PRINCIPALELE MATERIALE METALICE UTILIZATE ÎN

INDUSTRIA CONSTRUCTOARE DE MAŞINI

FONTEOŢELURI

Clasificarea generală a fontelor

Fonte

Brute

SR EN 10001-93 (primare)

Turnate în piese (secundare)

Aliate

Nealiate

Fonte cenuşii

Fonte albe

Fonte maleabile

Fonte speciale

Pentru turnătoarieObişnuite

SpecialePentru afinare

Silicioase

Fonte oglindă

Fonte silicioase oglindă

Cu grafit lamelar

Cu grafit nodular

Obişnuite

Cu crustă dură

Negre

Perlitice

Albe

Antifricţiune

Rezistenţă la uzură

Cu înaltă rezistenţă mecanicăRefractare

Anticorosive

Magnetice

SR ISO 185-94

SR ISO 5922-95

STAS 6706-79

Clasificarea generală a fontelor

Fonte cenuşii cu grafit lamelar Simbolizarea acestor fonte în România se face prin grupa de litere Fc = fontă

cenuşie şi un număr care reprezintă rezistenţa minimă la tracţiune, în daN/mm2, a unui perete de grosime medie (exemplu: Fc 30 are r = 30 daN/mm2 .

Proprietăţile mecanice ale pieselor turnate din fontă cenuşie cu grafit lamelar depind de cantitatea, forma şi repartiţia lamelelor de grafit, de structura masei metalice de bază şi de forma piesei.

După rezistenţa mecanică se disting 3 categorii de fonte cenuşii cu grafit lamelar:

Fonte cu rezistenţă mecanică mică (Fc 10; Fc 15). Au masa metalică de bază ferito-perlitică şi grafitul lamelar şi neomogen repartizat. Sunt folosite pentru turnarea pieselor mecanice de configuraţie simplă solicitate la eforturi mici, urmărindu-se o uzinabilitate bună la un preţ de cost cât mai scăzut.Fonte cu rezistenţă mecanică medie (Fc 20; Fc 25). Au o masă metalică de bază perlitică sau sorbitică şi grafit lamelar mijlociu sau fin. Sunt destinate cu predilecţie turnării pieselor pentru construcţia de maşini uşoare, mijlocii şi grele. Unele compoziţii ale acestor fonte pot avea proprietăţi speciale: o bună rezistenţă la uzură prin frecare, rezistenţă la coroziune, proprietăţi de antifricţiune sau proprietăţi magnetice.Fonte cu rezistenţă mecanică ridicată (Fc 30; Fc 35; Fc 40). Au masa metalică de bază sorbitică şi grafit lamelar fin uniform repartizat. Se fabrică un număr mare de compoziţii, toate având o rezistenţă la rupere şi la uzură bune, uzinabilitate bună, unele putând avea proprietăţi suplimentare: compactitate, calitate superioară a suprafeţei, tenacitate, refractaritate, rezis-tenţă la coroziune etc.

Clasificarea generală a fontelor

Fonte cenuşii cu grafit nodular

Exemplu de simbolizare, Fgn 60-2 (fontă cu grafit nodular cu rezis-tenţa la

rupere r = 60 daN/mm2 şi alungire = 2%).

Proprietăţile acestor fonte variază în limite largi, în stare normalizată sau

recoaptă cele nealiate având r = 40…70 daN/mm2, iar cele aliate şi tratate termic

putând ajunge la 150 daN/mm2.

Se utilizează la confecţionarea unor piese pentru construcţia de maşini cu o

bună rezistenţă la uzură (arbori, segmenţi, roţi dinţate, saboţi de frână, cilindri de

laminor) rezistenţa la coroziune (piese pentru pompe, pentru vapoare, instalaţii de

canalizare, irigaţii etc.), refractare (lingotiere, piese pentru cuptoare, creuzeţi, matriţe

etc.).

Fonte albe : se utilizează rar pentru turnare, numai pentru piese dure, rezistente la

abrazivi şi la uzură (piese pentru maşini de sfărâmat, jgheaburi, rame, grătare, alice

pentru sablare etc.).

Fontele albe obişnuite conţin carburi de Fe şi de Mn iar cele aliate carburi de Cr, Mo, V,

W.

Clasificarea generală a fontelor

Fonte maleabile

Se obţin prin tratamente termice de maleabilizare din fonte albe. După

aspectul în ruptură şi structura masei metalice de bază ele se împart astfel:

fontă maleabilă neagră – cu masa metalică de bază feritică

fontă maleabilă perlitică – cu masa metalică de bază perlită

fontă maleabilă albă – cu masa metalică de bază ferito-perlitică

Simbolizarea acestor fonte în România se face prin grupul Fm, urmat de două

cifre care dau rezistenţa la tracţiune, în daN/mm2, (variază între 30 şi 70) una din

literele n, p sau a care indică din ce categorie este fonta (de exemplu Fm 50 p = fontă

maleabilă perlitică, având 50 daN/mm2 rezistenţă la rupere).

Proprietăţile de rezistenţă ale fontelor maleabile precum şi cele tehnologice

sunt mult influenţate de grosimea peretelui piesei.

Clasificarea generală a fontelor

Fonte cu proprietăţi speciale

Sunt fonte cenuşii, albe sau maleabile la care, prin aliere, prin forma şi

repartiţia constituenţilor se urmăreşte îmbunătăţirea unor anumite proprietăţi mecanice

sau fizico-chimice.

S-au individualizat următoarele categorii de fonte cu proprietăţi speciale:

Fonte antifricţiune, care înlocuiesc metalele neferoase pentru lagăre de alunecare

obişnuite în domenii de presiuni specifice până la 20 daN/cm2 şi viteze periferice sub 2

m/s putând ajunge în mod excepţional până la 45 daN/cm2 şi 12 m/s.

Fonte rezistente la uzură destinate pieselor care funcţionează în regim de uzură

abrazivă (matriţe, roţi dinţate, cilindri auto, tamburi de frână etc.). Se obţin din fonte

cenuşii sau cu crustă dură şi în general se caută ca în masa metalică de bază să existe

structuri de tranziţie în urma tratamentelor termice de călire şi revenire.

Fonte anticorosive, aliate cu Si, Cr, Ni sau Cu. Se folosesc în industria chimică.

Fonte cu proprietăţi magnetice, la care se poate obţine o gamă largă de proprietăţi

magnetice în funcţie de structura masei metalice de bază.

Oţeluri - tipuri

Oţelurile reprezintă materialul metalic cel mai utilizat în tehnică. Acest fapt

este datorat pe de o parte varietăţi mai mari de proprietăţi ce pot fi obţinute la

concentraţii diferite în carbon, pe baza transformărilor în stare solidă a fierului, şi pe de

altă parte posibilităţi alierii lui cu cele mai diferite elemente. Se elaborează în prezent

oţeluri cu rezistenţa la rupere până la 300 daN/mm2 cu proprietăţi de utilizare între

100…1500ºK.

Clasificarea otelurilor

OţeluriOţeluri Oţeluri slab aliateOţeluri slab aliate

Oţeluri cu carbonOţeluri cu carbon

SuperioareSuperioare

De calitateDe calitate

ObişnuiteObişnuite

Oţeluri aliateOţeluri aliate

ObişnuiteObişnuite

SuperioareSuperioare

Oţeluri - tipuri

Oţeluri carbon

Oţelul carbon obişnuit necalmat, semicalmat sau calmat este produs în mod

curent şi utilizat fără tratament termic la construcţii civile (oţel beton), construcţii

metalice sau construcţii de maşini.

Oţel carbon de calitate este considerat oţelul carbon utilizat în construcţii de

maşini, de obicei tratat termic şi care are compoziţia chimică şi proprietăţile mecanice

garantate, precum şi conţinutul în sulf şi fosfor limitat la maximum 0,045% fiecare.

Oţel carbon superior este un oţel carbon de calitate la care se limi-tează

conţinutul de sulf şi fosfor sub 0,035% fiecare şi se impun condiţii referitoare la

structură (mărimea grăuntelui austenitic, adâncimea de călire) şi conţinutul maxim în

incluziuni nemetalice.

Oţeluri - tipuri

Oţeluri slab aliate

Sunt oţeluri care conţin elemente de aliere introduse în mod voit în cantităţi

minime care influenţează proprietăţile fizico-chimice şi caracteris-ticile mecanice.

Concentraţia în cel puţin unul dintre principalele elemente de aliere, între

care, oţelul, este considerat slab aliat este stabilită la următoarele limite: Si = 0,5…

1,1%; Mn = 0,8…1,8%;

Cr = 0,3…0,5%; Ni = 0,3…0,5%; Mo = 0,05…0,1%; V = 0,05…0,1%; W = 0,2…0,3%; Co

= 0,2…0,3%.

Oţeluri aliate

Cuprind oţelurile medii şi înalt aliate şi sunt folosite numai tratate termic. În

această categorie intră toate oţelurile care au cel puţin unul dintre elementele de aliere

într-o concentraţie mai mare decât limita superioară admisă la oţelurile slab aliate.

În cadrul grupei oţelurilor aliate se consideră oţel înalt aliat cel care are suma

concentraţiilor în diferitele elemente de aliere mai mare decât 10%, sau una dintre

aceste concentraţii mai mare decât următoarele limite: Si 6%, Mn 6%; Cr 6%; Ni 4,5%;

Mo 1%; W 4%; Co 1%; V 1%.

Oţeluri - tipuri

Oţeluri aliate

Influenţa fiecărui element de aliere se traduce prin imprimarea unor

proprietăţi fizico-chimice, mecanice şi tehnologice specifice şi anume:

Siliciul măreşte rezistenţa la coroziune, are efect dezoxidant, dimi-nuează pierderile

prin histerezis şi curenţi turbionari la magnetizare în curent alternativ.

Manganul măreşte călibilitatea, duritatea, rezistenţa la rupere, rezistenţa la uzură

abrazivă, reduce influenţa sulfului .

Cromul măreşte rezistenta mecanică şi stabilitatea termică, măreşte rezistenţa la

coroziune, la uzură abrazivă şi măreşte călibilitatea.

Molibdenul îmbunătăţeşte călibilitatea, duritatea, rezistenţa mecanică, stabilitatea

la temperatură, rezilienţa dinamica, rezistenţa la coroziune şi la fluaj, micşorează

fragilitatea la călire.

Vanadiul măreşte rezistenţa mecanică, deformabilitatea plastică, formează carburi,

nitruri, oxizi, favorizează fineţea structurii.

Wolframul măreşte duritatea, refractaritatea, rezistenţa mecanică şi călibilitatea, dă

carburi dure, rezistente la uzură abrazivă.

Cobaltul măreşte duritatea, micşorează aderenţa la aşchierea rapidă.

Oţeluri - tipuri

Simbolizarea oţelurilor se face în România după cum urmează:

Oţelul carbon obişnuit se notează cu literele OT pentru oţel turnat şi OL pentru oţel

laminat, urmate de două cifre care reprezintă rezistenţa la rupere minimă, în daN/mm2,

de la negarantată 00 până la 70 daN/mm2.

Mărcile de oţel carbon de calitate se notează cu simbolul OLC urmat de două cifre

care reprezintă conţinutul mediu în carbon sutimi de procent.

Oţelul carbon de scule se notează OSC urmat de două cifre care reprezintă

conţinutul în carbon în zecimi de procent. Exemplu: OSC 12 = oţel de scule cu 1,2% C.

În cazul oţelurilor superioare, carbon sau aliate, la simbolul mărcii se adaugă, la

sfârşit litera X. Exemplu de notare OLC 50X = oţel carbon superior cu 0,5% carbon sau

18MoCN13 = oţel aliat cu Ni-Cr-Mo cu 0,18% C şi 1,3% Ni.

Pentru oţeluri cu destinaţii speciale, clasificate după caracteristicile lor, în simbol se

trece numai prescurtarea destinaţiei şi numărul de ordine din clasificare. Exemplu: ARC

9 = oţel pentru arcuri, al 9-lea din clasificare sau Rp 3 = oţel rapid, al 3-lea din

clasificare.

Aliajele metalalor neferoase

Aliajele aluminiului

Pe lângă avantajele cunoscute ale aluminiului, acesta prezintă şi dezavantaje

din punct de vedere mecanic, fizico-chimic şi tehnologic. Astfel rezistenţa mecanică a

aluminiului este mică, temperatura de topire scăzută, coeficient de contracţie la

solidificare mare. Prin aliere se pot elimina aceste deficienţe, se pot obţine proprietăţi

noi şi deci lărgi domeniul de utilizare al aluminiului şi aliajelor sale.

Aliaje de aluminiu cu proprietăţi mecanice superioare (Al-Cu-Mg cunoscute

sub denumirea de duraluminiu, Al-Zn-Mg şi Al-Zn-Mg-Cu). Grupa de aliaje prezentate

are r > 40 daN/mm2 (50 < r < 60 daN/mm2).

Aliaje antifricţiune din aluminiu (Al-Sb-Pb, Al-Sn, Al-Cu-Si-Fe).

Aliajele de aluminiu anticorosive (Al-Mn, Al-Mg şi Al-Mg-Si).

Aliaje de aluminiu rezistente la temperaturi ridicate (Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mn, Al-

Cu-Li).

Aliaje de aluminiu rezistente la temperaturi scăzute (Al-Cu-Mg-Si, Al-Zn-Mg-

Cu, Al-Mg).

Aliajele metalalor neferoase

Aliajele cuprului

Principalele deficienţe ale cuprului, parţial sau total înlăturate prin aliere sunt

turnabilitatea redusă, anticorozivitate slabă, proprietăţi mecanice relativ mici (r = 25…

35 daN/mm2).

Cuprul are două categorii mari de aliaje: alama (Am – aliaj al cuprului cu Zn şi

alte elemente) şi bronzul (Bz – aliaj al cuprului cu Sn şi alte elemente).

Aliajele cupruluiAliajele cuprului

Bronz

Cu + Sn + X

(Sn 25%)

Bronz

Cu + Sn + X

(Sn 25%)

Alamă

Cu + Zn + X

(Zn 50%)

Alamă

Cu + Zn + X

(Zn 50%)

Normală: Cu + ZnNormală: Cu + Zn

Specială: Cu + Zn + XSpecială: Cu + Zn + X

Alpaca: Cu + Zn + NiAlpaca: Cu + Zn + Ni

Normală: Cu + SnNormală: Cu + Sn

Specială: Cu + X

X = Si, Al, Mn, Ni, Be etc.

Specială: Cu + X

X = Si, Al, Mn, Ni, Be etc.

PRELUCRAREA PRIN TURNARE

Consideraţii generale asupra turnării materialelor metalice

Turnarea

Turnarea reprezintă metoda tehnologică de fabricaţie a unei piese prin solidificarea unei

cantităţi determinate de metal lichid, introdus într-o cavitate de configuraţie şi

dimensiuni corespunzătoare a unei forme de turnare. La baza proceselor de turnare stă

deci principiul fizic în virtutea căruia orice lichid ia forma vasului care îl conţine.

Principalele avantaje ale turnării sunt:

posibilitatea realizării unor piese de geometrie complexă

cavităţi interioare şi pereţi relativ subţiri

costul mai redus al pieselor turnate în raport cu costul pieselor obţinute prin alte

metode de prelucrare

Turnarea

Topirea materialelor metalice

Trecerea materialelor din stare solidă în stare lichidă este explicată

actualmente prin apariţia şi difuziunea în interiorul cristalelor metalice a defectelor

structurale de tipul vacanţelor, odată cu încălzirea corpului respectiv la temperaturi

suficient de mari, caracteristice fiecărui material.

Pentru topirea materialelor metalice este deci necesară consumarea unei

cantităţi determinate de căldură, numită căldură de topire, care serveşte pentru mărirea

energiei oscilaţiilor termice ale atomilor (la metale pure şi aliaje eutectice) şi respectiv

pentru mărirea energiei atomilor şi ridicarea temperaturii (la aliajele ce se topesc într-

un interval de temperatură).

Turnarea

Proprietăţilor metalelor în stare lichidă

Din cele de mai sus, rezultă că principala caracteristică a stării lichide a

metalelor constă în lipsa forţelor de orientare care, în cazul solidelor, se opun deplasării

relative a atomilor şi obligă aceştia să ocupe poziţii mijlocii de echilibru fixe, bine

determinate.

Se pot evidenţia următoarele asemănări privind structura materialelor

metalice în stare solidă şi respectiv în stare lichidă:

În stare lichidă se păstrează ordinea apropiată (zeci de distanţe interatomice) şi se

pierde ordinea îndepărtată (104…105 distanţe interatomice) de distribuţie spaţială a

atomilor, caracteristica stării solide.

Datorită mobilităţii mari a atomilor metalele lichide se deformează mai uşor sub

acţiunea forţelor exterioare decât solidele, prezentând proprietatea de curgere

Dintre proprietăţile metalului în stare lichidă, în procesele de turnare intervin

în mod direct viscozitatea şi tensiunea superficială

Turnarea

Proprietăţilor metalelor în stare lichidă

Viscozitatea este influenţată de:

temperatura metalului lichid - cu creşterea temperaturii distanţele dintre atomi se

măresc, frecările interioare se reduc şi viscozi-tatea scade

compoziţia chimică - aliajele eutectice au o viscozitate minimă

incluziunile nemetalice (zgură, materiale refractare şi de formare, produse ale

dezoxidării şi desulfurării, gaze etc.) prezente în metalul lichid; incluziunile solide

măresc, iar cele fluide micşorează viscozitatea

Viscozitatea determină fluiditatea metalului lichid, adică capacitatea acestuia

de a umple toate detaliile cavităţii formei de turnare. Pentru îmbunătăţirea fluidităţii se

acţionează în sensul micşorării viscozităţii prin supraîncălzirea metalului lichid cu 50…

100ºK peste temperatura de topire şi prin modificarea, în anumite limite, a compoziţiei

chimice.

Viscozitatea influenţează şi caracterul laminar sau turbulent al curgerii

metalului lichid în canalele formei.

Turnarea

Solidificarea pieselor turnate

Procesul cristalizării primare a materialului turnat are o importanţă

hotărâtoare pentru calitatea piesei turnate şi în primul rând, pentru proprietăţile

mecanice ale acesteia.

În această situaţie, dirijarea procesului de solidificare a pieselor turnate este

orientată înspre asigurarea unei rezistenţe mecanice superioare pe o cale indirectă şi

anume prin obţinerea unei structuri fine şi compacte.

Condiţia necesară pentru obţinerea unei structuri fine constă în mărirea

artificială a numărului germenilor de cristalizare din unitatea de volum a materialului

turnat.

Unul din procedeele cele mai răspândite actualmente, pentru realizarea

acestei condiţii constă în introducerea în masa metalului lichid a unor cantităţi foarte

mici de adaosuri, numite modificatori.

Întrucât realizarea solidificării este legată de evacuarea din metalul lichid a

căldurii introduse în procesul de topire, viteza de solidificare este influenţată, în primul

rând de viteza de răcire a metalului lichid în forma de turnare.

Turnarea

Solidificarea pieselor turnate

frontul de cristalizare într-un metal pur frontul de cristalizare într-un aliaj oarecare

În funcţie de scopul urmărit, viteza de răcire poate fi dirijată în limite largi:

prin încorporarea în acestea a unor piese metalice, amplasate corespunzător, numite

răcitoare

prin încălzirea sau răcirea formei respectiv prin acoperirea cu un strat de material

refractar;

în general prin introducerea formei de turnare într-un mediu termodirijat