cercetări privind turnarea centrifugală a aliajelor …old.unitbv.ro/portals/31/sustineri de...

MINISTERUL EDUCAŢIEI NAȚIONALE ȘI CERCETĂRII ȘTIINȚIFICE

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV BRAŞOV, EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

Universitatea "Transilvania" din Brasov

Școala Doctorală Interdisciplinară

Facultatea: Știința Și Ingineria Materialelor

Ing.Marcel DĂIAN

Cercetări privind turnarea centrifugală

a aliajelor neferoase

Researches concerning centrifugal

casting of non-ferrous alloys

Conducător ştiinţific

Prof. univ. dr. ing. Ioan CIOBANU

BRASOV, 2017

CERCETARI PRIVIND TURNAREA CENTRIFUGALĂ A ALIAJELOR NEFEROASE

2

MINISTERUL EDUCAŢIEI NAȚIONALE ȘI CERCETĂRII ȘTIINȚIFICE

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV

BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENŢA

Comisiei de doctorat

Numită prin Ordinul Rectorului Universităţii Transilvania din Braşov

Nr. OR 8658 din 13. 07. 2017

PREŞEDINTE prof. univ. dr. ing. MACHEDON T. Pisu Decanul Facult['Ii

SIM, Universitatea "Transilvania" din Brasov

CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: prof. univ. dr. ing. CIOBANU Ioan, Universitatea

"Transilvania" din Brasov

REFERENŢI: prof. univ. dr. ing. SOPORAN Vasile, Universitatea

Tehnică Cluj - Napoca

prof. univ. dr. ing. CARCEA Ioan, Universitatea Gheorghe

Asachi Iasi

prof. univ. dr. ing. VARGA Bela, Universitatea

"Transilvania" din Brasov

Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 12 oct. 2017, ora 12 sala

W III 4

Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le

transmiteţi în timp util, pe adresa [email protected]

Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de

doctorat.

Vă mulţumim.


3

CUPRINS

Pg.

teza

Pg.

rezumat

1. STADIUL ACTUAL PRIVIND TURNAREA CENTRIFUGALĂ ................ 4 5

1.1 Istoric............................................................................................................... 4 5

1.2 Hidraulica turnării centrifugale ....................................................................... 7 5

1.3 Cercetări recente in domeniul turnării centrifugale a aliajelor......................... 15 9

1.4 Concluzii ....................................................................................... 31 11

2. OBIECTIVUL CERCETĂRILOR.................................................................... 33 11

2.1 Obiectivul tezei................................................................................................ 33 11

2.2 Strategia și metodologia de lucru ................................................................... 34 14

3. REALIZAREA UNUI SOFT PENTRU SIMULAREA SOLIDIFICĂRII

PIESELOR TURNATE CENTRIFUGAL DIN ALIAJE CARE

SOLIDIFICĂ SUB FORMĂ DE SOLUȚIE SOLIDĂ........................................

35

14

3.1 Introducere ..................................................................................................... 35 14

3.2. Particularităţile modelării matematice a solidificării pieselor turnate

centrifugal ................................................................................................................

36

15

3.3 Principiul modelării matematice 2D în coordonate cilindrice a solidificării

pieselor turnate centrifugal .......................................................................................

38

16

3.4 Explicitarea și rezolvarea modelului matematic ............................................ 41 18

3.5 Elemente privind structura softului ................................................................ 49 22

3.6 Rezultate referitoare la solidificarea pieselor turnate centrifugal obținute cu

softul realizat (SIM-2D-CIL-SOLSOL) ....................................................................

54

22

3.7 Verificare experimentală a softului ................................................................. 62 27

4. CERCETĂRI PRIN SIMULARE PE CALCULATOR PRIVIND

SOLIDIFICAREA PIESELOR TURNATE CENTRIFUGAL .........................

78

\

32

4.1 Scopul studiului ............................................................................................. 78 32

4.1.1 Introducere ........................................................................................... 78 32

4.1.2 Particularitățile simulării solidificării pieselor turnate centrifugal ....... 79 33

4.1.3 Scopul studiului .................................................................................... 80 33

4.2. Solidificarea pieselor din fontă turnate centrifugal....................................... 81 34

4.2.1 Studiu comparativ turnare centrifugală - turnare gravitațională .......... 81 34

4.2.2 Studiu privind influența grosimii miezului exterior asupra

solidificării pieselor din fontă turnate centrifugal .....................................................

97

38

4.2.3 Studiu privind influența grosimii peretelui piesei asupra solidificării

pieselor din fontă turnate centrifugal ........................................................................

103

39

4.2.4 Studiu privind influența conductibilității termice echivalente a

aliajului în stare lichidă asupra solidificării pieselor din fontă turnate centrifugal ...

112

43

4.3 Solidificarea pieselor din bronz turnate centrifugal. .................................... 121 44

4.3.1 Studiu comparativ turnare centrifugală - turnare gravitațională în

cazul bronzurilor........................................................................................................

121

44


în cazul pieselor din bronz turnate centrifugal. ........................................................

141

47

4.3.3 Studiu privind influența temperaturii cochilei asupra solidificării

pieselor turnate centrifugal din bronz ......................................................................

148

48

4.4 Solidificarea pieselor din aliaj pe baza de aluminiu turnate centrifugal ..... 152 50


4

4.4.1 Studiu comparativ turnare centrifugală - turnare gravitațională în

cazul pieselor turnate din aliajul Al-Zn10. ................................................................

152

50


în cazul pieselor din AlZn10 turnate centrifugal. .....................................................

162

52

4.4.3 Studiu privind influența temperaturii formei asupra solidificării

pieselor din AlZn10 turnate centrifugal ....................................................................

169

55

5. CERCETĂRI EXPERIMENTALE ................................................................. 175 56

5.1 Scop ................................................................................................................. 175 56

5.2 Cercetari experimentale privind turnarea centrifugală a unor piese din bronz

CuSn10. ....................................................................................................................

175

56

5.2.1 Mod de lucru .......................................................................................... 175 56

5.2.2 Comparație privind structura pieselor turnate gravitațional și

centrifugal din CuSn10 ............................................................................................

176

56

5.2.3. Cercetări experimentale privind influența turaţiei asupra structurii

pieselor turnate centrifugal din CuSn10 ...................................................................

181

58

5.2.4. Influența turaţiei cochilei asupra omogenităţii chimice a pteselor

turnate din CuSn10 ...................................................................................................

187

59

5.2.5 Caracteristici mecanice obținute la piese din aliaj CuSn10 turnate

centrifugal .................................................................................................................

193

61

5.2.6 Influența tratamentului termic asupra structurii și proprietăţilor

mecanice ale pieselor din bronz turnate centrifug ....................................................

198

62

5.2.7 Concluzii ................................................................................................ 208 67

5.3 Cercetări experimentale privind turnarea centrifugală a unor piese din Al-

Zn10 ..........................................................................................................................

209

68

5.3.1 Mod de lucru .......................................................................................... 209 68

5.3.2 Cercetări asupra microstructurii pieselor turnate centrifugal din

AlZn10 .....................................................................................................................

214

68

5.3.3 Comparație turnare centrifugală - turnare statică din punct de vedere

al structurii (aliajul AlZn10) .....................................................................................

224

72

5.3.4 Influența turnării centrifugale asupra compoziției chimice în cazul

pieselor din AlZn10 ...................................................................................................

228

74

5.3.5 Repartizarea durității în peretele pieselor turnate centrifugal din

AlZn10 ......................................................................................................................

230

75

5.3.6 Studiu privind compactitatea peretelui pieselor turnate centrifugal

din AlZn10 ...............................................................................................................

238

78

5.3.7 Influența tratamentului de recoacere de omogenizare asupra structurii

si durității pieselor turnate centrifugal din AlZn10 ..................................................

241 79

5.3.8 Concluzii .............................................................................................. 244 81

6. CONCLUZII, CONTRIBUȚII, DISEMINARE .............................................. 246 82

6.1 Concluzii ........................................................................................................ 246 82

6.2 Contribuții proprii .......................................................................................... 248 83

6.3 Direcții de continuare a cercetărilor ............................................................... 248 84

6.4 Diseminarea rezultatelor ................................................................................ 249 84

BIBLIOGRAFIE (selectiv) ..................................................................................... 251 85

Scurt rezumat (romana/engleza) ........................................................................... - 92

Curiculum Vitae ...................................................................................................... - 93


5

CONTENTS

Pg.

thesis

Pg.

abstract

1. STADIUL ACTUAL PRIVIND TURNAREA CENTRIFUGALĂ ............... 4 5

1.1 History............................................................................................................. 4 5

1.2 The hidraulycs of centrifugal casting ............................................................. 7 5

1.3 Recent researches in centrifugal casting field of alloys................................... 15 9

1.4 Conclusions .................................................................................................... 31 11

2. OBJECT OF RESEARCHES .......................................................................... 33 11

2.1 Object of thesis ............................................................................................... 33 11

2.2 Work strategy and methodology ................................................................... 34 14

3. A SOFTWARE ACHIEVEMENT FOR SOLIDIFICATION

SIMULATION OF CENTRIFUGAL CASTING SOLIDIFIED IN SOLID

SOLUTION ..............................................................................................................

35

14

3.1 Introduction .................................................................................................... 35 14

3.2. The particularity of the mathematical modeling of centrifugal casting

solidification ..............................................................................................................

36

15

3.3 The principles of the 2D mathemaical modeling in cilindrical coordinates

of the centrifugal casting solidification .....................................................................

38

16

3.4 The particularization and resolution to mathematical model ................... 41 18

3.5 Elements of software structure ................................................................ 49 22

3.6 Issues obtained by SIM-2D-CIL-SOLSOL software related to centrifugal

casting solidification ........................... ....................................................................

54

22

3.7 Experimental validation of the software ........................................................... 62 27

4. RESEARCHES BY COMPUTER SIMULATION REGARDING THE

CENTRIFUGAL CASTING SOLIDIFICATION ..............................................

78

\

32

4.1 The butt of study ........................................................................................... 78 32

4.1.1 Introduction ........................................................................................... 78 32

4.1.2 The particularity of centrifugal casting solidification simulation . ....... 79 33

4.1.3 Aim of study..... .................................................................................... 80 33

4.2. Iron centrifugal casting solidification ......................................................... 81 34

4.2.1 Comparative study centrifugal casting - gravitational casting ............ 81 34

4.2.2 Study concerning the external core thickness influence on the iron

centrifugal casting solidification ...............................................................................

97

38

4.2.3 Study concerning the casting wall thickness influence on the iron

centrifugal casting solidification ...............................................................................

103

39

4.2.4 Study concerning the equivalent thermal conductibility influence of

liquid alloy on the iron centrifugal casting solidification ........................................

112

43

4.3 The solidification of centrifugal bronze castins ..... .................................... 121 44

4.3.1 Comparative study centrifugal casting - gravitational casting for

bronze ........................................................................................................................

121

44

4.3.2 Study concerning the casting wall thickness influence on the

bronze centrifugal casting solidification ..................................................................

141

47

4.3.3 Study concerning the mould temperature influence on the bronze

centrifugal casting solidification ..............................................................................

148

48

4.4 The solidification of aluminium alloy centrifugal castings ,,,,,,,,,,,,,,,,,, ..... 152 50

4.4.1 Comparative study centrifugal casting - gravitational casting for


6

AlZn10 alloy............................................ ................................................................ 152 50

4.4.2 Study concerning the casting wall thickness influence on the

AlZn10 alloy centrifugal casting solidification .......................................................

162

52

4.4.3 3 Study concerning the mould temperature influence on the AlZn10

alloy centrifugal casting solidification ....................................................................

169

55

5. EXPERIMENTAL RESEARCHES ............................................................. 175 56

5.1 Butt ................................................................................................................. 175 56

5.2 Experimental researches concerning CuSn10 bronze centrifugal casting ..... 175 56

5.2.1 Working mode ........................................................................................ 175 56

5.2.2 Comparison concerning the CuSn10 centrifugal and gravitational

castings stucture ......... ............................................................................................

176

56

5.2.3 Experimental researches concerning the rotative speed influence on the

CuSn10 centrifugal casting structure ......................................................................

181

58

5.2.4. The mould rotative speed inflence on the chemical homogeneity of

CuSn10 centrifugal castings .....................................................................................

187

59

5.2.5 Mechanical characteristiques of CuSn10 centrifugal castings ................ 193 61

5.2.6 The influence of heat treatment on the centrifugal castings structure

and mecanical characteristics ................................................................................

198

62

5.2.7 Conclusions ............................................................................................ 208 67

5.3 Experimental researches concerning centrifugal cast of AlZn10 parts ........... 209 68

. 5.3.1 Working method ................................................................................... 209 68

5.3.2 Researches on the AlZn10 centrifugal casting microstructure ............ 214 68

5.3.3 Comparison centifugal casting - gravitational casting relative to alloy

structure i ( AlZn10) ............ .....................................................................................

224

72

5.3.4 The influence of centrifugal cast on chemical composition for

AlZn10 castings .......................................................................................................

228

74

5.3.5 Repartizarea durității în peretele pieselor turnate centrifugal din

AlZn10 .....................................................................................................................

230

75

5.3.6 A study concerning the degree of compaction of AlZn10 castings ..... 238 78

5.3.7 The influence of the sof anealling on the structure and hardness of

AlZn10 centrifugal castings......................................................................................

241

79

5.3.8 Conclusions .......................................................................................... 244 81

6. CONCLUSIONS, CONTRIBUTIONS, DISSEMINATIONS ........................ 246 82

6.1 Conclusions .................................................................................................... 246 82

6.2 Personal contributions .................................................................................... 248 83

6.3 Orientations for next researches .................................................................... 248 84

6.4 Disseminations of results ............................................................................... 249 84

REFERENCES (selective) ..................................................................................... 251 85

Short abstract (romanian/english) ........................................................................ - 92

Curiculum Vitae ...................................................................................................... - 93


7

CERCETĂRI PRIVIND TURNAREA CENTRIFUGALĂ A

ALIAJELOR NEFEROASE

1. STADIUL ACTUAL PRIVIND TURNAREA CENTRIFUGALĂ

1.1 Istoric

Ideea rotirii formelor pentru obținerea de piese turnate cu simetrie de rotație a

apărut la începutul secolului XIX. Procedeul a început sa fie aplicat industrial la

începutul secolului XX, după realizarea motoarelor electrice capabile să dezvolte

puterea și turația necesară [123,124]. Odată cu dezvoltarea construcției de mașini s-au

turnat prin acest procedeu piese cu diverse destinații si dimensiuni (bucșe, cuzineți,

cămăși de cilindru, tuburi, bucșe profilate și rotoare cu palete). În anii 1930 - 1939

turnarea centrifugală s-a aplicat industrial pentru fabricarea țevilor de tun și a

cuzineților din bronz. În acest sens cităm cartea Manual de Turnătorie, autor

Dumitrașcu Petru, de la Uzinele de Fier Reșița, din anul 1939 [42].

Piesele turnate centrifugal au ca avantaj compactitate mai mare, structură mai

fină și în consecință rezistență mecanică superioară în raport cu piesele turnate

gravitațional.

In Romania în perioada de dezvoltare industrială de după anul 1950, turnarea

centrifugală a fost pentru turnarea de piese metalice [123,124]. S-au turnat tuburi de

canalizare, de alimentare cu apă sau cu gaze (C.S. Hunedoara), bucșe pentru motoare

cu ardere internă (Tractorul Brașov, Autocamioane Brașov, Dacia Pitești), rotoare

pentru turbosuflante utilizate în industria de aviație (Hidromecanica Brașov), cămăși

bimetalice (fontă albă + fontă cenușie) pentru cilindrii de laminor (ICEM București),

lagăre din bronz și cuzineți bimetalici (Rulmentul Brașov). In prezent in Romania

turnarea centrifugală se utilizează pentru turnarea de bucșe desinate generatoarelor

eoliene și cuzineților, pentru motoare cu ardere internă sau industria petrolieră.

1.2 Hidraulica turnării centrifugale

a.) Considerații generale

În timpul turnării centrifugale forma este rotită în jurul unei axe orizontale,

verticale sau oblice, cu o turație relativ mare. Aliajul lichid este antrenat în mișcare

de rotație și este presat pe pereții formei de forța centrifugă. Se obțin piese tubulare


8

fără a utiliza miezuri. În practica industrială se pune problema determinării turației și

a cantității de metal necesare pentru turnarea unei piese date.

b.) Turnarea cu ax de rotație vertical

La turnarea centrifugală cu ax vertical (figura 1.9) geometria suprafeței

interioare a piesei turnate depinde de turație și de elementele geometrice.

Figura 1.9 Suprafața liberă a metalului

lichid în cazul rotirii cu ax vertical de

rotație

Figura 1.10 Schema turnării unei piese

reale (lungime L și grosime minimă de

perete s2)

Asupra unei particule de lichid cu masa "m" aflată în mișcare de rotație în

punctul L(x,y) acționează forța centrifugă Fc și greutatea G, date de relațiile;

Fc = m٠ω2٠x (1.2) și G = m٠g (1.3)

Panta tangentei la conturul suprafeței (derivata funcției) este:

tgα=dy/dx=(ω2/g)٠x (1.7) dy =(ω

2/g)٠x٠dx (1.8)

Prin integrare se obține soluția ecuației suprafeței libere;

y = (ω2/2g )٠x

2 + C (1.9)

Relația (1.9) reprezintă ecuația unei parabole. Constanta de integrare "C"

reprezintă ordonata vârfului acestei parabole. Constanta se determină din egalitatea

volumului piesei Vo, cu volumul lichidului aflat în mișcare de rotație.

În figura 1.10 este arătată schema turnării unei piese tubulare cu diametrul

exterior D=2R, lungimea L, grosimea de perete minimă (la partea de sus) s2 și raza

interioară R2.. La partea de jos grosimea peretelui piesei turnate centrifugal s1 > s2

(figura 1.10). Se pot scrie relațiile:

Raza interioară la partea de jos: R1 = x1 = R-s1 (1.10)


9

Raza interioară la partea de sus: R2 = x2 = R-s2 (1.11)

Grosimea medie a peretelui: smed= (s1+ s2)/2 (1.12)

Raza interioară medie: Rmed= (R2 + R1)/2 (1.13)

Diferența de grosime a peretelui piesei turnate centrifugal:

∆s = (R2 - R1) = x2 - x1 = s1- s2 (1.14)

Pentru prelucrarea piesei este importantă grosimea de perete la partea de sus s2.

Pentru a se asigura adaosul de prelucrare minim la interior, trebuie să se respecte

cotele de la partea superioară (s2 și R2) .

Constanta de integrare din relația (1.9) trebuie determinată din condiția

asigurării grosimii de perete s2 și a razei R2. Condiția este ca parabola să treacă prin

punctul de coordonate (R2; L). Înlocuind aceste coordonate în relația (1.9) se obține

valoarea constantei de integrare;

L = (ω2/2g )٠R2

2 + C sau C= L - (R2

2٠ω

2 )/(2g ) (1.15)

Ecuația suprafeței libere la turnarea piesei respective devine:

y = (x2- R2

2)٠ ( ω

2/2g) + L (1.16)

Pentru y=0 se determină raza R1 și grosimea de perete s1 la partea de jos.

R12 = R2

2 - 2gL/ω

2 (1.18)

Din această relație se determină turația necesară pentru a se obține o piesă cu

cotele dorite. Se obține relația (1.20):

٠√

٠√

٠

c.) Turnarea cu ax de rotație orizontal

In figura 1.11 este arătată influența turației asupra geometriei suprafeței libere a

aliajului lichid la turnarea centrifugală orizontală. [104,105]. La o turație critică

lichidul ajunge până la punctul superior al circumferinței formei ca în figura 1.11c.

La turația critică (ω2) forța centrifugă ce acționează asupra unei particule aflate în

punctul superior al formei, este egală cu greutatea ei (Fc=G). Se obține viteza critică,

ω2 = (g/R)1/2

. Volumul piesei (Vo) se calculează în funcție de dimensiunile piesei

turnate:

Vo = π٠(R2-R1

2)٠L (1.27)

unde: L este lungimea piesei, iar R și R1 - raza exterioară și respectiv raza

interioară a piesei turnate.


10

În cazul unui lichid permanent și în mișcare staționară ecuația suprafeței libere

a lichidului se determină pe baza schemei din figura 1.12. Se are în vedere că

rezultanta (FR) a forțelor care acționează asupra unei particule de lichid aflată pe

suprafața liberă este normală la această suprafață. Se obține astfel ecuația diferențiala

și ecuația integrată a suprafeței libere

Figura 1.11 Influența turației asupra poziției suprafeței libere a aliajului lichid la

turnarea centrifugală orizontală [62]

Figura 1.12 Schemă pentru determinarea ecuației suprafeței libere la turnare

centrifugală orizontală [5]

(g-ω2y)٠dy = (ω

2x)٠dx (1.33)

x2 + (y - g/ω

2)

2 = C1 (1.35)

Aceasta din urmă reprezintă ecuația unui cerc cu centrul O'(0,g/ω2) pe axa Oy.

OO' =e= g/ω2

reprezintă excentricitatea centrului suprafeței interioare. Constanta C1

se determină din condiția de volum a piesei (respectiv a secțiunii transversale prin

piesa turnată) dată de relația (1.27). Se obține C1 = R12

(unde R1= raza cercului

interior). Ecuația a suprafeței libere a lichidului este:

x2 + (y - g/ω

2)

2 = O'M

2 = R1

2 (1.36)

Diferența teoretică dintre grosimea stratului de lichid la partea inferioară și

superioară în forma rotitoare depinde de excentricitatea "e" și este dată de relația:


11

∆s = s1 - s2 = 2e = 2g/ ω2 (1.37)

Relațiile stabilite sunt valabile în condițiile unui lichid ideal. În cazul real al

turnării centrifugale a unui aliaj lichid, care răcește și se solidifică, situația este

diferită. Particulele de aliaj trec succesiv și cu frecvență mare atât prin punctul

inferior, cât și prin cel superior al formei. Ca urmare viteza de solidificare este

uniformă pe conturul piesei. În final se obține o piesă tubulară cu grosime de perete

uniformă.

1.3 Cercetări recente in domeniul turnării centrifugale a aliajelor

Interesul continuu pentru turnarea centrifugală este pus in evidență de lucrările

de cercetare și brevetele de invenție cu teme din acest domeniu realizate de-a lungul

anilor. Acestea sunt materializate prin teze de doctorat, lucrări de dizertație, cărți și

lucrări științifice publicate [13,85,63,65,83,87,98,123,129,131, 132,134].

Eduardo Trejo a prezentat la Școala de Materiale și Metalurgie de la

Universitatea din Birmingam (UK), în anul 2011 teza de doctorat cu titlul

"Centrifugal Casting of an Aluminium Alloy" (Turnarea Centrifugală a unui Aliaj

de Aluminiu) [123]. Aceasta cuprinde cercetări asupra turnării centrifugale a unor

piese din aliajul 6082 (aliaj AlSi1MgMn) utilizat pentru structuri metalice. S-au

turnat și investigat piese de tipul unor bare paralelipipedice. S-a modelat hidraulic cu

apă și s-a simulat pe calculator umplerea formei. Rezultatele experimentale au arătat

că alimentarea indirectă conduce la compactitate mai mare a pieselor și la proprietăți

mecanice superioare [123].

O alt teză de doctorat în domeniul turnării centrifugale a fost realizată de

Chiriță Georgel Maricel la Universidade do Minho din Portugalia. Teza are titlul

"Mechanical and Fatigue Properties of Functionally Graded Aluminium Silicon

Alloys" (Proprietăți mecanice și de oboseală ale aliajelor de aluminiu cu gradient

funcțional) [12]. In construcția de mașini se întâlnesc deseori piese solicitate diferit în

volum. Optimizarea performanțelor în acest caz necesită piese cu gradient de

proprietăți. Autorul a urmărit să pună în evidență că turnarea centrifugală poate fi

utilizată pentru obținerea de astfel de piese, Autorul a utilizat aliaje AlSi. Au fost

turnate centrifugal cu ax vertical, piese care au fost comparate cu piese turnate

gravitațional static și în forme vibrate [12]. S-a studiat gradientul proprietăților

mecanice pe direcția alimentării [12]. Rezultatele au pus în evidență superioritatea

turnării centrifugale.

În România la Universitatea "Gheorghe Asachi" din Iași, prof. Florin

Diaconescu a realizat și susținut în anul 2006 teza de doctorat cu titlul "Cercetări şi

contribuţii privind influenţa parametrilor tehnologici de turnare centrifugă

asupra calităţii pieselor turnate din unele aliaje neferoase" [30]. Teza de doctorat

a avut ca obiectiv studiul influenței unor parametri tehnologici asupra structurii și

proprietăților mecanice ale pieselor turnate prin acest procedeu din bronzuri cu

plumb. Au fost utilizate bronzuri binare și ternare cu conținut ridicat de plumb [30].


12

S-au analizat micro și macrostructura, compoziția chimică și proprietățile mecanice.

Cercetările asupra aliajelor binare (CuPb25, CuPb30 și CuPb35) au pus în evidență

rezultate interesante privind segregarea celor doua elemente (cupru și plumb).

Lucrarea cuprinde de asemenea cercetări privind turnarea centrifugală a unor aliaje

ternare de tip CuPbSn.

O altă lucrare de cercetare în domeniul turnării centrifugale este lucrarea de

disertație realizată la Universitatea Ganpat din India în anul 2014 de Anup R. Patel.

Titlul lucrării este "Mechanical property and microstructural investigation of

aluminium bronze by centrifugal casting process" (Investigare microstructurală și

a proprietăților mecanice ale bronzului cu aluminiu turnat centrifugal) [2]. Autorul a

studiat influența turației și a temperaturii de turnare asupra microstructurii și

proprietăților mecanice (duritate) pentru un bronz cu aluminiu (CuAl11Fe4) turnat

centrifugal cu ax vertical.

La Universitatea Transilvania din Brașov au fost de asemenea realizate și

susținute teze de doctorat în domeniul turnării centrifugale. În anul 2000 a fost

susținută teza cu titlul "Cercetări privind turnarea centrifugală cu plan de

separație a pieselor din fontă cu profil de revoluție", autor prof. univ . Vasile

Jiman [66]. Obiectivul tezei a constat în cercetări privind turnarea centrifugală a

pieselor de revoluție cu configurații speciale. Astfel a fost cercetată experimental

posibilitatea turnării bilelor goale la interior și turnarea de piese cilindrice tubulare cu

generatoare profilată [66].

O altă teză în domeniul turnării centrifugale "Cercetări privind influența

condițiilor de turnare centrifugă asupra structurii și proprietăților fontelor

cenușii cu aplicație la executarea cămășilor pompelor de extracție" a fost

susținută la Universitatea Transilvania din Brasov de Popa Alexandru [89]. Teza

include o cercetare privind realizarea prin turnare centrifugală din fontă, a cămășilor

pentru pompe de extracție din industria de utilaj petrolier, care se executau din

laminate de oțel, prin prelucrare mecanică.

. Un caz particular de prelucrare a aliajelor prin centrifugare în stare lichidă,

cercetat în ultimul timp îl reprezintă centrifugarea aliajelor lichide în câmp

electromagnetic rotitor [133,134]. Procedeul constă în turnarea aliajului lichid într-o

formă staționară cilindrică cu ax vertical realizată din amestec de formare sau

material ceramic, plasată în mijlocul unei bobine inelare de tip stator de motor

electric. La trecerea curentului electric alternativ prin bobină, se creează un câmp

electromagnetic rotitor, iar asupra electronilor din lichid acționează forțe Lorentz.

Aliajul lichid este antrenat în mișcare de rotație și împins pe circumferința formei

asemenea turnării centrifugale cu ax vertical. Recent la Universitatea Transilvania

din Brașov a fost susținută teza de doctorat cu titlul "Îmbunătăţirea structurii

aliajelor de aluminiu prin metode metalurgice şi fizice" realizată de drd. Mirela

Popescu - Drăgoiu [134]. În cadrul cercetărilor a fost realizată o astfel de instalație

de turnare a aliajelor neferoase lichide în câmp electromagnetic rotitor, figura 1.31.

Au fost efectuate cercetări experimentale pe două aliaje, ATSi7Mg0,3 și ZnAl4Cu1

[134].


13

În afara tezelor de doctorat, rezultate ale cercetărilor în domeniul turnării

centrifugale au fost diseminate prin lucrări publicate prezentate la conferințe

științifice [14,15,31,67,68,69,70,71,72,73, 90,91,92,93].

Recent, în Revista de turnătorie (România) a fost publicată o lucrare privind

turnarea centrifugală a bucșelor bimetalice din fontă [43]. Lucrarea prezintă

rezultatele experimentale obținute de autor privind obținerea prin acest procedeu a

unor bucșe cu două straturi (fontă albă aliată cu crom la exterior și fontă cenușie la

interior).

Pe plan internațional sunt publicate de asemenea multe lucrări referitoare la

turnarea centrifugală a diverselor aliaje metalice [44,45,54,64,96,117,48,51,63,

65,76,101]. Acestea tratează probleme legate de proprietățile pieselor turnate

centrifugal comparativ cu piesele turnate prin alte procedee [34,35,36,37,38,39,75]

sau de influența parametrilor tehnologici asupra proprietăților

[22,23,24,25,69,70,88,97,103], dar și aspecte constructive ale instalațiilor de turnare

centrifugală [7,29,63,67,68,71, 83,119,132]. Un număr mare de invenții se referă la

perfecționarea tehnologilor și a mașinilor de turnare centrifugală

[27,63,65,98,118,120,121,129,130,131].

1.4 Concluzii

Analiza stadiului actual în domeniul turnării centrifugale și în special

cercetările recente conduc la următoarele concluzii:

- turnarea centrifugală este capabilă să producă piese metalice cu compactitate și

caracteristici mecanice superioare;

- procedeul permite să se obțină piese cu gradient progresiv de compoziție chimică,

structură și proprietăți mecanice dependent de natura aliajului;

- turnarea centrifugală are ca efect segregarea unor elemente.

Cercetările legate de turnarea centrifugală prezintă următoarele tendințe:

- valorificarea posibilităților de obținere a pieselor cu gradient de proprietăți;

- extinderea procedeului de turnare centrifugală orizontală pentru piese de revoluție

cu suprafață exterioară profilată;

- extinderea procedeului de turnare centrifugală cu ax vertical de rotație.

- punerea la punct a procedeului de turnare centrifugală în câmp electromagnetic

rotitor în vederea aplicării industriale.

2. OBIECTIVUL CERCETĂRILOR

2.1 Obiectivul tezei

Cinetica răcirii și solidificării au fost mai puțin studiate, deoarece măsurarea

experimentală a temperaturii în interiorul sistemului piesă turnată - formă este

dificilă, datorită mișcării de rotație. Pe de altă parte studii prin simulare pe calculator

a solidificării nu s-au efectuat deoarece nu s-au realizat softuri specializate pentru

simularea solidificării pieselor turnate centrifugal.


14

S-a stabilit ca obiectiv al tezei realizarea unor studii și cercetări sistematizate

privind câmpul de temperatură și cinetica răcirii și solidificării pieselor cu simetrie de

rotație turnate centrifugal și de asemenea analiza implicațiilor acestor influențe

asupra structurii și proprietăților pieselor turnate.

Având în vedere analiza stadiului actual, dar și dotarea și posibilitățile de

experimentare și investigare din cadrul laboratoarelor și a centrului de cercetare din

Universitatea Transilvania, cât și cele oferite de agenți economici din Brașov, ca

obiect al cercetărilor au fost alese aliajele CuSn10 si AlZn10. S-a utilizat metoda

turnării centrifugale cu ax orizontal, având în vedere existența în laboratoarele

Departamentului Știința Materialelor de la Universitatea Transilvania a unei astfel de

instalații.

2.2 Strategia și metodologia de lucru

S-a adoptat următoarea strategie de lucru:

- realizarea unui model matematic și a unui soft destinat simulării solidificării

pieselor tubulare turnate centrifugal;

- efectuarea de studii sistematizate, prin simulare pe calculator privind

solidificarea pieselor tubulare turnate centrifugal;

- cercetări experimentale referitoare la efectul turnării centrifugale asupra

structurii, proprietăților și compoziției chimice a pieselor turnate din cele două aliaje

supuse cercetării.

Metodele de lucru utilizate sunt:

- analiza particularităților și a posibilităților de modelare matematică a

solidificării pieselor cu simetrie de rotație turnate centrifugal;

- realizarea unui model matematic și a unui soft specializat pentru simularea

solidificării pieselor turnate centrifugal de acest tip;

- verificarea experimentală a softului;

- efectuarea de studii prin simulare pe calculator privind influența unor factori

tehnologici și constructivi asupra câmpului de temperatură și asupra cineticii și

dinamicii solidificării pieselor tubulare turnate centrifugal;

- prelucrarea și interpretarea rezultatelor obținute prin simulare;

- turnare de piese de probă experimentale și analiza caracteristicilor structurale,

mecanice și chimice;

- prelucrarea și interpretarea rezultatelor și stabilirea de concluzii pentru

practica industrială;

- diseminarea rezultatelor prin publicare în reviste de specialitate.


15

3. REALIZAREA UNUI SOFT PENTRU SIMULAREA

SOLIDIFICĂRII PIESELOR TURNATE CENTRIFUGAL DIN

ALIAJE CARE SOLIDIFICĂ SUB FORMĂ DE SOLUȚIE SOLIDĂ

3.1 Introducere

Softurile care simulează solidificarea pieselor turnate au la bază modelarea

matematică a procesului de solidificare. Modelele matematice transpun în ecuații,

procesele fizice care însoțesc solidificarea pornind de la bilanțul termic în sistemul

aliaj - formă - mediu înconjurător. În acest scop sistemul piesă turnată - formă este

divizat în elemente volum mici. Starea fiecărui element la un moment dat, este

caracterizată prin temperatură și prin fracția de solid (ξs). Rezolvarea ecuației de

bilanț termic pentru fiecare element de volum și pentru intervale de timp foarte mici

permite să se determine evoluția temperaturii și a cantității de solid din aliajul turnat

în formă [106, 107, 108, 109, 110]. Softurile utilizate pe plan internațional rezolvă

modelul matematic numai în funcție de starea inițială a elementelor. Consecința este

că aceste softuri nu pot simula exact solidificarea la temperatură constantă (metale

pure și aliaje eutectice).

Softurile realizate la Universitatea "Transilvania" din Braşov explicitează

modelul matematic și în funcție de starea finală a elementelor la fiecare pas de timp.

Ca urmare sunt capabile să reproducă exact toate tipurile de solidificare

[15,48,49,72,76]. Sunt realizate softuri distincte pentru simularea solidificării pieselor

turnate din aliaje care se solidifică la temperatură constantă și respectiv cu

solidificare în interval de temperatură.

Pentru a răspunde obiectivului tezei s-a realizat un soft pentru simularea

solidificării pieselor turnate centrifugal din aliaje cu solidificare în interval de

temperatură.

3.2. Particularităţile modelării matematice a solidificării pieselor turnate

centrifugal.

Piesele turnate centrifugal orizontal sunt piese tubulare cu simetrie de rotaţie.

Utilizarea de softuri bazate pe modele matematice în coordonate carteziene implică

divizarea sistemului în elemente de volum cubice. În acest caz apar diferențe între

conturul circular al piesei turnate și cel luat în considerare la simulare. Pentru o

reproducere cât mai fidelă a contururilor rotunde este necesară o divizare foarte fină

a ansamblului. Aceasta duce însă la timp de simulare foarte mare [49].

În cazul pieselor cu simetrie de rotație se pot realiza modele matematice în

coordonate cilindrice. În acest caz volumul pieselor turnate este divizat în elemente

inelare cu secțiune pătrată cu latură "Δ". Între raza interioara (Ri) şi raza exterioară

(Ri+1) a unui element există relația Ri+1= Ri+Δ. Acest sistem de coordonate are mai

multe avantaje; reproduce exact contururile circulare, durata simulării este mult mai

mică( de zeci sau sute de ori) în raport cu simularea 3D în coordonate carteziene.


16

Din aceste considerente, pentru simularea solidificării pieselor cu simetrie de

rotație turnate centrifugal s-a realizat un model matematic și soft în coordonate

cilindrice. Particularitățile transmisiei căldurii la turnarea centrifugală a pieselor

tubulare sunt:

- suprafața interioară a aliajului turnat în formă se comportă ca un corp negru

deoarece, transmisia de căldură la interior este foarte mică, aproape nulă;

- rotirea formei și a aliajului lichid intensifică transmisia de căldură în interiorul

aliajului lichid și la interfața frontului de solidificare;

- rotirea formei intensifică transmisia de căldură cu mediul înconjurător la exterior.

3.3 Principiul modelării matematice 2D în coordonate cilindrice a solidificării

pieselor turnate centrifugal

Softurile pentru simularea 2D în coordonate cilindrice a solidificării pieselor de

rotație au avantajul că:

- reproduc cu exactitate conturul circular al pieselor:

- modelează mai precis fluxurile de căldură convergent - divergente;

- durata simulărilor este redusă considerabil.

Modelul realizat în coordonate cilindrice pentru solidificarea pieselor turnate

centrifugal are la bază aceleași principii, ipoteze și structură ca și modelele în

coordonate carteziene realizate anterior la Universitatea "Transilvania" din Brașov

[55,56,80,84]. Deosebirile constau în sistemul de coordonate, în variabilele utilizate

și în ecuațiile care explicitează soluțiile. Ecuațiile matematice care descriu procesele

de transfer termic și de răcire - solidificare a pieselor turnate sunt diferite. Modelul

matematic în coordonate cilindrice realizat, foloseşte de asemenea metoda

diferenţelor finite.

Particularitățile turnării centrifugale legate de schimbul de căldură sunt luate în

considerare prin valori adecvate (echivalente) ale coeficientului de schimb de căldură.

Influența mișcării de rotație asupra transmisiei căldurii prin convecție în interiorul

aliajului lichid și la interfața lichid - solid se ia în considerare printr-un coeficient

echivalent de conductibilitate termică a aliajului lichid.

Modelul matematic cu coordonate cilindrice utilizează divizarea sistemului

formă – piesă turnată în elemente (celule) de volum inelare cu secțiune pătrată de

latură Δ. Ca urmare secțiunea transversală este divizată în elemente pătrate.

Discretizarea trebuie să fie realizată astfel încât elementele inelare, să fie constituite

dintr-un singur material. În figura 3.1 este arătat modul de discretizare [56,60,61].

Poziţionarea elementelor în ansamblul sistemului este notată prin doi indici, i – in

direcție axială si j – în direcţie radială, a secțiunii transversale. Numărul total de

elemente în direcţie axială este “n”, iar în direcţie radială este “m” [56]. Raza

interioară a piesei este r0, iar raza exterioară a ansamblului este rm. Lungimea

elementelor inelare cilindrice este Δ. Între zazele unui element există relaţia (figura

3.1) [49]:

Δ = r1 - r0 = rj - rj-1 (3.1)


17

Do = 2 Ro

rj-1

rj

rj+1

rm

i = 1

i = 2

i = n - 1

i = n

j = 1 j = 2

yi-

1

yi

yi+

1

j

element (i,j)

piesa

forma

j = mj = m - 1

i

O

ω

a.) piesa turnată centrifugal cu axă de rotație verticală

i = n-1j

i

ω

i = n

j = m

j = m - 1

(i, j)

O

i = 1 i = 2

r m -

2

r m -

1

r m

Do =

2 R

o

r 1r 2

b.) piesă turnată centrifugal cu axa de rotație orizontală

Figura 3.1 Discretizarea pieselor cu simetrie de rotație turnate centrifugal în cazul

sistemului de coordonate cilindrice. a.) rotație cu axa verticală. b.) rotație cu axa

orizontală [56,60,61]

Modelul matematic în coordonate cilindrice ia în considerare aceleaşi ipoteze

ca şi modelele în coordonate carteziene referitoare la transferul de căldură în

ansamblul aliaj - forma - mediu ambiant. Timpul este divizat în intervale finite τ,

numerotate prin coordonata numerică notată „k”. La un moment oarecare notat τk

(pentru coordonata numerica de timp „k”) starea unui element inelar (cu coordonate

de poziție i,j) este dată prin temperatura Tijk şi prin fracția de solid ξij

k. Mărimile


18

termofizice sunt notate ρijk - densitate (masă specifică), cij

k – căldură specifică, λij

k –

coeficient de conducție termică, Lij- căldura latentă la topire - solidificare.

3.4 Explicitarea și rezolvarea modelului matematic

La momentul iniţial (coordonata de timp k=0, respectiv τ0=0) mărimile de stare

ale elementelor Tij0 şi ξij

0 sunt cunoscute. În cazul aliajelor cu solidificare în interval

de temperatură (între TL lichidus și TS - solidus) în timpul solidificării se modifică

atât fracția de solid cât și temperatura elementelor. Ecuațiile care exprimă variația

căldurii interne a unui element în timpul solidificării conțin două necunoscute -

fracția de solid ξijk+1

și temperatura Tijk+1

, la sfârșitul unui pas de timp. Rezolvarea

modelului necesită ca ecuațiile să conțină o singură necunoscută. Acest lucru este

posibil întrucât cele două necunoscute - fracția de solid și temperatura elementelor -

sunt interdependente. Dependența exactă ξ = f(T) se poate determina aplicând legea

segmentelor inverse pe diagrama de echilibru. Pentru obținerea unui model

matematic general, aplicabil pentru toate aliajele dependența ξ = f(T) se aproximează

printr-o funcție de grad 1 Această funcție este [55,106,107,108,109]:

SL

L

TT

TT

(3.3)

unde: T - temperatura momentană, TL - temperatura lichidus, TS - temperatura

solidus. Sub forma T = f(ξ) se exprimă prin relația:

T = TL - ξ(TL – TS) (3.4)

Ecuația de bilanț termic pentru un element se explicitează și se rezolvă pentru

un interval de timp τ (pasul de timp). Ecuaţia de bilanţ termic pentru un element cu

coordonatele "i,j" egalează variaţia căldurii interne a elementului respectiv (∆Qm)ijk

şi căldura schimbată de acesta (∆Qs)ijk cu cele patru elemente vecine. Ecuația

generală este [55,56,80,84]:

kij

k

ijQsQm (3.5)

(Qs)ijk

j-1 j j+1(Qs)ijk

Δ

Δ

ri-1

ri

ri+1

Oi-1

i

i+1

i

j


19

Figura 3.4 Transmisia căldurii între celulele (elementele) inelare (rețea în coordonate

cilindrice 2D) [56,60]

Căldura schimbată de elementul “i,j” cu cele patru elemente vecine (vezi figura

3.4) este data de relaţia [56]:

)]()([)(

])()([2)(

1,,11

,111,

k

ji

k

ij

k

ij

k

ji

k

ij

k

ijii

i

k

ji

k

ij

k

iji

k

ji

k

ij

k

ij

k

ij

TTjTThrr

rTTerTTiQs (3.6)

In aceasta relație αhijk, αjij

k, αiij

k, αeij

k - reprezintă coeficienții de schimb de

căldură între elementul (i,j) și elementele vecine. Celelalte simboluri au semnificațiile

precizate mai sus sau în schema din figura 3.4. Variaţia căldurii interne a elementelor

de volum inelare se calculează în funcţie de variaţia temperaturii şi a fracţiei de solid.

Relaţia generală de calcul este:

])()([( 11

ij

k

ij

k

ij

k

ij

k

ij

k

ijijij

k

ijLTTcVQm (3.7)

Vij = este volumul celulei "i,j", cijk – căldura specifică celulei „i,j” la momentul „k”,

ρij - densitatea celulei. Înlocuind volumul elementului inelar în funcție de dimensiuni

(de raze și Δ) relaţia devine:

])()([()( 112

1 ij

k

ij

k

ij

k

ij

k

ij

k

ijijii

k

ijLTTcrrQm

(3.9)

În cazul modelului matematic 2D în coordonate cilindrice pentru aliaje cu

solidificare în interval de temperatură relația (3.7) se explicitează în funcție de

poziția temperaturilor (Tijk) și (Tij

k+1) - înainte și după un pas de timp în raport cu TL și

TS. Rezultă nouă cazuri de particularizare a relației (3.9), respectiv a ecuației de bilanț

termic (3.5) și ale soluțiilor acestei ecuații. Caz 1 - răcire și solidificare parțială din stare lichidă. Ecuația (3.9) se particularizează

astfel:

]2/)()()[()( 112

1 SijLij

k

ijLijij

k

ijLijLij

k

ijijii

k

ijccTTLcTTrrQm

(3.10)

unde: Lij - căldura latentă de solidificare a elementului, cLij , cSij - căldura

specifică în stare lichidă și în stare solidă a elementului (i,j). Soluția cazului este:

2

)()(/)(

)( 2

1

1 SijLij

SijLijijLijLij

k

ij

ijii

k

ijk

ij

ccTTLcTT

rr

Qs

(3.12)

Caz 2 - răcire sau încălzire în stare lichidă. Variația căldurii interne este dată

de:


20

Lij

k

ij

k

ijijii

k

ijcTTrrQm

)()( 12

1 (3.13)

Din ecuația de bilanț termic soluția pentru temperatura Tijk+1

este:

Lijijii

k

ijk

ij

k

ijcrr

QsTT

2

1

1

)( (3.14)

Caz 3 - răcire în stare lichidă, urmată de solidificare totală și răcire în

stare solidă. Variația căldurii interne în acest caz este dată de relația:

])(2

))(()[()( 12

1 Sij

k

ijSij

LijSijSijLij

ijLijLij

k

ijijii

k

ij cTTccTT

LcTTrrQm

(3.15)

Din ecuația de bilanț termic (3.5) se calculează temperatura finală Tijk+1

:

Sijijii

k

ij

Sij

LijSijSijLij

Sij

Lij

k

ij

Sij

ijk

ijcrr

Qs

c

ccTT

c

cT

c

LT

2

1

1

)(2

))((

(3.18 )

Caz 4 - topire sau solidificare (parțială) în intervalul de solidificare. Relaţia

de calcul a variației căldurii interne a unui element este:

]2/)()()[()( 112

1 SijLij

k

ij

k

ijij

k

ij

k

ijijii

k

ijccTTLrrQm

(3.19)

Soluția pentru fracția de solid:

]

2

)()([/]

2

)()(

)([

2

1

1 SijLij

SijLijij

SijLijk

ijLijij

k

ij

ijii

k

ijk

ij

ccTTL

ccTTL

rr

Qs

(3.21)

Caz 5. Solidificare totală și răcire pornind din intervalul lichidus - solidus.

Relaţia de calcul a variației căldurii interne se particularizează astfel:

])(2/)()()1[()( 12

1 Sij

k

ijSijSijLijSij

k

ijij

k

ijijii

k

ijcTTccTTLrrQm

(3.22)

Din ecuația de bilanț termic se calculează temperatura finală Tijk+1

prin relația:

Sijijii

k

ij

Sij

Sij

SijLijSij

k

ij

Sij

ij

k

ijk

ijcrr

QsT

c

ccTT

c

LT

2

1

1

)(2

)()()1(

(3.23)


21

Caz 6 - topire completă și încălzire în stare lichidă. Relaţia de calcul a

variației căldurii interne este:

])(2/)()([)( 12

1 Lij

k

ijLijSijLijLij

k

ijij

k

ijijii

k

ijcTTccTTLrrQm

(3.24)

Din ecuația de bilanț termic se explicitează temperatura finală Tijk+1

.

Lij

SijLijLij

k

ij

Lij

ij

k

ij

Lijijii

k

ij

Lij

k

ijc

ccTT

c

L

crr

QsTT

2

)()(

)( 2

1

1

(3.25)

Caz 7 - Încălzire pornind din stare solidă și topire parțială. Relaţia de calcul pentru

variația căldurii interne este:

]2/)()()1()[()( 112

1 SijLij

k

ijSijij

k

ijSijSij

k

ijijii

k

ijccTTLcTTrrQm

(3.26)

Din ecuația de bilanț termic se explicitează fracția de solid finală ξij

k+1.

2)(/

2)()(

)( 2

1

1 SijLij

SijLijij

SijLij

LijSijijSijSij

k

ij

ijii

k

ijk

ij

ccTTL

ccTTLcTT

rr

Qs

(3.28)

Caz 8 - Încălzire sau răcire numai în stare solidă. Relaţia de calcul a

variației căldurii interne este:

])[()( 12

1 Sij

k

ij

k

ijijii

k

ijcTTrrQm

(3.29)

Înlouind în ecuația de bilanț termic (3.5) se calculează temperatura Tijk+1

.

Sijijii

k

ijk

ij

k

ijcrr

QsTT

2

1

1

)( (3.30)

Caz 9 - Încălzire pornind din stare solidă urmată de topire completă și încălzire în

stare lichidă. Relaţia de calcul a variației căldurii interne este:

])(2

))(()[()( 12

1 Lij

k

ijLij

LijSijLijSij

ijSijSij

k

ijijii

k

ij cTTccTT

LcTTrrQm

(3.31)

Soluția pentru temperatura finală este.


22

Lijijii

k

ij

Lij

SijLijSijLij

Lij

ij

Lij

Sijk

ij

k

ijcrr

Qs

c

ccTT

c

L

c

cTT

2

1

1

)(2

))((

(3.32)

Rezolvarea acestui model matematic trebuie să admită o singură soluţie.

3.5 Elemente privind structura softului

Modelul matematic și schema de rezolvare prezentată mai sus, au fost

transpuse într-un soft. El este aplicabil pentru simularea solidificării pieselor turnate

centrifugal (din aliaje de tip soluție solidă). Softul este denumit SIM-2D-CIL-

SOLSOL. S-a utilizat sistemul de programare MATLAB, Alegerea are în vedere

posibilitatea ca ulterior, toate softurile realizate la Brașov să fie asamblate într-un soft

general aplicabil întregii game de aliaje întâlnite în practică [55,56,80,84].

Softul lucrează cu patru tipuri de fișiere, fișiere de tip „_.m”, fișiere de tip

„_.in”, fișiere de tip "_.out" și fișiere "_.jpg". Fișierele de tip "_.m" calculează și

generează matricele cu valorile caracteristicilor termo-fizice și ale mărimilor de stare

ale elementelor în care este divizat sistemul. De asemenea, o parte dintre aceste

fișiere generează reprezentările grafice ale rezultatelor.

ÎN fișierele de tip „_.in” la inițializarea simulărilor, utilizatorul introduce date

privind cererea de rezultatele. La sfârșitul unei simulări rezultatele sunt afișate sub

formă tabelară în fișiere cu extensia „_.out”. Rezultatele sunt redate grafic sub formă

de curbe de dependență sau sub formă de hartă și curbe de nivel în fișiere de tip

„_jpg.

3.6 Rezultate referitoare la solidificarea pieselor turnate centrifugal obținute cu

softul realizat (SIM-2D-CIL-SOLSOL)

Softul realizat furnizează rezultate referitoare la solidificarea pieselor cu

simetrie de rotație turnate centrifugal. Principalele rezultate privind solidificarea

pieselor turnate furnizate de softul realizat sunt: - coordonatele punctelor unde se

termină solidificarea aliajului; - momentul începutului și sfârșitului solidificării

piesei; - temperatura tuturor elementelor din rețea la orice moment; - timpii de

solidificare “tsol” pentru fiecăre element din ansamblu; - evoluția temperaturii, a

fracției de solid și a vitezei de răcire în raport de timp, în orice punct din sistem; -

evoluția în funcție de timp a cantității de metal lichid din sistem; - repartizarea

temperaturii pe diverse linii sau colane din ansamblul formă-piesă la orice moment.

Modul în care softul, destinat simulării solidificării pieselor turnate centrifugal

din aliaje cu solidificare de tip soluție solidă (SIM-2D-CIL-SOLSOL) realizat în

cadrul tezei, afișează rezultatele grafic este exemplificat pentru solidificarea piesei

din figura 3.8. (piesa din bronz CuSn12, aliaj cu solidificare de tip soluție solidă).


23

Ø 120

Ø 140

Ø 80

Ø 200

Ø 240

10

20

30

50

10

12

0

ω

piesa

turnata

forma

Figura 3.8 Piesa turnată centrifugal din CuSn12 supusă simulării solidificării

cu softurile SIM-2D-CIL-SOLSOL și SIM-2D-CIL-EUT

Modul de divizare și stabilire a coordonatelor numerice ale elementelor prin

care s-a inițializat această simulare este arătat în figura 3.9. În figurile 3.10 – 3.17

este arătat modul în care softul afișează grafic rezultatele. Pentru a pune în evidență

necesitatea realizării softului SIM-2D-CIL-SOLSOL (pentru aliaje de tip soluție

solidă) se arată diferența între rezultatele furnizate de acest soft și un soft pentru

aliaje cu solidificare la temperatură constantă. În acest scop solidificarea piesei din

figura 3.8 s-a simulat și cu softul SIM-2D-CIL-EUT considerând cazul turnării dintr-

un aliaj eutectic cu caracteristici termofizice similare. În figurile 3.10 - 3.17 sunt

arătate rezultatele obținute cu cele două softuri.

R0 = 40 20 10 30 20

10

20

30

50

10

12

0

80

ω

6 = i

1 = i5 = i

15 = i16 = i

30 = i31 = i

55 = i56 = i60 = i

1 10 16 30 31 40 = j

m = 40 = nr. de coloane

n = 60 = nr. de linii

zona 1

zona 2

zo

na

3

Figura 3.9 Stabilirea coordonatelor numerice (i,j) în cazul discretizării

sistemului formă - piesă turnată centrifugal supus simulării [56]


24

a.) simulare cu softul SIM-2D-CIL-

SOLSOL, solidificare de tip soluție

solidă

b.) simulare cu softul SIM-2D-CIL-

EUT, solidificare la temperatură

constantă

Figura 3.10 Deplasarea frontului de solidificare în piesa turnată centrifugal în

cazul simulării cu cele două softuri



solidă



constantă

Figura 3.11 Aspectul izotermelor în ansamblul piesă turnată - formă la

sfârșitul solidificării piesei turnate centrifugal în cazul simulării cu cele două softuri

a.) simulare cu softul SIM-2D-CIL- b.) simulare cu softul SIM-2D-CIL-EUT,


25


solidă

solidificare la temperatură constantă

Figura 3.12 Poziția frontului solidus la timpul τ = 40s



solidă



constantă

Figura 3.13 Variația temperaturii în funcție de timp în nodul termic. a) nod

termic (x,y)=(0,110): b) nod termic (x,y)=(0,99).



solidă



constantă

Figura 3.14 Variația fracției de solid în funcție de timp în nodul termic. a)

coordonate nod termic (x,y)=(0,110): b) coordonate nod termic (x,y)=(0,99).


26



solidă



constantă

Figura 3.15 Viteza de răcire în funcție de timp în nodul termic a) coordonate

nod termic (x,y)=(0,110): b) coordonate nod termic (x,y)=(0,99).



solidă



constantă

Figura 3.16 Repartizarea temperaturii pe suprafața interioară a piesei turnate

(coloana nodului termic) la sfârșitul solidificării piesei turnate. a) timp de solidificare

τ=75,216s. b) timp de solidificare τ=104,528s.

3.7 Verificare experimentală a softului

a). Mod de lucru.

Pentru validarea softului s-a aplicat metoda analizei termice experimentale. S-au

înregistrat experimental curbe de variație a temperaturii in diverse puncte ale unor

sisteme piesă turnată - formă de turnare și apoi acestea au fost comparate cu curbele

similare determinate prin simulare [57,73]. Măsurarea variației temperaturii în

interiorul pieselor turnate și a formelor de turnare, la turnarea centrifugală, cu ajutorul

termocuplurilor este dificil de realizat. De aceea verificarea softului s-a realizat în

condiții de turnare gravitațională a unor piese cu simetrie de rotație, similară pieselor

turnate centrifugal.

b). Condițiile verificării experimentale 1.

O primă verificare s-a s-a realizat prin turnarea unei piese cilindrice tubulare din

ATSi12. În figura 3.18 este arătată forma de turnare utilizată pentru verificare.

Compoziția chimică a aliajului utilizat este Al=87,29%, Si=9,73%, Cu=0,81%,

Fe=0,79%, Zn=0,72%, Mg=0,27. Au fost montate două termocupluri, unul pe axa

peretelui piesei (punct A) și al doilea în piesă la 1 mm de suprafața interioară, la

mijlocul înălțimii piesei turnate.

c). Rezultate experimentale (experiment 1).

In figurile 3.20 sunt arătate aspecte de la turnarea probei experimentale.

d). Compararea rezultatelor simulare - experiment 1.


27

Pentru verificarea softului realizat, rezultatele obținute prin analiză termică

experimentală s-au comparat cu cele obținute prin simularea solidificării. În acest scop

s-a simulat răcirea si solidificarea piesei turnate in cadrul experimentului.

Figura 3.18 Formă de turnare utilizată pentru verificarea prin analiza termică a

softului SIM-2D-CIL-SOLSOL (piesa tubulară, cu diametrul exterior Dext=160mm)

[56,57,59]

a. cavitatea formei b. umplerea formei


28

Figura 3.20 Aspecte privind efectuarea experimentului [59,60]

Curbele de variație a temperaturii obținute prin simulare și experiment, sunt

reprezentate în același grafic în figurile 3.23 - 3.24. Analiza figurilor 3.23 - 3.24, arată

o concordanță bună între rezultatele obținute prin simulare și prin analiză termică

experimentală pentru ambele puncte ("A" si "B") unde s-a înregistrat temperatura.

Apar mici diferențe în zona răcirii în stare lichidă a aliajului și în zona sfârșitului

solidificării. Diferențele din zona lichidă se pot explica prin eventuale abateri ale

valorilor unor mărimi termofizice (căldură specifică, conductibilitate termică) utilizate

la simulare pentru starea lichidă. Diferențele din zona sfârșitului de solidificare se

explica prin subrăcirea de constituție a aliajului care apare spre sfârșitul solidificării

reale (subrăcire care nu este luată în considerare de softurile de simulare).

Figura 3.23. Curbele de variație a

temperaturii experiment si simulare (cu

SIM-2D-CIL-SOLSOL pentru punctul

"A" din piesă, poziționat la 15mm de fața

exterioară cilindrică a piesei turnate din

silumin

Figura 3.24. Curbele de variație a

temperaturii determinate experimental și

prin simulare (cu SIM-2D-SOLSOL)

pentru punctul "B" din piesă, poziționat la

1mm de fața cilindrică din interiorul

piesei turnate din silumin [59,60]

e). Condițiile verificării experimentale 2.

Într-un al doilea experiment destinat verificării softului, s-a turnat o a doua piesă

cilindrică tubulară, din AlZn10. În figura 3.25 sunt arătate dimensiunile ansamblului

piesă turnată - formă utilizate. Compoziția chimică a aliajului utilizat pentru turnarea

probelor în cadrul acestui experiment este Al=91,44%, Zn=8,16%, Cu=0,18%. Au fost

montate trei termocupluri ca în figura 3.25.

g). Compararea rezultatelor simulare - experiment 2.

Rezultatele obținute prin experiment s-au comparat cu cele obținute prin

simulare. Curbele de variație a temperaturii obținute prin simulare pentru cele trei

puncte (A, B și C) sunt suprapuse peste cele experimentale, in figurile 3.31 - 3.33.

Figurile 3.31 - 3.32, arată o concordanță bună între rezultatele obținute la

simulare și cele obținute prin analiză termică experimentală pentru ambele puncte ("A"

si "B") situate în piesa turnată. Ca și în cazul precedent (al aliajului AlSi) apar mici

0 500 1000 1500 2000 2500480

500

520

540

560

580

600

620

640

660

680

Timp [s]

Te

mp

era

tura

[

oC

]

Experiment, in punct A la 15 mm de suprafata exterioara

Simulare in punct A la 15 mm de suprafata exterioara

0 500 1000 1500 2000 2500480

500

520

540

560

580

600

620

640

660

Timp [s]

Te

mp

era

tura

[oC

]

Experiment in punct B la 1 mm de suprafata interioara

Simulare, in punct B la 1 mm de suprafata interioara


29

diferențe în zona răcirii în stare lichidă a aliajului și în zona sfârșitului solidificării.

Diferențele experiment - simulare se explică similar cu cazul experimentului 1 prin

subrăcirea la începutul solidificării și subrăcirea de constituție de la sfârșit de

solidificare.

50

50

13

05

0

ø 60 3030

ø 200

ø 60

ø 120

ø 200

152

2

BA

C

Figura 3.25. Forma de turnare utilizată în experimentul 2 (piesa tubulară cilindrică, cu

Dext=120mm) [3]

f). Rezultate experimentale (experiment 2).

In figurile 3.27 sunt arătate aspecte de la experiment. Înregistrările au arătat că

temperatura de început de solidificare (lichidus) este TLexp=640 oC și temperatura de

sfârșit de solidificare (solidus determinată pe derivata curbelor de răcire) este

TSexp=620oC. Intervalul de solidificare este ∆Ts=20

oC.


30

a. execuția formei c. poziția termocuplului B

d. inregistrarea temperaturii f. piesa solidificată

Figura 3.27 Aspecte de la turnarea probei experimentale 2 [3]

Figura 3.31 Curbele de variație a

temperaturii obținute prin experiment si

prin simulare (cu SIM-2D-CIL-SOLSOL)

pentru punctul "A" situat in piesa turnată

din AlZn10, la 2mm de suprafața

exterioară a piesei [3]

Figura 3.32 Curbe de variație a

temperaturii experimentale și prin

simulare (cu SIM-2D-CIL-SOLSOL

pentru punctul "B" situat în piesa turnată

din AlZn10, la 15mm de suprafața

exterioară a piesei [3]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500450

500

550

600

650

700

Timp [s]

Te

mp

era

tura

[oC

]

Experiment - punct A in piesa la 2 mm de suprafata exterioara

Simulare -punct A in piesa la 2 mm de suprafata exterioara

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500450

500

550

600

650

700

750

Timp [s]

Te

mp

era

tura

[

oC

]

Experiment - punct "B" in piesa la 15 mm de suprafata exterioara

Simulare - punct "B" in piesa la 15 mm de suprafata exterioara


31

Figura 3.33 Curbe de variație a temperaturii experiment și simulare cu SIM-2D-CIL-

SOLSOL pentru punctul "C", în formă la 2mm de fața exterioară a piesei din AlZn10

[3]

In cazul punctului C (figura 3.33) situat in peretele formei la 2mm de suprafața

piesei turnate se constantă o diferență mai mare între curbele obținute prin simulare și

experiment. Aceasta diferență se poate explica pe de o parte, printr-un contact

imperfect între termocuplu și peretele formei. O altă explicație a diferenței experiment

- simulare (în punctul "C") poate fi aceea că în zona vârfului acestui termocuplu, chiar

înainte de turnarea aliajului, a fost efectuată o reparare a peretelui formei cu un strat

subție de nisip - argilă umedă. Umiditatea din acest strat a absorbit căldură latentă de

vaporizare.

Verificările prin analiză termică confirmă că softul SIM-2D-CIL-SOLSOL,

furnizează date valide privind solidificarea pieselor turnate cu simetrie e rotație.

4. CERCETĂRI PRIN SIMULARE PE CALCULATOR PRIVIND

SOLIDIFICAREA PIESELOR TURNATE CENTRIFUGAL

4.1 Scopul studiului

4.1.1 Introducere

Mișcarea de rotație are efecte asupra transmiterii căldurii la interfața aliaj

lichid - formă de turnare, dar și în interiorul aliajului lichid [81]. Mișcarea de rotație

creează o amestecare a aliajului lichid și deci o uniformizare a temperaturii acestuia

în tot volumul. La interfața lichid - solid, cât și în interiorul aliajului lichid căldura se

transmite prin convecție forțată. Pe suprafața interioară a piesei turnate, transferul de

căldură prin radiație este practic nul. Aceasta echivalează cu o grosime mai mare

(aproape dublă) a peretelui piesei turnate. Pe de altă parte, forța centrifugă

deplasează particulele mai grele spre exterior, iar pe cele mai ușoare spre interior.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000

100

200

300

400

500

600

Timp t [s]

Te

mp

era

tura

[oC

]

Experiment, punct C in forma la 2mm de suprafata piesei

Simulare, punct C la 2mm de suprafata piesei


32

ceea ce accentuează schimbul de căldură în interiorul aliajului lichid. În plus în

timpul mișcării de rotație, în sistemul formă - aliaj lichid apar vibrații radiale.

Vibrațiile sunt cauzate de excentricitatea centrului de greutate al aliajului lichid, în

raport cu axa de rotație. Aceste procese, au ca efect o conductibilitate termică

echivalentă a aliajului lichid mult mai mare decât în cazul turnării gravitaționale

[1,12,46,53,81].

Din punct de vedere al micro-solidificării mișcarea de rotație și vibrare a

aliajului lichid are ca efect o rupere a cristalelor în curs de formare și creștere. Aceste

efecte sunt mai accentuate în cazul aliajelor cu interval de solidificare mare

[8,40,62,115].

4.1.2 Particularitățile simulării solidificării pieselor turnate centrifugal

Mișcarea de rotație face dificil studiul experimental al câmpului de temperatură

din piesele turnate centrifugal. Dezvoltarea actuală a informaticii permite însă ca

astfel de studii să fie efectuate prin simulare pe calculator. Simularea are și avantajul

că permite modificarea progresivă a oricărui parametru al procesului studiat. Prin

simulare se pot efectua studii sistematizate, asupra turnării centrifugale, care nu pot

fi realizate prin experiment [109,110,116]. Transmiterea căldurii în aliajul lichid se

ia în considerare printr-o conductibilitate termică echivalentă.

O altă particularitate a turnării centrifugale este legată de contactul piesă

turnată - formă. Unii autori consideră că între piesă și formă apare un interstițiu care

influențează (micșorează) transferul de căldură de la aliajul turnat spre formă [40,41].

Referitor la această ipoteză părerea noastră este că atât timp cât aliajul este în stare

lichidă forța centrifugă împinge aliajul spre exterior. Ca urmare aliajul lichid este

presat pe peretele formei, iar contactul aliaj - formă este perfect. După solidificarea

primelor straturi de aliaj la interfața piesă - formă, aliajul solidificat are încă o

temperatură foarte ridicată, apropiată de temperatura lichidus. Ca urmare straturile de

aliaj solidificat (plasate la interfața piesă - formă) sunt ușor deformabile plastic. Ele

sunt de asemenea presate de forța centrifugă pe peretele formei, iar contactul, aliaj

solidificat - formă se menține, pe totă durata solidificării piesei. Apariția unui

interstițiu între piesă și formă ar putea fi luată în considerare eventual numai când

piesa se răcește la temperaturi mult mai scăzute (cu 100 -1500C sub solidus) caz în

care solidificarea nu mai este influențată. Deci atunci când se studiază numai

solidificarea pieselor turnate centrifugal, nu trebuie luată în considerare existența unui

interstițiu între piesă și formă.

4.1.3 Scopul studiului

Realizarea de softuri pentru simularea proceselor termice la turnarea

centrifugală face posibilă efectuarea unor studii privind regimul termic la răcirea și

solidificarea pieselor turnate centrifugal. Cunoașterea acestor influențe face posibilă

optimizarea proceselor de turnare centrifugală în funcție de dimensiunile pieselor și

de structura și proprietățile dorite. Acest capitol al tezei are ca scop efectuarea unui


33

astfel de studiu în cazul aliajelor care formează obiectul cercetării. Această influență

este analizată și prin comparație cu procedeele de turnare gravitațională, dar și prin

comparație cu un aliaj Fe-C (fontă), fiind cunoscut că fontele au o sensibilitate foarte

mare a solidificării în raport cu parametrii răcirii. În cazul pieselor din fontă, pentru o

compoziție chimică dată, cea mai mare influență asupra solidificării (asupra

structurii) o are viteza de răcire la momentul de început a solidificării. Influența

centrifugării asupra parametrilor răcirii și solidificării pieselor turnate depinde și de

caracteristicile termofizice ale aliajelor și de aspectul diagramei de echilibru (de

transformăriile care însoțesc solidificarea). De aceea în cazul aliajelor neferoase

turnate centrifugal această influență are aspecte diferite.

Într-o primă fază s-a efectuat un studiu asupra răcirii și solidificării unor piese

din fontă turnate centrifugal. În faza a doua studiul s-a extins asupra aliajelor

neferoase, analizând implicațiile centrifugării asupra condițiilor de solidificare prin

prisma diagramelor de echilibru. Rezultatele obținute în cazul fontelor sunt folosite

ca termen de comparație pentru aliaje neferoase.

4.2. Solidificarea pieselor din fontă turnate centrifugal.

4.2.1 Studiu comparativ turnare centrifugală - turnare gravitațională

a. Mod de lucru.

În prima etapă s-a analizat prin simulare solidificarea pieselor turnate

centrifugal în comparație cu cele turnate gravitațional. Piesa turnată a cărei

solidificare s-a studiat este arătată în figura 4.1. . S-a utilizat softul SIM-2D-CIL-EUT

(realizat anterior la Universitatea Transilvania din Brașov) destinat simulării

solidificării pieselor cu simetrie de rotație turnate din aliaje eutectice. S-au analizat

trei variante de turnare centrifugală și trei de turnare gravitațională arătate în figura

4.2:

- Cazul 1. Turnare centrifugală în formă metalică;

- Cazul 2. Turnare centrifugală în formă metalică cu miez exterior din nisip;

- Cazul 3. Turnare centrifugală în formă metalică vopsită;

- Cazul 4. Turnare gravitațională în formă cu miez interior din nisip;

- Cazul 5. Turnare gravitațională în formă metalică cu miez interior de nisip;

- Cazul 6. Turnare gravitațională în formă metalică cu miez metalic.

L = 200

De = 120

Di = 70

25

Figura 4.1 Piesa turnată centrifugală [16,17,18]


34

Re = 60

Ri = 35

forma

piesa turnata

1025 15

R = 70

R = 85

portforma

Di = 70

Re = 60

Ri = 35

forma

din nisip

miez din nisip

piesa

turnata4025

Rfo = 100

A

B

Di = 70

a.) Caz 1 - Turnare centrifugală cu

formă metalică

d.) Caz 4 - Turnare gravitațională, cu

formă și miez din nisip

Re = 60

Ri = 35

miez din nisip

piesa turnata

1025 15

R = 70

R = 85

portforma

Di = 70

Re = 60

Ri = 35

forma

metalica

stationara

miez

din

nisip

piesa turnata3025

Rfo = 90

Di = 70

b.) Caz 2- Turnare centrifugală cu miez

exterior din nisip

e.) Caz 5 - Turnare gravitațională, cu

formă metalică, miez din nisip

Rv = 61

Re = 60

Ri = 35

forma

metalica

piesa turnata

9

1

25

Rfo = 70

strat de

protectie

portforma

R = 85

Di = 70 15

Re = 60

Ri = 35

forma

metalica

stationara

miez metalic

piesa turnata3025

Rfo = 90

Di = 70

c.) Caz 3 - Turnare centrifugală cu

formă metalică vopsită cu grafit

f.) Caz 6 - Turnare gravitațională cu

formă și miez metalic

Figura 4.2 Construcția și dimensiunile formelor în cazurile studiate [16,17,18]

b. Parametrii analizați.

Parametrii analizați privind câmpul termic și solidificarea aliajului sunt

[16,17,18]: - poziția nodului termic; - timpul de solidificare a piesei (tsol_p); -

timpul de solidificare a stratului (1mm) la suprafața exterioară a piesei ( tsol_pex); -

timpul de solidificare a stratului interior al piesei tsol_p_in); - harta de temperatură la

sfârșitul solidificării; - harta timpilor de solidificare; - evoluția temperaturii în nodul


35

termic, pe suprafața exterioară și pe suprafața interioară a piesei; - timpul de răcire a

aliajului în intervalul To - Ts în peretele piesei (t_in_sol); - viteza medie de răcire a

aliajului lichid (vr_med) în intervalul To - Ts în peretele piesei; - viteza de răcire a

aliajului lichid (vr_Ts) la momentul atingerii temperaturii solidus ; - grosimea

stratului de fontă albă.

c. Rezultate privind câmpul termic.

O parte din rezultate sunt arătate în figurile 4.3-4.7. Figura 4.3 arată că la

turnarea centrifugală nodul termic real se formează pe suprafața interioară a piesei.

Figurile 4.3 - 4.4 arată că acoperirea formei cu un strat de vopsea pe bază de grafit nu

influențează major câmpul de temperatură și dinamica răcirii. Din punct de vedere al

poziției nodului termic, turnarea centrifugală cu miez exterior din nisip (cazul 2) este

apropiată de turnarea gravitațională în forme metalice cu miez din nisip (cazul 5).

Aceste două cazuri diferă însă mult, prin valorile timpilor de solidificare, ale

temperaturilor și ale vitezelor de răcire în peretele piesei.

a.) Caz1,2,3 turnare centrifugală b.) Caz 4,5,6 turnare gravitațională

Figura 4.3 Timpul de solidificare în peretele pieselor turnate centrifugal și

gravitațional [16,17,18]

d. Concluzii privind câmpul termic.

Concluzii privind câmpul termic în piesele din fontă turnate centrifugal:

- la turnarea centrifugală solidificarea este dirijată în lungul razei spre axa de

rotație, nodul termic fiind plasat pe suprafața interioară a piesei;

- în cazul formelor metalice la suprafața exterioară se obține totdeauna un strat

de fontă albă;

- acoperirea cu vopsea a formei metalice nu influențează considerabil timpul de

solidificare și câmpul de temperatură din piesa turnată, dar reduce considerabil

tendința de albire pe suprafața exterioară;

- pentru a obține fontă cenușie pe întreaga grosime a peretelui piesei este

necesar să se utilizeze un miez exterior din nisip.

0 5 10 15 20 250

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Distanta de la suprafata interioara a piesei, x [mm]

Tim

p d

e s

olid

ific

are

, t

[s]

Caz 1 - Centrifugal, forma metalica

Caz 2 - Centrifugal, cu miez exterior de nisip

Caz 3 - Centrifugal, forma metalica vopsita

0 5 10 15 20 250

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500


Tim

p d

e s

oli

dif

ica

re,

t [s

]

Caz 4 - Gravitational, forma si miez din nisip

Caz 5 - Gravitational, forma metal, miez nisip

Caz 6 - Gravitational, forma si miez metalic


36

a.) Caz 1,2,3 turnare centrifugală b.) Caz 4,5,6 turnare gravitațională

Figura 4.4 Temperatura în peretele pieselor turnate centrifugal si gravitațional la

sfârșitul solidificării [16,17,18]

e. Rezultate privind tendința de albire

La turnarea centrifugală tendința de albire a structurii la suprafața pieselor este

diferită de turnarea gravitațională. În această parte a lucrării s-a urmărit să se pună în

evidență concret, influența turnării centrifugale asupra tendinței de albire a pieselor

din fontă. În acest scop s-a analizat viteza de răcire la momentul premergător

începutului solidificării, la temperatura Ts (vr_Ts) și tendința de albire prin grosimea

startului de fontă albă la interfața piesă turnată - formă.

a.)Turnare centrifugală (caz 1,2,3) b.)Turnare gravitațională (caz 4,5,6)

Figura 4.7. Viteza instantanee de răcire la temperatura Ts, în peretele piesei turnate

[16,17,18]

În figura 4.7 s-a reprezentat grafic viteza de răcire momentană la temperatura

Ts (viteza la momentul premergător începutului solidificării). În cadrul acestui studiu

este analizat cazul unei fonte care are viteza critică cenușiu - alb, v_crit = 40 0C/s.

Structura de fontă albă apare în stratul în care viteza reală de răcire laTs este mai

mare decât viteza critică. În tabelul 4.8 este dată grosimea straturilor de fontă albă

obținute prin simulare pe suprafețele piesei turnate (pentru viteza critică cenușiu alb

40 0C/s).

0 5 10 15 20 25900

950

1000

1050

1100

1150


Te

mp

era

tura

in

pe

rete

le p

ies

ei,

T [

0C

]



Caz 3 - Centrifugal, forma metalica vopsita0 5 10 15 20 25

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150


Tem

pera

tura

in

pere

tele

pie

sei, T

[0C

]


Caz 5 - Gravitational, forma metalica cu miez de nisip


0 5 10 15 20 250

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Distance from outward surface of casting, x [mm]

Insta

nta

neo

us c

oo

lin

g r

ate

at

Ts, V

r-T

s [

0C

/s]

Case 1-Centrifugal, metallic mould

Case 2-Centrifugal widh sand external core

Case 3-Centrifugal, coating mould with coating

Gray - white critical cooling rate v-crit=400C/s

0 5 10 15 20 250

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Distance from outward surface of casting, x [mm]Insta

nta

neo

us c

oo

lin

g r

ate

at

Ts t

em

pera

ture

, V

r-T

s [

0C

/s]

Case 4-Gravitational, sand mould and core

Case 5-Gravitational, metallic mould and sand core

Case 6-Gravitational, metallic mould and core

Gray-white critical cooling rate v-crit=400C/s


37

Tabelul 4.8. Grosimea startului de fontă albă pe suprafețele piesei turnate [16,17,18].

Nr. de

caz

Varianta de turnare

Grosimea stratului de fontă

albă

Pe suprafața

exterioară a

piesei

Pe suprafața

interioară a

piesei

Unit.

măsură

- mm mm

1 Turnare centrifugală în formă metalică 3.68 0

2 Turnare centrifugală cu miez exterior din nisip 0 0

3 Turnare centrifugală cu strat de protecție din grafit 3.0 0

4 Turnare gravitațională în formă din nisip 0 0

5 Turnare gravitațională în formă metalică cu miez

interior de nisip

9.0 0

6 Turnare gravitațională în formă metalică cu miez

metalic

11.0 5.03

f. Concluzii privind tendința de albire

Rezultatele din tabelul 4.8 conduc la următoarele observații:

- în cazul turnării centrifugale în cochilă tendința de albire a structurii este mai

mică față de turnarea gravitațională în cochilă (cu peste 50% mai mică);

- la turnarea centrifugală, în toate variantele studiate pe suprafața interioară a

piesei turnate, se obține fontă cenușie;

- pentru a evita albirea trebuie să se utilizeze miez exterior din nisip;

- acoperirea formei metalice cu un strat subțire de protecție pe bază de grafit nu

conduce la eliminarea stratului alb.

4.2.2 Studiu privind influența grosimii miezului exterior asupra solidificării

pieselor din fontă turnate centrifugal

a. Scop și mod de lucru.

Studiul de mai sus a arătat că utilizarea unui miez exterior la turnarea

centrifugală schimbă considerabil condițiile solidificării pieselor turnate.

Transmiterea căldurii spre formă se reduce, iar durata solidificării se mărește

considerabil, chiar și în comparație cu turnarea gravitațională în forme de nisip. În

cazul pieselor din fontă turnate centrifugal miezurile exterioare se utilizează cu

scopul de a evita apariția stratului alb, pentru a asigura o prelucrabilitate bună prin

așchiere a pieselor. S-a simulat solidificarea piesei tubulare din figura 4.1 cu miez de

nisip cu grosimi diferite între b=5-30mm. Rezultatele sunt analizate prin comparație

cu turnarea centrifugală în formă metalică, fără miez de nisip.

b. Rezultate.

În figura 4.9 este arătat timpul de solidificare în peretele piesei. Se observă că

în toate cazurile frontul de solidificare se deplasează de la exterior spre interiorul

piesei. În cazul miezurilor cu grosimea b= 5 - 15 mm nodul termic este plasat chiar pe


38

suprafața interioară a piesei turnate. În cazul miezurilor cu grosime mai mare (20-

30mm) solidificarea se termină din punct de vedere teoretic, la cca 1-2mm de

suprafața interioară. În realitate datorită deplasării particulelor cu densități diferite

sub acțiunea forței centrifuge, nucleele solide care eventual se formează pe suprafața

interioară a aliajului topit sunt deplasate spre exterior. Astfel și în aceste cazuri nodul

termic real este plasat pe suprafața interioară a piesei turnate. Din figura 4.9 rezultă

că creșterea grosimii miezurilor peste o anumită limită nu este recomandată, deoarece

timpul de solidificare total al piesei crește exagerat.

În figura 4.10 este arătată temperatura în peretele piesei turnate la sfârșitul

solidificării acesteia. Utilizarea miezurilor de nisip are influență mare asupra

temperaturii din peretele piesei turnate. Pentru practica turnării pieselor de acest tip,

rezultă că creșterea grosimii miezurilor exterioare peste o anumită limită duce la

creșterea exagerată a duratei solidificării.

Figura 4.9. Timpul de solidificare în

peretele piesei turnate

Figura 4.10. Temperatura în peretele

piesei la sfârșitul solidificării aliajului

c. Concluzii privind influența grosimii miezului exterior.

Principalele concluzii privind influența grosimii miezurilor de nisip la turnarea

centrifugală a pieselor din fontă sunt:

- utilizarea de miezuri exterioare din nisip la turnarea centrifugală modifică

considerabil condițiile de răcire și solidificare la suprafața exterioară;

- viteza de răcire a stratului exterior al piesei, la momentul premergător

solidificării, este foarte mică între 0.3 - 0.80C/s (mult sub viteza critică cenușiu -

alb);

- chiar și în cazul miezurilor exterioare solidificarea este dirijată în de la

exterior spre interior, nodul termic real fiind plasat pe suprafața interioară a piesei;

- creșterea grosimii miezurilor peste o anumită limită nu are influență asupra

cineticii solidificării la suprafața piesei turnate, dar încetinește considerabil răcirea

piesei turnate în stare solidă (după solidificare);

- pentru practică se recomandă ca grosimea miezurilor să fie redusă (corelat cu

grosimea peretelui piesei turnate.


pieselor din fontă turnate centrifugal

0 5 10 15 20 250

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Tim

p d

e s

oli

dif

ica

re,

t [s

]

Caz 0 - Centrifugal grosime miez nisip b=0mm

Caz 1 - Centifugal grosime miez nisip b=5mm






0 5 10 15 20 25900

950

1000

1050

1100

1150


Te

mp

era

tura

in

pe

rete

le p

ies

ei,

T [

0C

]

Caz 0 - Centrifugal fara miez, b=0mm

Caz 1 - Centifugal miez nisip b=5mm

Caz 2 - Centrifugal miez nisip b=10mm






39

a. Mod de lucru.

În figura 4.15 este arătat ansamblul piesă turnată - formă considerat pentru

simulare. Grosimea peretelui piesei s-a modificat între 5 - 30mm. S-a urmărit

influența grosimii peretelui piesei asupra câmpului termic și asupra tendinței de albire

la suprafața piesei în contact cu forma. Legat de câmpul termic s-au analizat aceeași

parametrii ca și în studiile anterioare. Legat de tendința de albire s-a studiat cinetica

răcirii la suprafața exterioară a piesei și grosimea stratului de fontă albă la interfața

piesă - formă.

Figura 4.15. Ansamblul piesa turnată - formă studiat prin simulare în cazul pieselor

cu grosime de perete variabilă

b. Rezultate privind influența grosimii peretelui piesei. O parte din rezultatele obținute sunt arătate în figurile 4.16 - 4.19. Rezultatele

au arătat că grosimea peretelui piesei nu influențează practic cinetica solidificării la

suprafața exterioară a piesei, iar cinetica solidificării pe suprafața interioară este

influențată într-o măsură mică. Se confirmă că piesa turnată se menține în contact cu

forma pe toată durata solidificării.

În figurile 4.20 și 4.21 s-a reprezentat grafic repartizarea în peretele piesei, a

vitezei de răcire momentană la temperatura Ts care este comparată cu viteza critică

cenușiu - alb, pentru a estima grosimea stratului de fontă albă la suprafața pieselor

turnate. Rezultatele arată că pentru grosimi mici ale peretelui piesei (bp <15mm)

grosimea stratului de fontă albă la suprafața piesei crește. Peste această grosime

(pentru bp> 15mm) grosimea stratului de fontă albă rămâne practic constantă.

c. Concluzii privind influența grosimii peretelui piesei turnate.

Principalele concluzii sunt:

- solidificarea se termină în toate cazurile pe suprafața interioară a piesei;

- durata solidificării crește parabolic cu grosimea peretelui piesei;


40

- viteza de răcire, pe suprafața exterioară a piesei, la momentul premergător

solidificării, la temperatura Ts, nu este influențată de grosimea peretelui piesei;

- pentru grosimi de perete piesă ≥ 15mm, grosimea stratului de fontă albă la

suprafața exterioară rămâne constantă (în cazul studiat la o valoare de 3mm);

- acoperirea formei metalice cu un strat subțire de protecție pe bază de grafit nu

conduce la eliminarea totală a tendinței de albire;

Figura 4.16Timpul de solidificare a

piesei (în nodul termic) in funcție de

grosimea peretelui

Figura 4.17 Timpul de solidificare în

interiorul peretelui piesei turnate, pentru

diverse grosimi ale peretelui

Figura 4.18 Temperatura în peretele

piesei turnate la sfârșitul solidificării

aliajului pentru diverse grosimi de

perete piesă

Figura 4.19. Evoluția temperaturii în

stratul (grosime de 1mm) de la suprafața

exterioară a piesei turnate pentru diverse

grosimi de perete piesă

1 2 3 4 5 60

20

40

60

80

100

120

bp=5mm bp=10mm bp=15mm bp=20mm bp=25mm bp=30mm

Tim

p d

e s

olid

ific

are

t-s

ol [s

]

t-sol=f(bp)

0 5 10 15 20 25 300

20

40

60

80

100

120

Distanta de la suprafata exterioara " x " [mm]T

imp

de s

oli

dif

icare

" t

-so

l " [

s]

Caz 1, grosime piesa bp=5mm






0 5 10 15 20 25 30850

900

950

1000

1050

1100

1150

Distanta de la suprafata interioara " x " [mm]

Te

mp

era

tura

T

[oC

]

Caz 1-grosime piesa bp=5mm






0 50 100 150400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

Timp "t" in [s]

Tem

pera

tura

" T

" [

oC

]

Caz 1, b piesa = 5mm







41

Figura 4.20. Viteza instantanee de răcire

la temperatura Ts, în peretele piesei

turnate, (piese cu grosime bp - 5mm,

10mm, 15mm)

Figura 4.21. Viteza instantanee de

răcire la temperatura Ts, în peretele

piesei turnate, (piese cu grosime bp =

20mm, 25mm, 30mm)

4.2.4 Studiu privind influența conductibilității termice echivalente a aliajului în

stare lichidă asupra solidificării pieselor din fontă turnate centrifugal

a. Scop si mod de lucru

La turnarea centrifugală, intensitatea transferului de căldură în aliajul lichid

depinde de caracteristicile termofizice ale aliajului, dar și de viteza de rotație. Acestea

din urmă influențează prin viteza relativă dintre straturile de aliaj lichid, prin mărimea

presiunii cauzate de forța centrifugă și prin amplitudinea și frecvența vibrațiilor din

sistem. Intensitatea mai mare a transmiterii căldurii în aliajul lichid este luată în

considerare la simularea solidificării, printr-o valoare corespunzătoare a

coeficientului echivalent de conductibilitate termică a acestuia. Cu cât turația este mai

mare, procesele de convecție și de transfer de masă din interiorul aliajului lichid se

amplifică, iar conductibilitatea termică echivalentă crește. Studiul prin simulare

urmărește a pune în evidență în ce măsură acest parametru (coeficientul echivalent de

conductibilitate termică - respectiv turația) influențează câmpul termic și condițiile

solidificării. S-a studiat solidificarea piesei din figura 4.1 în condițiile turnării

centrifugale în formă metalică acoperită cu un strat de protecție pe bază de grafit cu

grosime de 1mm. Valoarea coeficientului echivalent de conductibilitate termică în

stare lichidă a fontei s-a modificat între λL = 30W/mK și λL = 150W/mK. Valoarea

λL = 30W/mK corespunde turnării gravitaționale statice. Valoarea maximă (λL =

150W/mK) s-a estimat că este echivalentă unei turații de n=1500rot/min.

b. Rezultate privind influența conductibilității termice echivalente asupra

solidificării.

Figura 4.23 arătă influența coeficientului λL asupra timpului de solidificare

totală a piesei. Acest grafic pune vizibil în evidență faptul că λL nu influențează

considerabil timpul de solidificare a piesei. Durata solidificării piesei rămâne practic

aceeași pentru valorile lui λL între 30W/mK și 150W/mK. Figura 4.26 arată evoluția

temperaturii în funcție de timp, în stratul superficial exterior al piesei pentru valorile

0 5 10 150

50

100

150

200

250

300

350

400

450


nta

neo

us c

oo

lin

g r

ate

at

Ts t

em

pera

ture

, V

r-T

s [

0C

/s]

Case 1 - bp = 5mm

Case 2 - bp = 10mm

Case 3 - bp = 15mm

Viteza critica cenusiu - alb

0 5 10 15 20 25 300

50

100

150

200

250

300

350

400

450


nta

neo

us c

oo

lin

g r

ate

at

Ts t

em

pera

ture

, V

r-T

s [

0C

/s]

Case 4 - bp = 20mm

Case 5 - bp = 25mm

Case 6 - bp = 30mm



42

lui λL studiate. Și în această figură curbele pentru valori diferite ale lui λL sunt

apropiate.

În figura 4.28 s-a reprezentat grafic viteza de răcire la atingerea temperaturii

Ts, în peretele piesei turnate a piesei pentru diverse valori ale lui λL. De asemenea s-a

reprezentat viteza critică (v_crit = 40 0C/s) pentru tranziția cenușiu - alb. În tabelul

4.23 este dată grosimea straturilor de fontă albă la suprafața piesei turnate,

Figura 4.23Timpul de solidificare a

piesei în funcție de conductibilitatea

termică echivalentă a fontei lichide

(grosime perete piesă bp=25mm)


peretele piesei turnate, pentru diverse

valori ale coeficientului λL



aliajului pentru diverse valori ale

coeficientului λL

Figura 4.26 Evoluția temperaturii în



valori ale coeficientului λL (grosime

perete piesă bp= 25mm)

1 2 3 4 50

10

20

30

40

50

60

70

80

90

L=30W/mK

L=60W/mK

L=90W/mK

L=120W/mK

L=150W/mK

Tim

p d

e s

olid

ific

are

t-s

ol [s

]

t-sol=f(L)

0 5 10 15 20 250

10

20

30

40

50

60

70

80

Distanta de la suprafata exterioara "x" [mm]

Tim

p d

e s

olid

ific

are

"t-

so

l" [

s]

Caz 1: L = 30W/mK

Caz 2: L = 60W/mK

Caz 3: L = 90W/mK

Caz 4: L = 120W/mK

Caz 5: L = 150W/mK

0 5 10 15 20 25900

950

1000

1050

1100

1150

Distanta de la suprafata interioara "x" [mm]

Te

mp

era

tura

"T

" [

oC

]

Caz 1: L = 30W/mK

Caz 2: L = 60W/mK

Caz 3: L = 90W/mK

Caz 4: L = 120W/mK

Caz 5: L = 150W/mK

0 50 100 150900

950

1000

1050

1100

1150

1200

1250

1300

Timp "t" in [s]

Te

mp

era

tura

"T

" [

oC

]

Caz 1, L = 30W/mK

Caz 2, L = 60W/mK

Caz 3, L = 90W/mK

Caz 4, L = 120W/mK

Caz 5, L = 150W/mK


43

Figura 4.28 Viteza instantanee de răcire la temperatura Ts, în peretele piesei turnate,

pentru diverse valori ale conductibilității termice echivalente a fontei lichide și

grosimea stratului de fontă albă la suprafața exterioară

Tabelul 4.23. Grosimea startului de fontă albă pe suprafața exterioară a piesei turnate

în funcție de valorile coeficientului echivalent de conductibilitate termică în stare

lichidă.

Nr. de

Caz

Coeficient echivalent de

conductibilitate termica in stare

lichidă

Grosimea stratului de fontă

albă la suprafața exterioară a

piesei

Simbol λL xw

Unit. măs. W/mK mm

1 30 6.0

2 60 4.5

3 90 3.6

4 120 3.0

5 150 2.6

c. Concluzii privind influența conductibilității termice echivalente în stare

lichidă asupra solidificării.

Rezultatele studiului efectuat conduc la următoarele observații:

- durata solidificării și repartizarea temperaturii în peretele piesei la momentul

solidificării nu sunt influențate semnificativ de creșterea lui λL;

- viteza de răcire, pe suprafața exterioară a piesei, la momentul premergător

solidificării (la temperatura Ts) scade cu creșterea coeficientului λL.

- grosimea stratului de fontă albă scade cu creșterea coeficientului λL, deci

scade cu creșterea turației;

4.3 Solidificarea pieselor din bronz turnate centrifugal.

0 5 10 15 20 250

200

400

600

800

1000

1200

1400

Distanta de la suprafata exterioara a piesei, x [mm]

Vit

eza

de

ra

cir

e la

Ts

, V

r-T

s [

0C

/s]

Cazul 1: L = 30W/mK

Cazul 2: L = 60W/mK

Cazul 3: L = 90W/mK

Cazul 4: L = 120W/mK

Cazul 5: L = 150W/mK



44

4.3.1 Studiu comparativ turnare centrifugală - turnare gravitațională în cazul

bronzurilor.

a. Scop.

Aliajele pe bază de cupru au o pondere însemnată ca piese turnate centrifugal.

În cazul acestora influența centrifugării asupra solidificării este mai puțin

cunoscută. Diagramele de echilibru stabile și metastabile ale bronzului Cu-Sn

prezintă diferențe mai mici din punct de vedere al microstructurii prin comparație cu

fontele. În cazul bronzului diferența de proprietăți a structurilor metastabile este

determinată de ponderea de eutectoid în structură (respectiv de cantitatea de fază "δ")

și nu de apariția de faze noi (cum este cementita în cazul fontelor).

Cercetarea realizată urmărește influența calitativă și cantitativă a unor factori

tehnologici asupra regimului termic la solidificarea pieselor turnate centrifugal din

bronz. Această influență este analizată prin comparație cu procedeele de turnare

gravitațională și cu turnarea pieselor din fontă.

Influența turnării centrifugale asupra solidificării pieselor turnate din bronz se

poate estima prin analiza diagramelor de echilibru Cu -Sn arătate în figura 4.30.

Figura 4.30 Diagrame de echilibru ale sistemului binar Cu - Sn (cu conținut 0 -30%

Sn) pentru diverse condiții de răcire. a - starea de echilibru stabil. b. - starea

metastabilă obținută prin tratament termic de recoacere (starea O). c. - starea

metastabilă obținută prin turnare (starea M) [104]

b. Mod de lucru.

Studiul este realizat prin simularea solidificării pe calculator utilizând softul

SIM-2D-CIL-SOLSOL (realizat în cadrul acestei teze pentru aliaje cu solidificare de

tip soluție solidă). S-a simulat solidificarea unei piese tubulare din CuSn10 cu

dimensiunile arătate în figura 4.1 S-au analizat aceleași variante de turnare

centrifugală și t gravitațională ca în cazul fontei (figura 4.2):

c. Rezultate privind timpul de solidificare și poziția nodului termic

Pentru cele șase cazuri s-au analizat următorii parametrii ai câmpului termic: -

poziția nodului termic; - timpul de solidificare piesă (tsol_p); - timpul de


45

solidificare a stratului ( tsol_pex); - viteza medie de răcire a stratului exterior

(v_ex_med) în stare lichidă între (To - TL); - viteza momentană de răcire a stratului

exterior (v_ex_Ts) la începutul solidificării (la TL); - timpul de solidificare a stratului

interior (tsol_pin); - viteza medie de răcire în stare lichidă a stratului interior

(v_ex_med); - viteza momentană de răcire a stratului interior (v_in_Ts) la începutul

solidificării (la TL); - viteza medie de răcire în intervalul de solidificare (TL-Ts) în

peretele piesei; - temperatura în peretele piesei turnate la sfârșitul solidificării

acesteia; - timpul de solidificare în peretele piesei turnate.

În figura 4.31 este arătată repartizarea temperaturii în peretele piesei turnate la

sfârșitul solidificării acesteia. În figura 4.32 este reprezentat grafic timpul de

solidificare în peretele piesei. La piesele din bronz turnate centrifugal se observă că

deși solidificarea decurge de la exterior spre interior, dar diferența dintre timpul de

solidificare a suprafeței exterioare și interioare este foarte mică.

a). Cazul 1,2,3 - Centrifugal d.) Cazul 4,5,6 - Gravitațional

Figura 4.31 Temperatura în peretele piesei la sfârșitul solidificării aliajului, piesa din

CuSn10 (piesă tubulară cu diametru exterior Dex=120mm și grosime perete

b=25mm).

Se observă că și în piesele din CuSn10 turnate centrifugal, nodul termic este

plasat pe suprafața interioară. Rezultatele au arătat că și în cazul pieselor turnate din

bronz, acoperirea formei metalice cu un strat de vopsea pe bază de grafit nu

influențează major câmpul de temperatură și dinamica răcirii și solidificării piesei

turnate centrifugal.

0 5 10 15 20 25808

810

812

814

816

818

820


Te

mp

era

tura

in

pe

rete

le p

ies

ei,

T [

0C

]




0 5 10 15 20 25785

790

795

800

805

810

815

820


Tem

pera

tura

in

pere

tele

pie

sei, T

[0C

]


Caz 5 - Gravitational, forma metalica cu miez de nisip



46

a). Cazul 1,2,3 - Centrifugal d.) Cazul 4,5,6 - Gravitațional

Figura 4.32 Timpul de solidificare în peretele piesei turnate din CuSn10 (piesă

tubulară cu diametru exterior Dex=120mm și grosime perete b=25mm).

Analiza rezultatelor din punct de vedere al vitezei de răcire la momentul

începutului solidificării arată diferențe foarte mari între cele șase cazuri studiate ca și

în cazul pieselor din fontă. Totuși în cazul bronzurilor, viteze de răcire mari nu

determină formarea de constituenți noi cu proprietăți total diferite (cum este

cementita în cazul fontelor) La turnarea centrifugală pe suprafața exterioară a piesei

viteza de răcire la momentul începutului solidificării, este influențată mult de natura

formei. În schimb pe suprafața interioară a piesei, această viteză are valori apropiate

și foarte mici.

Comparând rezultatele obținute în cazul pieselor turnate centrifugal din bronz

cu cele de la piesele turnate centrifugal din fontă (paragraful 4.2) se constată

similitudini, dar și diferențe.

Diferențele mai sunt:

- în cazul pieselor din bronz timpul de solidificare este mai mare;

- solidificarea suprafeței exterioare în cazul pieselor din bronz este mult mai

lentă;

- gradientul de temperatură în peretele pieselor turnate din bronz la sfârșitul

solidificării este mult mai redus;

- gradientul timpului de solidificare în peretele piesei este foarte mic ceea ce

arată o solifificare uniformă .

d. Rezultate privind dinamica răcirii în peretele pieselor turnate

Pentru aprofundarea studiului s-au analizat mai detaliat parametrii care

caracterizează dinamica solidificării în peretele piesei turnate din bronz. Acestia sunt

; - timpul începutului de solidificare ; - viteza medie de răcire a aliajului în stare

lichidă (vr_med_L); - viteza instantanee de răcire a aliajului la începutul solidificării

(la TL) (vr_TL); - viteza medie de răcire a aliajului în intervalul de solidificare

(vr_med_s) (TL-Ts).

În figurile 4.34 și 4.35 s-a reprezentat grafic viteza de răcire momentană la

atingerea temperaturii TL. Aceste viteze sunt importante din punct de vedere al

0 5 10 15 20 250

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Tim

p d

e s

olid

ific

are

, t

[s]


Caz 2 - Centrifugal, miez exterior de nisip


0 5 10 15 20 250

200

400

600

800

1000

1200


Tim

p d

e s

olid

ific

are

, t

[s]


Caz 5 - Gravitational, forma metal, miez nisip



47

nucleerii și al caracteristicilor structurii solidificate. Ele pot influența dimensiunile,

compoziția chimica a cristalelor solidificate. În cazul pieselor turnate din bronz nu

sunt efectuate studii sistematizate privind influența vitezei de răcire la momentul

solidificării asupra structurii primare. Nu este stabilită o viteza critică de tranziție la

care să se observe o modificare semnificativa în structură. De aceea graficele din

figurile 4.34-4.35 nu pot fi valorificate pentru a determina grosimea stratului

superficial în care structura piesei turnate este afectată de o viteză de răcire foarte

mare.

Viteza de răcire la temperatura lichidus

(vr_TL) in cazurile 1, 2, 3

Viteza de racire la temperatura lichidus

(vr_TL) in cazurile 4, 5, 6

Figura 4.34 Viteza de răcire momentană la temperatura lichidus (vr_TL) în peretele

piesei turnate în funcție de distanța la interfața piesă turnată - formă

Viteza medie de racire în intervalul TL-

TS (vr_med_s) în cazurile 1,2,3

Viteza medie de racire în intervalul TL-

TS (vr_med_s) în cazurile 4,5,6

Figura 4.35 Viteza medie de răcire în intervalul de temperatura TL-TS în peretele

piesei turnate în funcție de distanța la interfața piesă turnată - formă

În cazul bronzurilor solidificarea se produce în interval de temperatură. După

debutul solidificării la temperatura lichidus (TL) germinarea si creșterea cristalelor

continuă odată cu scăderea temperaturii în intervalul de solidificare. În aceasta etapă

a solidificării germinarea și creștere sunt influențate de viteza de răcire în intervalul

de solidificare. Referitor la acest parametru din figura 4.35 se observă.

0 5 10 15 20 250

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000


Vit

eza d

e r

acir

e m

om

en

tan

a la T

L, V

r-T

L [

0C

/s]

Cazul 1-Centrifugal, forma metalica

Cazul 2-Centrifugal cu miez exterior de nisip

Cazul 3-Centrifugal, forma metalica cu strat de protectie

0 5 10 15 20 250

500

1000

1500

2000

2500

3000


Vit

eza d

e r

acir

e m

om

en

tan

a la T

L, V

r-T

L [

0C

/s]

Cazul 4-Gravitational, forma si miez de nisip

Cazul 5-Gravitational forma metalica si miez de nisip

Cazul 6-Gravitational, forma si miez metalic

0 5 10 15 20 250

0.5

1

1.5

2

2.5

3


Vit

eza m

ed

ie d

e r

acir

e in

tre T

L-T

s, V

r-m

ed

-s [

0C

/s]

Cazul 1-Centrifugal, forma metalica

Cazul 2-Centrifugal cu miez exterior de nisip

Cazul 3-Centrifugal, forma metalica cu strat de protectie

0 5 10 15 20 250

2

4

6

8

10

12


Vit

eza m

ed

ie d

e r

acir

e in

tre T

L-T

s, V

r-m

ed

-s [

0C

/s]

Cazul 4-Gravitational, forma si miez de nisip

Cazul 5-Gravitational forma metalica si miez de nisip

Cazul 6-Gravitational, forma si miez metalic


48

- viteza medie de răcire în intervalul de solidificare este aproape constantă în

peretele piesei turnate; - viteza medie de răcire în intervalul de solidificare are valori

foarte mici chiar și în starturile piesei aflate în contact cu forma de turnare;

Valorile mici și constante pe grosimea peretelui ale acestei viteze de răcire,

explică influenta mult mai redusă a condițiilor de turnare asupra structurii în cazul

bronzurilor.

e. Concluzii

Rezultatele de mai sus conduc la următoarele concluzii generale legate de

influența turnării centrifugale asupra solidificării pieselor turnate din bronz:

- influența rotației asupra câmpului termic din piesă în raport cu turnarea

gravitațională, este mai redusă decât in cazul fontelor;

- diferența între tendința de obținere a unor structuri metastabile la piesele

turnate centrifugal și respectiv gravitațional este mai redusă decât în cazul pieselor

turnate din fontă;

4.3.2 Studiu privind influența grosimii peretelui piesei asupra solidificării în

cazul pieselor din bronz turnate centrifugal.

a. Mod de lucru.

A fost supusă studiului aceeași piesă a fost utilizată în studiul similar ăn cazul

fontelor. S-a analizat cazul turnării în formă metalică acoperită cu un strat de vopsea

pe bază de grafit. Grosimea peretelui piesei s-a modificat între 5 - 30mm.

b. Rezultate privind influența grosimii peretelui piesei asupra solidificării.

S-a urmărit influența grosimii peretelui piesei asupra câmpului termic și asupra

cineticii solidificării. S-au analizat aceeași parametrii ca și în studiile anterioare.

Rezultatele sunt arătate sub formă grafică în figurile 4.36-4.39.

Curbele din figura 4.37 au o pantă redusă ceea ce arată solidificare uniformă

prin comparație cu piesele din fontă. Se observă că cu creșterea grosimii de perete,

stratul superficial al piesei (cu grosime de 1mm) rămâne după solidificare, la

temperaturii ridicate. La grosimi ale peretelui piesei bp=25 - 30mm, temperatura

suprafeței exterioare se menține apropiată de temperatura solidus Ts=820oC. Aceasta

confirmă că și în cazul pieselor din bronz, contactul piesă - formă se menține pe toata

durata solidificării piesei.


49

Figura 4.36 Timpul de solidificare a

piesei turnate (în nodul termic) in

funcție de grosimea peretelui piesei


interiorul peretelui piesei turnate, pentru

diverse grosimi ale peretelui



aliajului pentru diverse grosimi de

perete piesă bronz

Figura 4.39. Evoluția temperaturii în



grosimi de perete piesă bronz

4.3.3 Studiu privind influența temperaturii cochilei asupra solidificării pieselor

turnate centrifugal din bronz.

a. Mod de lucru.

În practica industrială, răcirea pieselor turnate centrifugal în forme metalice

este reglată prin temperatura formei. Având în vedere acest aspect s-a studiat prin

simulare influența temperaturii formei asupra solidificării. În cadrul acestui studiu a

fost studiată solidificarea piesei tubulară cu diametrul exterior Dex=120mm și

grosime de perete bp=25mm. S-a analizat cazul turnării în formă metalică acoperită

cu un strat de vopsea pe bază de grafit. Temperatura inițială a formei s-a modificat

între 20 - 500oC.

b. Rezultate privind influența temperaturii formei asupra timpului de

solidificare.

S-au analizat aceeași parametrii ai câmpului termic ca și în studiile anterioare.

1 2 3 4 5 60

20

40

60

80

100

120

140

160

180


Tim

p d

e s

olid

ific

are

t-s

ol [s

]

timp de solidificare a piesei in [s] = f(bp)

0 5 10 15 20 25 300

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Distanta de la suprafata exterioara " x " [mm]

Tim

p d

e s

oli

dif

ica

re

" t

-so

l " [

s]







0 5 10 15 20 25 30800

802

804

806

808

810

812

814

816

818

820


Tem

pera

tura

T

[oC

]

Caz 1-grosime bp=5mm






0 50 100 150 200 250300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Timp "t" in [s]

Tem

pera

tura

" T

" [

oC

]








50

Figura 4.42 Timpul de solidificare a

piesei turnate în funcție de temperatura

formei (CuSn10, grosime de perete

bp=25mm)


peretele piesei, la diverse temperaturi

ale formei (CuSn10, grosime de perete

bp=25mm)



pentru diverse temperaturi ale formei

(CuSn10 cu grosime perete bp=25mm)

Figura 4.45 Temperatura în stratul (de

1mm) de la suprafața exterioară a piesei

pentru temperaturi ale formei (CuSn10

cu grosime perete bp=25mm)

Rezultatele sunt arătate în figurile 4.42 - 4.45. Se observă creșterea mare a

duratei de solidificare la temperaturi ale formei peste 400oC. Curbele din figura 4.43

au o pantă redusă punând corespunzător solidificării uniforme a pieselor din bronz. În

figura 4.44 se observă că la sfârșitul solidificării temperatura in peretele piesei se

menține foarte ridicată, chiar peste 800 oC (la forme încălzite peste 400grdC.).

e. Rezultate privind influența temperaturii formei asupra cineticii răcirii

pieselor turnate centrifugal din bronz.

În figurile 4.46 și 4.47 este reprezentată grafic influența temperaturii formei

asupra vitezelor de răcire pentru suprafața interioară și exterioară a pieselor turnate

din bronz CuSn10. Se fac următoarele observații:

1 2 3 4 5 60

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

To-fo = 20oC 100

oC 200

oC 300

oC 400

oC 500

oC

Tim

p d

e s

olid

ific

are

t-s

ol [s

]

timp de solidificare a piesei in [s] = f(To-fo)

0 5 10 15 20 250

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500


Tim

p d

e s

oli

dif

ica

re

" t

-so

l " [

s]

Caz 1, To-fo = 20 oC






0 5 10 15 20 25785

790

795

800

805

810

815

820


Te

mp

era

tura

T

[oC

]

Caz 1-Tofo = 20 oC

Caz 2-Tofo = 100 oC

Caz 3-Tofo = 200 oC

Caz 4-Tofo = 300 oC

Caz 5-Tofo = 400 oC

Caz 6-Tofo = 500 oC

0 100 200 300 400 500 600 700500

600

700

800

900

1000

1100

Timp t [s]

Te

mp

era

tura

" T

" [

oC

]

Caz 1, piesa CuSn10, Tofo=20oC

Caz 2, piesa CuSn10, Tofo=100oC

Caz 3 piesa CuSn10, Tofo=200oC





51

Figura 4.46 Viteza de răcire

momentană la TL pe suprafețele piesei

în funcție de temperatura Tofo a formei

(CuSn10, grosime perete bp=25mm)

Figura 4.47 Viteza medie de răcire între

TL-Ts, pe suprafețele piesei în funcție

de temperatura Tofo a formei (CuSn10,

grosime perete bp=25mm)

- creșterea temperaturii formei în intervalul 20 - 500 o

C are influența cea mai

mare asupra vitezei de răcire la momentul de început a solidificării (la TL) la interfața

piesă - formă, ceea ce corespunde unei reduceri considerabile a vitezei de germinare

și creștere a cristalelor la începutul solidificării;

- viteza de răcire momentană la TL pe suprafața interioară a piesei turnate

centrifugal nu este practic influențată de temperatura formei;

- viteza medie de răcire în intervalul de solidificare TL-Ts se modifică foarte

puțin (este aproape constantă în peretele piesei):

4.4 Solidificarea pieselor din aliaj pe baza de aluminiu turnate centrifugal.

4.4.1 Studiu comparativ turnare centrifugală - turnare gravitațională în cazul

pieselor turnate din aliajul Al-Zn10.

a. Scop.

Aliajele pe bază de aluminiu au o pondere mai mică în cadrul pieselor turnate

centrifugal. Aceste sunt utilizate în special pentru turnarea de piese în industria

aeronautică sau pentru mijloace de transport rutier, feroviar, etc. Forțele centrifuge

sunt mult mai mici. Diferența de densitate între aliajul lichid și incluziuni este mai

redusă. Tendința de separare a unor incluziuni (cauzate de diferența de densitate) este

mai redusă.

Aaliajele de aluminiu au o conductibilitate termică ridicată (apropiată de

bronzuri). Aliajele aluminiu au difuzibilitatea termică cea mai ridicată. S-a studiat în

ce măsură aceste caracteristici termofizice influențează câmpul termic și condițiile de

solidificare la turnarea centrifugală . Această influență este analizată și prin

comparație cu celelalte aliaje și cu turnarea gravitațională.

1 2 3 4 5 60

100

200

300

400

500

600

700

800

Tofo =20oC;=100

oC;=200

oC;=300

oC;=400

oC;=500

oC

Vit

eza

de

ra

cir

e la

TL

, v

r-T

L in

[oC

/s]

vr-TL la suprafata exterioara a piesei

vr-TL la suprafata interioara a piesei

1 2 3 4 5 60

1

2

3

4

5

6

Tofo =20oC;=100

oC;=200

oC;=300

oC;=400

oC;=500

oC

Vit

eza

me

die

de

ra

cir

e in

tre

TL

-Ts

, v

r-m

ed

-s [

oC

/s]

vr-med-s la suprafata exterioara a piesei

vr-med-s la suprafata interioara a piesei


52

b. Mod de lucru.

Simularea solidificării s-a realizat cu softul SIM-2D-CIL-SOlSOL. S-a simulat

solidificarea piesei din figura 4.1, din aliaj Al-Zn cu 10% Zn. (aceeași ca în cazul

studiilor pentru fontă și bronz). S-au analizat două variante de turnare centrifugală și

două variante de turnare gravitațională în formă metalică și anume cazurile întâlnite

în practica industrială: - Cazul 1. Turnare centrifugală în formă metalică; - Cazul

3. Turnare centrifugală în formă metalică vopsită; - Cazul 5. Turnare gravitațională în

formă metalică cu miez interior de nisip; - Cazul 6. Turnare gravitațională în formă

metalică cu miez metalic din figura 4.2.

c. Rezultate.

O parte din rezultate sunt arătate în figurile 4.48 - 4.53


peretele piesei Al-10%Zn

Figura 4.49 Temperatura in perete la

sfarsitul solidificarii. piesa Al-10%Zn

Analiza rezultatelor din punct de vedere al vitezei de răcire la începutul

solidificării arată diferențe foarte mari între cele două suprafețe ale piesei turnate

(interior și exterior) și între turnarea centrifugală și cea gravitațională. Trebuie

precizat totuși că pentru piesele turnate din AlZn10 este de așteptat ca viteza de răcire

la momentul de început al solidificării (la atingerea temperaturii solidus TL = 640oC)

și respectiv viteza de răcire în intervalul de solidificare (TL-Ts) să aibă influență mai

mică asupra structurii și proprietăților (în raport cu cazul fontelor) deoarece acest

aliaj nu prezintă transformări majore în stare solidă (cu formarea de constituenți de

tip eutectoid). Este influențată cel mult forma și dispersia cristalelor primare.

0 5 10 15 20 250

10

20

30

40

50

60


Tim

p d

e s

olid

ific

are

" t

-so

l " [

s]

Caz 1, Al-Zn, centrifugal fara vopsea

Caz 3, Al-Zn, centrifugal cu vopsea

Caz 5, Al-Zn, gravitational - miez nisip

Caz 6, Al-Zn, gravitational - miez metalic

0 5 10 15 20 25550

560

570

580

590

600

610

620


Te

mp

era

tura

" T

" [

oC

]

Caz 1, Al-Zn, centrifugal forma nevopsita

Caz 3, Al-Zn, centrifugal forma cu vopsea

Caz 5, Al-Zn, gravitational - miez nisip

Caz 6, Al-Zn, gravitational - miez metalic


53

Figura 4.52 Viteza de răcire

momentană la temperatura TL pe

suprafața exterioară și interioară a

pieselor din Al-Zn10

Figura 4.53 Viteza de răcire medie in

intervalul de temperatura TL-Ts pe

suprafața exterioară și interioară a

pieselor din Al-Zn10

d. Concluzii.

În final se pot menționa ca și concluzii privind turnarea centrifugală a pieselor

din AlZn10 comparativ cu turnarea gravitațională:

- la turnarea centrifugală nodul termic este plasat în toate variantele pe

suprafața interioară a piesei;

- parametrii câmpului de temperatură din piesa turnată (timp de solidificare în

peretele piesei, temperatura în perete la sfârșitul solidificării piesei, viteză de răcire la

începutul solidificării, etc.) sunt mai apropiați de cazul turnării pieselor din fontă și

diferă mult de piesele din bronz;

- datorită intervalului de solidificare și a solidificării fără transformare eutectică

influența asupra structurii și proprietăților la suprafața exterioară a piesei, în raport cu

turnarea gravitațională, este mult mai redusă (aproape nesemnificativă) raportat la

fonte;

- acoperirea cu vopsea a formei metalice nu are influență mare asupra timpului

de solidificare și câmpului de temperatură din piesa turnată

4.4.2 Studiu privind influența grosimii peretelui piesei asupra solidificării în

cazul pieselor din AlZn10 turnate centrifugal

a. Mod de lucru.

A fost supusă studiului o piesă tubulară cu diametrul exterior Dex=120mm.

Grosimea peretelui piesei s-a modificat între 5 - 30mm, S-a analizat cazul turnării în

formă metalică acoperită cu un strat de vopsea pe bază de grafit.

b. Rezultate.

1 2 3 40

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Caz 1-centrif, Caz 3-centrif ,Caz 5-gravit, Caz 6-gravit

Vit

eza

de

ra

cir

e la

TL

, v

r-T

L in

[oC

/s]



1 2 3 40

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Caz 1-centrif, Caz 3-centrif ,Caz 5-gravit, Caz 6-gravit

Vit

eza

me

die

de

ra

cir

e in

tre

TL

-Ts

, v

r-m

ed

-s [

oC

/s]




54

S-a urmărit influența grosimii peretelui piesei asupra câmpului termic și asupra

cineticii solidificării în peretele piesei turnate. S-a analizat poziția nodului termic,

timpul de solidificare, vitezele de răcire, curbe de răcire în peretele piesei turnate.

Figura 4.54 Timp de solidificare piesă

(AlZn10) în funcție de grosime perete

Figura 4.55 Timp de solidificare în

perete, pentru grosimi diferite (AlZn10)


piesei la sfârșitul solidificării pentru

diverse grosimi de perete (AlZn10)


1mm) de la exteriorul piesei pentru

diverse grosimi de perete (AlZn10)

Comparând figurile 4.17, 4.37 și 4.55 se poate afirma că din punct de vedere al

dirijării solidificării de la suprafața exterioară spre cea interioară și al dinamicii

deplasării frontului de solidificare la turnarea centrifugală) solidificarea pieselor din

AlZn10 este mai apropiată de solidificarea pieselor din fontă.

Se observă că cu creșterea grosimii de perete, stratul superficial al piesei

(grosime de 1mm) se răcește și se solidifică mai lent. La grosimi ale peretelui piesei

bp=25 - 30mm, temperatura suprafeței exterioare se menține la temperaturi apropiate

de temperatura solidus, ceea ce confirmă că și în cazul pieselor din AlZn10,

contactul piesă - formă se menține pe toata durata solidificării piesei.

Rezultatele privind viteza de răcire momentană la temperatura TL (vr_TL -

începutul solidificării) și respectiv viteza medie de răcire în intervalul de solidificare

(Tl-Ts). conduc la următoarele observații:

1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90


Tim

p d

e s

olid

ific

are

t-s

ol [s

]

timp de solidificare a piesei in [s] = f(bp)

0 5 10 15 20 25 300

10

20

30

40

50

60

70

80

90


Tim

p d

e s

olid

ific

are

" t

-so

l " [

s]







0 5 10 15 20 25 30580

585

590

595

600

605

610

615

620


Te

mp

era

tura

T

[oC

]







0 20 40 60 80 100 120 140200

300

400

500

600

700

800

Timp "t" in [s]

Te

mp

era

tura

" T

" [

oC

]








55

- viteza de răcire la începutul a solidificării (la temperatura TL) este influențată

în măsură mai mare de distanța până la interfața piesă turnată - formă;

- în cazul pieselor turnate centrifugal din AlZn10, valorile maxime ale vitezei

de răcire la momentul de inceput a solidificării sunt mai mari decât în cazul pieselor

turnate din bronz;

- viteza medie de răcire în intervalul de solidificare (TL-Ts) este influențată

mult mai puțin - aproape nesemnificativ, de grosimea peretelui piesei turnate;

4.4.3 Studiu privind influența temperaturii formei asupra solidificării pieselor

din AlZn10 turnate centrifugal

a. Mod de lucru.

A fost studiată solidificarea aceleiași piese tubulare (figura 4.14). Ansamblul

piesă turnată - formă considerat pentru simulare este arătat în figura 4.15. S-a analizat

cazul turnării în formă metalică acoperită cu un strat de vopsea cu grosime de 1mm.

Temperatura inițială a formei s-a modificat între 20 - 400oC.

b. Rezultate privind influența temperaturii formei asupra duratei solidificării.

S-a urmărit influența temperaturii formei Tofo asupra câmpului termic și

asupra cineticii solidificării. Rezultatele sub arătate grafic în figurile 4.60 - 4.65.

Figura 4.60 Timpul de solidificare a piesei

în funcție de Tofo - temperatura formei

(AlZn10, grosime de perete bp=25mm)


peretele piesei, pentru diverse

temperaturi ale formei (AlZn10,

grosime de perete bp=25mm)

1 2 3 4 50

50

100

150

200

250

300

To-fo =20oC 100

oC 200

oC 300

oC 400

oC

Tim

p d

e s

olid

ific

are

t-s

ol [s

]

timp de solidificare piesa AlZn10 [s] = f(Tofo)

0 5 10 15 20 250

50

100

150

200

250

300


Tim

p d

e s

olid

ific

are

" t

-so

l " [

s]







56


piesei la sfârșitul solidificării pentru

diverse temperaturi ale formei (piesă

AlZn10 cu grosime perete bp=25mm)


1mm) la suprafața exterioară a piesei

pentru diverse temperaturi ale formei

(AlZn10, grosime perete bp=25mm)

Spre deosebire piesele din bronz (figura 4.43) solidificarea la suprafață este

mai rapidă, însă se observă o tendință de încetinire a solidificării spre interiorul

pieselor din AlZn10.

c. Rezultate privind influența temperaturii formei asupra cineticii răcirii și

solidificării.

În figurile 4.64 și 4.65 este reprezentată grafic influența temperaturii formei

asupra valorilor vitezelor de răcire pentru suprafața interioară și exterioară a pieselor

turnate din AlZn10.

Figura 4.64 Viteza de răcire la

momentul la TL pe suprafețele piesei în

funcție de temperatura Tofo a formei


Figura 4.65 Viteza medie de răcire intre

TL-Ts, pe suprafețele piesei turnate in

funcție de temperatura Tofo a formei


d. Concluzii. Gradientul timpului de solidificare și a temperaturii la sfârșit de solidificare în

perete pieselor este mult accentuat la pieselor din AlZn10. Din acest punct de vedere

solidificarea pieselor din aliaje pe bază de aluminiu este mai apropiată de piesele din

fontă.

0 5 10 15 20 25560

570

580

590

600

610

620


Te

mp

era

tura

T

[oC

]

Caz 1-Tofo = 20 oC

Caz 2-Tofo = 100 oC

Caz 3-Tofo = 200 oC

Caz 4-Tofo = 300 oC

Caz 5-Tofo = 400 oC

0 50 100 150 200 250400

450

500

550

600

650

700

750

Timp t [s]

Tem

pera

tura

" T

" [

oC

]

Caz 1, piesa AlZn10, Tofo=20oC

Caz 2, piesa AlZn10, Tofo=100oC

Caz 3 piesa AlZn10, Tofo=200oC



1 2 3 4 50

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Tofo=20oC; =100

oC; =200

oC; =300

oC; =400

oC

Vit

eza

de

ra

cir

e la

TL

, v

r-T

L in

[oC

/s]



1 2 3 4 50

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Tofo=20oC; =100

oC; =200

oC; =300

oC; =400

oC

Vit

eza

me

die

de

ra

cir

e in

tre

TL

-Ts

, v

r-m

ed

-s [

oC

/s]




57

La aceeași grosime de perete și supraîncălzire față de temperatura lichidus

solidificarea pieselor din AlZn10 este mai rapidă. De asemenea temperatura cochilei

influențează asupra timpului de solidificare in același mod, in cazul ambelor tipuri de

aliaje AlZn10 si CuSn10). Creșterea temperaturii cochilei peste o anumită limită

(400oC la AlZn și 500

oC la CuSn) conduce la o încetinire substanțială a solidificării.

Rezultatele obținute cât și sensibilitatea mai redusă (la viteza de răcire) a

aliajelor care solidifică total sub formă de soluție solidă, duc la concluzia că

modificarea parametrilor tehnologici (temperatura formei) și constructivi (grosimea

de perete a piesei) la turnarea centrifugală a pieselor din AlZn10, are influență foarte

redusă asupra structurii și proprietăților.

5. CERCETĂRI EXPERIMENTALE

5.1 Scop

Cercetările experimentale s-a efectuat cu scopul de a verifica în ce măsură

concluziile studiului prin simulare sunt confirmate în practică. Acestea au fost

realizate pentru aceleași aliaje neferoase CuSn10 și AlZn10. S-au urmărit aspecte

legate de influența turației, a grosimii peretelui piesei și a distanței față de interfața

piesă - cochilă asupra structurii, compoziției chimice și a unor proprieti mecanice.

5.2 Cercetari experimentale privind turnarea centrifugală a unor piese din bronz

CuSn10.

5.2.1 Mod de lucru

Structura pieselor turnate din bronz se poate modifica fie în faza de elaborare,

fie în perioada de solidificare (prin condițiile de turnare în firmă) sau prin operaţii de

tratament termic ulterioare [3, 9, 11, 25, 26, 31, 33, 36, 47, 48, 74, 75].

Aspectele legate de germinarea și creșterea cristalelor și de segregarea

elementelor pot fi studiate numai prin experiment. Cercetările experimentale

urmăresc în general în ce măsură fortele dinamice influenţează compoziția, structura

și proprietăţile mecanice ale pieselor turnate centrifugal. În cazul aliajului CuSn10

programul de cerceare experimentală a urmărit aceste aspecte. Variaţia forţelor

dinamice (centrifuge, frecare și de inerție) s-a realizat prin modificarea turaţiei

cochilei. De asemenea s-a studiat și efectul unor tratamente termice (recoacere și

călire) ulterioare asupra structurii și proprietatilor mecanice.

5.2.2 Comparație privind structura pieselor turnate gravitațional și

centrifugal din CuSn10

Au fost turnate piese din CuSn10, gravitațional în nisip (AdF), gravitațional în

cochile cu temperatura 3000C și centrifugal în forme metalice cu temperatura 250

0C.


58

Temperatura de turnare a aliajului a fost 1100 - 11500C. In figura 5.2 sunt arătate

piesele turnate. In tabelul 5.1 este dată compoziția chimică a pieselor turnate.

Tabelul 5.1 Compoziția chimică a probelor din CuSn10 turnate prin diverse

procedee de turnare Tip

Aliaj

Mod de

turnare

Cu Sn Zn Pb P Mn Fe Ni As Sb Bi

u.m. - % % % % % % % % % % %

CuZn10 Gravit.

AdF

89,53 10,3 0.06 0.13 0.035 0.003 0.037 0.012 0.003 0.001 -

CuZn10 Gravit.

Cochila

89,27 10,4 0,1 0,134 0,045 0,002 0,0666 0,011 0,004 0,003 -

CuZn10 Centrifug 89,61 10,15 - 0,18 0,004 0,002 0,009 0,036 0,005 0,003 0,001

CuZn10 Centrifug 89,53 10,2 - 0,14 0,035 0,003 0,027 0,037 0,006 0,025 0,001

a.) Piese turnate

gravitațional în A.d.F

b.) Piesa turnată

gravitațional în cochilă

c.) Piesă turnată centrifugal

Figura 5.2 Piese turnate experimental din CuSn10

a1) Punct A.-Zona

suprafeței exterioare

a2) Punct B.- Zona axei

peretelui

a3) Punct C.-Zona

suprafeței interioare

a) Turnare gravitaționalăîn amestec de formare (mărire 200x)

b1) Punct A.-Zona

suprafeței

b2) Punct B.- Zona axei

peretelui

b3) Punct C. - Zona


b.) Turnare gravitațională, CuSn10 în forma metalică, în diverse zone ale peretelui

(mărire 200x)


59

c1) Punct A. - Zona

suprafeței exterioare

c2) Punct B.- Zona axei

peretelui

c3) Punct C.- Zona


c3.) Turnare centrifugală, CuSn10, turație n2= 1000r/m în diverse zone ale peretelui

(mărire 200x)

Figura 5.3 Structura pieselor turnate din CuSn10, prin diverse procedee de turnare în

diverse zone ale peretelui (mărire 200x)

Figura 5.3 arată microstructura în diverse zone ale peretelui pieselor turnate în

acest experiment. Se evidențiază diferențe între stucturile obținute. In toate cazurile

structura este în concordanță cu diagrama de echilibru metastabilă. Structura cuprinde

formațiuni dendritice din soluție solidă α și o masă interdendritică din amestec

hipoeutectoid (α+δ). In cazul pieselor turnate gravitațional în ADF formațiunle

dendritice sunt preponderent echiaxiale. Ramurile dendritelor au grosime mai mare,

iar ramificatiile secundare se lățesc spre vârf. La tunarea în forme metalice,

dendritele sunt mai subțiri, iar ramurile principale au lungime mare comparativ cu

cele secundare. Aceasta dezvoltare a dentritelor este urmare a unui transfer de caldură

mai intens pe anumite direcții. În cazul pieselor turnate centrifugal structura este mai

fină, iar dendritele sunt fragmentate, mai ales în zona suprafeței exterioare a piesei

turnate.

5.2.3. Cercetări experimentale privind influența turaţiei asupra structurii

pieselor turnate centrifugal din CuSn10

S-au turnat centrifugal piese cu 5 turații diferite, figurile 5.5 -5.8. Piesele au

avut diametrul exterior De=120mm, diametrul interior di=80-90mm și lungimea L=

150mm. În figura 5.9. este arătată structura in puncte situate pe axa peretelui pieselor.

Este pusă în evidență o ușoară micșorare și fragmentare a dendritelor cu cât creșterea

turației.

Analiza micrografiilor din figura 5.9 arată că creșterea turației de la 800

rot/min până la 1500 rot/min, a determinat o ușoară finisare a structurii prin subțierea

ramurilor dendritice, scuratea acestora și reducerea numărului de ramificații.


60

Figura 5.6 Piese turnate centrifugal,

epruvete de reziliență, de tracțiune și

șlifuri

Figura 5.8 Șlifuri din CuSn10 utilizate

pentru studiul structurii și a compoziției

chimice

a.) CuSn10, Turașie

n=800 rot/min, 150x

b.) CuSn10, Turație

n=1000 rot/min, 150x

c.) CuSn10, Turație


d.) CuSn10, Turație


e.) CuSn10, Turație


f.) CuSn10, Turație


Figura 5.9 Influența turației asupra structurii in mijlocul peretelui pieselor (marimea

dendritelor) in cazul pieselor turnate centrifugal din CuSn10 (150x, reactiv - 1900ml

H2O+50ml H2SO4+50ml HNO3 +40g CrO2+7,5g NH4Cl)

5.2.4. Influența turaţiei cochilei asupra omogenităţii chimice a pteselor turnate

din CuSn10.

Tendința de segregare a fost studiată pentru piesele turnate centrifugal cu cele

două turații extreme (n1=800 rot/min si n5=1500rot/min). Piesele au fost turnate din

aceeași şarjă de bronz cu compoziţia: Cu-89,6%, Sn-10,1%, P-0,001%, Ni-0,026%,

Fe-0,071%, Al-0,006. Temperatura de turnare s-a menţinut în limitele 1100 - 1150

C. S-a analizat compoziția chimică în secțiunea transversală la mijlocul lungimii la


61

razele ri = 45mm, 50mm, 53mm, 56mm si 60mm. Rezultatele obţinute sunt

prezentate în tabelul 5.2.

Tabelul 5.2 Compoziţia chimică în peretele pieselor turnate centrifugal din CuSn10

în funcţie de turaţie şi rază Nr.

crt

Turaţia

cochilei

[rot/min]

Raza

[mm]

Compoziţia chimică a bronzului turnat centrifugal [%]

Cu Sn

Pb

P

Ni

Fe

Al

Rest

1

800

45 89.69 9,88 0,086 0,001 0,026 0.06 0.0068 urme

2 50 89,52 10.02 0,105 0,001 0,026 0,06 0,0069 urme

3 53 89,48 10,13 0,111 0,001 0,030 0,07 0,0067 urme

4 56 89,42 10,23 0,116 0,001 0.039 0,07 0,0065 urme

5 60 89,38 10,31 0,123 0,001 0,026 0,07 0,0068 urme

6

1500

45 89,63 10,04 0,104 0,001 0,031 0,07 0,0060 urme

7 50 89,59 10,11 0,111 0,001 0,029 0,07 0,0069 urme

8 53 89,57 10,19 0,123 0,001 0,034 0,07 0,0059 urme

9 56 89,43 10,25 0,129 0,001 0,036 0,06 0,0068 urme

10 60 89,37 10,29 0,135 0,001 0,032 0,08 0,0066 urme

Elementele principale ale aliajului Cu şi Sn, nu prezintă segregaţii

semnificative. Aceasta se poate explica și prin grosimea mică a peretelui piesei

turnate (15mm). Se fac urmatoarele observații:

- procentul de cupru scade continu de la interior spre exterior (de la raze mici spre

raze mari) deși densitatea cuprului este mai mare (8,9 g/cm3).

- rezultatele de mai sus arată că cu creșterea turației tendința de segregare a cuprului

scade ușor;

- în cazul staniului variația de compozitie chimică în perete este opusă cuprului.

Procentul de staniu crește de la interior (rază mică) spre exteriorul piesei (spre raza

mare) deși densitatea acestui element este mai mică;

Segregarea inversă cu densitatea pe raza piesei a cuprului nu poate fi explicată

ca efect al acțiunii forței centrifuge și respectiv al creșterii turației, deoarece cuprul

are densitate mai mare decât staniul. Parțial această segregare ar putea fi explicată

prin densitatea mai mică a cuprului în raport cu plumbul, însă procentul de plumb în

aliajul utilizat este nesemnificativ. Acest tip de segregație (inversă cu densitățile a

cuprului și staniului) se explică prin influența condițiilor de răcire (respectiv a

gradientului de viteză de răcire) în peretele piesei turnate, asupra diagramei de

echilibru. Lângă peretele cochilei, deci la suprafașa exterioară a piesei, viteza de

răcire este mult mai mare, solidificarea fiind aproape instantanee (așa cum au arătat și

studiile prin simulare). Ca urmare la suprafața exterioară solidificarea se produce

după o diagramă metastabilă care corespunde unor viteze mari de răcire. Cristalele

formate au un conținut mai mare de staniu. In schimb pe suprafața liberă răcirea este

mai lentă, iar solidificarea se produce după o diagramă de echilibru mai apropiată de

cea stabilă.

Plumbul este elementul cu densitatea cea mai mare (11,34g/cm3) dintre cele

prezente în CuSn10 analizat, deci și cu tendinţa cea mai mare de segregare spre


62

exterior din punct de vedere al fortți centrifuge. Rezultatele arată că întradevăr

concentrația de plumb crește cu creșterea razei și a turației, deși conținutul de plumb

este redus.

Într-o a doua etapă a cercetărilor s-au efectuat măsurători privind distribuția

plumbului în peretele unor piese turnate centrifugal dintr-un aliaj CuSn10 cu un

conținut mai mare de plumb. Au fost analizate trei piese selectate dintr-un lot de piese

din producția unui atelier de turnare centrifugală de pe platforma METROM Brașov.

Piesele au avut dimensiunile De=200mm, Di=120mm, si lungimea L=240mm.

Compoziţia chimică corespunde aliajului CuSn10, având plumbul în concentraţie

medie de 1,6%. Piesele au avut o grosime de perete de 40 mm, la turația cochilei

n=750rot/min. În tabelul 5.3 sunt prezentate compoziţiile chimice determinate pe

suprafața interioară şi respectiv exterioară a pieselor.

Tabelul 5.3 Compoziţia chimică la interiorul şi exteriorul piesei turnate din CuSn10

cu 1,6%Pb Nr.l

ot.

Turaţia

cochilei

[rot/min]

Raza

[mm]

Compoziţia chimică medie pe loturi de 5 piese [%]

Cu Sn Pb Ni Fe Zn Rest

1 750 60 88,29 6,73 1,22 0,031 0,06 3,26 urme

100 87,80 7,08 1,67 0,033 0,06 3,14 urme

2 750 60 88.02 6,70 1,25 0,032 0,05 3,29 urme

100 87,40 6,96 1,72 0,031 0,05 3,18 urme

3 750 60 88,16 6,85 1,35 0,035 0,06 3,24 urme

100 87,63 7,29 1,86 0,033 0,04 3,08 urme

Au fost determinate valorile procentuale ale elementelor care sunt supuse mai puternic

fenomenului de segregaţie. Sunt puse în evidență influențe similare, cu cele din tabelul 5.2.

Studiul pune în evidență că tendința de segregare a elementelor la turnarea

centrifugă trebuie analizată pentru fiecare tip de aliaj în corelație cu diagrama de

echilibru, cu natura elementelor și cu condițiile locale de răcire.

5.2.5 Caracteristici mecanice obținute la piese din aliaj CuSn10 turnate

centrifugal

a) Influenţa turaţiei cochilei asupra durităţii bronzului CuSn10

S-au turnat în aceleaşi condiţii de temperatură, răcire şi timp de menţinere în

formă, loturi de piese având dimensiunile D=120 mm, d=80 mm, L=150 mm şi

compoziţia chimică: Cu-89,6%, Sn-10,0%, Pb-0,111%, P-0,001%, Ni-0,026%, Fe-

0,051%, Al-0,003%. S-a turnat și un lot de piese gravitațional, în amestec de formare.

Piesele turnate centrifugal și în amestec de formare au avut aceeaşi compoziţie

chimică, aceeaşi parametrii tehnologici şi geometrici. Rezultatele sunt reprezentate

grafic în figura 5.14. Duritatea crește cu turația, iar în cazul pieselor turnate în

amestec de formare, are valori mult mai reduse.


63

Figura 5.14. Duritatea în funcție de turație pe loturile turnate experimental

b) Influenţa turaţiei cochilei asupra rezistenţei la rupere a bronzului

CuSn10

Rezultatele obţinute pentru rezistenţa la tracţiune a bucşelor turnate centrifugal

şi cele turnate gravitațional în amestec de formare sunt reprezentate grafic sub formă

de histogramă în figura 5.15.

Figura 5.15. Valorile medii ale rezistenţei la rupere obţinute pe piese din

CuSn10 turnate centrifugal și gravitațional în AdF

S-a observă o creştere substanţială a rezistenței cu turaţia .

Valorile mai scăzute ale rezistenței în amestec de formare este determinată de o

compactitate mai scăzută a aliajului.

5.2.6 Influența tratamentului termic asupra structurii și proprietăţilor mecanice

ale pieselor din bronz turnate centrifug

In funcție de proprietățile de utilizare necesare, piesele turnate centrifugal de

multe ori este de dorit ca structura să fie cât mai uniformă posibil, iar segregaţiile

dendritice să fie eliminate. In practică acest deziderat se realizează prin aplicarea

0

20

40

60

80

100

120

140

800 1000 1200 1300 1500 ---

Duritatea [HB]

Turatia [rot/min]

Turnare centrifuga

Turnare statica in AdF

0

10

20

30

40

50

800 1000 1200 1300 1500 ---

rezist. la tractiune [kgf/mm ]

turatia [rot/min]


64

după turnare a unor tratamente termice (recoacere de omogenizare sau chiar calire).

Modificarea structurii este insoțită şi de o schimbare a proprietăţiilor mecanice [15,

20, 22, 45, 49, 59, 75, 79].

Având în vedere aceste aspecte, s-a efectuat un studiu exprimental pentru a

analiza influența unor astfel de tratamente termice (ulterioare turnării) asupra

structurii și proprietăților pieselor turnate centrifugal din CuSn10. S-au aplicat patru

variante de tratament termic de recoacere de omogenizare şi două variante de călire.

Parametrii tehnologici ai operatiilor de tratament, sunt în tabelul 5.8. Duritatea s-a

măsurat în puncte situate pe axa peretelui. Rezultatele sunt date în tabelul 5.9.

Tabelul 5.8 Variante de tratament termic aplicat pieselor turnate centrifugal

Parametrii tratamentului termic aplicat

Nr.

crt.

Încălzire Menţinere Mod de

răcire Timp

încălzire

Temp. max.

de încălzire

Timp

menţinere

Temp. de

menţinere

[min] [C] [min] [C]

1 40 500 300 500 Cuptor

2 45 550 300 550 Cuptor

3 75 600 300 600 Cuptor

4 90 700 300 700 Cuptor

5 45 550 25 550 Apa

6 90 700 25 700 Apa

Tabelul 5.9. Durităţi medii obţinute pe epruvete inainte si după aplicarea

tratamentului termic de recoacere de omogenizare

Nr.

crt.

Turaţia

cochilei

[rot/min]

Tratament

termic aplicat

Duritatea medie

[HB]

Diferenţa

de

duritate

[HB]

Scădere

a medie

a

durităţii

[HB]

Iniţială După

tratament

1

800

Poziţia 1 din

tabelul 5.8.

(T=5000C)

81,7 74,1 7,6

5,13 79,1 76,1 3

78,3 73,5 4,8

2

800

Poziţia 2 din

tabelul 5.8.

(T=5500C)

77,2 68,2 9

9,93 79,6 66,4 13,2

78,7 70,1 7,6

3

800

Poziţia 3 din

tabelul 5.8.

(T=6000C)

79,6 64,6 15

17,6 85,8 67,7 18,1

85,7 65,7 19,8

4

800

Poziţia 4 din

tabelul 5.8.

79,6 59,2 20,4

21 81,6 61,1 20,5


65

(T=7000C) 84,9 62,6 22.3

5

1500

Poziţia 1 din

tabelul 5.8.

(T=5000C)

100,3 80,7 19,6

19,9 96,7 75,2 21,5

94,5 75,3 18,8

6

1500

Poziţia 2 din

tabelul 5.8.

(T=5500C)

96,5 74,9 21,6

24 100,1 72,3 27,8

94,9 72,1 22,8

7

1500

Poziţia 3 din

tabelul 5.8.

(T=6000C)

96,2 69,8 26,4

24,3 91,7 69,6 22.1

94,6 70,2 14,4

8

1500

Poziţia 4 din

tabelul 5.8.

(T=7000C)

96,5 62,8 33,7

30,8 93,6 64,5 29,6

94,4 65,1 29,3

a.) Turnare centrifugala

(T.C.) n-800 rot/min,

mijloc perete

b.) T.C. n=800 rot/min,

Recoacere la T=500 0C,

mijlocul peretelui

c.) T.C. n=800 rot/min,


mijlocul peretelui

d.) T.C. n=800 rot/min,


mijlocul peretelui

e.) T.C. n=800 rot/min,


mijlocul peretelui

Figura 5.18 Structura in mijlocul peretelui pieselor turnate centrifugal din CuSn10, la

turatie n=800 rot/min dupa recoacere cu mentinere 5h la diverse temperaturi (150x,

reactiv - 1900ml H2O+50ml H2SO4+50ml HNO3 +40g CrO2+7,5g NH4Cl)

Influenţa temperaturii de recoacere asupra structurii este aratată în figurile 5.18

si 5.19. Se observă că recoacerea și creșterea temperaturii de menținere la acest

tratament conduce la descompunerea progresivă a segregaţiilor dendritice și la

obținerea unei structuri cristaline din cristale poliedrice de solutie solidă.

Durităţile determinate în urma tratamentului termic de călire sunt

prezentate în tabelul 5.10. Aplicarea tratamentului de călire a condus de asemenea la


66

o scădere a durității medii în piesele turnate centrifugal. Ca și în cazul recoacerii,

călirea a avut o influenţă mai mare în sensul scăderii durității în cazul pieselor turnate

la turaţii de 1500 rot/min, așa cum rezultă din tabelul 5.10 și din figura 5.20.

a.)Turnare centrifugală

(T.C.) n-1500 rot/min,

mijloc perete

b.) T.C. n=1500 rot/min,


mijlocul peretelui

c.) T.C. n=1500 rot/min,


mijlocul peretelui

d.) T.C. n=1500 rot/min,


mijlocul peretelui

e.) T.C. n=1500 rot/min,


mijlocul peretelui

Figura 5.19 Structura în mijlocul peretelui pieselor turnate centrifugal din CuSn10, la

turatie n=1500 rot/min după recoacere cu menținere 5h la diverse temperaturi (150x,

reactiv - 1900ml H2O+50ml H2SO4+50ml HNO3 +40g CrO2+7,5g NH4Cl)

Tabelul 5.10 Durităţi obţinute după aplicarea tratamentului termic de călire

Nr.

crt.

Turaţia

cochilei

[rot/min]

Tratament

termic

aplicat

Duritatea medie HB Diferenţa

de duritate

[HB]

Scădere

medie a

durităţii

[HB]

Iniţială După

tratament

1

800

Pozitia 5 din

tabelul 5.8

84,1 74,1 10

6,9 80,9 74,3 6,6

83,8 79,6 4,2

2

800

Pozitia 6 din

tabelul 5.8

79,8 69,1 10,7

9,9 81,5 71,6 9,9

78,3 69,2 9,1

3

1500

Pozitia 5 din

tabelul 5.8

101,6 77,2 24,4

19,9 100,2 83,7 16,7

98,7 80,4 18,3

4

1500

Pozitia 6 din

tabelul 5.8

99,6 79,3 20,3

21,3 101,5 80,7 20,8


67

103,4 80,7 22,7

Structurile obținute în urma tratamentelor de călire sunt arătate în figura 5.21.

Călirea a determinat de asemenea modificări ale formei structurale in rapot cu

structurile brute obținute prin turnare. Modificările structurale obținute prin călire

sunt ușor mai mici în raport cu cele obținute prin recoacere la aceeași temperatură de

încălzire. Acest efect se explică prin durata mult mai mică de menținere la

temperatura de încălzire la călire. Descomponerea dendritelor și difuzie a elementelor

în masa de bază s-au produs într-o masură mai mică. Răcirea bruscă contribuie de

asemenea la reducerea capacității de dizolvare și difuzie a elementelor.

a) Stare turnare

centrifugală n=800

rot/min, mijloc perete

b) călire T=550 C, turație

n=800 rot/min, mijloc

perete, răcire apă

c) călire T=700 C, turație

n= 800 rot/min, mijloc,

răcire apă

d) Turnare centrifugală

(T.C.) n=1500 rot/min,

mijloc perete

e) călire T=550 C, turație



f) călire T=700 C, turație



Figura 5.21. Structura pieselor tunate centrifugal din CuSn10, după călire în apă de

la diverse temperaturi (timp de menținere t=20min), atac clorură cuprică amoniacală,

mărire 150x

Măsurătorile de duritate (tabelul 5.11) arată că pe măsura creşterii temperaturii

de recoacere, duritatea se micşorează concomitent cu modificarea structurii prin

omogenizare şi dispariţia completă a dendritelor. S-au realizat scăderi ale durităţii

chiar în cazul recoacerii la 500 C, scăderea fiind mai mare la turaţii de 1500 rot/min.

În figurile 5.22 - 5.23 este arătată o comparație a durităților obținute prin

tratamente termice și turnare la cele două turații.

Călirea pieselor turnate prin procedeul centrifugal conduce la o structură cu

modificări mai pușin pregnante ale structurii de turnare în comparație cu tratamentele

de recoacere la aceleași temperatură de încălzire.


68

Figura 5.22 Duritatea în peretele

pieselor turnate centrifugal cu turația

n1=800 rot/min după turnare și după

tratamente termice

Figura 5.23 Duritatea medie în

peretele pieselor turnate centrifugal cu

turația n2=1500 rot/min după turnare și

după diverse tratamente termice

5.2.7 Concluzii

Rezultatele cercetărilor experimentale privind turnarea centrifugală a pieselor

din CuSn10 au condus la mai multe concluzii:

- comparativ cu turnarea gravitatională, turnarea centrifugală a pieselor din

CuSn10 conduce la structuri formate din aceași constituenți (soluție solidă α +

eutectoid α +δ) cu dendritele din soluție solidă α, dar cu finețe mai mare;

- structura în peretele pieselor turnate centrifugal prezintă mici diferențieri în

sensul unei structuri mai fine în stratul exterior al pieselor;

- la turații mai mari (peste 1300 rot/min) se obțin structuri mai fine:

- influența turației asupra structurii este corelată cu o creștere a proprietăților

mecanice (duritate, rezistență la rupere) în stare brută după turnare;

- turnarea centrifugă determină segregarea unora din elementele din compoziția

aliajului;

- caracteristic pentru acest aliaj este separarea inversă cu densitatea a staniului

și cuprului;

- segregarea inversă a staniului și cuprului este explicabilă prin influența pe

care creșterea vitezei de răcire o are asupra diagramei de echilibru;

- tratamentelele termice de recoacere și călire determină o descompunere a

formațiunilor dendritice și de scădere a fazei δ insoțită de creșterea fazei α;

- la temperaturi de peste 700oC structura devine preponderent poliedrică fiind

formată din soluție solidă α, acest efect fiind mai accentuat la turații de centrifugare

mai mari (1500 rot/min);


69

- tratamentele termice ulterioare turnării centrifugale (recoacere și călire)

determină o reducere a caracteristicilor mecanice, această reducere fiind mai mică în

cazul turațiilor de centrifugare mai mari.

5.3 Cercetări experimentale privind turnarea centrifugală a unor piese din Al-Zn10

5.3.1 Mod de lucru

Pentru piese turnate centrifugal din AlZn10, s-a studiat experimental influența

turației, a grosimii peretelui piesei și a distanței față de interfața piesă - cochilă asupra

structurii, compoziției chimice, a durității și compactită'ii aliajului solidificat. Au fost

turnate piese cu două grosimi medii de perete B= 6mm și B= 20mm. In figura 5.25

este aratată cochila utilizată. In figura 5.27 sunt arătate aspecte de la turnarea

probelor. Temperatura în oala de turnare a fost 710oC. S-au utilizat două turații

n1=1100 rot/min și n2=1480 rot/min. Compoziția chimică a aliajului turnat este

Al=87,76-89,5%, Zn=12,16-10,7%, Fe=013-0,17%. Piesele turnate sunt arătate în

figura 5.28.

Figura 5.25 Construcția cochilei utilizată pentru turnare centrifugală a probelor din

AlZn10; 1- piesa turnată; 2- cochila; 3 - portcochila 4 -capac față; 5 - garnitura

azbest; 6 - capac spate metalic 7 - flanșă de antrenare

5.3.2 Cercetări asupra microstructurii pieselor turnate centrifugal din AlZn10

Microstructura a fost analizată în două secțiuni transversale (la mijlocul

lungimii si la capăt). Poziția secțiunilor și a punctelor în care a fost analizată structura

este arătată în figura 5.29. Structurilor puse în evidență în secțiunile și punctele piesei

lor cu grosime 20mm, la măriri de 1000x sunt arătate în figura 5.31.


70

d) Ansamlul portcochilă - cochilă

pregătit pentru turnare

e)Turnarea aliajului în cochila rotitoare

Figura 5.27 Aspecte de la turnarea probelor

a) piesa cu grosime de perete B=20mm,

turație n=1480 rot/min suprafața

frontală lângă garnitura de azbest

d) cele patru tipuri de piese probă

turnate, suprafețele frontale din spate (în

contact cu capacul metalic)

Figura 5.28 Piese turnate experimental din AlZn10

Figura 5.29 Poziționarea secțiunilor și a punctelor unde a fost determinată structura

probelor turnate centrifugal din Al -Zn


71

A) TC, 1480r/m, 20mm,

secțiune de mijloc punct a,

1000x - 6a

B) TC, 1480r/m, 20mm,

secțiune de mijloc punct b,

1000x-6b

C)TC, 1480r/m, 20mm,

secțiune de mijloc punct c,

1000x-6c

D) TC, 1480r/m, 20mm,

secțiune de capat punct a,

1000x-8a

E) TC, 1480r/m, 20mm,

secțiune de capat punct b,

1000x-8b

F) TC, 1480r/m, 20mm,

secțiune de capat, punct c,

1000x-8c

G) TC, 1100r/m, 20mm,

secțiune de mijloc punct a,

1000x-2a

H) TC, 1100r/m, 20mm,

secțiune de mijloc punct b,

1000x-2b

I) TC, 1100r/m, 20mm,

secțiune de mijloc punct c,

1000x-2c

J) TC, 1100r/m, 20mm, K) TC, 1100r/m, 20mm, L) TC, 1100r/m, 20mm,


72

secțiune de capat punct a,

1000x-7a

secțiune de capat punct b,

1000x-7b

secțiune de capat punct c,

1000x-7c

Figura 5.31 Structuri (1000x) în piesa din AlZn10 cu grosime perete B=20mm,

TC=turnare centrifugală cu turație n2=1480 rot/min si n1=1100r/m (secțiune la

mijlocul lungimii piesei și la capătul piesei)

ÎObservații. Conform diagramei de echilibru termic structura aliajului AlZn10

este formată dintr-un amestec mecanic de soluție solidă α de Zn în aluminiu și o

cantitate foarte mică de eutectoid (22%Al + 78%Zn). Zincul provine din ssα ca

urmare a scăderii solubiltății. Aspectul structurii formate, depinde de modul de

separare al zincului din soluția α și în foarte mare măsură de viteza de răcire a

aliajului la traversarea curbei de scadere a solubilității. In micrografii soluția solidă α

apare sub formă de cristalele poliedrice delimitate prin linii vizibile (mai groase).

Cantitatea de zinc precipitată din soluția solidă α și deci cantitatea și dispersia

formațiunilor de zinc depinde mult de viteza de răcire în zona curbei de scădere a

solubilității, In cazul pieselor turnate centrifugal din AlZn10 aspectul structurilor

observabile la microscop in diverse zone al peretelui pieselor depinde de vitezele de

răcire. La solidificare din lichid se formează o structură primară din cristale de soluție

solidă α ale căror dimensiuni și formă sunt influențate de conditiile de răcire în

intervalul lichidus - solidus. Acestea conțin întreaga cantitate de Zn din aliaj

(10%Zn). La viteze mari de răcire capacitatea de difuzie a metalelor este redusă (mai

ales la temperaturi joase, sub 200oC). Zincul nu are timpul și capacitatea să fie

eliminat din soluție. El este surprins in interiorul cristalelor primare de ssα. In acest

caz în micrografii este observabilă strucura primară formată la solidificare din lichid

și care este constituită din cristale de dimensiuni mari. Dimensiunile cristalelor nu se

modifică, limitele cristalelor primare sunt ingrosate fiind singurele vizibile in

micrografii. La viteze mai mici de racire in zona scăderii de solubilitate (cca. 200 o

C)

difuzie atomilor de Zn are timp mai mult să se producă. Acesta precipită in lungul

unor plane in interiorul cristalelor primare, determinand o cristalizare secundară.

Cristalele primare de soluție solidă α (mai bogate initial in Zn) sunt divizate în

cristale secundare mai mici ca urmare a tensiunilor interne cauzate de precipitarea

zincului Analiza figurilor 5.31 - 5.33 arată că structurile pieselor turnate

centrifugal din AlZn10 corespund cu structurile descrisemai sus pe baza diagramei de

echilibru.

Concluziile mai importante sunt:

- natura constituentilor nu este practic influențată datorită aspectului diagramei de

echilibru, pentru acest aliaj deoarece nu are transformare eutectoida in stare solida în

zona 10% Zn;

- structura în secținea mediană diferă de structura din secțiuunile de capăt;

- structura în sectiunea mediană a piesei este relativ puțin influențată de distanța la

interfața piesă - formă metalică;

- in zona de contact cu cochila, structura este mai fină, dar și în zona suprafetei

interioare;

- diferente de structura se pun in evidență chiar si la grosime mica de perete a piesei;


73

- in zona capacelor structura prezinta uniformitate mai mare pe grosimea peretelui

piesei;

- turatia (in limitele studiate) are influența redusă asupra structurii;

- în zone unde viteza de răcire este mai mare cristalizarea secundară (in interiorul

cristalelor primare) de aluminiu este mai accentuată.

- structura pieselor din AlZn10 este mult mai puțin influențată de parametrii turnării

centrifugale in comparatie cu piesele din fonta sau bronz.

Aceste observatii sunt in concordanță cu concluziile referitoare la repartizarea

campului termic in piesele turnate centrifugal stabilite prin simulare si aplicate la

dinamica transformarilor aratate de diagrama de echilibru Al-Zn.

5.3.3 Comparație turnare centrifugală - turnare statică din punct de vedere al

structurii (aliajul AlZn10)

Pentru a evidenția mai bine efectul centrifugării asupra structurii pieselor din

AlZn10 s-au turnat piese gravitațional în amestec de formare Piesa turnată este

arătată în figura 3.25. Structurile obținute sunt arătate in figura 5.36.

In cazul piesei turnate gravitațional în formă de nisip, vitezele de răcire sunt

mai mici decât la turnarea centrifugală. La turnarea gravitațională granulația este ușor

mai mare. Granulația cea mai mare (la piesa turnată gravitational) este observată în

secțiunea mediană (la mijlocul lungimii piesei) în punctul situat pe axa peretelui

(figurile 5.35C și 5.36 C). Figura 5.36 (1000x) evidențiază mult mai bine diferența

între cristalizarea primară la turnarea statică și turnarea centrifugală. Acestea se referă

la dimensiunile cristalelor și la ponderea și dimensiunile incluziunilor nemetalice.


74

Figura 5.34 Poziția punctelor unde s-a anlizat structura pieslor turnate static din

AlZn10 (structuri din figurile 5.35 - 5.36)

A) TS, Secțiune la mijloc

lungime, punct a-

suprafața exterioară

1000x, 11a

B) TS, Secțiune la mijloc

lungime, punct b- mijloc

perete, 1000x, 11b

C) TS, Secțiune la mijloc

lungime, punct c-

suprafața interioară,

1000x, 11c

TS, Secțiune mijloc

lungime, punct d, 1000x,

9b

TS, Secțiune mijloc

lungime, punct e, 1000x,

9c

D)TS, Secțiune la capat

piesa, punct a, 1000x, 12a

E) TS, Secțiune la capat

piesa, punct b, 1000x, 12b

F) TS, Secțiune la capat

piesa, punct c, 1000x, 12c

G) Secțiune la capat

piesa, punct d, 1000x,

10b

H) Secțiune la capat

piesa, punct e, 1000x, 10c

Figura 5.36 Structura piesei din AlZn10 cu grosime perete B=30mm turnare statică

în amestec de formare (secțiune la mijlocul lungimii piesei și la capătul piesei în

contact cu capacul)

5.3.4 Influența turnării centrifugale asupra compoziției chimice în cazul

pieselor din AlZn10


75

S-a analizat și în cazul acestor piese influența celor doi parametrii (turație și

grosime perete) ai turnării centrifugale asupra tendinței de segregate a elementelor

principale în direcția razei. Repartiția elementelor Al și Zn în pieselor turnate

centrifugal cu grosime 20mm este arătată în figura 5.37. Rezultatele pun în evidență o

tendință de segregare a celor două elemente în concordantță cu densitățile în zonele

care se solidifică mai lent (în zona de mijloc de perete și în zona suprafeței

interioare). În aceste zone se observă o scădere a conținutului de zinc spre interior

eaze mai mici și o crestere a continutului de aluminiu spre raze mai mari. Diferențele

de procentaje sunt insă foarte mici. Aceasta se explică în primul rând prin grosimea

relativ mică a peretelui pieselor turnate (20mm) si in al doilea rând prin intervalul

mic de temperatură de solidificare mic al aliajului (timp mic de solidificare). La piesa

cu grosime 20mm, si n2=1480r/m) la suprafața exterioară a piesei se observă o lipsă a

tendinței de segregare. În această zonă, continuturile de aluminiu și de zinc sunt

practic egale cu conținuturile medii ale elementelor respective în aliajul turnat.

Aceasta se explică prin solidificarea foarte rapidă în această zonă, iar segregarea nu

are timp să se producă.

a-grosime perete piesa 20mm, turație

n1=1100rot/min

b-grosime perete piesa 20mm, turație

n2=1480rot/min

Figura 5.37 Repartizarea elementelor Al si Zn în peretele pieselor turnate centrifugal

cu grosime de perete 20mm

5.3.5 Repartizarea durității în peretele pieselor turnate centrifugal din AlZn10

Duritatea este corelată cu celelalte proprietăți mecanice. In cazul celor patru

variante de turnare centrifgal din AlZn10 (două grosimi de perete 20mm si 6mm si

doua turații 1480 rot/min si 1100 rot/min) s-a măsurat duritatea in trei secțiuni.

Pozitia secțiunilor și a punctelor de măsură este arătată in figura 5.39.


76

Figura 5.39 Punctele în care s-a masurat duritatea pieselor din ZnAl10 turnate

centrifugal

Tabelul 5.14 Duritatea in pretele pieselor turnate centrifugal dinAlZn10

Nr.

crt.

Grosime

perete

piesa

Turatie

Sectiunea

transversala

Puncte in care s-a masurat duritatea

"a" pe

suprafața

exterioara

"b"

în mijloc

perete

"c" pe

suptafata

interioara

u.m. mm Rot/min - HB HB HB

1

20

1480 1-lângă capac

spate

63,6 43,0 42,6

2 2- mediana 57,1 48,5 35,4

3 3- langa capac

azbest

43,6 35,6 33,6

4

20

1100 1 65,5 60,0 59,0

5 2 60,6 55,3 44,6

6 3 47,6 39,3 34,3

7

6

1480 1 51,3 - 49,6

8 2 42,3 - 43,6

9 3 35,0 - 28,3

10

6

1100 1 48,0 - 43,3

11 2 41,8 - 44,8

12 3 36,3 - 36,3

In figurile 5.40 - 5.41 rezultatele sunt reprezentate grafic. Analiza rezultatelor

conduce la urmatoarele concluzii.

- Valorile duritatii prezinta variații sistematice atăt in directia razei căt și in directie

longitudinală de la capatul piesei in contact cu capacul de azbest spre capatul din

spate in contact cu fundul metalic al cochilei.


77

- In cazul tuturor pieselor duritatea scade de la capătul din spate în contact cu peretele

frontal metalic al cochilei, spre capătul din față in contact cu garnitura de azbest.

- In cazul pieselor cu grosime mai mare de perete (B=20mm) duritatea scade continuu

de la suprafața exterioară spre suprafața cilindrica interiaoră;

- din punct de vedere al influenței turației se observă că la turația mai mare, duritățile

sunt mai mici cu câteva unități, ceea ce se explică prin amestecarea mai intensă a

aliajului lichid la turație mai mare și o încetinire a răcirii în acest caz.

a) duritatea HB in perete,

secțiunea 1 - lângă capacul

metalic din spate,

n=1480rot/min

b) duritatea HB în perete,

secțiunea 2 - sectiunea

mediana, n=1480rot/min

c) duritatea HB în,

secțiunea 3 - lângă

capacul cu azbest din

față, n=1480rot/min

Figura 5.40 Duritatea in peretele pieselor turnate centrifugal din AlZn10, cu grosime

de perete 20mm, turația n=1480rot/min

a) duritatea HB în perete,

secțiunea 1 - lânga

capacul metalic din spate,

n=1100rot/min

b) duritatea HB în perete,

secțiunea 2 - secțiunea

mediana, n=1100rot/min

c) duritatea HB în perete,

secțiunea 3 - lângă capacul

cu garnitura din azbest din

fata, n=1100rot/min

Figura 5.41 Duritatea in peretele pieselor turnate centrifugal din AlZn10, cu grosime

de perete 20mm, turația n=1100rot/min

Pentru a evalua mai bine efectul centrifugării asupra repartizării durității în

peetele pieselor turnate dinAlZn10 s-a efectuat o comparatie cu duritatea din peretele

unei piese turnată gravitational în nisip. Piesa turnată gravitațional punctele unde s-a

măsurat duritatea sunt aratate în figura 5.44. Rezultatele au fost reprezentate grafic în

figura 5.45.

1 2 30

10

20

30

40

50

60

70

punct a, punct b, punct c

du

rita

te H

B

TC-AlZn10, 1480rot/min, perete B=20mm, sectiune 1

1 2 30

10

20

30

40

50

60


du

rita

te H

B


1 2 30

5

10

15

20

25

30

35

40

45


du

rita

te H

B


1 2 30

10

20

30

40

50

60

70


du

rita

te

HB


1 2 30

10

20

30

40

50

60

70


du

rita

te H

B


1 2 30

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50


du

rita

te H

B



78

Figura 5.44 Punctele a, b, c, d, e în care s-a măsurat duritatea piesei din AlZn10

turnată gravitațional

Figura 5.45. Duritatea în peretele pieselor turnate gravitațional din AlZn10 grosime

de perete 30mm, S1-secțiune de capăt jos, S2 - secțiune mediană la jumătatea

lungimii piesei, a - suprafața exterioară; b, c - în interiorul peretelui, d - suprafața

interioară (lânga miez)

Se fac urmatoarele observatii:

- valorile duritatii măsurate în peretele piesei turnate gravitațional sunt mult mai

reduse decât la piesele turnate centrifugal;.

- duritatea în peretele piesei turnate gravitational este mai uniformă (comparativ cu

turnarea centrifugală în forma metalică);

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110

5

10

15

20

25

30

35

S1a S1b S1c S1d S2a S2b S2c S2d

du

rita

te H

B

Turn gravit-AlZn10, perete B=30mm, sectiune S1,S2


79

- duritatea mult mai mică si mai uniformă la turnarea in forme de nisip se explica prin

conductibilitatea termică mult mai redusă a formelor de nisip (utilizate la turnarea

gravitatională) ceea ce determină viteze de răcire mai mici și mai uniforme;

- duritățile sunt usor mai mici in sectiunea mediană a piesei în raport cu secțiunea de

capăt, insă diferențele (capăt sectiune mediană) sunt mici;

- duritatea cea mai mica se obtine la suprafata interioara, la contactul cu miezul;

- o anomalie la turnarea gravitațională constă in faptul că în dreptul suprafeței

cilndrice exterioare se obțin durități mai mici decât în spre axa peretelui piesei;

5.3.6 Studiu privind compactitatea peretelui pieselor turnate centrifugal din

AlZn10

Așa cum s-a menționat în primul capitol al tezei, unul din avantajele turnării

centrifugale il constituie compactitatea mai mare a peretilor pieselor turnate prin acest

procedeu. Creșterea compactității la nivel microstructural este determinată de

presarea aliajului lichid pe peretele formei de turnare. Prin consecinta gazele,

incluziunile cu densitate mica si eventualele microretasuri (goluri de contractie) sunt

impinse spre suprafata interioara a piesei. Pentru a verifica aceasta teorie legată

localizarrea defectelor de tipul incluziunilor, a suflurilor si a microretasurilor piesele

turnate centrifugal din aliajl AlZn10 au fost investigate in acest sens. A fost studiata

prezenta defectelor in zona suprafetei exterioare, in zona mediana si in zona

suprafetei interioare a pieselor turnate. Aspectul defectelor din pretele pieselor turnate

cugrosime 20mm sunt aratate in figurile 5.46 - 5.47.

zona exterioară mijlocul peretelui zona interioară

Grosime perete B=20mm, turație n=1100rot/min, (aspect microscopic fără atac

metalografic) 100x

Figura 5.46 Prezența defectelor în cele trei zone ale pieselor turnate centrifugal din

AlZn10 (grosime de perete B=20mm si turație n=1100 rot/min)


80

zona exterioară mijlocul peretelui zona interioară

Grosime perete B=20mm, turatie n=1480rot/min, (aspect microscopic fara atac

metalografic) 100x

Figura 5.47 Prezența defectelor în cele trei zone ale pieselor turnate centrifugal din

AlZn10 (grosime de perete B=20mm si turație n=1480 rot/min)

Analiza conduce la urmatoarele observatii.

- Defectele de compactitate sunt localizate in zona suprafetelor piesei (atat in

apropierea suprafeței exterioare, cât si a suprafeței interioare) si constau in goluri

mici izolate (mici incluziuni de gaze sau porozitati de contractie);

- Porozitățile sunt localizate in imediata apropiere a suprafetelor (intr-un strat

cu grosime de ordinul zecimilor de mm);

- In zona de mijloc, peretele pieseelor este compact (lipsit de astfel de

defecte);

- In cazul pieselor cu grosime mai mare de perete (20mm) defectele sunt mai

accentuate fiind mai mari (au volum mai mare).

5.3.7 Influența tratamentului de recoacere de omogenizare asupra structurii si

durității pieselor turnate centrifugal din AlZn10

Ultima etapă a cercetărilor a urmărit efectul unor tratamente termice de

recacere de omogenizare asupra structurii și proprietăților mecanice a pieselor turnate

centrifugal din aliaj AlZn10. Piesele turnate centrifugal cu grosimea de perete

B=20mm au fost supuse unei recoaceri la temperatura T=450oC cu menținere de 4

ore.

In figurile 5.51 - 5.52 sunt aratate structurile obtinute in urma tratamentului de

recoacere de omogenizare (la temperatura 450oC) in piesele turnate centrifugal cu

grosime de perete 20mm la turatii de n1=1100 rot/min si n2=1480rot/min, iar in

tabelul 5.4 sunt date valorile duritatii medii in diversele zone ale peretelui acestor

piese.

1000x

1000x

1000x

a.) zona exterioara b.) mijlocul peretelui c.) zona interioara


metalografic) 200x


81

Figura 5.51 Structura după tratamentul de recoacere la T= 450oC, în cele trei zone

ale peretelui pieselor turnate centrifugal din AlZn10 (grosime de perete B=20mm și

turatie n1=1100 rot/min)

1000x

1000x

1000x

a.) zona exterioară b.) mijlocul peretelui c.) zona interioară


metalografic) 200x

Figura 5.52 Structura după tratamentul de recoacere de omogenizare la T= 450oC, în

cele trei zone ale peretelui pieselor turnate centrifugal din AlZn10 (grosime de perete

B=20mm si turatie n2=1480 rot/min)

Tabelul 5.16 Duritatea în pretele pieselor cu grosime de perete 20mm turnate

centrifugal dinAlZn10 după tratamentul de recoacere la temperatura T= 450oC

Nr.

crt.

Grosime

perete

piesă

Turație

turnare

centrif.

Sectiunea

transversală a

piesei

Puncte in care s-a măsurat duritatea

"a" pe

suprafața

exterioara

"b"

in mijloc

perete

"c" pe

suptafața

interioara

u.m. mm Rot/min - HB HB HB

1 20 1480 2- mediana 29,3 37,4 29,9

2 20 1100 2- mediana 30,9 35,6 30,0

Figurile 5.51 - 5.52 arată că în cazul ambelor turații de turnare, structura după

recoacere este formată din cristale poliedrice de solutie solidă α. De asemenea

referitor la structura după recoacere se mai pot face două observații:

- in cazul turației mai mari (1480 rot/min) structura este mai fină (cristalele

sunt mai mici);

- in zona de mijloc a grosimii peretelui, structura este mai fină decât în zonelele

marginale;


82

Figura 5.53 Duritatea in pretele pieselor

turnate centrifugal din AlZn10 la turație

n1=1100 rot/min inainte si după

recoacere de omogenizare

Figura 5.54 Duritatea în pretele pieselor

turnate centrifugal din AlZn10 la turație

n2=1480 rot/min înainte și după

recoacere de omogenizare

Rezultatele privind efectul tratamentului termic asupra durității sunt arătate în

figurile 5.53 si 5.54. Se observă o scădere a durităților prin aplicarea tratamentului de

recoacere de omogenizare.

5.3.8 Concluzii

Pot fi reținute următoarele concluzii generale referitor la turnarea centrifugală a

aliajului AlZn10;

- influența turnarii centrifugale se manifestă asupra mărimii și formei

cristalelor, la turnarea centrifugală cristalele având dimensiuni mai mici și formă

poligonală echiaxă spre deosebire de turnarea gravitațională unde apar și cristale

alungite (columnare);

- în peretele pieselor tunate centrifugal în cadrul experimentuluil (cu grosime

de 6-20mm) se constată tendinta ca langa suprafata exterioară a peretelui sa se

formeze structură usor mai fină, iar dimensiunile crisalelor sa creasca in perete spre

suprafaa interioară, ca urmare a unei raciri mai accelerate langa interfata liaj turnat -

formă;

- diferența privind dimensiunile cristalelor pe grosimea pieselor turnate

centrifugal în limitele de perete menționate mai sus, este insă redusă;

- la răcirea ulterioară solidificării are loc o cristalizarea secundară care

determină divizare a cristalelor primare;

- marirea vitezei de rotatie nu determina o finisare semnificativa a dimensinilor

cristalelor, ca in czul aliajelor care au cristalizare primara dendritică;

- in cazul aliajlui studiat AlZn10 tendinta de segregare a celor doua elemente

(aluminiu si zinc) in raport cu densiatea elementelor, este redusa si se manifesta spre

mijlocul și interiorul peretelui;

- în imediata apropiere a suprafeței exterioare nu s-a pus în evidnță o tendință

de creștere a continutului de zinc (element cu densitate mai mare) și de scădere a


83

conținutului de aluminiu (element cu densitate mai mică) fiind probabil ca din cauza

solidificarii rapide segregarea să nu aibă timpul necesar pentru a se produce;

- în cazul pieselor turnate centrifugal cu grosime mai mare (20mm) se

evidențiază clar o o tendința se scădere a durității de la exterior spre suprafața

interioară pe toată lungimea piesei;

- tratamentul termic ulterior de recoacere de omogenizare conduce la o

uniformizare a durității în pe grosimea peretelui, dar și la o tendință de obținere a

unei structuri mai fine și cu duritate mai mare pe axa peretelui piesei;

- defectele de turnare care afectează compactitatea aliajului solidificat

(porozități cauzate de suprapunere de aliaj, gaze exogene sau endogene,

microretasuri, etc.) sunt localizate în imediata apopiesre a suprafațelor pieselor

turnate pe adâncimi foarte mici (de ordinul 0,1 - 0,2mm) fiind incluse practic în

adaosurile de prelucrare, astfel că nu afectează integritatea pieselor finale obținute

după prelucrarea mecanică.

6. CONCLUZII, CONTRIBUȚII, DISEMINARE

6.1 Concluzii

Concluziile mai importante ale studiilor și cercetărilor efectuate în cadrul tezei

sunt subliniate în continuare.

- Cercetările actuale urmăresc în special extinderea aplicării pentru turnarea

unei game cât mai largi de piese și aliaje.

- Structura aliajelor neferoase turnate centrifugal este mai compactă, mai fină și

are proprietăți mecanice superioare comparativ cu alte procedee de turnare;

- Turnarea centrifugală permite obținerea de piese cu gradient de compoziție

chimică și deci de structură și proprietăți în direcția razei de rotație.

- Gradientul de compoziție chimică este progresiv și în limite restrânse, în

funcție de grosimea peretelui pieselor și de durata de solidificare;

- Modul în care are loc segregarea elementelor nu este determinat de

densitatea acestora, ci în primul rând de tipul și compoziția aliajului, de legăturile

dintre elementele de aliere, de natura constituenților care se formează la solidificare,

dar și de influența viteze de răcire asupra diagramei de echilibru. Ca urmare nu

întotdeauna segregarea este directă cu densitatea.

- Segregarea inversă cu densitatea a fost evidențiată pentru staniu în cazul

aliajului CuSn10.

- În cazul aliajului AlZn10 s-a observat o scădere a procentului de zinc spre

exteriorul peretelui piesei (pe suprafața exterioară). Deși zincul are densitate mai

mare decât aluminiul, procentul de zinc în zona exterioară a peretelui este mai mic

decât la mijlocul grosimii de perete.

- Tratamentele termice ulterioare aplicate pieselor turnate centrifugal din

aliajele studiate în cadrul tezei, determină o scădere a durității și rezistenței mecanice.

- În prezent softurile pentru simularea solidificării pieselor turnate centrifugal

simulează câmpul termic și a umplerea formei nu si formarea structurii;


84

- Pentru modelarea matematică a solidificării pieselor tubulare cu simetrie de

rotație turnate centrifugal se recomandă coordonate cilindrice 2D;

- Studiile efectuate prin simulare asupra câmpului de temperatură din

ansamblul piesă turnată - formă au arătat că gradientul de temperatură în aliajul turnat

este mai mic, iar răcirea si solidificarea aliajului la interfața piesă turnată - formă este

mai lentă în comparație cu turnarea gravitațională în cochilă metalică ;

- Grosimea straturilor a căror structură este influențată de viteza de răcire la

momentul solidificării și al transformărilor în stare solidă (de exemplu transformări

eutectoide de tip fontă albă) este mai mică în comparație cu turnarea gravitațională.

- Timpul de solidificare al pieselor tubulare turnate centrifugal este mai mare

decât în cazul pieselor turnate gravitațional, ceea ce corespunde cu o grosime de

solidificare mai mare.

6.2 Contribuții proprii

În continuare sunt precizate câteva dintre contribuțiile aduse prin această teză,

bazei de date în domeniu cercetat;

- Studiu de sinteză privind cercetări actuale în domeniul turnării centrifugale a

unor aliaje neferoase;

- Realizarea unui soft destinat simulării pe calculator a transmisiei de căldură și

solidificării pieselor turnate centrifugal din aliaje cu solidificare in interval de

temperatură.

- Studii prin simulare pe calculator privind influenta unor parametrii

tehnologici și dimensionali asupra câmpului de temperatura si a cineticii solidificării

și răcirii unor piese turnate centrifugal din aliajele supuse studiului;

- Compararea din punct de vedere a câmpului de temperatura si a cineticii

macro-solidificării a turnării centrifugale a aliajelor neferoase supuse studiului

(CuSn10 și AlZn10) cu turnarea centrifugală a unor piese similare din fontă;

- Realizarea de cercetări experimentale privind influența unor parametrii

tehnologici și geometrici la turnarea centrifugală asupra structurii și proprietăților

unor piese din cele două aliaje neferoase, obiect de studiu.

- Punerea în evidență și explicarea tendinței de segregare inversă cu densitatea

și creșterea razei a unor elemente chimice în cele două aliaje stdiate;

- Prelucrarea și analiza rezultatelor experimentale urmată de stabilirea de

concluzii utile pentru practica industrială.

6.3 Direcții de continuare a cercetărilor

Direcții de continuare a cercetărilor mai importante sunt;

- evidențierea influenței altor parametrii tehnologici asupra structurii și

proprietăților aliajelor;

- studiul tendinței de segregare a elementelor chimice si a gradientului de

structură și proprietăți pentru piese turnate centrifugal cu grosime mare de perete;

- identificarea tendințelor de segregare inversă și explicarea acestor procese;


85

- identificarea de aliaje care permit obținerea de gradient mare de structură și

proprietăți;

- experimentarea de piese care reclamă gradient compoziție, structură și de

proprietăți și care sunt susceptibile a fi turnate centrifugal.

6.4 Diseminarea rezultatelor

O parte din rezultatele obținute au fost diseminate prin publicare in reviste de

specialitate și prin comunicări științifice la conferințe tehnico științifice.

Lucrări publicate în reviste și buletine tehnico-științifice.

Reviste cotate B+.

1. Dăian M., Ciobanu I., Crişan A. - On The Opportunity to Manufacturing of

Metallic Balls with Cavity by Centrifugal Casting, Recent, vol 16, no. 3 (46)

noiembrie, 2015, pag. 206 - 215, ISSN 1582-0246

2 Ciobanu Ioan, Dăian Marcel, Munteanu Sorin Ion, Crisan Aurel, Bedo Tibor, A

Comparative Study on Gravitational and Centrifugal Casting Solidification, Recent,

vol 17, no. 1 (47) martie, 2016, pag. 11 - 25, ISSN 1582-0246

3. Ionescu Ionuț, Dăian Marcel, Ciobanu Ioan, Varga Bela, Bedo Tibor, Stoicînescu

Maria, Experimental Verification of a Software for Simulation of Centrifugal Casting

Solidification, Recent, vol 17, no. 1 (47) martie, 2016, pag. 26 - 32, ISSN 1582-0246

4. Tibor Bedo, Marcel Dăian, Bela Varga, Maria, Stoicănescu, Aurel Crișan, Ioan

Ciobanu, A Simulation and Experiment Concerning the Solidification of an Al-Zn

Alloy Casting, Recent, vol 17, no. 2 (48) iulie, 2016, pag. 83 - 91, ISSN 1582-0246

5. Ciobanu Ioan, Dăian Marcel, Munteanu Ion Sorin, Crișan Aurel, Bedo Tibor,

Aspects Regarding the Solidification Kinetics of a Cast Iron Centrifugal Casting,

Recent, vol 17, no. 2 (48) iulie, 2016, pag. 92 - 101, ISSN 1582-0246

6. Daian Marcel, Ciobanu Ioan, Pop Alin Mihai, The Influence of Speed on the Wall

Thickness of Centrrifugally Cast Parts, Recent, vol 18, no. 1 (51) martie, 2017,

pag.12-21, ISSN 1582-0246

7. Daian Marcel, Monescu Vlad, Ciobanu Ioan, Mathematic Modeling and Software

for the Solidification Simulation of Centrifugal Castings, Recent, vol 18, no. 2 (52)

iulie, 2017, pag. 77-92, ISSN 1582-0246

Alte reviste tehnico - științifice

1. Dăian M., Ciobanu I., Crişan A. - Aspecte privind turnarea centrifugală a aliajelor

de aluminiu, Revista de turnatorie, nr. 11-12, 2015, pag.16-21, ISSN 1224-21-44

2. Dăian M., Ciobanu I., Crişan A. - Analiza multicriterială avansată a unor

procedee de fabricație a bilelor pentru morile de măcinat, Revista de turnatorie, nr. 9-

10, 2015, pag.2-11, ISSN 1224-21-44

3. Ciobanu Ioan, Dăian Marcel, Crișan Aurel, Bedo Tibor, Munteanu Sorin Ion,

Studiu prin simulare pe calculator privind solidificarea unei piese din fontă eutectică

turnată centrifugal, Revista de turnatorie, nr. 1-2, 2016, pag.19-31, ISSN 1224-21-44


86

4. Daian Marcel, Ciobanu Ioan, Pop Alin Mihai, Cercetari privind structura pieselor

turnate centrifugal din bronz cu 10% Staniu, Revista de turnatorie, nr. 11-12, 2016,

pag.2-7, ISSN 1224-21-44

5. Daian Marcel, Ciobanu Ioan, Calculul turației la turnarea centrifugală cu ax de

rotație vertical, Revista de turnatorie, nr. 1-2, 2017, pag.14-20, ISSN 1224-21-44

6. Dăian Marcel, Ciobanu Ioan, Istoric, prezent și tendințe în turnarea centrifugală,

Revista de turnatorie, nr. 3-4, 2017, pag.10-31, ISSN 1224-21-44.

7. Daian Marcel, Monescu Vlad, Ciobanu Ioan, Simularea Solidificării Pieselor din

CuSn12 Turnate Centrifugal, Revista de turnatorie, nr. 5-6, 2017, pag. 2-18, ISSN

1224-21-44

BILBLIOGRAFIE (selectiv)

[2]. Anup R. Patel - Mechanical property and microstructural investigation of

aluminium bronze by centrifugal casting process, Dissertation for the degree master

of technology in mechanical engeneering U. V. Patel College Of Engineering,

Ganpat University, Kherva, Mehsana-382711 (North Gujarat), June, 2014

[3]. Bedo T., Dăian M., Varga B., Stoicănescu Maria, Crișan A., Ciobanu I.- A

Simulation and Experiment Concerning the Solidification of an Al-Zn Alloy Casting,

Recent, vol 17, no. 2 (48) iulie, 2016, pag. 83 - 91, ISSN 1582-0246

[4]. Bratu C., Cernat C. – Determinarea conductivităţii termice a vopselelor folosite

în turnătorie, Metalurgia, nr. 4, 1976

[7]. Buzilă S., ş.a. – Cercetări privind turnarea centrifugă a pieselor fasonate.

Culegerea “Tehnologii noi în sectoarele calde”, C.N.I.T. – I.C.P.T.S.L., Bucureşti,

1974

[8]. Carcea Ioan, Gherghe Matei, Turnarea aliajelor neferoase, Editura

Performantica, Iasi, 2009, ISBN 978-973-730-578-7.

[10]. Chira I., Sofroni L., Brabie V. – Procedee speciale de turnare, E.D.P.,

Bucureşti, 1980

[12]. Chiriță G.M. - Mechanical and Fatigue Properties of Functionally Graded

Aluminium Silicon Alloys, Teza de doctorat, Universidade do Minho, Escola de

Engenharia, Fevereiro de 2011, Portugalia,

[13]. Chiriță G., Soares D., Silva S.F. - Advantages of centrifugal casting technique

for the production of structural components with Al-Si alloys, Materials and design

29, 2008.p 20-27.

[14]. Chiriță G. M., Stefanescu I, Barbosa J, Puga H, Soares D, Silva F.S. - On the

assessment of processing variables in a vertical centrifugal casting technique.

Internationl Journal Cast Metals Resesrgh, 2009, 22(5), 82–389.

[15]. Chiriță G. M., Stefanescu I., Cruz D., Soares D., Silva F.S. - Sensitivity of

different Al–Si alloys to centrifugal casting effect, Materials and Design 31 (2010)

2867–2877


87

[16]. Ciobanu I., Daian M., Munteanu S. I., Crisan A., Bedo T. - Aspects Regarding

the Solidification Kinetics of a Cast Iron Centrifugal Casting, Recent, vol 17, no. 2

(48) iulie, 2016, pag. 92 - 101 , ISSN 1582-0246

[17]. Ciobanu I., Dăian M., Crișan A., Bedo T., Munteanu S. I. - Studiu prin simulare

pe calculator privind solidificarea unei piese din fontă eutectică turnată centrifugal,

Revista de turnatorie, nr. 1-2, 2016, pag.19-31, ISSN 1224-21-44

[18]. Ciobanu I., Dăian M., Munteanu S. I., Crisan A., Bedo T. - A Comparative

Study on Gravitational and Centrifugal Casting Solidification, Recent, vol 17, no. 1

(47) martie, 2016, pag. 11 - 25, ISSN 1582-0246

[22]. Dăian M. – Influenţa turnării centrifuge asupra proprietăţilor mecanice a

pieselor turnate din aliaj CuSn10, "Noutăți în domeniul tehnologiilor și utilajelor

pentru prelucrarea la cald a metalelor", volum I, Universitatea Transilvania din

Braşov, 1993. pag. 273-277.

[25]. Dăian M. – Cercetări experimentale asupra cineticii de solidificare a

bronzurilor cu staniu la turnarea centrifugă, "Noutăți în domeniul tehnologiilor și

utilajelor pentru prelucrarea la cald a metalelor", volum I, Universitatea Transilvania

din Braşov, Braşov, 1993, pag. 278-283

[26]. Dăian M., Ciobanu I., Crişan A. - On The Opportunity to Manufacturing of

Metallic Balls with Cavity by Centrifugal Casting, Recent, vol 16, no. 3 (46)

noiembrie, 2015, pag. 206 - 215, ISSN 1582-0246

[27]. Dăian M., Ciobanu I., Crişan A. - Aspecte privind turnarea centrifugală a

aliajelor de aluminiu, Revista de turnatorie, nr. 11-12, 2015, pag.16-21, ISSN 1224-

21-44

[28]. Dăian M., Ciobanu I., Crişan A. - Analiza multicriterială avansată a unor

procedee de fabricație a bilelor pentru morile de macinat, Revista de turnatorie, nr. 9-

10, 2015, pag.2-11, ISSN 1224-21-44

[30]. Diaconescu Florin – Cercetări şi contribuţii privind influenţa parametrilor

tehnologici de turnare centrifugă asupra calităţii pieselor turnate din unele aliaje

neferoase, Teză de doctorat, Universitatea Tehnică „Gh. Asachi” din Iaşi, 2006.

[31]. Diaconescu Florin – Consideraţii privind cinetica de solidificare a pieselor

turnate centrifugal, în Buletinul Stiintific al Conferinţei Internaţionale “Tehnologii şi

materiale avansate” Editura Fundaţiei Universitare “Dunărea de Jos” Galaţi, 2003,

ISBN 973-627-066-1.

[32]. Diaconescu Florin – Cercetări privind influenţa unor parametri tehnologici de

turnare centrifugă asupra cineticii de solidificare a bronzului CuSn5Pb25, în

Buletinul Stiintific al Conferinţei Internaţionale “Tehnologii şi materiale avansate”

Editura Fundaţiei Universitare “Dunărea de Jos” Galaţi, 2003, ISBN 973-627-066-1.

[33]. Diaconescu Florin – Experimental research concerning the influence of the

casting die rotation speed on the wear resistance of centrifugal cast parts made in

bronze CuPb10Sn10, în Buletinul Stiintific al Conferinţei Internaţionale „ Prof. Emil

Gaiginschi’s jubilee” publicat în Buletinul Institutului Politehnic Iaşi, Tomul L (LIV)

Fascicula 6A, Secţia Construcţii de maşini,pag.133 - 139., 2004, ISSN 1011-2855.

[34]. Diaconescu Florin – Experimental research concerning the influence of the

casting die temperature on the wear resistance of centrifugal cast parts made in


88

bronze CuPb10Sn10, în Buletinul Stiintific al Conferinţei Internaţionale ″Prof. Emil

Gaiginschi’s jubilee″, publicat în Buletinul Institutului Politehnic Iaşi, Tomul L

(LIV), Fascicula 6 A, Secţia Construcţii de maşini, pag. 125 -131, 2004, ISSN 1011-

285.

[35]. Diaconescu Florin – Investigations regarding the influence of some tehnological

parameters of centrifugal casting on the structure of castings at the CuPb25 alloy, în

Buletinul Institutului Politehnic Iaşi, Tomul XLIX (LIII), Fasc. 1-4, Secţia Ştiinţa şi

Ingineria Materialelor, pag. 121-126, 2004, ISSN 1453-1690.

[36]. Diaconescu Florin – Researches regarding to the influence of the rotation speed

on the chemical and structural homogeneity of centrifugal castings of copper – lead

alloys, în Buletinul Institutului Politehnic Iaşi, Tomul XLIX (LIII), Fasc.1-4, Secţia

Ştiinţa şi Ingineria Materialelor, pag. 79-84, 2004, ISSN 1453-1690.

[40]. Diaconescu Florin - Turnarea centrifugala a aliajelor neferoase, Editura

Tehnopress, Iaşi- 2011, ISBN 978-973-702-797-9.

[41]. Dubinin N. P - Turnarea fontei in forme metalice, Editura Tehnica, Bucuresti,

1985

[43]. Duță Vasile - Consideraţii privind turnarea centrifugală a cilindrilor cu crustă

dură pentru industria alimentară (The Considerations About Centrifugal Casting Of

The Cylinders With Hard Crust For The Food Industry), Revista de turnătorie, no. 3-

4, 2016, pag. 19-25

[44]. Efimov V.A., Sevcenko A.I., Semenenko A.I. – Ţentrobejnoe litie aliuminevoi

bronzî, în Liteinoe proizvodstvo, nr. 1/1971, pag. 10 -11.

[45]. Efimov V.A., Şevcenko A. I., Konopelko B. B., Semenenko, A. I.,

Geru N., ş.a. – Analiza structurii materialelor metalice, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1991

[51]. Giro Akiama – Centrifugal casting proceeding, în Forging and Heat Treatment,

nr.12 / 1988, pag. 9 -14, Japonia.

[53]. Guliaev B. B., ş.a. – Procedee speciale de turnare, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1972

[55]. Ionescu Daniela – Simularea Solidificării pieselor turnate din aliaje cu

solidificare in interval de temperatura (Computer Simulation of the Solidification of

Castings from Alloys Solidifying within a Temperature Interval, Teză de doctorat,

Universitatea Transilvania din Brașov, Brașov, 2014

[56]. Ionescu Ionuț Cristian - Cercetări Privind Simularea Solidificării Pieselor

Turnate cu Simetrie de Rotatie, Teză de doctorat, Universitatea Transilvania din

Brașov, Brașov, 2015

[57]. Ionescu I., Dăian, M., Ciobanu, I., Varga, B., Bedo, T., Stoicănescu Maria. -

Experimental Verification of a Software for Simulation of Centrifugal Casting

Solidification. Recent, ISSN 1582-0246, vol. 17, no. 1 (47), 2016, p. 26-32

[58]. Ionescu I., Ionescu Daniela, Ciobanu I., Jiman V. – Matehematical Modelling of

eutectic alloy cilindrical castings solidification, Metalurgia, vol 64, no. 8, 2012, pag.

10 – 20, ISSN 0461/9579.

[59]. Daian Marcel, Monescu Vlad, Ciobanu Ioan, Mathematic Modeling and

Software for the Solidification Simulation of Centrifugal Castings, Recent, vol 18,

no. 2 (52) iulie, 2017, ISSN 1582-0246


89

[60]. Ionescu I., Ciobanu I., Munteanu S. T., Bedo T. - Studiu prin Simulare privind

Solidificarea Pieselor Cilindrice Tubulare din Aliaj Al – Si si din Fonta, Cercetări

metalurgice și noi materiale, vol. XXI, nr.3, 2014, pag. 37 - 48, ISSN 1221-5503.

[61]. Ionescu I., Ciobanu I., Munteanu S. I., Bedo T. - Studiu privind solidificarea

pieselor tubulare cilindrice, Revista de turnatorie, nr. 7-8, 2014, pag. 2-7, ISSN 1224-

21-44

[62]. Iudin S. B., ş.a. - Turnarea centrifugă, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1976

[63]. Iuiti Saigo, Naoki Haiakawa – Equipment for centrifugal casting, Patent

Japonia, nr. 61-287729 /1988, clasa B 22 D 13 / 04

[64]. Kasumzade, N.G., Abassov M.I. – Modifiţirovanie stali pri ţentrobejnom litie,

în Liteinoe proizvodstvo, nr. 7/1981, p.1 - 2.

[66]. Jiman V. - Cercetări privind turnarea centrifugală a pieselor din fontă cu profil

de revoluție, Teză de doctorat, Universitatea Transilvania din Brasov, 2000.

[68]. Jiman V., Constantinescu A., Ioan, A – Maşină pentru turnare centrifugală cu ax

de rotaţie vertical şi turaţie variabilă, a IV-a sesiune de comunicări tehnico-stiinţifice

“Tehnologii şi utilaje noi pentru prelucrări la cald”, Braşov, 1984

[70]. Jiman V. - Cercetări in domeniul turnării centrifugale a cămășilor de cilindru

pentru motoare Diesel, Buletin științific al sesiunii naționale de comunicări a

Academiei Aviației si Apărării Antiaeriene Henri Coandă Brașov, 19-20 noiembrie

1998, Brașov.

[71]. Jiman V. - Studii si cercetări asupra comportării in exploatare a cochilelor

utilizate la turnarea centrifugala, Buletinul Stiintific al Conferinței Internationale de

Comunicari Stiintifice consacrata aniversarii a 35-a a Universitatii Tehnice a

Moldovei "TMCR", Chisinau, 27-29 mai, 1999.

[72]. Jiman V., Ciobanu I., Munteanu S.I., - Particularities of the Mathematical

Modelling of Centrifugally Cast Part Solidification, Metalurgia Internaţional, Special

Issue no. 10, 2009., pag. 84 - 88, ISSN 1582-2214.

[73]. Jiman V., Ciobanu I., Carcea I., Munteanu S..I, Bedo T., Monescu V., - The

verification by Experiment of Sim 3D Software Intented for Castings Solidification

Simulation, Metalurgia Internaţional, nr.5, 2011, pag. 67 - 70, ISSN 1582-2214 (Ro).

[74]. Jiman V., Samoila C. - Cercetări privind posibilitatea de obtinere a pieselor

sferice cu cavitate interioara care nu comunica cu exteriorul; Buletinul Stiintific al

Conferintei Internationale de Comunicari Stiintifice consacrata aniversarii a 35-a a

Universitatii Tehnice a Moldovei "TMCR", Chisinau, 27-29 mai, 1999.

[79]. Madhusudhan S., Narendranath S., Kumar G.C.M, Mukunda P.G. -

Experimental study on rate of solidification of centrifugal casting, International

Journal of Mechanical and Materials Engineering (IJMME), Vol. 5 (2010), No. 1,

101-105.

[83]. Molceanov F.V. ş.a. – Ţentrobejnaia maşina dlea litia s vertikalinoi osiiu

vraşceniea, Brevet de invenţie nr.942 871 / 1982, clasa B 22 D 13 /04.

[84]. Monescu V. - Realizarea unui program 3D pentru simularea solidificarii

pieselor turnate, Teza de doctorat, Universitatea Transilvania din Brasov, Brasov,

2010.


90

[85]. Novikov P.G., Rozenfeld S.E., Klocinev N.U. -, Saveiko V.N. – Osnovî

ţentrobejnogo litia, Maşghizdat, Moskva, 1974.

[86]. Munteanu Sorin Ion - Cercetari privind turnarea continua in camp

electromagnetic, Teza de doctorat, Universitatea Transilvania din Brasov, 2000

[87]. Okasaki Kazuhiro, Giken Michihiro – Centrifugal casting mould, Patent Japonia

nr. 62-134 627 / 1987, Patent SUA nr. 4 901 782 / 1990, clasa B 22 D 13 / 04, B 22 D

13 / 10.

[88]. Pavan B B, Keerthiprasad K S, Prakash H.R, Deepika H.J. - Optimization of

Rotational Speed for Casting Al-Si Alloy Using Centrifugal Casting, International

Journal of Engineering and Applied Sciences (IJEAS) ISSN: 2394-3661, Volume-2,

Issue-5, May 2015 , pp89-91

[89]. Popa A. - Cercetări privind influenta condițiilor de turnare centrifuga asupra

structurii si proprietăților fontelor cenușii cu aplicație la executarea cămășilor

pompelor de extracție, Teza de doctorat, Universitatea Transilvania din Brașov,

Brașov, 1987

[90]. Popa A. – Studiul influenţei grosimii stratului de protecţie a cochilei asupra

durităţii bucşelor turnate centrifug, a V-a sesiune de comunicări tehnico ştiinţifice

Tehnologii şi utilaje noi pentru prelucrări la cald, Braşov, 1986

[91]. Popa A. - Studiu privind influenţa vitezei de rotaţie a cochilei asupra rezistenţei

la uzare a cămăşilor pentru extracţia ţiţeiului, executate din fontă cenuşie, prin turnare

centrifugă, Revista de turnătorie, nr. 2, 1996

[92]. Popa A. - Studiu privind influenţa vitezei de rotaţie a cochilei asupra rezistenţei

la uzare a cămăşilor pentru extracţia ţiţeiului, executate din fontă cenuşie, prin turnare

centrifugă, Revista Metalurgia, nr. 1, 1996

[96]. Protasov P.A. ş.a. – Izmerenie rashoda metalla pri ţentrobejnom litie trub, în

Liteinoe proizvodstvo, nr 9 / 1975, pag. 21 - 22.

[98]. Semovski S.S. – Metallopriemnik dlia ţentrobejnogo litia, Brevet de invenţie nr.

969 445 / 1982, clasa B 22 D 13 / 10.

[101]. Singh J.K., Ojha S.N. - Preparation of Leaded Aluminum-Silicon Alloys by

Modified Vertical Centrifugal Casting Machine, International Journal of Engineering

and Innovative Technology (IJEIT) Volume 2, Issue 9, March 2013,pag 230-234,

ISSN , 2277-3754

[102]. Sleziona J., Zagorski R. - Pouring mould during centrifugal casting process,

Archives of Materials Science and Engineering, International Scientific Journal, Vol

28, Issue 7, July 2007.

[107]. Soporan V., Constantinescu V. – Modelarea la nivel macrostructural a

solidificării aliajelor, Ed. Dacia, Cluj-Napoca, 1995

[110]. Soporan V., Vamoş C., Pavai C. – Modelarea numerică a solidificării, Editura

Dacia, Cluj–Napoca, 2003, ISBN973-35-1645-7.

[113]. Ştefănescu Cl. – Îndrumătorul proiectantului de tehnologii în turnătorii, Ed.

Tehnică, Bucureşti, 1985

[118]. Timofeev G.I., Filatov V. Ia. – Ţentrobejnaia maşina dlea fassonâh otlivok, în

Liteinoe proizvodstvo, nr. 8 / 1970, pag. 38 - 39.


91

[121]. Tiutin P.N. ş.a. – Ţentrobejnaia liteinaia maşina s vertikalinoi osiiu

vraşceniea, Brevet de invenţie nr.1 006 051/1983, clasa B 22D13/02.

[122]. Tokaro Harada Yosio – Centrifugal casting mould, Patent nr. 62-243

615/1987, Japonia, clasa B22D13/10.

[123]. Treho Eduardo - Centrifugal Casting of an Aluminium Alloy, A thesis for the

degree of Doctor of Philosophy, University of Birmingham

[124]. Tripsa I., ş.a. – Din istoria metalurgiei româneşti, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1981

[130]. Vulcu V., Bobancu Ş., Samoilă C.- Brevet de invenţie 66622, 1976, Procedeu

pentru turnarea centrifugală a cuzineţilor, România

[131]. Vulcu V., Bobancu Ş., Samoilă C. - Brevet de invenţie nr.72721, 1979,

Instalaţie pentru turnarea centrifugală a metalelor, România

[132]. Bobancu, Ş. - Contribuţii la analiza şi sinteza structurală şi numerică a

mecanismelor cu roţi dinţate cu axe mobile – Contributions in numerical and

structural synthesis and analysis for mobile shafts gears mechanisms, Teză de

doctorat, Institutul Politehnic Braşov, 1977

[133]. Bruno Fragoso, Henrique Santos - Effect of a rotating magnetic field at the

microstructure of an A354, Journal of Materials Research and Technology, Elsevier,

2013 2 (2), pag. 100-109.

[134]. Popescu Mirela Drăgoiu - Îmbunătăţirea structurii aliajelor de aluminiu prin

metode metalurgice şi fizice, Teză de doctorat, Universitatea Transilvania din Brasov,

2017.

[135]. Daian Marcel, Ciobanu Ioan, Pop Alin Mihai - Cercetări privind structura

pieselor turnate centrifugal din bronz cu 10% Staniu, Revista de turnatorie, nr. 11-12,

2016, pag.2-7, ISSN 1224-21-44

[136]. Daian Marcel, Ciobanu Ioan, Calculul turației la turnarea centrifugală cu ax

de rotație vertical - Revista de turnatorie, nr. 1-2, 2017, pag.14-20, ISSN 1224-21-44

[137]. Daian Marcel, Ciobanu Ioan, Pop Alin Mihai - Influența turației asupra

grosimii peretelui pieselor la turnarea centrifugală verticală, Recent, vol. 18, no. 1

(51) martie, 2017, pag. 12-21, ISSN 1582-0246

[138]. Dăian Marcel, Ciobanu Ioan - Istoric, prezent și tendințe în turnarea

centrifugală, Revista de turnatorie, nr. 3-4, 2017, pag.10-31, ISSN 1224-21-44, în

curs de publicare.

[139]. Ionescu Ionuț, Dăian Marcel, Ciobanu Ioan, Varga Bela, Bedo Tibor,

Stoicanescu Maria - Experimental Verification of a Software for Simulation of

Centrifugal Casting Solidification, Recent, vol 17, no. 1 (47) martie, 2016, pag. 26 -

32, ISSN 1582-0246

[140]. Daian Marcel, Monescu Vlad, Ciobanu Ioan, Simularea Solidificării Pieselor

din CuSn12 Turnate Centrifugal, Revista de turnatorie, nr. 5-6, 2017, pag. 2-18, ISSN

1224-21-44

[141]. Daian Marcel, Monescu Vlad, Ciobanu Ioan, Mathematic Modeling and

Software for the Solidification Simulation of Centrifugal Castings, Recent, vol 18,

no. 2 (52) iulie, 2017, pag. 77-92, ISSN 1582-0246


92

CERCETĂRI PRIVIND TURNAREA CENTRIFUGALĂ A ALIAJELOR

NEFEROASE

- Rezumat -

Sunt trecute în revistă cercetări recente în domeniul turnării centrifugale a

aliajelor neferoase. Este stabilit ca obiectiv al tezei realizarea de cercetări privind

turnarea centrifugală și efectul acesteia asupra proprietăților a două aliaje neferoase

din categoria CuSn și AlZn. S-au utilizat două metode de cercetare: simularea

solidificării pe calculator și turnarea și investigarea de probe experimentale.

A fost realizat un soft destinat simulării solidificării pieselor turnate centrifugal

din aliaje cu solidificare de tip soluție solidă. Validitatea softului a fost verificată prin

analiză termică experimentală.

S-a studiat prin simulare influența mai multor factori tehnologici și geometrici

asupra solidificării pieselor turnate centrifugal din CuSn, AlZn, și fontă.

Partea finală a tezei cuprinde cercetările experimentale. Se arată modul de

lucru, rezultatele obținute și interpretarea acestora. Au fost turnate centrifugal și

gravitațional piese din CuSn10 și AlZn10. S-a analizat microstructura, tendința de

segregare a unor elemente chimice, proprietăți mecanice, apariția unor defecte de

turnare.

RESEARCH CONCERNING THE CENTRIFUGAL CASTING OF NON-

FERROUS ALLOYS

- Abstract -

Are review recent researches in the field of centrifugal casting of non-ferrous

alloys. The conducting of research concerning centrifugal casting and its effects on

the properties of two non-ferrous alloys of the CuSn and AlZn category is set as the

objective of the thesis. Two research methods were deployed: simulation by

computer and casting and analysis of experimental samples.

As the alloys considered by the study solidify in solid solutions, a simulation

software of the solidification of parts centrifugally cast from such alloys was

developed. The validity of the software was verified by experimental thermal

analysis.

Simulation was used to study the influence of several technological and

geometrical factors on the solidification of parts centrifugally cast from CuSn, AlZn

and iron. The final part of the thesis concerns the conducted experimental

research. Working methodology, results and result interpretation are presented. Parts

from CuSn10 and AlZn10 were cast centrifugally and by gravity procedures. The

microstructure and segregation tendency of certain chemical elements were analysed,

as well as mechanical properties and aspects related to casting defects.


93

Curriculum Vitae Europass

INFORMAȚII PERSONALE

Nume /prenume DĂIAN Marcel Adresă Str. Brandușelor nr. 94, bl. 41, sc. D, ap. 22, Braşov, România

Telefon

Mobil - 0726675306

Fax E-

mail [email protected]

Naţionalitate română Data naşterii 21.04.1963

Sex Masculin

EXPERIENŢĂ PROFESIONALĂ

Perioada 2016-2017

Activitate didactica (lucrari de laborator ls disciplinele "Acționari hidraulice si pneumatice, Teoria deformarilor plastice") la Universitatea Transilvania Brașov ( Facultatea Știința si Ingineria Materialelor) in calitate de doctorand cu frecvență

Perioada Mai 2013 – 2016

Funcția sau postul ocupat Inginer prelucrări metalurgice

Activități și responsabilități principale Coordonare activități de producție și montaj confecții metalice, coordonare echipe de execuție si montaj, colaborare cu proiectanții si beneficiarii, lansare comenzi materiale, lansare proiecte in execuție, verificare stadii de producție, verificare măsurători, intocmire schițe

Numele si adresa angajatorului SC Rampad Construct SRL, Str. Grivitei A 44, Brașov, România

Perioada Mai 2006 – 2013

Funcția sau postul ocupat Director 2007 – 2013, administrator 2006-2007 Activități și responsabilități principale Coordonare activități de producție și montaj confecții metalice,

coordonare echipe de execuție si montaj, colaborare cu proiectanții si beneficiarii, lansare comenzi materiale, lansare proiecte in execuție, verificare stadii de producție, verificare măsurători, intocmire schițe

Numele si adresa angajatorului SC Rampad Construct SRL, Str. Grivitei A 44, Brașov, România

Perioada 2005-2005

Funcția sau postul ocupat Inginer mecanic

Activități și responsabilități principale Urmărirea activităţii, documentației si proiectelor de investiţii Numele si adresa angajatorului SC Metrom Trading S.A, Str. Carpaţilor nr. 60, Braşov, România

Perioada 2002-2004

Funcția sau postul ocupat Şef atelier Reparaţii, Antrepriza Construcţii Montaj

Activități și responsabilități principale Conducerea, coordonarea şi organizarea activităţii de întreţinere şi reparaţii utilaje, montaj utilaje in regim de investitii, construcţii


94

specifice procesului de producţie

Numele si adresa angajatorului SC Metrom S.A, Str. Carpaţilor nr. 60, Braşov, România

Perioada 1996-2002

Funcția sau postul ocupat Şef secţie Antrepriză Construcţii Montaj

Activități și responsabilități principale Conducerea, organizarea şi coordonarea activităţilor: autoutilări, execuție utilaje si părți componente pentru utilaje, montaj şi punere în funcţiune utilaje; montaj şi punere în funcţiune utilaje de proveniența străina achiziţionate in regim de investiții, lucrări de construcţii specifice activităţii de montaj

Numele si adresa angajatorului SC Metrom S.A, Str. Carpaţilor nr. 60, Braşov, România

Perioada 1990-1996

Funcția sau postul ocupat Ofițer activ, reprezentant militar

Activități și responsabilități principale Urmărirea activității de producție specială; verificarea produselor speciale realizate din punct de vedere cantitativ, dimensional și calitativ; verificarea calității produselor speciale în laboratoarele chimic, fizic și incercări dinamice

Numele si adresa angajatorului U.M. 02550 București, Comisia de reprezentanți militari Metrom

Perioada 1990-1990

Funcția sau postul ocupat Inginer tehnolg

Activități și responsabilități principale Urmărirea activitătilor de elaborare și turnare a semifabricatelor din aliaje neferoase grele

Numele si adresa angajatorului Uzina Metrom Brașov, Str. Carpaților Nr.60, Brașov, România

Perioada 1988-1990

Funcția sau postul ocupat Inginer teholog de produs

Activități și responsabilități principale Urmărirea activității de elaborare a oțelurilor și fontelor și turnarea pieselor din fontă cenușie și fontă nodulară

Numele si adresa angajatorului Uzina Mecanica Plopeni, orașul Plopeni, Judetul Prahova, România

EDUCATIE SI FORMARE

Perioada 2014 - 2017

Calificarea/Diploma obtinută

Doctorand in cadrul Școlii Doctorale din Universitatea Transilvania, domeniul fundamental Științe Inginerești, domeniul de doctorat Ingineria Materialelor, tema:” Cercetări privind turnarea centrifugală a aliajelor neferoase”

Perioada 2011- 2013

Calificarea/Diploma obtinută

Studii aprofundate ( Master) in domeniul Știința și Ingineria Materialelor

Disciplinele principale studiate/ competente profesionale dobandite

Ingineria si Managementul Materialelor Avansate – metalice ceramice si compozite

Numele si tipul institutiei de invatamant/ furnizorul de formare

Universitatea Transilvania din Brașov, România

Nivelul in clasificarea națională sau internațională

Studii postuniversitare

Perioada 1991-1992

Calificarea/Diploma obtinuta Atestat de absolvire în domeniul Managementului


Inițiere în Management


Facultatea de Știinte Economice, Universitatea Transilvania din Brașov, România


95

Nivelul in clasificarea nationala sau internațională

Studii postuniversitare

Perioada 1983-1988

Calificarea/Diploma obtinuta Diploma de inginer, specializare: Metalurgie


Elaborarea si turnarea aliajelor feroase si neferoase,Bazele teoretice ale turnării, Tehnologii neconvenționale de turnare, Studiul materialelor, Deformări plastice, Tratamente termice


Universitatea Brașov, România

Nivelul in clasificarea nationala sau internațională

Studii universitare

APTITUDINI ŞI COMPETENŢE

PERSONALE

Limba maternă Româna

Limbi străine cunoscute Franceză Aptitudini şi competenţe sociale Comunicativitate si spirit de echipă, capacitatea de a colabora

pentru rezolvarea problemelor, dobândite in posturile ocupate

Aptitudini şi competenţe organizatorice Coordonare grupuri de persoane si activități, capacitatea de a lua decizii, spirit organizatoric, dobândite in funcțiile ocupate

Aptitudini şi competenţe tehnice Cunoștințe de operare PC Windows(Word, Excel,Power point) Permis de conducere Categoria B

INFORMATII SUPLIMENTARE

Asociatii • Membru al Asociatiei Tehnice de Turnătorie din România

Publicații • 16 Lucrari stiintifice in domeniul turnarii centrifugale a aliajelor, prezentate si publicate in reviste de specialitate (Revista de Turnatorie (ATTR),, Revista Recent (Universitatea Transilvania din Brasov) si in Buletinul Stiintific – Noutati in Domeniul Tehnologiilor si Utilajelor prntru Prelucrarea la Cald a Metalelor (Universitatea “Transylvania” din Brașov)


96

Curriculum Vitae Europass

PERSONAL INFORMATION

Name Marcel DĂIAN Address Str. Brandușelornr. 94, bl. 41, sc. D, ap. 22, Braşov, Romania

Telephone Mobile - 0726675306 Fax

E-mail [email protected] Nationality Romanian

Date of birth 21.04.1963 Gender Male

PROFESSIONAL EXPERIENCE

Period 2016-2017

Didactic activities (laboratory works for the subjects “Hydraulic and pneumatic drives” and “Theory of plastic deformations”) with “Transilvania” University in Brașov (Faculty of Materials Science and Engineering), within the Doctoral Schools, as Ph.D. active student

Period May 2013 – 2016

Position held Metallurgic works engineer

Main activities and responsibilities Coordination of production and installation of iron works, coordination of the production and installation teams, cooperation with the engineers and the beneficiaries, launching of raw materials orders, stating the execution of projects, verification of production stages

Employer name and address SC Rampad Construct SRL, Str. Grivitei A 44, Brașov, Romania

Period Mai 2006 – 2013

Position held Manager 2007 – 2013, administrator 2006-2007 Main activities and responsibilities Coordination of production and installation of ironworks,

coordination of the production and installation teams, cooperation with the engineers and the beneficiaries, launching of raw materials orders, stating the execution of projects, verification of production stages,

Employer name and address SC Rampad Construct SRL, Str. Grivitei A 44, Brașov, Romania

Period 2005-2005

Position held Mechanical engineer

Main activities and responsibilities Surveillance of the investment projects activities Employer name and address SC Metrom Trading S.A, Str.Carpaţilornr. 60, Braşov, Romania

Period 2002-2004

Position held Head of Repairs workshop, Enterprise for Constructions and Installations

Main activities and responsibilities Management, coordination and organization of the activity of machinery maintenance and repairs, machinery installation for


97

investments, constructions specific to the production process

Employer name and address SC Metrom S.A, Str. Carpaţilornr. 60, Braşov, Romania

Period 1996-2002

Position held Head of Division, Enterprise for Constructions and Installations

Main activities and responsibilities Management, organization and coordination of the following activities: machinery provisioning; execution of machinery and machinery parts; machinery installation and commissioning; installation and commissioning of the external machinery purchased as part of an investment

Employer name and address SC Metrom S.A, Str. Carpaţilornr. 60, Braşov, Romania

Period 1990-1996

Position held Active officer, military representative

Main activities and responsibilities Surveillance of military special production activities; verification of the special products manufactured regarding quantity, dimensions and quality issues

Employer name and address U.M. 02550 Bucharest (Military Unit), Metrom military representatives committee

Period 1990-1990

Position held Technological engineer

Main activities and responsibilities Surveillance of the activities of processing and casting of the blank products made of hard non-ferrous alloys

Employer name and address Metrom Factory Brașov, Str. Carpaților Nr.60, Brașov, Romania

Period 1988-1990

Position held Product technological engineer

Main activities and responsibilities Surveillance of the activity of processing of steel and crude iron and casting of parts made of silvery pig iron and nodular cast iron

Employer name and address Plopeni Mechanical Factory,Plopeni Town, Prahova County, Romania

EDUCATION AND TRAINING

Period 2014 - 2017

Qualification / Degree

Ph.D. student within the Doctoral School of “Transilvania” University of Brasov, main field: “Engineering studies”, Ph.D. field: “Materials Engineering”, subject: “Researches regarding the centrifugal casting of non-ferrous alloys”

Period 2011- 2013

Qualification / Degree Advanced studies (Master) in the field Materials Science and Engineering

Main fields of study / acquired professional competences

Advanced Materials Engineering and Management – metallic, ceramic and composite

Name and type of the education / training provider

“Transylvania” University in Brașov, Romania

Level of national or international classification

Postgraduate studies

Period 1991-1992

Qualification / Degree Graduation diploma in Management


Management Basics


Faculty of Economic Sciences, “Transylvania” University of Brasov, Romania


Postgraduate studies


98

Period 1983-1988

Qualification / Degree Engineer Degree, field: Metallurgy


Development and casting of ferrous and non-ferrous alloys; Theoretical basis of the casting; Non-conventional casting technologies; Plastic deformations; Heat treatments


Transylvania University of Brasov, Romania


University studies

PERSONAL SKILLS

Mother tongue Romanian

Other languages French Social skills Communication and teamwork skills, capacity to cooperate for

problems solving, acquired during the work experience

Organizational skills Coordination of groups of persons and activities, capacity to make decisions, organizational skills, acquired during the work experience

Technical skills PC, Windows, MS Suite (Word, Excel, Powerpoint) independent user

Driving license B Category

ADDITIONAL INFORMATION Asociations • Member of the Technical Foundry Association of Romania

(AsociaţiaTehnică de Turnătorie din România)

Publications • Scientific papers presented and published: 16 papers in the field of centrifugal casting published in specialized journals (Foundry Journal (ATTR), “Recent” journal (“Transylvania” University in Brașov) and in the Scientific Bulletin – News in the field of technologies and machinery for metals hot processing (“Transylvania” University of Brașov)

cercetări privind turnarea centrifugală a aliajelor …old.unitbv.ro/portals/31/sustineri de...

Documents