ALEGEREA MATERIALELOR

1. ASPECTE GENERALE

In etapa concepiei unui produs se aleg materialele din care se execut acesta, n majoritatea cazurilor existnd posibilitatea de a alege ntre mai multe materiale.

O alegere judicioas reclam cunotine temeinice ale regimului de ncrcare din exploatare i ale comportrii mecanice a diferitelor mrci de materiale.

O proiectare economic reclam ns i utilizarea materialului celui mai ieftin, cu caracteristice minime, de durat sau de rezisten la solicitri variabile (ciclice), fapt ce se reflect n final n costul produciei.

CONCLUZIE: n practica industrial se urmrete nu att utilizarea maxim, ci utilizarea optim a materialelor, ceea ce se poate realiza numai printr-o colaborare ntre elaborator, proiectant i tehnolog.

Etapele principale de urmat n alegerea unui material corespunztor sunt indicate schematic n figura 1.

Fig.1 Etapele urmrite la alegerea unui material

Totalitatea cerinelor, att n ceea ce privete funcionarea, exploatarea ct i

prelucrarea formeaz matricea de proprieti. Ea trebuie s cuprind cerinele n form de proprieti msurabile pentru a putea alege materialul cel mai corespunztor dintre cele disponibile.

Analiza problemei

Cerinele privind proprietile fizice i mecanice ale materialului cutat

Proprietile fizice i mecanice ale materialului disponibil

Cerinele nu pot fi satisfcute

Cerinele pot fi satisfcute parial sau total

Stabilirea materialului optim d.p.d.v.

funcional, tehnologic i economic

Cercetri pentru perfecionare de tehnologii noi

Cercetri de dezvoltare pentru elaborare de noi

materiale

Alegerea propriu-zis a materialului se va efectua prin compararea matricei de proprieti cerute cu matricea proprietilor materialelor disponibile.

2. CRITERII UTILIZATE LA ALEGEREA RAIONAL A MATERIALELOR INDUSTRIALE

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

2.1. CRITERIUL FUNCIONAL Criteriul funcional trebuie s aib n vedere tipul solicitrilor (ntindere,

compresiune, ncovoiere, torsiune), modul de acionare a sarcinilor n timp (static sau dinamic) precum i condiiile de funcionare (temperaturi joase, nalte etc.).

Referindu-ne la tipul solicitrii, reamintim c unele materiale au caracteristici diferite (rezistene admisibile diferite) atunci cnd se trece de la o solicitare la alta: ntindere, compresiune etc. De exemplu, fontele au valori mari ale rezistenei la compresiune, ns valori mici ale rezistenei la ntindere.

Alte materiale au aceleai caracteristici pentru grupe diferite de solicitri; de exemplu oelul are aceeai rezisten admisibil pentru ntindere, compresiune, ncovoiere.

Reamintim c modurile de solicitare n timp, tipice, sunt: - cazul I, solicitare static; - cazul II, solicitare prin ciclu pulsant; - cazul III, solicitare prin ciclu alternant simetric.

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

n cadrul condiiilor de funcionare, temperaturile nalte sau joase determin comportri diferite ale materialelor fa de comportrile la temperatura mediului ambiant, aspect care de asemenea trebuie luat n considerare.

Un exemplu de aplicare a criteriului funcional la alegerea unui material este studierea influenei solicitrii de ncovoiere asupra batiului unei maini-unelte. Studierea comparativ a elasticitii, rezistenei la ncovoiere i a rezistenei la traciune a fontei i a oelului au dus la concluzia c utilizarea oelului laminat n construciile sudate ale batiurilor duce la economii importante de material.

Cele expuse mai sus se demonstreaz pe un caz simplu lund o grind dreptunghiular solicitat la ncovoiere (figura 2).

Fig.2 Model pentru aplicarea criteriului funcional

Relaia efortului unitar la ncovoiere va fi:

hVlP

hblP

=

=2

2 236

4

de unde rezult volumul Va corespunztor efortului unitar la ncovoiere admisibil, a, adic:

bhlhlPV

aia ==

2

23

n general, se pot lua n calcul urmtoarele valori: aiOL = 3 daN/mm2 i aiFc = 1 daN/mm2 Pentru grinda considerat, deformaia cauzat de solicitarea P este:

2

4

3

3

44 hl

EVP

EbhPlY ==

i explicitnd volumul corespunztor deformaiei admisibile se obine:

bhlhl

EYaPVYa =

=

22

4

Dac se prezint grafic variaia volumelor Va i VYa n funcie de raportul 12/h, pentru oel avnd modulul de elasticitate E = 2,2 x 104 daN/mm2 i pentru font avnd E = 1,1 x 104 daN/mm2, se obine diagrama din figura 3. Grinda considerat va fi raional dimensionat atunci cnd sunt utilizate deopotriv rezistena materialului, caracterizat prin ai, ct i rigiditatea caracterizat prin deformaia Ya. Soluia optim se afl n punctul de intersecie a celor dou curbe: o dreapt care trece prin origine i o parabol cu vrful n origine.

P h l b

Fig.3 Variaia volumelor Va i VYa Punctul optim n sistemul considerat are coordonatele mai mari (3,9) pentru

font, iar pentru oel acestea sunt mai mici (2,2). Deci n cazul utilizrii oelului volumul este de 4,5 ori mai mic dect n cazul utilizrii fontei, ceea ce duce la economii de material de peste 50 %.

2.2. CRITERIUL TEHNOLOGIC Criteriul tehnologic are n vedere proprietile materialelor utilizate, proprieti

care trebuie s asigure rezistena materialului la solicitrile la care va fi supus. Proprietile materialelor pot fi:

a) proprieti de exploatare; b) proprieti tehnologice.

a) Proprietile de exploatare au cptat aceast denumire din cauz c ele

reprezint acele nsuiri ale produsului care asigur comportarea lui corespunztoare n exploatare. Astfel, un arc trebuie s fie elastic, un cuzinet trebuie s aib o rezisten ridicat la uzur, etc. Proprietile de exploatare cuprind:

- proprieti mecanice; - proprieti fizice; - proprieti chimice.

Proprietile mecanice (rezistena la rupere, duritatea, tenacitatea,

plasticitatea, elasticitatea) sunt acele nsuiri ale materialului care fac ca el s se opun forelor mecanice exterioare (traciune, ncovoiere, oc, oboseal, fluaj etc.), fr a se rupe sau a se deforma.

V 10 Font 8 6 4 2 Oel 0 1 2 3 l2/h

Cea mai important proprietate de exploatare pentru materialele metalice este rezistena la rupere prin traciune r, msurat conform SI n [daN/mm2]. S-a stabilit c odat cu creterea rezistenei la rupere prin traciune are loc o intensificare a uzurii sculelor achietoare, o scdere a vitezei de achiere (figura 4), precum i o mrire a energiei specifice de achiere (figura 5).

Fig.4. Influena rezistenei la rupere asupra vitezei de achiere

Fig.5. Influena rezistenei la rupere asupra energiei specifice de achiere

De asemenea, creterea rezistenei la rupere a materialului determin mbuntirea rugozitii suprafeei prelucrate, precum i o cretere a temperaturii n zona de achiere.

Vas [m/min] 250 150 50 100 200 r [daN/mm2]

WC [daN m / cm3] 200 150 100 20 40 60 80 r [daN/mm2]

Duritatea este rezistena opus de un material la ptrunderea din exterior a unui corp de form bine stabilit, numit penetrator. Reamintim c exist mai multe metode de msurare a duritii, cele mai utilizate fiind:

- metoda Brinell (mrimea amprentei lsat la suprafaa materialului de o bil de oel clit, HB);

- metoda Rockwell (adncimea de ptrundere a unei bile de oel clit, HRB, sau adncimea de ptrundere a unui con de diamant, HRA sau HRC);

- metoda Vickers (amprenta lsat de o piramid din diamant cu unghi la vrf de 136o, HV);

- metoda Shore (nlimea la care sare o bil din oel clit lsat s cad pe suprafaa piesei, HS);

In cazul oelurilor, creterea duritii materialului prelucrat determin o micorare a valorii indicatorului de prelucrabilitate, o mrire a eforturilor de achiere, precum i o mbuntire a rugozitii suprafeelor achiate (figura 6).

Fig.6. Influena duritii asupra rugozitii suprafeelor

Cea mai important proprietate elastic a materialelor este modulul de elasticitate E, msurat n [daN/mm2]. Pentru oel, de exemplu, acesta este n medie E = 2,1 104 daN/mm2, curba caracteristic la traciune fiind rectilinie.

Caracteristicile de plasticitate reflect capacitatea materialului de a se deforma plastic fr a se rupe. Ele se exprim n mod obinuit prin alungirea la rupere , care se msoar n procente.

In general, odat cu creterea alungirii la rupere are loc o mbuntire a prelucrabilitii prin achiere a oelurilor.

Caracteristica de tenacitate a materialului exprim capacitatea lui de a absorbi o anumit cantitate de energie fr a se rupe. Ea se exprim prin gtuirea Z,

Rmax [m] 30 v = 10 m/min 18 v = 57 m/min 6

160 200 240 280 320 [HB]

msurat n %, n cazul n care forele exterioare se aplic static sau prin reziliena KCU, msurat n daN/cm2, n cazul n care solicitarea se efectueaz prin oc.

Pentru oeluri s-a constatat c odat cu creterea gtuirii specifice Z se nregistreaz de obicei o ameliorare a prelucrabilitii prin achiere i, n general, o mrire a forelor de achiere. In ceea ce privete reziliena, odat cu creterea rezistenei la rupere prin oc are loc o mrire a lucrului mecanic specific la achiere.

Proprietile fizice sunt acelea care trebuie s dubleze, n multe situaii,

proprietile mecanice ale materialelor. Printre cele mai importante proprieti fizice sunt: densitatea i greutatea specific, conductivitatea termic, dilatarea la nclzire, conductivitatea i rezistivitatea electric, proprietile magnetice. Densitatea materialului, de exemplu este esenial n cazul aparatelor de zbor, conductivitatea termic, la sculele achietoare, conductivitatea electric la conductoarele electrice, rezistivitatea la rezistoarele instalaiilor de nclzire electric etc.

Conductivitatea termic reprezint proprietatea unui material de a conduce fluxul caloric. O conductivitate termic sczut a materialului nseamn de exemplu, o evacuare dificil a cldurii din zona de achiere, o concentrare important de cldur la nivelul vrfului sculei achietoare, ceea ce va conduce la o uzur mai rapid a acesteia. Astfel se ntmpl, de exemplu, la achierea unor oeluri inoxidabile, care au conductivitate termic la 20 oC de numai 0,0350,065 fa de oelurile carbon obinuite, care au conductivitatea termic de 0,140.

Temperatura de topire reprezint o caracteristic fizic extrem de important pentru utilizatori. Materialele feroase i neferoase se gsesc ntr-o gam extrem de larg de valori ale temperaturii de topire:

- materiale foarte uor fuzibile (Tt < 100 oC); - materiale uor 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 nalt refractare (Tt > 2500 oC). Rezistivitatea electric este o proprietate deosebit de important n multe

domenii ale tehnicii, materialele putndu-se clasifica din acest punct de vedere n urmtoarele grupe:

- materiale foarte bune conductoare ( < 3 cm); - materiale bune conducttoare ( < 10 cm); - materiale slab conductoare ( > 10 cm); - materiale rezistive (20 cm < < 50 cm); - materiale nalt rezistive ( >50 cm).

Proprietile chimice. Dintre proprietile chimice ale materialelor cea mai mare importan pentru industria constructoare de maini o prezint rezistena la coroziune. Aceasta reprezint proprietatea unui material de a nu-i modifica proprietile sub aciunea chimic exercitat la suprafaa corpurilor de ctre aer, ap sau de unele substane chimice.

b) Proprietile tehnologice ale materialului sunt acele nsuiri care le fac capabile de a fi prelucrare prin anumite procedee tehnologice (turnare, forjare, sudare, achiere etc). In funcie de procedeul tehnologic de prelucrare la care se preteaz materialul respectiv, proprietile tehnologice au denumiri specifice:

Turnabilitate sau capacitate de turnare, care exprim capacitatea materialului de a se topi i de a umple spaii nguste. De exemplu, fonta se toarn mai bine dect oelul, fiindc este un material eutectic (cu temperaturi de topire mai sczute), are o contracie mic, o capacitate mic de dizolvare a gazelor, umple mai bine formele.

Forjabilitate, care exprim capacitatea materialului de a fi deformat plastic la cald sau la rece. De exemplu, oelul carbon este mai forjabil dect oelul aliat, energia necesar fiind ns aproape egal.

Ductilitate, care exprim capacitatea materialului de a fi tras n fire subiri, fr a se rupe. De exemplu, din 1 g de aur se poate trage un fir de 2,4 km lungime.

Sudabilitate, care reprezint capacitatea unui material de a se suda. La materialele feroase, elementul determinant pentru sudabilitate este carbonul. In figura 7 se arat cum variaz sudabilitatea oelurilor n funcie de coninutul n carbon echivalent. Pentru stabilirea coninutului de carbon echivalent se utilizeaz relaia:

tPCuMoNiCrMnCCe +++++++= 0024,02%

13%

4%

15%

5%

6%%

n care t = grosimea materialului n [mm].

Fig.7 Influena coninutului de carbon asupra sudabilitii oelurilor

Achiabilitate, care reprezint nsuirea materialului de a putea fi prelucrat

prin procedee de achiere (strunjire, frezare, burghiere etc.). ntruct procesul formrii achiilor este influenat de un numr nsemnat de factori (procedeul de

Sudabilitate

10 Sudare oxiacetilenic

5 Sudare cu arc electric

0 0,5 1 %C

I a I b II III

prelucrare, materialul i geometria sculei, regimul de achiere, condiiile de rcire etc.), comportarea la achiere a materialelor nu poate fi caracterizat pe baza unui criteriu general valabil i cu posibiliti de exprimare valoric. In figura 8 sunt prezentate, comparativ, achiabilitile unor materiale utilizate curent n construcia de maini (etalon sunt oelurile inoxidabile martensitice, cu achiabilitate 100 %).

Fig.8. Achiabilitatea unor materiale

1. Oeluri inoxidabile feritice 7. Fonte 2. Oeluri inoxidabile martensitice 8. Oeluri pentru scule 3. Oeluri inoxidabile austenitice 9. Aliaje refractare 4. Oeluri pentru automate 10. Aliaje de cupru 5. Oeluri carbon 11. Aliaje de aluminiu 6. Oeluri aliate

O proprietate tehnologic foarte important, n cazul multor materiale, este capacitatea materialului de a se trata termic precum i comportarea lui la tratamentul termic. Tratamentele termice nu numai c pot schimba proprietile de exploatare (duritate, rezisten, plasticitate etc.) dar pot modifica i proprietile tehnologice ale materialelor, fcndu-le prelucrabile prin anumite procedee tehnice.

2.3 CRITERIUL ECONOMIC In toate etapele de proiectare, la alegerea materialului mai trebuie avut n

vedere i criteriul economic, urmrindu-se costul materialului i faptul c este sau nu este deficitar.

In funcie de caracterul produciei (de mas, de serie mare sau mic), raportul dintre costul materialului i cel al prelucrrii, variaz.

M a t e r i a l 50 100 150 200 Achiabilitate, %

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

y n producia de mas, datorit automatizrii i mecanizrii proceselor de producie, costul prelucrrii devine mic fa de cel al materialului. Cu toate acestea, este nerecomandabil s se ncerce reducerea cheltuielilor de producie prin folosirea unor materiale mai ieftine, de calitate inferioar, deoarece rezultatele mecanizrii i automatizrii produciei sunt condiionate de utilizarea unor materiale omogene, att dimensional ct i din punctul de vedere al proprietilor tehnologice.

y n producia de serie mic, ponderea materialului n costul piesei este mic n raport cu costul prelucrrii, acesta din urm nglobnd munca de cea mai nalt calificare. In aceste condiii se constat c este rentabil s se foloseasc, cnd este cazul, materiale mai costisitoare, dar de calitate superioar.

Pentru a aprecia dac este convenabil nlocuirea unui material cu un alt material, mai scump dar cu caliti superioare, se poate utiliza relaia:

CC

CS

DDX += 100)1(100

unde:

100 DD - este creterea relativ, procentual, a duratei de funcionare a

produsului;

100 CC - este creterea relativ, procentual, a costului de material;

S - reprezint cheltuieli pentru introducerea materialului respectiv; C - reprezint costul materialului. Dac: X > 0, prin materialul utilizat se realizeaz o economie; X = 0, costul este egal; X < 0, costul este mai ridicat.

9. MATERIALE I TRATAMENTE PENTRU SCULEAlegerea materialelor pentru confecionarea sculelor este dominat de

analiza a numeroi factori dintre care cei mai importani sunt:- proprietile materialului care se prelucreaz;- tipul operaiei executate cu aceste scule i performanele mainii-unelte

folosite;- modul de rcire a sculei i natura fluidului de rcire;- mrimea i geometria sculei;- prelucrabilitatea i comportarea la tratamentul termic a materialului

sculei;- preul de achiziie al materialului pentru scul, costul total al sculei i

durabilitatea acesteia.Marea diversitate a condiiilor n care lucreaz sculele atrage dup sine o

multitudine de proprieti de ntrebuinare i tehnologice pentru materialeledestinate confecionrii lor. Sintetizate, aceste proprieti sunt urmtoarele:

- duritate ridicat la temperatura de lucru;- rezisten la uzur;- tenacitate.La aceste trei proprieti fundamentale, comune tuturor tipurilor de scule,

se pot aduga i altele care pot cpta o importan mai mare sau mai mic, nfuncie de natura sculei:

- rezisten la ocuri mecanice;- durabilitate;- termostabilitate;- comportare bun n timpul tratamentelor;- prelucrabilitate prin achiere i deformare;- rezisten la coroziune.In funcie de operaiile pe care le execut n cadrul procesului tehnologic

de producie, sculele pot fi clasificate astfel:- scule pentru achiere;- scule pentru deformare plastic la rece (ambutisare, extrudare, refulare,

ntindere etc.) sau tiere (tanare, perforare, debavurare etc.);- scule pentru deformare plastic la cald (forjare, matriare, laminare etc.).9.1. Scule pentru achiereMaterialele din care se pot executa sculele achietoare sunt: oeluri carbon

de scule, oeluri aliate pentru scule, oeluri rapide, carburi metalice, materialemineralo-ceramice, materiale superdure.

Oelurile carbon de scule (OSC 7, OSC 8, OSC 8M, OSC9, OSC 10,OSC 11, OSC 12, OSC 13 - STAS 1700-80) au un coninut de carbon ntre0,61,4 % i nu conin elemente de aliere (de exemplu, simbolul OSC 10corespunde unui oel carbon pentru scule avnd concentraia masic medie decarbon %Cm = 1,0 %).

Cu aceste scule se poate achia cu viteze de circa 20 m/min fr a depitemperatura de 200250 oC.

Utilizri: OSC7 - scule supuse loviturilor i ocurilor (ciocane de forjarela cald, ciocane de lctuerie, baroase, matrie pentru oeluri moi sau maseplastice, cpuitoare, dli, urubelnie, vrfuri de strung, foarfece de mn pentrutable, poansoane pentru oel moale, burghie pentru materiale puin dure,instrumente chirurgicale neascuite, scule de tmplrie); OSC13 - scule care nusunt supuse la lovire i care au o duritate deosebit i muchii de tiere foarteascuite (instrumente chirurgicale, cuite pentru prelucrarea metalelor, brice,scule de trefilare, burghie, dli, scule pentru prelucrarea pietrelor dure, pile,cuite pentru achiere cu viteze mici etc.).

Tratamentele termice care pot fi aplicate sunt:a) nainte de prelucrarea sculelor: recoacere de normalizare, recoacere de

nmuiere.b) dup prelucrarea sculelor: clire martensitic (eventual clire la

temperaturi sczute) urmat de o revenire joas (la t = 150...200 0C).Pentru a evita fisurarea n cazul sculelor cu forme complicate se

recomand clirea n trepte, respectiv clirea n ap i apoi n ulei, iar duprevenire, rcirea n aer.

Tratamentele de mai sus se aplic sculelor care au aceleai caracteristicipe toat lungimea lor. In cazul sculelor cu coad, executat dintr-o singurbucat cu partea activ, se recomand aplicarea urmtorului ciclu de tratament:

- clire global;- revenire numai pentru coad n baie de sruri, pn la duritatea de

3040 HRC;- clire a prii active;- revenire global a sculei la duritatea necesar prii active.Oelurile 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. 55Mo Cr Ni 15 sau Mo C N 15, 39 V Mo Cr 53 sau Mo V C 50.10 etc. STAS 3611- 88) sunt oeluri slab aliate cu un coninut de carbon de 0,81,4 %. Vitezaeconomic de achiere cu aceste scule este de 40 m/min, putnd fi ntrebuinatepn la temperaturi de 350 oC. Toate oelurile aliate pentru scule suntcaracterizate prin prezena cromului, care influeneaz pozitiv clibilitatea,rezistena la uzare i stabilitatea dimensional.

Utilizri: 90VMn20 - scule de precizie nedeformabile (filiere, calibre,abloane, matrie, tane pentru prelucrri la rece); 57VMoCrNi17 - scule pentruforjare i presare la cald (matrie mari care lucreaz n condiii foarte grele).

Tratamentul termic const, ca i n cazul oelurilor carbon de scule, nclire martensitic (se face cu rcire n ulei sau n jet de aer) urmat uneori declire la temperaturi sczute), dup care se execut o revenire joas (la t =150...200 0C).

Oelurile rapide pentru scule (Rp 1, Rp 2, Rp 3, Rp 4, Rp 5, Rp9, Rp10, Rp 11 STAS 7382 - 80) sunt oeluri nalt aliate. Elementele de aliere dauoelurilor rapide o rezisten mare la temperaturi ridicate, astfel nct sculele dinaceste oeluri i pstreaz duritatea pn la temperaturi de 600 oC. Acest lucrupermite prelucrarea cu viteze de achiere de 23 ori mai mari dect n cazuloelurilor carbon de scule.

Utilizri: Rp 1 - scule pentru achiere rapid, puternic solicitate la uzur ila temperatur (freze, cuite de strung etc.); Rp 10 - scule achietoare curegimuri de achiere uoare n materiale cu duritate mic (burghie, scule defiletat, freze).

Tratamentele termice al oelurilor rapide constau din recoacere, clire(eventual sub 0 oC), revenire i tratamente termochimice.

Pentru ridicarea performanelor sculelor cu tiuri din oeluri rapide pot fiutilizate diferite tratamente termochimice, cel mai utilizat fiind nitrurarea.

Diagrama tratamentului termic final pentru oelurile rapide este prezentatn figura 1.

Figura 9.1. Diagrama tratamentului termic final pentru oelurile rapide

Carburile metalice se pot utiliza la achierea materialelor metalice inemetalice, cu viteze mari de achiere (cu peste 100 % mai mari dect n cazulsculelor din oel rapid). Acest lucru se datoreaz proprietilor generale, ca:duritate mare (peste 85 HRA), rezisten mare la uzur, o mare stabilitatetermic (i pstreaz duritatea pn la temperaturi de peste 900 oC). Pe de altparte ns carburile metalice prezint dezavantajul deteriorrii rapide n cazulprelucrrilor cu oc sau cu vibraii.

Plcuele din carburi metalice pentru scule achietoare se clasific n treigrupe principale de utilizare (STAS 6374-80):

- grupa P (marcaj cu culoare albastr) - pentru achierea materialelorferoase ce formeaz achii lungi (oel laminat, oel turnat, font maleabil);

- grupa M (marcaj cu culoare galben) - pentru feroase cu achii lungi sauscurte i neferoase (oel manganos, oel austenitic, oel pentru automate, fontcenuie, font maleabil, metale neferoase etc.);

- grupa K (marcaj cu culoare viinie) - pentru materiale feroase careformeaz achii scurte, materiale neferoase i materiale nemetalice (fontcenuie, maleabil, oel aliat, neferoase, materiale plastice, lemn etc.).

Materialele mineralo-ceramice sunt compuse din Al2O3 sau din Al2O3cu amestecuri din carburi sau metale. In funcie de compoziie se disting treitipuri:

a) materiale mineralo-ceramice pure (plcue albe), formate din 99,7 %Al2O3 i infime adaosuri de alte substane menite s favorizeze sinterizarea;b) materiale metalo-ceramice (cermei), formate din amestecuri de Al2O3i diverse metale;

c) materiale carbido-ceramice (plcue cenuii), formate din amestecuri deAl2O3 cu TiC sau WC.Pentru achiere se utilizeaz tipurile a i c. Fixarea plcuelormineralo-ceramice pe suport se poate face prin brazare sau prin fixare mecanic.Suporturile se execut din oeluri de mbuntire de nalt rezisten. In modcurent se utilizeaz mrcile 41MoCN11 sau 40C10, tratate termic la r =95110 daN/mm2.

Plcuele mineralo-ceramice sunt superioare celor din carburi metalice,printr-o rezisten mai mare la uzare i la temperaturi nalte (i meninproprietile pn la 1200 oC). In schimb, sunt mai fragile dect acesteautilizndu-se numai pentru finisare, la prelucrri fr ocuri i vibraii.Eficacitatea cea mai mare se obine la prelucrarea materialelor care posed omare capacitate abraziv i o mic conductivitate termic, cum sunt fontele durei materialele plastice.

Materialele superdure au ca element de baz diamantul (elementul cuduritatea cea mai mare cunoscut pn n prezent) sau nitrura cubic de bor.Aceste elemente pot fi naturale sau sintetice, iar ca form pot fi monocristale saupolicristale. Folosirea diamantului i a NCB sub form de monocristale, datoritdimensiunilor reduse, este limitat; ea este economic doar la confecionareasculelor abrazive. Pentru realizarea unor scule achietoare cu geometrie binedefinit (cuite) se folosesc policristalele, sub form de plcu, sinterizate.Plcuele din policristale de diamant se utilizeaz pentru prelucrarea tuturormaterialelor neferoase (metale, materiale plastice, lemn, beton, marmor etc.),iar cele din policristale de NBC pentru achierea feroaselor.

Se recomand la prelucrri de semifinisare i finisare, cu viteze foartemari (peste 800 m/min), putndu-se utiliza pn la temperaturi de 900 oC (celecu diamant) i 1100 oC (cele cu NCB).

2. MATERIALE I TRATAMENTE PENTRU ARBORI I AXE

Alegerea materialelor i a tratamentelor pentru arbori i axe se face n funcie de mai muli parametri, cei mai importani fiind:

- tipul lagrelor (cu alunecare sau cu rostogolire); - rezistena materialului la ncovoiere, torsiune i oboseal; - viteza de uzur a suprafeelor de frecare i n primul rnd a fusurilor; - forma constructiv, dimensiunile (n special lungimea) i defectele

posibile ca urmare a aplicrii tratamentelor. Principalele materiale folosite n construcia arborilor i axelor sunt: - oeluri carbon (OL 37, OL 42, OL 50, OL 60, - STAS 500-80); - oeluri carbon de calitate (OLC 25, OLC 35, OLC 45, - STAS 880-80); - oeluri aliate cu crom (15CN15, 13CN30, 41C10, 41MoC11, 50VC10); - oeluri turnate (28TMC12, 21TMC12); - fonte cu nalt rezisten (fonte modificate, fonte aliate). Executarea arborilor din oeluri aliate este justificat numai n cazul n

care construcia impune acest lucru (pinioane executate corp comun cu arborele, figura 1) sau n cazul arborilor puternic solicitai, la care se pun i probleme de gabarit minim. In toate aceste cazuri prelucrarea arborilor trebuie realizat atent, ntruct creterea rezistenei la oboseal a oelului aliat este nsoit de o mrire a sensibilitii acestuia la concentrarea eforturilor.

Fig.1. Pinion executat corp comun cu arborele

Asigurarea rezistenei la oboseal a arborelui i a rezistenei la uzare a fusurilor acestuia trebuie s se realizeze prin forma constructiv a arborelui i prin tratamente de suprafa mecanice, termice sau termochimice (figura 2) i numai n ultim instan prin folosirea oelurilor aliate.

Fig.2. Arbore cu fusuri tratate termic

La arborii la care condiiile de rigiditate sunt determinante n alegerea

dimensiunilor, ntrebuinarea oelurilor aliate este, n general, nejustificat, ntruct modulul de elasticitate este practic acelai pentru oelurile aliate i pentru cele nealiate.

In practic se ntmpl frecvent ca seciunea arborelui s fie mai mare dect cea rezultat din calcule. Aceasta se datoreaz unor cerine de exploatare (spre exemplu, arborele principal trebuie s aib un alezaj pentru a permite trecerea piesei de prelucrat) sau tehnologice, ceea ce face ca eforturile din material s fie reduse. Ca urmare a acestui fapt, arborele poate fi confecionat dintr-un oel carbon de construcie sau chiar din font perlitic sau modificat.

Pentru mrirea rezistenei la uzare, n cazul acestor arbori, suprafeele de frecare se mbrac cu buce din oeluri aliate cu duritate mare, tratate termic.

Fontele cu nalt rezisten folosite n construcia arborilor cu dimensiuni mari sau a celor cu forme complicate ofer avantajul unor importante economii de material i manoper. Sensibilitatea mai redus la concentrarea eforturilor unitare i proprietatea de amortizare a vibraiilor reprezint, de asemenea, avantaje.

Tratamentele termice care se pot aplica sunt cele cunoscute, recomandate i n funcie de calitile care se cer arborilor sau axelor. Pot fi utilizate:

- pentru oelurile de cementare: recoacere de normalizare, recoacere + nitrurare, carburarea + clire + revenire joas, , cianurare + clire + revenire joas.

- pentru oelurile de mbuntire: recoacere de nmuiere, recoacere de normalizare, clire superficial, clire dubl + revenire + nitrurare.

Tratamentele termice ale arborilor cotii se aleg i se execut dup procedee distincte, n funcie de materialele din care s-au realizat semifabricatele. Tratamentele pot fi ncadrate n dou grupe distincte:

- tratamente termice de nmuiere, executate naintea operaiilor de prelucrare mecanic prin achiere;

- tratamente termice n cursul prelucrrilor, n scopul obinerii duritii superficiale prescrise, nainte i dup operaiile de rectificare i superfinisare.

La semifabricatele realizate din font modificat sau aliat, se aplic, de obicei, o singur recoacere de nmuiere, naintea operaiilor de prelucrare mecanic.

In cazul semifabricatelor din oeluri, se aplic un tratament de normalizare, nainte de operaiile de prelucrare mecanic, iar dup aceasta se aplic cementarea, nitrurarea, respectiv clirea.

4. MATERIALE I TRATAMENTE PENTRU LAGRE

Lagrele sunt organe de maini, pe care se sprijin arborii sau axele diferitelor maini sau instalaii.

In industrie se utilizeaz dou tipuri principale de lagre i anume: - lagre cu rostogolire (rulmeni); - lagre cu alunecare (cuzinei). Condiiile n care lucreaz aceste dou tipuri de lagre fiind diferite,

materialele pentru confecionarea lor vor fi i ele diferite. 4.1. Lagre cu rostogolire

Condiiile n care funcioneaz rulmenii (fig.1) sunt complexe i mult diferite de cele n care funcioneaz majoritatea celorlalte organe de maini.

Figura 1. Rulmeni Elementele componente ale rulmenilor (inele, bile, role, ace etc.) sunt supuse, n general, solicitrilor de compresie, traciune, strivire, rostogolire i oboseal. O particularitate foarte important a ncrcrii rulmenilor o constituie

faptul c sarcinile care acioneaz sunt concentrate pe suprafee foarte mici (figura 2), la contactul dintre bil i inel sau dintre inel i rol, n funcie de tipul rulmentului.

Fig.2. Concentrarea sarcinilor la funcionarea rulmenilor

Condiiile de funcionare ale rulmenilor, amintite pe scurt mai sus, au dus la concluzia c materialul destinat confecionrii rulmenilor trebuie s posede urmtoarele proprieti de baz: - o limit de elasticitate ridicat, astfel nct materialul s nu se deformeze sub influena sarcinilor statice i dinamice; - o rezisten la oboseal ridicat, care s permit o funcionare normal, n cursul a mii de ore de exploatare; - o rezisten la rupere, la ocuri i la uzur ridicat, care s permit rulmentului s reziste, fr a se fisura sau distruge, la sarcinile statice i dinamice importante, la care este supus n timpul lucrului. Pentru atingerea acestor proprieti, oelul de rulmeni trebuie s aib o duritate final de 6266 HRC pe toat seciunea piesei.

Alegerea i utilizarea materialelor adecvate n construcia de rulmeni este practic rezolvat. Alegerea materialului, n aceast situaie, se refer la organele de maini cu rol funcional apropiat de cel al rulmenilor, ca: role de reazem i ghidare, paliere cu role sau bile, piese n contact cu role sau bile etc. (fig. 3).

Principalele mrci de oeluri pentru rulmeni sunt RUL1, RUL1V, RUL2, RUL2V i RUL3V.

Compoziia chimic a oelurilor RUL1 i RUL2 se prezint n tabelul 1.

Tabelul 1.Compoziia chimic a oelurilor de rulmeni

Coninutul, [% ] Marca C Cr Mn Si

RUL 1 0,951,10 1,301,65 0,200,45 0,170,37 RUL 2 0,951,10 1,301,65 0,901,20 0,400,65

Coliviile pot fi executate din urmtoarele materiale: oeluri sau fonte speciale, oel fosforos, alam, material plastic etc.

Fig.3 Organe de maini cu rol funcional apropiat In unele situaii, n cazul unor solicitri mai reduse se pot utiliza pentru

construcia rulmenilor i oeluri de mbuntire aliate cu crom sau cu mangan-siliciu sau oeluri de cementare cu crom-mangan sau crom-nichel. Tratamentul termic al oelului de rulmeni include tratamentul termic preliminar sau intermediar, pentru mbuntirea prelucrabilitii prin achiere i tratamentul termic final, care are drept scop conferirea duritii finale rulmenilor. Tratamentul termic preliminar, care urmrete pregtirea structurii n vederea uurrii prelucrabilitii prin achiere, este de fapt o recoacere de nmuiere. Dup aplicarea acestei recoaceri, are loc prelucrarea prin achiere pentru obinerea pieselor finite. Piesele prelucrate sunt supuse apoi tratamentului termic final: clire n ap sau ulei, urmat de o revenire joas, la temperaturi de 150 - 200 0C (fig. 4). n vederea stabilizrii dimensionale a rulmenilor se poate realiza o clire sub 0 0C, ( -75 0C), timp de o or, reducndu-se proporia de austenit rezidual de la 810 % la 34 %.

Fig.4. Diagrama tratametului termic final

al oelurilor pentru rulmeni

4.2. Lagre cu alunecare

La alegerea materialelor pentru cuzinei trebuie avute n vedere

urmtoarele elemente: a) ntruct nlocuirea axului este mai dificil dect nlocuirea cuzinetului,

materialul acestuia din urm va trebui s fie mai puin dur dect materialul axului, astfel nct, n timpul funcionrii, s se uzeze cuzinetul i nu axul;

b) In timpul funcionrii, cuzinetul trebuie s se acomodeze la ax i nu invers. In urma uzrii i deformrii, cuzinetul trebuie s capete configuraia axului, adaptndu-se la toate neregularitile de form ale acestuia. Cu ct materialul cuzinetului este mai moale, cu att se ajunge mai repede la aceast situaie. O duritate foarte sczut a materialului cuzinetului va determina ns o uzare rapid a lui.

c) Coeficientul de frecare va fi cu att mai mic cu ct duritatea cuzinetului va fi mai mare. Cuzinetul dur se acomodeaz ns greu la ax.

Cteva din proprietile cele mai importante pe care trebuie s le ndeplineasc materialele lagrelor cu alunecare sunt: rezisten static i la oboseal bune, chiar i n condiiile unor temperaturi ridicate; rezisten la uzur i coroziune; afinitate fa de lubrifiant (pentru formarea peliculei); capacitate bun de rodare; comportare bun n regimurile tranzitorii; conductivitatea termic bun i coeficient de dilatare redus; greutate specific mic; uurin de prelucrare la rece sau la cald (turnare, presare); pre sczut.

Principalele categorii de materiale care pot fi utilizate pentru construcia lagrelor sunt: materialele feroase, materialele neferoase, materialele ceramice i materialele plastice.

Dintre materialele feroase, oelurile nealiate au o utilizare limitat ca materiale pentru lagre, fiind folosite numai n cazul unor solicitri reduse (de exemplu la lagrele hidrostatice). O mbuntire a proprietilor este posibil prin tratamente termice sau termochimice (clire, cementare, fosfatare, sulfizare, nitrurare etc.).

Proprieti superioare prezint oelurile slab aliate, att n ceea ce privete comportarea la alunecare, ct i caracteristicile mecanice.

Fontele, datorit coninutului lor de grafit, prezint bune proprieti de antifriciune. Se recomand ndeosebi fontele perlitice cu eutectic fosforos. Dintre dezavantajele acestor materiale trebuie menionat slaba rezisten la coroziune i proprietile mecanice sczute.

Materialele neferoase cele mai utilizate pentru lagrele lubrifiate sunt bronzurile, aliajele speciale pentru lagre (babituri) i aliajele uoare. Proprietile cele mai bune le prezint compoziia pe baz de staniu, care asigur, pe lng comportarea bun la rodaj i la supranclzire, i o sensibilitate redus la impuriti datorit capacitii de nglobare a particulelor dure care ptrund n spaiul dintre fus i cuzinet.

Aliajele dure i refractare pe baz de crom, nichel, cobalt, molibden, wolfram etc. i pstreaz duritatea pn la temperaturi ridicate, de peste 1000 oC, astfel nct uzura lor este deosebit de redus. Datorit dificultilor de prelucrare i din considerente economice, aceste materiale se folosesc mai ales ca straturi superficiale depuse prin diferite procedee (galvanice, sudare, metalizare n vid cu jet de plasm etc.). Pentru prelucrarea final a pieselor componente este utilizat rectificarea, honuirea sau lepuirea, n vederea asigurrii calitii corespunztoare a suprafeelor.

Materialele ceramice i metaloceramice se utilizeaz datorit duritii ridicate i a proprietilor bune de frecare uscat. Dintre acestea sunt folosite materialele ceramice obinute prin sinterizare, cum ar fi: oxizii (Al2O3), carburile (TiC, WC), borurile, nitrurile etc.

Materialele plastice cunosc n prezent un larg interes pentru construcia lagrelor, avnd pe lng preul de cost sczut i avantajele unor proprieti bune de antifriciune. Utilizarea lor este limitat ns de prelucrabilitatea dificil n toleranele i la calitatea suprafeei necesare pentru lagrele de precizie. Se obin rezultate bune prin utilizarea lor n combinaie cu alte materiale.

Principalele materialele plastice utilizate la construcia lagrelor cu alunecare sunt: textolitul, poliamidele (PA), politetrafluoretilena (PTFE) i poliacetalul (POM).

Pentru mbuntirea stabilitii mecanice se utilizeaz inserii de fibre de sticl, iar pentru micorarea frecrii n material se nglobeaz bisulfur de molibden sau grafit.

3. MATERIALE I TRATAMENTE PENTRU ARCURI

Principalele faze care trebuie parcurse la proiectarea unui arc sunt: - stabilirea tipului constructiv al arcului (n foi, elicoidal, bar de torsiune

etc.), n funcie de condiiile de lucru impuse arcului i de unele legturi funcionale;

- determinarea tensiunilor efective din arc (de regul acestea au valori relativ ridicate, din necesitatea de a limita dimensiunile arcului);

- elaborarea procesului tehnologic de execuie a arcului; - alegerea materialului pentru arc i a tratamentului adecvat; - predimensionarea arcului pe baza caracteristicilor specifice materialului

ales. Materialele pentru arcuri trebuie s satisfac urmtoarele condiii tehnice,

specifice domeniului lor de utilizare: - limita de elasticitate ct mai ridicat; - rezisten mare la oboseal, nsoit de o sensibilitate ct mai redus fa

de concentratori; - stabilitate corespunztoare n timp a caracteristicilor mecanice, n

condiii de temperatur i mediu specifice utilizrii; - caracteristici superioare de plasticitate, care s permit formarea

arcurilor prin tehnologii adecvate fr a compromite proprietile iniiale ale materialului, mai ales n cazurile n care arcurile nu se mai trateaz termic dup formare.

Materialele utilizate preponderent pentru construcia arcurilor sunt oelurile. In funcie de compoziia chimic, oelurile pentru arcuri se pot clasifica astfel:

a) oeluri carbon pentru arcuri, care conin 0,61,05 % C i 0,30,8 % Mn (ARC 6, ARC 6A, ARC 7, ARC 10 - STAS 795-84, echivalente cu OLC 65 A, OLC 55A, OLC 85 A, OLC 75 A - STAS 893-80);

b) oeluri aliate pentru arcuri, care conin Mn, Si, Cr, V, N (ARC 1, ARC 2, ARC 3, ARC 4, ARC 5, ARC 8, ARC 9 - STAS 795-84; 30C120-STAS 3583 - 80; RW180 - STAS 3611 - 80 etc.).

In afar de oeluri, la construcia arcurilor pot fi utilizate i materiale neferoase: alam, bronz cu staniu, bronz cu beriliu, bronz cu siliciu.

Operaiile principale de obinere a arcurilor sunt: - deformare plastic la cald; - deformare plastic la rece. Tratamentele la care sunt supuse arcurile depind de operaia tehnologic

prin care acestea au fost obinute. In cazul obinerii prin deformare plastic la cald, dup punerea n form

a arcurilor (nfurarea spirelor, formarea foilor etc., realizate la temperaturi de 8501050 o) se aplic o recoacere.

In cazul obinerii prin deformare plastic la rece, nainte de fabricarea arcurilor este necesar o recoacere de nmuiere a oelurilor aliate pentru arcuri, iar dup fabricarea arcurilor este necesar o recoacere de detensionare.

Dup executarea arcurilor, indiferent de operaia prin care s-au realizat, se aplic o clire martensitic n ntreaga seciune, urmat de o revenire medie, imediat dup clire. Cele mai bune rezultate le d clirea izoterm, arcurile avnd o tenacitate mai ridicat.

Caracteristicile i domeniile de utilizare ale unor materiale pentru arcuri se prezint n tabelul 1.

Tabelul 1. Proprieti i utilizri ale unor materiale pentru arcuri (STAS 795-84)

Material Limita de

curgere, daN/mm2

Rezistena la rupere, daN/mm2

Alungirea la rupere,

A [%]

Utilizri principale

OLC 55A (ARC 6A)

88 108 6 Arcuri spirale sau multilamelare pt. solicitri mici

OLC 65A (ARC 6)

78 98 10 Arcuri de tip special, elicoidale, multilamelare, pt. solicitri mici

OLC 75A (ARC 10)

88 108 9 Arcuri de tip special, elicoidale, multilamelare, pt. solicitri mici

OLC 85A (ARC 7)

98 113 8 Arcuri de tip special, elicoidale, multilamelare, pt. solicitri mici

51Si17A (ARC 5)

108 118 6 Arcuri elicoidale sau multilamelare pt. solicitri medii

51VCr11A (ARC 2A)

118 132 6 Arcuri elicoidale, spirale sau multilamelare puternic solicitate

60Si15A (ARC 3)

127 147 6 Arcuri elicoidale, multilamelare, disc, inelare, pt. solicitare medii

56Si17A 108 127 6 Arcuri elicoidale, multilamelare, disc, inelare, pt. solicitare medii