25 8 - 10 3 4

Solicitare la tracţiune daN/mm2 42 11 15 0,60 2 5

Coeficient de dilatare liniară 10-6 / K 14 22 25 80 30 20

7.1. Mase plastice termoplaste a) Polietilenă (PE) Materialele pe bază de polietilenă se pot prezenta în două stări: lichide

vâscoase pentru lubrifiere sau solide translucide pentru formare. Principalele proprietăţi rezistenţă chimică excelentă la majoritatea substanţelor

agresive, conductivitate electrică nulă, non-toxicitate, flexibilitate. Utilizări: roţi dinţate, izolaţii electrice etc. b) Polipropilenă (PP) Este un material mai dur şi mai rigid decât polietilena. De asemenea, în

comparaţie cu polietilena, are rezistenţă la tracţiune, modul de elasticitate, rezistenţă la căldură, rezistenţă la flexiune şi rezistenţă la agenţi chimici mai mari, absorbţia de apă redusă, proprietăţi dielectrice comparabile.

Utilizări: piese diverse de maşini, izolaţii electrice, folii pentru ambalaje, fitinguri etc.

c) Policlorură de vinil (PVC) La temperatura atmosferică este dur şi rigid, dar are tendinţa de a se

descompune prin expunere la lumină puternică. Proprietăţile mecanice şi electrice sunt bune, are rezistenţă deosebită la agenţi chimici, este rezistent la foc (se auto-stinge), are rezistenţă mare la şocuri mecanice etc.

Utilizări: piese diverse de maşini, izolaţii electrice, conducte, fitinguri, rezervoare în industria chimică etc.

d) Politetrafluoretilenă (PTFE) Politetrafluoretilena este complet inertă din punct de vedere chimic, are un

coeficient de frecare foarte scăzut (0,04), nu este inflamabilă, putând fi utilizată într-un interval de temperaturi de la –200 la +300 0C.

Utilizări: lagăre de alunecare, corpuri de pompe, tije de supape, garnituri, cilindri, cuve, garnituri la îmbinări etc.

e) Polistiren (PS) Este un material fragil şi transparent, având, la temperatura mediului,

proprietăţi asemănătoare sticlei. Este un foarte bun izolator electric şi are o rezistenţă chimică bună la majoritatea acizilor. Poate fi uşor expandat obţinându-se spume rigide.

Utilizări: echipamente electrice, piese pentru refrigeratoare şi containere alimentare, spume rigide pentru izolări şi ambalaje.

Copolimerul acrilonitril-butadien-stiren (ABS) ranforsat cu fibre de sticlă se utilizează pentru caroserii de automobile, carcase pentru aparate telefonice sau imprimante, piese diverse pentru maşini etc.

Printre alte proprietăţi ale ABS se numără şi rigiditatea şi rezistenţa la şoc, care permit realizarea de piese cu grosimi mici, rezistenţă la uzură şi la pătare faţă de uleiuri, lacuri, detergenţi, luciul bun la suprafaţă, rezistenţa la căldură, stabilitatea dimensională, uşurinţa de prelucrare.

f) Polimeri acrilici (polimetacrilat de metil ş.a.) Polimetacrilatul de metil este un material transparent (92 % transmisie de

lumină), dur, rigid, rezistent la şocuri, rezistent la majoritatea substanţelor chimice, dar este atacat de acetonă, petrol şi derivaţii acestuia.

Utilizări: lagăre de alunecare (adaosurile de 5…10 % grafit, talc, ZnO2 BaSO4 micşorează coeficientul de frecare până la 0,03…0,06), parbrize de automobile sau avioane, panouri pentru construcţii etc.

g) Poliamidă (PA - naylon) Nylonul (NYLON 6.6, NYLON 10, NYLON 11 etc.) este un material dur,

rezistent la abraziune, flexibil, rezistent la şocuri, coeficient de frecare mic (0,15 uscat şi 0,06 lubrifiat), rezistenţă bună la majoritatea substanţelor chimice, dar are tendinţă de absorbţie a apei, ceea ce îi micşorează duritatea şi rezistenţa la şocuri.

Utilizări: angrenaje fără lubrifiant, colivii de rulmenţi, lagăre cu alunecare, fitinguri, conducte, piese pentru pompe, izolaţii electrice etc.

h) Poliesteri (nesaturaţi) Din grupa poliesterilor fac parte politereftalatul de butilenă (PBT),

politereftalatul de etilen-glicol şi politereftalatul tereftalat (PMTP). Se caracterizează prin proprietăţi mecanice, electrice şi termice bune, coeficient de frecare redus (0,16).

Utilizări: lagăre cu alunecare, carcase pentru maşini şi aparate, fibre de ranforsare pentru materiale compozite.

i) Policarbonaţi Policarbonaţii se caracterizează prin rezistenţă mecanică ridicată, rezistenţă la

şocuri şi flexibilitate chiar la temperaturi de -150 0C, termostabilitate până la 135 0C, transparenţă, ductilitate mare, rezistenţă chimică la apă, acizi, soluţii de săruri, grăsimi, uleiuri, hidrocarburi benzenice, absorbţie mică de apă.

Utilizări: componente din întrerupătoare şi panouri electrice, mânere pentru scule, piese pentru imprimante sau maşini de scris, fire de ranforsare pentru materiale compozite etc.

j) Poliacetali Au proprietăţi mecanice şi fizice apropiate de ale metalelor şi aliajelor uşoare,

coeficient de frecare scăzut, rezistenţă la tracţiune şi abraziune bune, rezistenţă la şocuri mecanice, absorbţie mică de apă (sub 0,9 %), flexibilitate mare (comportare asemănătoare unui resort din oţel).

Utilizări: diverse piese pentru construcţia de maşini, autovehicule, aparatură electrocasnică, roţi dinţate pentru contoare etc.

k) Elastomeri (cauciuc poliizoprenic, acrilic, nitrilic, siliconic etc.) Elastomerii sunt materiale care au modul de elasticitate cu valori mari şi îşi pot

modifica dimensiunile în limite largi, revenind însă la dimensiunile iniţiale imediat după încetarea acţiunii deformatoare. Ei pot fi clasificaţi în patru grupe:

- grupa R, conţinând polimeri nesaturaţi (cauciuc natural sau poliizoprenic, copolimer stiren-butadienă, copolimer izobutilenă-izopren, polibutadienă, cloropren sau neopren, cauciuc nitrilic sau copolimer butadienă-acrilonitril);

- grupa M, conţinând polimeri saturaţi (copolimer etilenă-propilenă, cauciuc acrilic, polietilenă clorosulfonată, polimer fluorocarbonic, polifluoroelastomer);

- grupa U, conţinând poliuretani (de tip poliesterici sau de tip polieterici); - grupa Q, conţinând cauciuc siliconic. Utilizări: curele de transmisie de toate tipurile (trapezoidale, late, dinţate),

benzi transportoare, garnituri hidraulice şi pneumatice, anvelope şi camere pentru anvelope etc.

l) Alte materiale termoplaste Polisulfone (polisulfona PS, polieter-sulfona PES, poliaril-sulfona PAS),

poliuretani, copolimeri olefinici, celulozice (acetat de celuloză, acetobutirat de celuloză, azotatul de celuloză sau nitroceluloza, etil celuloză etc.) etc.

În tabelul 7.2 se prezintă sintetic, comparativ, principalele proprietăţi fizico-

mecanice ale unor materiale plastice termoplaste. 7.2. Mase plastice termorigide

a) Polimeri fenolici (fenoplaste) Grupa fenoplastelor cuprinde mai multe tipuri de polimeri fenolici: a.1.) Polimeri fenol-formaldehidici (bachelite), utilizaţi ca răşini pentru turnare, stratificare

etc., prafuri de presare în diverşi aditivi, materiale de umplutură, spume fenolice.

Tabelul 7.2 Principalele proprietăţi fizico-mecanice ale unor materiale plastice termoplaste.

Material Densitate [g / cm3]

Rezistenţa la tracţiune [daN/mm2]

Modul de elasticitate

[daN/mm2] x10-4

Temperatură maximă de

utilizare, [0C] Polietilenă 0,9 0,1…1,6 0,12…0,14 70 Polipropilenă 0,9 2,7…4,0 0,5…1,9 110 Policlorură de vinil 1,4 2,4…6,2 2,4…4,1 65 PTFE 2,1 1,7…2,8 3,5…6,2 300 (de la –200) Polistiren 1,1 3,5…,4 2,8…3,5 90 Polimeri acrilici 1,18 5,0…7,5 2,7…3,5 60 Poliamide 1,13 7,0 3,2 150 Poliesteri 1,3 5,2 2,6 140 Policarbonaţi 1,3 5,9…7,0 2,2…2,4 140 Poliacetali 1,37…1,43 6,2…7,0 6,2…7 120 Elastomeri 0,96…1,26 40…300 - 130 (de la -40)

Caracteristicile principale ale produselor formate din fenoplaste sunt: rezistenţă

mecanică bună, rigiditate, stabilitate dimensională, rezistenţă la căldură (80…159 0C), rezistenţă la umezeală şi multe medii chimice agresive.

a.2.) Polimeri fenol-formaldehidici modificaţi, având proprietăţi şi aplicaţii specifice. De exemplu, modificaţi cu cauciuc, oferă rezistenţă la şoc, modificaţi cu poliesteri, ameliorează supleţea şi solubilitatea în fenoli etc.

a.3.) Polimeri fenol-furfurolici, având rezistenţă bună în mediu coroziv şi caracteristici dielectrice superioare.

a.4.) Răşini fenolice, caracterizate prin proprietăţi electrice superioare, cât şi prin rezistenţe mecanice, termice şi chimice foarte bune.

b) Poliamine (aminoplaste) Principalele poliamine industriale sunt: b.1.) Carbamidele, care se caracterizează prin rezistenţă la şoc, la căldură şi la

flacără, rigiditate şi luciu al suprafeţei, rezistenţă la agenţi chimici, proprietăţi mecanice şi electrice bune.

b.2.) Melaminele, cu rezistenţă la şoc, la căldură şi la flacără, rigiditate şi luciu al suprafeţei, proprietăţi dielectrice bune chiar la temperaturi ridicate, rezistenţă bună la apă fierbinte şi la agenţi chimici etc.

b.3.) Melaminele modificate prin introducerea de alcooli, celuloză etc. c) Poliesteri termorigizi (saturaţi) Poliesteri nesaturaţi (termoplastici) se transformă în poliesteri termorigizi prin

reacţii de reticulare cu monomeri de tipul stiren, metilmetacrilat etc. Proprietăţile principale ale acestor poliesteri sunt: caracteristici dielectrice

bune, transparenţă, rezistenţă la un număr mare de agenţi chimici, posibilitatea prelucrării prin tehnologii multiple.

Utilizări: răşini ignifuge, piese diverse armate cu fibre de sticlă, rezervoare, conducte, piese electrotehnice etc.

d) Polimeri epoxi Se utilizează două mari clase de polimeri epoxi: răşini epoxi şi copolimeri

epoxi. Răşinile epoxi se caracterizează prin adezivitate foarte mare faţă de multe

materiale, utilizându-se sub formă de răşini de turnare, adezivi şi amestecuri, lacuri din răşini epoxi pure sau modificate, pulberi pentru acoperiri.

Piesele diverse turnate din răşini epoxi au proprietăţi mecanice şi electrice bune, întărirea realizându-se la temperatura ambiantă sau la temperaturi de la 40 la 100 0C.

Adezivii şi masticurile conferă următoarele proprietăţi: menţinerea rezistenţei la lipire până la circa 90 0C, contracţie mică (sub 4 %), rezistenţă bună la agenţi chimici, adezivitate foarte bună în special faţă de metale.

Lacurile din răşini epoxi aderă bine la suport, au proprietăţi mecanice şi flexibilitate bune, au rezistenţă la uzură satisfăcătoare.

Răşinile epoxi ranforsate cu materiale ca hârtie, fibre sau ţesături de sticlă, carbon etc., se remarcă prin adezivitate bună, contracţie mică la întărire, rezistenţă la oboseală, proprietăţi electrice şi mecanice bune.

Copolimerii epoxi se utilizează în special în domeniul adezivilor şi acoperirilor, remarcându-se printr-o mare rezistenţă la şoc, o mărire considerabilă a rezistenţei peliculei şi o coborâre a temperaturii de tranziţie vitroasă.

Printre aceste produse se remarcă copolimerii epoxi-poliuretanici, epoxi-siliconici etc.

Utilizări: adezivi, masticuri, pulberi pentru acoperiri, piese diverse armate cu fibre etc.

e) Poliimide Principala caracteristică a poliimidelor o constituie rezistenţa mare la căldură:

unele produse îşi păstrează proprietăţile mecanice şi electrice până la 500 0C. e.1.) Poliimidele aromatice au temperatura de utilizare între –100 şi +250 0C,

iar prin adaosuri de umpluturi (grafit, bronz, fibre de sticlă etc.) se îmbunătăţesc unele proprietăţi specifice (coeficientul de frecare, coeficientul de dilatare termică, stabilitatea dimensională).

Utilizări: piese ale motoarelor cu reacţie, generatoare cu aburi, izolatori termici, comutatoare, suporturi pentru bobine etc.

e.2.) Poliesterimidele sunt polimeri cu rezistenţă la temperaturi ridicate şi cu aplicaţii speciale, în particular în domeniul aerospaţial.

f) Alte materiale termorigide Poliuretani termorigizi, polimeri alchidici, polimeri siliconici, polimeri alilici

etc.

În tabelul 7.3. se prezintă sintetic, comparativ, principalele proprietăţi fizico-mecanice ale unor materiale plastice termorigide.

Tabelul 7.3. Principalele proprietăţi fizico-mecanice ale unor materiale plastice termorigide. Material Densitate

[g / cm3] Rez. la

tracţiune [daN / mm2]

Rez. la compresiune, [daN/mm2]

Temperatură max. de utilizare,

[0C] Polimeri fenolici 1,8 3,5-13,5 11,5-18 260 Poliamine 1,45-2 3,5-7 17-30 200 Poliesteri termorigizi 1,1-2 4,2-42 9-34 170 Polimeri epoxi 1,1-2 2,8-70 10-48 260 Poliimide 1,3-1,9 7,3-9 23,5-29 260 (chiar 500)

MODULUL 8

OBIECTIVE

Obiectivele capitolului constau în prezentarea generală a proceselor de frecare generatoare de uzare.

Sunt prezentate proprietăţile principale, structura şi organizarea internă, domeniile de utilizare ale materialelor rezistente la uzare.

8. MATERIALE REZISTENTE LA UZARE

Majoritatea pieselor de maşini cu rol funcţional deosebit sunt scoase din uz datorită uzării suprafeţelor de contact aflate în mişcare relativă (în frecare). Frecarea este un fenomen complex care are drept consecinţe atât procesul termic cu pierdere de energie (căldură), cât şi procesul uzării. Cele mai frecvente cazuri de frecare se întâlnesc sub următoarele aspecte:

a) între două suprafeţe metalice: − prin alunecare - uscată (discurile de fricţiune ale cuplajelor, frânelor etc.); - lubrificată (fusurile arborilor şi osiilor în cuzineţi etc.); − prin rostogolire - uscată (roţi pe cale de rulare etc.); - lubrificată (rulmenţi, roţi dinţate etc.);

b) între o suprafaţă metalică şi alta nemetalică: − prin alunecare - uscată (organe de lucru ale maşinilor de prelucrat solul); - umedă (transportoare elicoidale pentru materiale umede); − prin rostogolire - uscată (concasoare cu fălci, cu valţuri etc.); - umedă (mori cu bile, cu ciocane etc.);

c) între suprafeţe metalice şi diferite fluide: − cu gaze uscate (turbine cu gaze de ardere) sau umede (turbine cu aburi); − cu lichide (pompe, turbine hidraulice etc.).

După rolul funcţional al cuplei, frecarea dintre elementele ei poate fi privită ca: - dăunătoare, datorită încălzirii şi uzării care conduc la deteriorarea şi, în final, la scoaterea

din uz a reperelor subansamblului de frecare (la lagăre, angrenaje, cuple piston-cilindru), sau datorită întreţinerii unor vibraţii (mişcarea sacadată ce apare la ghidajele maşinilor-unelte);

- utilă, deşi este însoţită, de asemenea, de încălzire, uzare şi vibraţii (la cuplaje, frâne, îmbinări cu pene, variatoare şi prese cu fricţiune etc.). 8.1. Materiale rezistente la uzare La alegerea unui material urmând a fi exploatat în condiţii de uzare, trebuie să fie îndeplinite următoarele condiţii esenţiale:

comportare bună la frecare, fără predispoziţie la gripare sau alte forme de uzare distructivă, bună conductivitate termică, rezistenţă la uzare şi la efecte termice, modul de elasticitate redus, valori corespunzătoare ale coeficientului de frecare, preţ de cost acceptabil etc.

a.) Oţeluri rezistente la uzare Oţelurile carbon de construcţie cu C ≤ 0,4 % sunt utilizabile (mai ales din considerente economice) - dar numai în cazul unor solicitări reduse. Oţelurile carbon cu 0,4…0,6 % C posedă - alături de bună rezistenţă şi tenacitate - o comportare superioară şi la uzare.

La frecarea - uzarea în condiţii mai severe, bune rezultate dau oţelurile cu până la 1…1,3 % C. Rezistenţa la uzare a oţelurilor poate fi substanţial îmbunătăţită prin:

tratamente termice sau termochimice: călirea superficială (cu flacără de gaz, prin inducţie sau scufundare în băi de săruri), cementare, nitrurare (cianurare, carbonitrurare) şi unele metalizări prin difuzie (cromizare, silicizare, borizare).

prezenţa adaosurilor de aliere, îndeosebi a manganului, siliciului şi cromului. Utilizări: matriţe şi poansoane, saboţi, căi de rulare, maşinilor miniere şi terasiere etc. b.) Fonte rezistente la uzare Fontele sunt, în general, materiale mai favorabile pentru suprafeţe de frecare decât oţelurile, datorită atât prezenţei grafitului (lamelar sau globular), cât şi structurii lor neomogene. Ca atare, ele sunt corespunzătoare pentru cuple de frecare greu solicitate. Dintre fontele cenuşii, cea mai bună comportare la uzare o au cele cu masa de bază perlitică lamelară. Comportarea la uzare a fontelor este influenţată substanţial de prezenţa elementelor însoţitoare sau de aliere. c.) Aliaje dure rezistente la uzare Aliajele dure sinterizate, conţinând o cantitate mare de carburi (WC, TiC, TaC) pe lângă lianţii metalici (din grupa fierului, de obicei Co) - în general larg utilizate pentru scule aşchietoare, îşi găsesc întrebuinţare şi pentru o serie de repere cărora li se pretinde rezistenţă la uzare (spre exemplu la sarcini dinamice, prin şoc sau oscilante). De asemenea utilizate, şi în acelaşi timp mai ieftine, sunt materialele (sinterizate) compuse, de tip Fero-Titanit, conţinând până la 50 % în volum carburi într-o matrice din oţel. d.) Materiale pentru acoperiri rezistente la uzare Îmbunătăţirea comportării la uzare prin acoperire cu straturi antiuzare, depuse prin galvanotehnie, prin sudare de încărcare sau prin metalizare prin pulverizare este indicată a se realiza când este necesară protejarea suplimentară contra unei uzări intensive a materialelor. Materiale de depunere: Cr, Ni, oţeluri cu C (0,4…0,8 %), aliaje Ni-Cr-B-Si etc. 8.2. Materiale antifricţiune Pentru asigurarea unei funcţionări corespunzătoare şi durabilităţii cuplelor de alunecare în frecare (lagăre şi cuzineţi – figura 8.5), materialele pentru astfel de aplicaţii trebuie să posede:

un coeficient de frecare cât mai mic, tendinţă redusă spre gripare, rezistenţă cât mai ridicată la uzare, conformabilitate (deformabilitate plastică), capacitate mare de rodare, rezistenţă suficientă (la compresiune, oboseală), duritate, stabilitate la coroziune provocată de uleiuri, conductivitate termică (pentru disiparea căldurii produse de frecare).

În general însă materialele antifricţiune pentru diferite cuple de frecare de alunecare corespund funcţional dacă au structuri eterogene (formate din mai mulţi constituenţi cu proprietăţi diferite):

fază moale, cu funcţie antigripantă; fază dură.

Astfel, sintetic, din punct de vedere al structurii lor, aliajele antifricţiune pot fi ( figura 8.1.): a) cu matrice moale şi incluziuni dure (aliaje "albe" de Sn şi Pb); b) cu matrice (semi)dură şi incluziuni moi (aliaje de Cu şi de Al);

c) (cvasi)eutectice.

Fig.8.1. Reprezentarea schematică a structurii portante

a materialelor metalice antifricţiune

Principalele tipuri de materiale pentru lagăre şi cuzineţi se prezintă în tabelul 8.1. Tabelul 8.1. Materiale antifricţiune

Denumirea materialului

STAS - Marca

E [GPa]

HB

la max. 20/100oC

α la 20-100oC [103mm/m.gra

d]

λ [W/ grd] T (limită) [oC]

(Pm) static

(Pm) dinamic

[MPa]

V [m/ s]

VmPm [Mpa.m/ s]

Fonte Fonte cu grafit nodular antifricţiune STAS 6707-79 Fgn A1 Fgn A2

160…180

260/ 200 190/ 140

9…11

40…47

300

12,5/ 5 8,5/ 5

1…5

12

Fonte maleabile antifricţiune STAS 6707-79 Fm A1 Fm A2

160…180

217/ 180 197/ 150

9…11

47…58

300

12/ 5 12/ 5

1…5

12

Aliaje pe bază de Cu, Pb, Sn, Al (bronzuri)

Aliaj Cu-Zn STAS 95-80 CuZn38Pb2Mn2

105

90/ 83

19…20

52

250

24…38

19

10

15

Aliaj Cu-Al STAS 198/2-81 CuAl9Fe3T CuAl10Fe3T

110

100/ 95

18…19

76

250

27…48

22

4

4

Aliaj Cu-Sn STAS 197/2-1976 CuSn14; CuSn10Zn2; CuSn9Zn5 etc.

112

60/ 55

17,5…18,4

37

250

31…50

25

10

15

Aliaj Cu-Pb STAS 1512-80 CuPb25 CuPb10Sn10 etc

75…80

32/ 20 70/ 65

18…19,2

76/ 52

230…240

20…35

15…22

8

10

Aliaje pe bază de Sn, Pb, Al Compoziţie de lagăr pe bază de Sn STAS 202-80 a) Y - Sn 83 b) Y - Sn 80 c) Y - Sn 89

50

24 ...28/10

20,5…22

47

100

18…28

15

60

15

Compoziţie de lagăr pe bază de Pb STAS 202-80 a) Y - PbSn 10 b) Y - PbSn6Sb6 c) Y - PbSn6Cd d) Y - PbSn5 e) Y - Pb98

30

16…38/ 14…22

23…25

24

100

15,5…20

10…12

6…12

8…12

Compoziţie de lagăr pe bază de Al STAS 202-80 Y - AlSb5

70

28 …45/ 25…36

20…24

150

200

20…30

15

4 6

Materiale sinterizate Sinterizate pe bază de Cu Cu - Sn Cu - Pb - Sn

24

35…38/ 28…30

15…16

40

60

12…24

6

2

4

Sinterizate pe bază de Fe Fe - C (grafit) Fe - Cu

45

25…40/ 20…32

12…13

35

60

12…24

6

3

5

Materiale nemetalice Politetrafloretilenă (PTFE, teflon)

0,35...0,63 şi 1,2 armat)

5…6/ 2…3

100…250

0,25…0,45

100

≤ 4

0,5…1

≤ 5

≤ 6

Poliamidă (de joasă presiune)

0,7…1,2

7…12

120…150

0,31…0,51

60

10

6

1…2

6

Textolit 40

20

14…35

0,3…0,35

90

6…13

5…8

1…5

15

Grafit 9…21

1,5…1,8

2,4…6,6

8…10

100…450

≤ 5

≤ 3,5

≤ 1

< 1

8.3. Materiale de fricţiune Creşterea continuă a vitezelor şi a forţelor impun cerinţe tot mai ridicate faţă de eficacitatea şi siguranţa în exploatare ale sistemelor de frânare şi de transmisie (cuplare) şi implicit, faţă de materialele de fricţiune (lucrând în general în regim uscat) care le echipează. Materialele de fricţiune trebuie să posede:

coeficient de frecare suficient de mare, uzare cât mai redusă stabilitatea acestor caracteristici în timp, la variaţii în limite cât mai largi ale încărcării şi

implicit temperaturii. Aliajele metalice compacte (fonte, oţeluri şi foarte rar, neferoase) sunt limitat utilizabile ca materiale de fricţiune, coeficientul lor de frecare scăzând accentuat (figura 8.2.), iar uzarea intensificându-se odată cu creşterea temperaturilor de lucru.

Fig.8.2. Variaţia cu temperatura a coeficientului de frecare al fontei cenuşii pe oţel

a.) Fonte de fricţiune Sunt mai rar utilizate (saboţii de frânare ai vehiculelor de cale ferată, tamburii de frânare ai autovehiculelor). b.) Materiale de fricţiune sinterizate Materialele de fricţiune sinterizate pe bază de fier sunt indicate în cazul unor încărcări mari pentru cuple funcţionând în regim de frecare uscată. Ele sunt substanţial mai ieftine

comparativ cu cele pe bază de bronz, au o rezistenţă superioară la uzare şi o stabilitate mai ridicată la temperaturi înalte (până la 800…1100oCC), fiind confecţionate sub formă de garnituri (fig.8.3). Utilizări: cuplajele şi frânele utilajelor terasiere, macaralelor, utilajelor agricole, frânele roţilor de avion, cuplajele şi frânele maşinilor - unelte, ale maşinilor de prelucrare a hârtiei etc. Materialele de fricţiune sinterizate pe bază de bronz, comparativ cu cele pe bază de Fe, au o conductivitate termică superioară, proprietăţi mecanice (inclusiv duritate) mai scăzute, care însă provoacă o uzare mai redusă a suprafeţelor conjugate, chiar şi la încărcări mai mari. Ele şi-au găsit utilizare corespunzătoare la cuplajele care - lucrând fie uscat, fie în ulei - dezvoltă cantităţi mari de căldură ce trebuie rapid disipate. Utilizarea largă a acestor materiale pentru cuplaje cu ulei se extinde la maşini-unelte, maşini de prelucrare neaşchietoare, cuplaje automate pentru autovehicule, vehicule speciale, tractoare, nave, excavatoare etc. Materiale de fricţiune cermetice au un conţinut mare, peste 50 % în volum, de componenţi nemetalici (ceramici, ca oxizi -SiO2, Al2O3, silicaţi) şi liant metalic (Fe, Ni, aliaje de Cu), conţinând deseori şi alte adaosuri ca metale cu punct de fuziune scăzut, sulfaţi, sulfuri, carburi, grafit. Acestea au refractaritate ridicată şi o bună rezistenţă la uzare. Coeficientul de frecare este cuprins între 0,3…0,7 putând suporta temperaturi de lucru până la 1000 oC şi chiar mai mult. Cermeţii sunt fragili şi din acest motiv se folosesc sub formă de pastile presate în cupe metalice, acestea fiind apoi nituite pe materialul suport (fig.8.4). Ei se utilizează în construcţia cuplajelor şi frânelor foarte puternic încărcate şi care, din motive constructive, trebuie să aibă gabarit şi greutate reduse (spre exemplu frânele trenurilor de aterizare ale avioanelor).

Fig.8.3. Forme de garnituri pt. cuplaje Fig.8.4. Pastile cermetice pt. cuplaje

Fig.8.5. Produse din materiale antifricţiune

MODULUL 9

ALEGEREA MATERIALELOR

9.1. ASPECTE GENERALE

In etapa concepţiei unui produs se aleg materialele din care se execută acesta, în majoritatea cazurilor existând posibilitatea de a alege între mai multe materiale.

O alegere judicioasă reclamă cunoştinţe temeinice ale regimului de încărcare din exploatare şi ale comportării mecanice a diferitelor mărci de materiale.

O proiectare economică reclamă însă şi utilizarea materialului celui mai ieftin, cu caracteristice minime, de durată sau de rezistenţă la solicitări variabile (ciclice), fapt ce se reflectă în final în costul producţiei.

CONCLUZIE: în practica industrială se urmăreşte nu atât utilizarea maximă, ci utilizarea optimă a materialelor, ceea ce se poate realiza numai printr-o colaborare între elaborator, proiectant şi tehnolog.

Etapele principale de urmat în alegerea unui material corespunzător sunt indicate schematic în figura 9.1.

Fig.9.1 Etapele urmărite la alegerea unui material

Analiza problemei

Cerinţele privind proprietăţile fizice şi mecanice ale materialului căutat

Proprietăţile fizice şi mecanice ale materialului disponibil

Cerinţele nu pot fi satisfăcute

Cerinţele pot fi satisfăcute parţial sau total

Cercetări pentru perfecţionare de tehnologii noi

Cercetări de dezvoltare pentru elaborare de noi

materiale

Stabilirea materialului optim d.p.d.v. funcţional, tehnologic şi

economic

OBIECTIVE

Obiectivele capitolului constau în prezentarea aspectelor generale referitoare la alegerea materialelor în construcţia de maşini.

Sunt prezentate apoi criteriile principale utilizate la alegerea materialelor:

- criteriul funcţional - criteriul tehnologic - criteriul economic.

Totalitatea cerinţelor, atât în ceea ce priveşte funcţionarea, exploatarea cât şi prelucrarea formează matricea de proprietăţi. Ea trebuie să cuprindă cerinţele în formă de proprietăţi măsurabile pentru a putea alege materialul cel mai corespunzător dintre cele disponibile.

Alegerea propriu-zisă a materialului se va efectua prin compararea matricei de proprietăţi cerute cu matricea proprietăţilor materialelor disponibile.

9.2. CRITERII UTILIZATE LA ALEGEREA RAŢIONALĂ A MATERIALELOR INDUSTRIALE

Cele mai importante criterii utilizate la alegerea raţională a materialelor sunt: - criteriul funcţional; - criteriul tehnologic; - criteriul economic.

9.2.1. CRITERIUL FUNCŢIONAL Criteriul funcţional trebuie să aibă în vedere tipul solicitărilor (întindere, compresiune,

încovoiere, torsiune), modul de acţionare a sarcinilor în timp (static sau dinamic) precum şi condiţiile de funcţionare (temperaturi joase, înalte etc.).

Referindu-ne la tipul solicitării, reamintim că unele materiale au caracteristici diferite (rezistenţe admisibile diferite) atunci când se trece de la o solicitare la alta: întindere, compresiune etc. De exemplu, fontele au valori mari ale rezistenţei la compresiune, însă valori mici ale rezistenţei la întindere.

Alte materiale au aceleaşi caracteristici pentru grupe diferite de solicitări; de exemplu oţelul are aceeaşi rezistenţă admisibilă pentru întindere, compresiune, încovoiere.

Reamintim că modurile de solicitare în timp, tipice, sunt: - cazul I, solicitare statică; - cazul II, solicitare prin ciclu pulsant; - cazul III, solicitare prin ciclu alternant simetric.

Pentru diferite materiale, rezistenţele admisibile scad de la cazul I la cazul III, lucru justificat pe baza fenomenului de oboseală a materialului.

În cadrul condiţiilor de funcţionare, temperaturile înalte sau joase determină comportări diferite ale materialelor faţă de comportările la temperatura mediului ambiant, aspect care de asemenea trebuie luat în considerare.

Un exemplu de aplicare a criteriului funcţional la alegerea unui material este studierea influenţei solicitării de încovoiere asupra batiului unei maşini-unelte. Studierea comparativă a elasticităţii, rezistenţei la încovoiere şi a rezistenţei la tracţiune a fontei şi a oţelului au dus la concluzia că utilizarea oţelului laminat în construcţiile sudate ale batiurilor duce la economii importante de material.

Cele expuse mai sus se demonstrează pe un caz simplu luând o grindă dreptunghiulară solicitată la încovoiere (figura 9.2).

Relaţia efortului unitar la încovoiere va fi:

hVlP

hblP

î ⋅⋅

⋅=⋅

⋅⋅

=2

2 236

4σ

de unde rezultă volumul Va corespunzător efortului unitar la încovoiere admisibil, σaî, adică:

bhlhlPV

aia ==

2

23σσ

În general, se pot lua în calcul următoarele valori: σaiOL = 3 daN/mm2 şi σaiFc = 1 daN/mm2

P h l b

Fig.9.2 Model pentru aplicarea criteriului funcţional

Pentru grinda considerată, deformaţia cauzată de solicitarea P este:

2

4

3

3

44 hl

EVP

EbhPlY ==

şi explicitând volumul corespunzător deformaţiei admisibile se obţine:

bhlhl

EYaPVYa =⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

22

4

Dacă se prezintă grafic variaţia volumelor Vσa şi VYa în funcţie de raportul 12/h, pentru oţel având modulul de elasticitate E = 2,2 x 104 daN/mm2 şi pentru fontă având E = 1,1 x 104 daN/mm2, se obţine diagrama din figura 9.3. Grinda considerată va fi raţional dimensionată atunci când sunt utilizate deopotrivă rezistenţa materialului, caracterizată prin σai, cât şi rigiditatea caracterizată prin deformaţia Ya. Soluţia optimă se află în punctul de intersecţie a celor două curbe: o dreaptă care trece prin origine şi o parabolă cu vârful în origine.

V 10 Fontă 8

Fig.9.3. Variaţia volumelor Vσa şi VYa

6 4 2 Oţel 0

1 2 3 l2/h

Punctul optim în sistemul considerat are coordonatele mai mari (3,9) pentru fontă, iar pentru

oţel acestea sunt mai mici (2,2). Deci în cazul utilizării oţelului volumul este de 4,5 ori mai mic decât în cazul utilizării fontei, ceea ce duce la economii de material de peste 50 %.

9.2.2. CRITERIUL TEHNOLOGIC Criteriul tehnologic are în vedere proprietăţile materialelor utilizate, proprietăţi care trebuie

să asigure rezistenţa materialului la solicitările la care va fi supus. Proprietăţile materialelor pot fi: a) proprietăţi de exploatare; b) proprietăţi tehnologice.

a) Proprietăţile de exploatare au căpătat această denumire din cauză că ele reprezintă acele

însuşiri ale produsului care asigură comportarea lui corespunzătoare în exploatare. Astfel, un arc trebuie să fie elastic, un cuzinet trebuie să aibă o rezistenţă ridicată la uzură, etc. Proprietăţile de exploatare cuprind:

- proprietăţi mecanice; - proprietăţi fizice; - proprietăţi chimice.

Proprietăţile mecanice (rezistenţa la rupere, duritatea, tenacitatea, plasticitatea,

elasticitatea) sunt acele însuşiri ale materialului care fac ca el să se opună forţelor mecanice exterioare (tracţiune, încovoiere, şoc, oboseală, fluaj etc.), fără a se rupe sau a se deforma.

Cea mai importantă proprietate de exploatare pentru materialele metalice este rezistenţa la rupere prin tracţiune σr, măsurată conform SI în [daN/mm2]. S-a stabilit că odată cu creşterea rezistenţei la rupere prin tracţiune are loc o intensificare a uzurii sculelor aşchietoare, o scădere a vitezei de aşchiere (figura 9.4), precum şi o mărire a energiei specifice de aşchiere (figura 9.5).

Vas [m/min] 250

Fig.9.4. Influenţa rezistenţei la rupere asupra vitezei de aşchiere

150 50 100 200 σr [daN/mm2]

WC [daNm / cm3] 200

Fig.9.5. Influenţa rezistenţei la rupere asupra energiei specifice de aşchiere

De asemenea, creşterea rezistenţei la rupere a materialului determină îmbunătăţirea

rugozităţii suprafeţei prelucrate, precum şi o creştere a temperaturii în zona de aşchiere. Duritatea este rezistenţa opusă de un material la pătrunderea din exterior a unui corp de

formă bine stabilită, numit penetrator. Reamintim că există mai multe metode de măsurare a durităţii, cele mai utilizate fiind:

- metoda Brinell (mărimea amprentei lăsată la suprafaţa materialului de o bilă de oţel călit, HB);

- metoda Rockwell (adâncimea de pătrundere a unei bile de oţel călit, HRB, sau adâncimea de pătrundere a unui con de diamant, HRA sau HRC);

- metoda Vickers (amprenta lăsată de o piramidă din diamant cu unghi la vârf de 136o, HV); - metoda Shore (înălţimea la care sare o bilă din oţel călit lăsată să cadă pe suprafaţa piesei,

HS); In cazul oţelurilor, creşterea durităţii materialului prelucrat determină o micşorare a valorii

indicatorului de prelucrabilitate, o mărire a eforturilor de aşchiere, precum şi o îmbunătăţire a rugozităţii suprafeţelor aşchiate (figura 9.6).

150 100

20 40 60 80 σr [daN/mm2]

Rmax [μm]

Fig.9.6. Influenţa durităţii asupra rugozităţii suprafeţelor

Cea mai importantă proprietate elastică a materialelor este modulul de elasticitate E, măsurat în [daN/mm2]. Pentru oţel, de exemplu, acesta este în medie E = 2,1 ⋅ 104 daN/mm2, curba caracteristică la tracţiune fiind rectilinie.

Caracteristicile de plasticitate reflectă capacitatea materialului de a se deforma plastic fără a se rupe. Ele se exprimă în mod obişnuit prin alungirea la rupere δ, care se măsoară în procente.

In general, odată cu creşterea alungirii la rupere are loc o îmbunătăţire a prelucrabilităţii prin aşchiere a oţelurilor.

Caracteristica de tenacitate a materialului exprimă capacitatea lui de a absorbi o anumită cantitate de energie fără a se rupe. Ea se exprimă prin gâtuirea Z, măsurată în %, în cazul în care forţele exterioare se aplică static sau prin rezilienţa KCU, măsurată în daN/cm2, în cazul în care solicitarea se efectuează prin şoc.

Pentru oţeluri s-a constatat că odată cu creşterea gâtuirii specifice Z se înregistrează de obicei o ameliorare a prelucrabilităţii prin aşchiere şi, în general, o mărire a forţelor de aşchiere. In ceea ce priveşte rezilienţa, odată cu creşterea rezistenţei la rupere prin şoc are loc o mărire a lucrului mecanic specific la aşchiere.

Proprietăţile fizice sunt acelea care trebuie să dubleze, în multe situaţii, proprietăţile

mecanice ale materialelor. Printre cele mai importante proprietăţi fizice sunt: densitatea şi greutatea specifică, conductivitatea termică, dilatarea la încălzire, conductivitatea şi rezistivitatea electrică, proprietăţile magnetice. Densitatea materialului, de exemplu este esenţială în cazul aparatelor de zbor, conductivitatea termică, la sculele aşchietoare, conductivitatea electrică la conductoarele electrice, rezistivitatea la rezistoarele instalaţiilor de încălzire electrică etc.

Conductivitatea termică reprezintă proprietatea unui material de a conduce fluxul caloric. O conductivitate termică scăzută a materialului înseamnă de exemplu, o evacuare dificilă a căldurii din zona de aşchiere, o concentrare importantă de căldură la nivelul vârfului sculei aşchietoare, ceea ce va conduce la o uzură mai rapidă a acesteia. Astfel se întâmplă, de exemplu, la aşchierea unor oţeluri inoxidabile, care au conductivitate termică la 20 oC de numai 0,035…0,065 faţă de oţelurile carbon obişnuite, care au conductivitatea termică de 0,140.

30 v = 10 m/min 18 v = 57 m/min 6

160 200 240 280 320 [HB]

Temperatura de topire reprezintă o caracteristică fizică extrem de importantă pentru utilizatori. Materialele feroase şi neferoase se găsesc într-o gamă extrem de largă de valori ale temperaturii de topire:

- materiale foarte uşor fuzibile (Tt < 100 oC); - materiale uşor fuzibile (100 oC < Tt < 500 oC); - materiale fuzibile (500 oC < Tt < 1000 oC); - materiale greu fuzibile (1000 oC < Tt < 1800 oC); - materiale refractare (1800 oC < Tt < 2500 0C); - materiale înalt refractare (Tt > 2500 oC). Rezistivitatea electrică este o proprietate deosebit de importantă în multe domenii ale

tehnicii, materialele putându-se clasifica din acest punct de vedere în următoarele grupe: - materiale foarte bune conducătoare (ρ < 3 μΩ cm); - materiale bune conductătoare (ρ < 10 μΩ cm); - materiale slab conducătoare (ρ > 10 μΩ cm); - materiale rezistive (20 μΩ cm < ρ < 50 μΩ cm); - materiale înalt rezistive (ρ >50 μΩ cm).

Proprietăţile chimice. Dintre proprietăţile chimice ale materialelor cea mai mare

importanţă pentru industria constructoare de maşini o prezintă rezistenţa la coroziune. Aceasta reprezintă proprietatea unui material de a nu-şi modifica proprietăţile sub acţiunea chimică exercitată la suprafaţa corpurilor de către aer, apă sau de unele substanţe chimice.

b) Proprietăţile tehnologice ale materialului sunt acele însuşiri care le fac capabile de a fi prelucrare prin anumite procedee tehnologice (turnare, forjare, sudare, aşchiere etc.). In funcţie de procedeul tehnologic de prelucrare la care se pretează materialul respectiv, proprietăţile tehnologice au denumiri specifice:

Turnabilitate sau capacitate de turnare, care exprimă capacitatea materialului de a se topi şi de a umple spaţii înguste. De exemplu, fonta se toarnă mai bine decât oţelul, fiindcă este un material eutectic (cu temperaturi de topire mai scăzute), are o contracţie mică, o capacitate mică de dizolvare a gazelor, umple mai bine formele.

Forjabilitate, care exprimă capacitatea materialului de a fi deformat plastic la cald sau la rece. De exemplu, oţelul carbon este mai forjabil decât oţelul aliat, energia necesară fiind însă aproape egală.

Ductilitate, care exprimă capacitatea materialului de a fi tras în fire subţiri, fără a se rupe. De exemplu, din 1 g de aur se poate trage un fir de 2,4 km lungime.

Sudabilitate, care reprezintă capacitatea unui material de a se suda. La materialele feroase, elementul determinant pentru sudabilitate este carbonul. In figura 9.7 se arată cum variază sudabilitatea oţelurilor în funcţie de conţinutul în carbon echivalent. Pentru stabilirea conţinutului de carbon echivalent se utilizează relaţia:

tPCuMoNiCrMnCeC ⋅+++++++= 0024,02

%13

%4

%15

%5

%6

%%

în care t = grosimea materialului în [mm].

Fig.9.7 Influenţa conţinutului de carbon asupra sudabilităţii oţelurilor Sudabilitate

10 Sudare oxiacetilenică

Aşchiabilitate, care reprezintă însuşirea materialului de a putea fi

aşchier prelucrat prin procedee de

Fig.9.8. Aşchiabilitatea unor materiale

e (strunjire, frezare, burghiere etc.). Întrucât procesul formării aşchiilor este influenţat de un număr însemnat de factori (procedeul de prelucrare, materialul şi geometria sculei, regimul de aşchiere, condiţiile de răcire etc.), comportarea la aşchiere a materialelor nu poate fi caracterizată pe baza unui criteriu general valabil şi cu posibilităţi de exprimare valorică. In figura 9.8 sunt prezentate, comparativ, aşchiabilităţile unor materiale utilizate curent în construcţia de maşini (etalon sunt oţelurile inoxidabile martensitice, cu aşchiabilitate 100 %).

5 Sudare cu arc electric

0 0,5 1 %C I a I b II III

M a t e r i a l 50 100 150 200

tate, % Aşchiabili

11

10

9

8

7

6

5

4

1

2

3

1. Oţ itice 7. Fonte scule

iu

O proprietate tehnologică foarte importantă, în cazul multor materiale, este capacitatea

IUL ECONOMIC gerea materialului mai trebuie avut în vedere şi criteriul

econom

eluri inoxidabile fer2. Oţeluri inoxidabile martensitice 8. Oţeluri pentru3. Oţeluri inoxidabile austenitice 9. Aliaje refractare 4. Oţeluri pentru automate 10. Aliaje de cupru 5. Oţeluri carbon 11. Aliaje de alumin6. Oţeluri aliate

materialului de a se trata termic precum şi comportarea lui la tratamentul termic. Tratamentele termice nu numai că pot schimba proprietăţile de exploatare (duritate, rezistenţă, plasticitate etc.) dar pot modifica şi proprietăţile tehnologice ale materialelor, făcându-le prelucrabile prin anumite procedee tehnice.

9.2.3 CRITERIn toate etapele de proiectare, la aleic, urmărindu-se costul materialului şi faptul că este sau nu este deficitar.

In funcţie de caracterul producţiei (de masă, de serie mare sau mică), raportul dintre costul m

zării şi mecanizării proceselor de producţie, costul prelucr

roducţia de serie mică, ponderea materialului în costul piesei este mică în raport cu costul p

ntru a aprecia dacă este convenabilă înlocuirea unui material cu un alt material

aterialului şi cel al prelucrării, variază. În producţia de masă, datorită automati

ării devine mic faţă de cel al materialului. Cu toate acestea, este nerecomandabil să se încerce reducerea cheltuielilor de producţie prin folosirea unor materiale mai ieftine, de calitate inferioară, deoarece rezultatele mecanizării şi automatizării producţiei sunt condiţionate de utilizarea unor materiale omogene, atât dimensional cât şi din punctul de vedere al proprietăţilor tehnologice.

În prelucrării, acesta din urmă înglobând munca de cea mai înaltă calificare. In aceste condiţii se

constată că este rentabil să se folosească, când este cazul, materiale mai costisitoare, dar de calitate superioară.

Pe , mai scump dar cu calităţi superioare, se poate utiliza relaţia:

CC

CSDX

DΔ

−+Δ⋅= 100)1(100

unde:

100 ⋅ DDΔ

- este creşterea relativă, procentuală, a duratei de funcţionare a produsului;

100 ⋅ CCΔ

- este creşterea relativă, procentuală, a costului de material;

S - reprezintă cheltuieli pentru introducerea materialului respectiv;

t se realizează o economie;

dicat.

C - reprezintă costul materialului. Dacă: X > 0, prin materialul utiliza X = 0, costul este egal; X < 0, costul este mai ri

MODULUL 10

OBIECTIVE

Obiectivele capitolului constau în prezentarea principalelor materiale pentru construcţia sculelor:

- aşchietoare - pentru deformare plastică la rece - pentru deformare plastică la cald. Sunt prezentate proprietăţile cele mai importante, simbolizarea şi

domeniile de utilizare.

MATERIALE ŞI TRATAMENTE PENTRU SCULE

Alegerea materialelor pentru confecţionarea sculelor este dominată de analiza a

numeroşi factori dintre care cei mai importanţi sunt: - proprietăţile materialului care se prelucrează; - tipul operaţiei executate cu aceste scule şi performanţele maşinii-unelte folosite; - modul de răcire a sculei şi natura fluidului de răcire; - mărimea şi geometria sculei; - prelucrabilitatea şi comportarea la tratamentul termic a materialului sculei; - preţul de achiziţie al materialului pentru sculă, preţul de cost al sculei şi durabilitatea

acesteia. Marea diversitate a condiţiilor în care lucrează sculele atrage după sine o multitudine

de proprietăţi de întrebuinţare şi tehnologice pentru materialele destinate confecţionării lor. Sintetizate, aceste proprietăţi sunt următoarele:

- duritate ridicată la temperatura de lucru; - rezistenţă la uzură; - tenacitate. La aceste trei proprietăţi fundamentale, comune tuturor tipurilor de scule, se pot

adăuga şi altele care pot căpăta o importanţă mai mare sau mai mică, în funcţie de natura sculei:

- rezistenţă la şocuri mecanice; - durabilitate; - termostabilitate; - comportare bună în timpul tratamentelor; - prelucrabilitate prin aşchiere şi deformare; - rezistenţă la coroziune. In funcţie de operaţiile pe care le execută în cadrul procesului tehnologic de producţie,

sculele pot fi clasificate astfel: - scule pentru aşchiere; - scule pentru deformare plastică la rece (ambutisare, extrudare, refulare, întindere

etc.) sau tăiere (ştanţare, perforare, debavurare etc.); - scule pentru deformare plastică la cald (forjare, matriţare, laminare etc.).

A. Scule pentru aşchiere Materialele din care se pot executa sculele aşchietoare sunt: oţeluri carbon de scule,

oţeluri aliate pentru scule, oţeluri rapide, carburi metalice, materiale mineralo-ceramice, materiale superdure.

1. Oţelurile carbon de scule (OSC 7, OSC 8, OSC 8M, OSC9, OSC 10, OSC 11, OSC 12, OSC 13 - STAS 1700-80) au un conţinut de carbon între 0,6…1,4 % şi nu conţin elemente de aliere (de exemplu, simbolul OSC 10 corespunde unui oţel carbon pentru scule având concentraţia masică medie de carbon %Cm = 1,0 %).

Cu aceste scule se poate aşchia cu viteze de circa 20 m/min fără a depăşi temperatura de 200…250 oC.

Utilizări: OSC7 - scule supuse loviturilor şi şocurilor (ciocane de forjare la cald, ciocane de lăcătuşerie, baroase, matriţe pentru oţeluri moi sau mase plastice, căpuitoare, dălţi, şurubelniţe, vârfuri de strung, foarfece de mână pentru table, poansoane pentru oţel moale, burghie pentru materiale puţin dure, instrumente chirurgicale neascuţite, scule de tâmplărie); OSC13 - scule care nu sunt supuse la lovire şi care au o duritate deosebită şi muchii de tăiere foarte ascuţite (instrumente chirurgicale, cuţite pentru prelucrarea metalelor, brice, scule de trefilare, burghie, dălţi, scule pentru prelucrarea pietrelor dure, pile, cuţite pentru aşchiere cu viteze mici etc.).

Tratamentele termice care pot fi aplicate sunt: a) înainte de prelucrarea sculelor: recoacere de normalizare, recoacere de înmuiere. b) după prelucrarea sculelor: călire martensitică (eventual călire la temperaturi

scăzute) urmată de o revenire joasă (la t = 150...200 0C). Pentru a evita fisurarea în cazul sculelor cu forme complicate se recomandă călirea în

trepte, respectiv călirea în apă şi apoi în ulei, iar după revenire, răcirea în aer. Tratamentele de mai sus se aplică sculelor care au aceleaşi caracteristici pe toată

lungimea lor. In cazul sculelor cu coadă, executată dintr-o singură bucată cu partea activă, se recomandă aplicarea următorului ciclu de tratament:

- călire globală; - revenire numai pentru coadă în baie de săruri, până la duritatea de 30…40 HRC; - călire a părţii active; - revenire globală a sculei la duritatea necesară părţii active. In tabelul 1 se prezintă principalele domenii de utilizare, în funcţie de marca de oţel, a

oţelurilor carbon de scule.

Tabelul 1. Principalele domenii de utilizare a oţelurilor carbon de scule

Marca oţelului

Principalele domenii de utilizare

OSC7 Scule supuse loviturilor şi şocurilor, care necesită o tenacitate mare şi duritate suficientă: ciocane de forjare la cald, ciocane de lăcătuşerie, baroase, matriţe pentru oţeluri moi sau mase plastice, căpuitoare, dălţi, şurubelniţe, vârfuri de strung, foarfece de mână pentru table, poansoane pentru oţel moale, burghie pentru materiale puţin dure, instrumente chirurgicale neascuţite, scule de tâmplărie, scule de modelat, furci pentru maşini agricole, coase, seceri, cleşti patent, burghie etc.

OSC8 Scule care se supun la lovituri şi necesită tenacitate mare şi duritate mijlocie: matriţe pentru forme simple, cuţite şi foarfece pentru metale moi, scule de tâmplărie, scule pneumatice, perforatoare, punctatoare, dornuri de mână, scule pentru fabricarea şuruburilor şi cuielor, burghie pentru materiale cu duritate mijlocie, matriţe cu dimensiuni mici pentru materiale plastice., scule de tăiere şi îndoire la cald, cleşti pentru sârmă, dălţi pentru mânuit şi cioplit piatră etc.

OSC8M

Fierăstraie circulare sau bandă pentru lemn, cuţite de rindea, dălţi pentru cărbune, dălţi pentru cioplirea pietrelor, sârme pentru înaltă rezistenţă, matriţe pentru injectat mase plastice, piese de uzură la maşini agricole.

OSC10 Scule care nu sunt supuse la lovituri puternice şi bruşte, care necesită oarecare tenacitate şi au tăişuri: filiere, burghie pentru roci dure, fălci pentru bacuri, prese,

matriţe pentru monede, scule pentru fabricarea şuruburilor şi acelor, scule pentru extrudare, scule pentru aşchiat metale moi, inele de tras, inele de ambutisare, dornuri etc., cuţite de tăiat cauciuc, calibre de forme simple, fierăstraie mecanice, dălţi pentru ciocane pneumatice etc.

OSC11 Scule supuse la şocuri mici care necesită tăişuri ascuţite: role de roluit materiale metalice, filiere, freze, burghie, calibre, fierăstraie pentru metale, articole de menaj, matriţe pentru ambutisat, scule de aşchiat metale moi.

OSC13 Scule care nu sunt supuse la lovire şi care au o duritate deosebită şi muchii de tăiere foarte ascuţite: instrumente chirurgicale, cuţite pentru prelucrarea metalelor, brice, scule de trefilare, burghie, dălţi, scule pentru prelucrarea pietrelor dure, pile, cuţite pentru aşchiere cu viteze mici etc.

2. Oţelurile aliate pentru scule (200 Cr 120 sau C 120, 97 Mn Cr W1 sau M V W 14,

105 Cr W 20 sau C W 20, 150 V Mo Cr 120 sau V Mo C 120. 55 Mo Cr Ni 15 sau Mo C N 15, 39 V Mo Cr 53 sau Mo V C 50.10 etc. STAS 3611 - 88) sunt oţeluri slab aliate cu un conţinut de carbon de 0,8…1,4 %. Viteza economică de aşchiere cu aceste scule este de 40 m/min, putând fi întrebuinţate până la temperaturi de 350 oC. Toate oţelurile aliate pentru scule sunt caracterizate prin prezenţa cromului, care influenţează pozitiv călibilitatea, rezistenţa la uzare şi stabilitatea dimensională.

Utilizări: 90VMn20 - scule de precizie nedeformabile (filiere, calibre, şabloane, matriţe, ştanţe pentru prelucrări la rece); 57VMoCrNi17 - scule pentru forjare şi presare la cald (matriţe mari care lucrează în condiţii foarte grele).

Tratamentul termic constă, ca şi în cazul oţelurilor carbon de scule, în călire martensitică (se face cu răcire în ulei sau în jet de aer) urmată uneori de călire la temperaturi scăzute), după care se execută o revenire joasă (la t = 150...200 0C).

In tabelul 2 se prezintă principalele domenii de utilizare a oţelurilor aliate pentru scule. Tabelul 2. Principalele utilizări ale mărcilor de oţel aliat de scule.

Marca oţelului Principalele domenii de utilizare 90VMn20 Scule de precizie nedeformabile: filiere, calibre, şabloane, matriţe,

ştanţe pentru prelucrări la rece. 105MnCrW11 Scule pentru prelucrări la rece: tarozi, freze, alezoare, bacuri de filiere,

burghie, broşe, scule de tăiere, plăci de tăiere, cuţite fine profilate, scule pentru prelucrarea lemnului, matriţe mici pentru mase plastice, cuţite pentru tăierea hârtiei, instrumente de măsurat.

117VCr6 Scule pentru prelucrări la rece: tarozi, burghie, alezoare, extractoare, ştemuitoare, scule pneumatice, scule de poansonare şi gravare.

100VMoCr52 Scule foarte rezistente la uzură, pentru deformări plastice la rece. 155MoVCr115

Scule nedeformabile de mare productivitate, cu stabilitate dimensională, foarte rezistente la uzură, cu tenacitate ridicată: ştanţe cu sensibilitate la rupere, ferăstraie pentru metale, ştanţe de îndoit, cuţite de foarfece pentru tăiere la rece, matriţe de debavurat, scule pentru rulat filete, scule puternic solicitate pentru prelucrarea lemnului, scule pentru extruziune.

165VWMoCr115

Scule nedeformabile de mare productivitate, cu stabilitate dimensională, foarte rezistente la uzură şi cu tenacitate ridicată: freze, filiere, tarozi, mandrine, broşe.

205Cr115 Scule nedeformabile cu călibilitate redusă, rezistente la uzură, care nu lucrează la şocuri sau lovituri puternice, cu tenacitate ridicată: matriţe, poansoane, dornuri de tragere, scule de laminare la rece şi forjare la cald, calibre, scule de extrudare.

90VCrMn20 Scule pentru tăiere (cuţite industriale, ştanţe, matriţe, scule pentru poansoane, scule aşchietoare, scule pentru ambutisare adâncă sau poansoane, instrumente de măsurat.

105CrW20 Scule pentru prelucrări la rece: tarozi, bacuri de filiere, burghie, broşe. 45VSiCrW20 Scule rezistente la şoc, buterole, dălţi pneumatice, ştanţe, matriţe pentru

prelucrări la rece. 31VCr5 Scule cu utilizări bine precizate: chei fixe şi scule de mână, freze melc. 31VMoCr29 Scule pentru prelucrări la cald: matriţe şi subansamble de matriţe, scule

pentru fabricarea de şuruburi şi nituri, scule pentru maşini de forjat radial, scule supuse la solicitări mari la extruziune pentru prelucrarea aliajelor de cupru (bucşe, matriţe de presare).

36VSiWMoCr53

Scule pentru deformări plastice la cald: matriţe pentru extruziunea la cald a neferoaselor.

39VSiMoCr52 Scule pentru deformări plastice la cald: matriţe şi subansamble de matriţe pentru turnarea sub presiune a metalelor uşoare.

40VSiMoCr52 Scule pentru deformări plastice la cald: matriţe şi subansamble de matriţe, matriţe pentru turnarea sub presiune a metalelor uşoare, scule de presare prin extruziune (dornuri, mandrine la presele de extruziune).

55MoCrNi16 Scule pentru forjare şi presare la cald: matriţe mari, matriţe pentru injectat mase plastice, nicovale mari, cilindri de laminor.

55VMoCrNi16

Scule pentru forjare şi presare la cald: nicovale, matriţe pentru ciocane medii şi mici.

55VMoCrNi17

Scule pentru forjare şi presare la cald (matriţe de dimensiuni mari care lucrează în condiţii foarte grele, suport matriţe, poansoane pentru extruziune), matriţe pentru injectat mase plastice, nicovale, cilindri de laminor.

57VMoCrNi17

Scule pentru forjare şi presare la cald: matriţe mari care lucrează în condiţii foarte grele.

30VCrW85 Scule pentru deformări plastice la cald: matriţe şi dornuri pentru lucru la temperaturi de maximum 700 oC, foarfeci şi cuţite pentru tăiat la cald, scule de refulare la cald, elemente de matriţe pentru turnare sub presiune.

3. Oţelurile rapide pentru scule (Rp 1, Rp 2, Rp 3, Rp 4, Rp 5, Rp9, Rp 10, Rp 11

STAS 7382 - 80) sunt oţeluri înalt aliate. Elementele de aliere dau oţelurilor rapide o rezistenţă mare la temperaturi ridicate, astfel încât sculele din aceste oţeluri îşi păstrează duritatea până la temperaturi de 600 oC. Acest lucru permite prelucrarea cu viteze de aşchiere de 2…3 ori mai mari decât în cazul oţelurilor carbon de scule.

Utilizări: Rp 1 - scule pentru aşchiere rapidă, puternic solicitate la uzură şi la temperatură (freze, cuţite de strung etc.); Rp 10 - scule aşchietoare cu regimuri de aşchiere uşoare în materiale cu duritate mică (burghie, scule de filetat, freze).

Tratamentele termice al oţelurilor rapide constau din recoacere, călire (eventual sub 0 oC), revenire şi tratamente termochimice.

Pentru ridicarea performanţelor sculelor cu tăişuri din oţeluri rapide pot fi utilizate diferite tratamente termochimice, cel mai utilizat fiind nitrurarea.

Diagrama tratamentului termic final pentru oţelurile rapide este prezentată în figura 1.

Fig. 1. Diagrama tratamentului termic final pentru oţelurile rapide

In tabelul 3 se prezintă principalele domenii de utilizare a oţelurilor rapide pentru scule.

Tabelul 3. Domeniile de utilizare a oţelurilor rapide pentru scule

Marca oţelului

Principalele domenii de utilizare

Rp 1 Scule pentru aşchiere rapidă, puternic solicitate la uzură şi la temperatură: freze, cuţite etc.

Rp 2 Scule de aşchiere cu viteze foarte mari pentru materiale foarte dure: freze, cuţite etc.

Rp 3 Scule de aşchiere cu viteze mari pentru materiale cu duritate ridicată: burghie, scule de filetat, freze, broşe, cuţite de strung etc.

Rp 5 Scule de aşchiere cu randament satisfăcător pentru materiale cu duritate ridicată: burghie, freze, tarozi, cuţite etc.

Rp 9 Scule aşchietoare supuse la uzură accentuată, în regim termic moderat: burghie, freze (oţel rapid economic).

Rp 10 Scule aşchietoare cu regimuri de aşchiere uşoare în materiale cu duritate mică: burghie, scule de filetat, cuţite, freze (oţel rapid economic).

Rp 11 Scule de aşchiere cu randament ridicat: freze, alezoare puternic solicitate, dornuri, poansoane şi matriţe pentru extrudare la rece.

4. Carburile metalice se pot utiliza la aşchierea materialelor metalice şi nemetalice,

cu viteze mari de aşchiere (cu peste 100 % mai mari decât în cazul sculelor din oţel rapid). Acest lucru se datorează proprietăţilor generale, ca: duritate mare (peste 85 HRA), rezistenţă mare la uzură, o mare stabilitate termică (îşi păstrează duritatea până la temperaturi de peste 900 oC). Pe de altă parte însă carburile metalice prezintă dezavantajul deteriorării rapide în cazul prelucrărilor cu şoc sau cu vibraţii.

Plăcuţele din carburi metalice pentru scule aşchietoare se clasifică în trei grupe principale de utilizare (STAS 6374-80):

- grupa P (marcaj cu culoare albastră) - pentru aşchierea materialelor feroase ce formează aşchii lungi (oţel laminat, oţel turnat, fontă maleabilă);

- grupa M (marcaj cu culoare galbenă) - pentru feroase cu aşchii lungi sau scurte şi neferoase (oţel manganos, oţel austenitic, oţel pentru automate, fontă cenuşie, fontă maleabilă, metale neferoase etc.);

- grupa K (marcaj cu culoare vişinie) - pentru materiale feroase care formează aşchii scurte, materiale neferoase şi materiale nemetalice (fontă cenuşie, maleabilă, oţel aliat, neferoase, materiale plastice, lemn etc.).

5. Materialele mineralo-ceramice sunt compuse din Al2O3 sau din Al2O3 cu amestecuri din carburi sau metale. In funcţie de compoziţie se disting trei tipuri:

a) materiale mineralo-ceramice pure (plăcuţe albe), formate din 99,7 % Al2O3 şi infime adaosuri de alte substanţe menite să favorizeze sinterizarea;

b) materiale metalo-ceramice (cermeţi), formate din amestecuri de Al2O3 şi diverse metale;

c) materiale carbido-ceramice (plăcuţe cenuşii), formate din amestecuri de Al2O3 cu TiC sau WC.

Pentru aşchiere se utilizează tipurile “a” şi “c”. Fixarea plăcuţelor mineralo-ceramice pe suport se poate face prin brazare sau prin fixare mecanică. Suporturile se execută din oţeluri de îmbunătăţire de înaltă rezistenţă. In mod curent se utilizează mărcile 41MoCN11 sau 40C10, tratate termic la σr = 95…110 daN/mm2. Plăcuţele mineralo-ceramice sunt superioare celor din carburi metalice, printr-o rezistenţă mai mare la uzare şi la temperaturi înalte (îşi menţin proprietăţile până la 1200 oC). In schimb, sunt mai fragile decât acestea utilizându-se numai pentru finisare, la prelucrări fără şocuri şi vibraţii. Eficacitatea cea mai mare se obţine la prelucrarea materialelor care posedă o mare capacitate abrazivă şi o mică conductivitate termică, cum sunt fontele dure şi materialele plastice.

6. Materialele superdure au ca element de bază diamantul (elementul cu duritatea cea mai mare cunoscut până în prezent) sau nitrura cubică de bor. Aceste elemente pot fi naturale sau sintetice, iar ca formă pot fi monocristale sau policristale. Folosirea diamantului şi a NCB sub formă de monocristale, datorită dimensiunilor reduse, este limitată; ea este economică doar la confecţionarea sculelor abrazive. Pentru realizarea unor scule aşchietoare cu geometrie bine definită (cuţite) se folosesc policristalele, sub formă de plăcuţă, sinterizate. Plăcuţele din policristale de diamant se utilizează pentru prelucrarea tuturor materialelor neferoase (metale, materiale plastice, lemn, beton, marmoră etc.), iar cele din policristale de NBC pentru aşchierea feroaselor.

Se recomandă la prelucrări de semifinisare şi finisare, cu viteze foarte mari (peste 800 m/min), putându-se utiliza până la temperaturi de 900 oC (cele cu diamant) şi 1100 oC (cele cu NCB).

B. Scule pentru deformare plastică la rece şi tăiere Aceste scule se fabrică din: - oţeluri carbon de scule (OSC 7, OSC 8, OSC 8M, OSC 9, OSC 10, OSC 11, OSC 12,

OSC 13); - oţeluri aliate (cel mai des sunt utilizate oţelurile C 120 şi VMoC 120). In unele construcţii, sculele executate din oţel au părţile active executate din carburi

metalice. Tratamentele termice ale sculelor pentru deformare la rece şi tăiere din oţeluri carbon

sunt: - recoacere de detensionare; - călire cu încălzire în băi de săruri şi răcire în apă sau soluţie de sodă caustică; - revenire joasă. Prin modul de executare a tratamentului (introducere unor anumite părţi în nisip, a

altora în băi de săruri, răciri diferite a diferitelor părţi etc.) se realizează durităţi diferite în

diferite zone ale sculei (de exemplu în cazul unui poanson, duritatea este 40…44 HRC în zona cozii, 48…51 HRC în partea de trecere şi 56…58 HRC la partea frontală).

Tratamentele termice ale oţelurilor aliate pentru scule de deformare la rece şi tăiere sunt următoarele:

- recoacere de detensionare; - tratament termic primar: recoacere de înmuiere, îmbunătăţire (călire + revenire

înaltă); - tratament termic final, cu trei variante: a) călire cu răcire în ulei şi revenire joasă; b) călire cu răcire în ulei şi revenire medie, triplă; c) călire cu răcire în ulei sub zero grade şi revenire. Pentru mărirea rezistenţei la uzură a suprafeţelor active se aplică diferite tratamente

termochimice: nitrurare în gaz sau nitrurare ionică, borurare etc. Cele expuse mai sus sunt valabile pentru părţile active ale sculelor pentru deformare

plastică sau tăiere. Corpurile acestor scule sunt realizate din alte materiale, mai ieftine: fonte cenuşii, oţeluri carbon etc. Acestea se execută prin turnare (fonte, oţeluri) sau sudare (oţeluri).

C. Scule pentru deformare plastică la cald Condiţiile tehnice pe care trebuie să le îndeplinească aceste scule sunt de natură

termică şi mecanică. Matriţele pentru forjare sunt solicitate timp scurt la compresiune, lovituri, şocuri iar matriţele pentru presare, timp mai îndelungat la compresiune. Ca atare, matriţele pentru presare trebuie să fie rezistente la temperatură şi să posede bună conductivitate termică, iar matriţele pentru forjare trebuie să aibă înaltă rezistenţă mecanică, tenacitate şi duritate ridicată la temperatura de lucru.

Pentru construcţia acestor scule se utilizează oţeluri, care se pot împărţi în trei grupe: - grupa I - cuprinde oţelurile carbon (0,5…0,7 % C; OSC 7) şi oţelurile slab aliate

(MoCN15, VMoCn17). Se utilizează la confecţionarea matriţelor cu dimensiuni mari. - grupa II-a - cuprinde oţelurile mediu aliate cu Cr, Mo, V, W şi Si (MoVC 50.10,

MoVC 50.15, MoVC 53). - grupa a III-a - cuprinde oţelurile bogat aliate cu W, Cr şi V (VCW 85). Se utilizează

la matriţe cu dimensiuni mai mici, puternic solicitate. In privinţa tratamentelor termice, pentru oţelurile carbon din grupa I se recomandă o

recoacere de detensionare după prelucrările preliminare, iar apoi o îmbunătăţire (călire + revenire înaltă). La oţelurile aliate se recomandă o recoacere de detensionare după prelucrările preliminare, apoi o călire (preîncălzire în trei trepte, răcire în două medii, ulei-aer), urmată de o revenire dublă, cu răcire în aer.

Trebuie remarcat că aceste oţeluri nu rezistă la fluaj, deci nu se pot folosi ca oţeluri de construcţie în condiţii de temperaturi înalte de durată. Ele sunt supuse numai scurt timp şi numai la suprafaţă la temperaturi ridicate. Temperatura scade mult spre interior, având în vedere şi faptul că matriţele sunt de obicei răcite.

MODULUL 11

OBIECTIVE Obiectivele capitolului constau în prezentarea principalelor materiale

pentru construcţia arborilor şi axelor. Sunt prezentate proprietăţile cele mai importante, simbolizarea,

domeniile de utilizare şi tratamentele optime aplicate.

MATERIALE ŞI TRATAMENTE PENTRU ARBORI ŞI AXE

Alegerea materialelor şi a tratamentelor pentru arbori şi axe se face în funcţie de mai mulţi parametri, cei mai importanţi fiind:

- tipul lagărelor (cu alunecare sau cu rostogolire); - rezistenţa materialului la încovoiere, torsiune şi oboseală; - viteza de uzură a suprafeţelor de frecare şi în primul rând a fusurilor; - forma constructivă, dimensiunile (în special lungimea) şi defectele posibile ca

urmare a aplicării tratamentelor. Principalele materiale folosite în construcţia arborilor şi axelor sunt: - oţeluri carbon (OL 37, OL 42, OL 50, OL 60, - STAS 500-80); - oţeluri carbon de calitate (OLC 25, OLC 35, OLC 45, - STAS 880-80); - oţeluri aliate cu crom (15CN15, 13CN30, 41C10, 41MoC11, 50VC10); - oţeluri turnate (28TMC12, 21TMC12); - fonte cu înaltă rezistenţă (fonte modificate, fonte aliate). Executarea arborilor din oţeluri aliate este justificată numai în cazul în care construcţia

impune acest lucru (pinioane executate corp comun cu arborele, figura 1) sau în cazul arborilor puternic solicitaţi, la care se pun şi probleme de gabarit minim. In toate aceste cazuri prelucrarea arborilor trebuie realizată atent, întrucât creşterea rezistenţei la oboseală a oţelului aliat este însoţită de o mărire a sensibilităţii acestuia la concentrarea eforturilor.

Fig.1. Pinion executat corp comun cu arborele

Asigurarea rezistenţei la oboseală a arborelui şi a rezistenţei la uzare a fusurilor acestuia trebuie să se realizeze prin forma constructivă a arborelui şi prin tratamente de suprafaţă mecanice, termice sau termochimice (figura 2) şi numai în ultimă instanţă prin folosirea oţelurilor aliate.

Fig.2. Arbore cu fusuri tratate termic

La arborii la care condiţiile de rigiditate sunt determinante în alegerea dimensiunilor, întrebuinţarea oţelurilor aliate este, în general, nejustificată, întrucât modulul de elasticitate este practic acelaşi pentru oţelurile aliate şi pentru cele nealiate.

In practică se întâmplă frecvent ca secţiunea arborelui să fie mai mare decât cea rezultată din calcule. Aceasta se datorează unor cerinţe de exploatare (spre exemplu, arborele principal trebuie să aibă un alezaj pentru a permite trecerea piesei de prelucrat) sau tehnologice, ceea ce face ca eforturile din material să fie reduse. Ca urmare a acestui fapt, arborele poate fi confecţionat dintr-un oţel carbon de construcţie sau chiar din fontă perlitică sau modificată.

Pentru mărirea rezistenţei la uzare, în cazul acestor arbori, suprafeţele de frecare se îmbracă cu bucşe din oţeluri aliate cu duritate mare, tratate termic.

Fontele cu înaltă rezistenţă folosite în construcţia arborilor cu dimensiuni mari sau a celor cu forme complicate oferă avantajul unor importante economii de material şi manoperă. Sensibilitatea mai redusă la concentrarea eforturilor unitare şi proprietatea de amortizare a vibraţiilor reprezintă, de asemenea, avantaje.

Tratamentele termice care se pot aplica sunt cele cunoscute, recomandate şi în funcţie de calităţile care se cer arborilor sau axelor. Pot fi utilizate:

- pentru oţelurile de cementare: recoacere de normalizare, recoacere + nitrurare, carburarea + călire + revenire joasă, , cianurare + călire + revenire joasă.

- pentru oţelurile de îmbunătăţire: recoacere de înmuiere, recoacere de normalizare, călire superficială, călire dublă + revenire + nitrurare.

Tratamentele termice ale arborilor cotiţi se aleg şi se execută după procedee distincte, în funcţie de materialele din care s-au realizat semifabricatele. Tratamentele pot fi încadrate în două grupe distincte:

- tratamente termice de înmuiere, executate înaintea operaţiilor de prelucrare mecanică prin aşchiere;

- tratamente termice în cursul prelucrărilor, în scopul obţinerii durităţii superficiale prescrise, înainte şi după operaţiile de rectificare şi superfinisare.

La semifabricatele realizate din fontă modificată sau aliată, se aplică, de obicei, o singură recoacere de înmuiere, înaintea operaţiilor de prelucrare mecanică.

In cazul semifabricatelor din oţeluri, se aplică un tratament de normalizare, înainte de operaţiile de prelucrare mecanică, iar după aceasta se aplică cementarea, nitrurarea, respectiv călirea.