UNIVERSITATEA POLITEHNICA TIMISOARA FACULTATEA DE MECANICA

PROIECT LA SELECTIA SI UTILIZREA MATERIALELOR

VERIFICAT: PROF DR ING ION MITELEA-

STUDENT: STANCU IONICA 2007 -1-

Cuprins

1).Analiza funcionala, constructiva si tehnologica a elementului de constructie.Stabilirea principala a itinerlului tehnologic de prelucre. 2).Definirea matricei de proprietati ale materialelor candidate ,ierarhizarea acestora si aprecierea factorilor de pondere 3).Selectia materialelor si a proceselor tehnologice de prelucrare.Proiectarea indicelui de performanta. 3.1).Alegerea preliminare a cel putin 5 materiale candidate 3.2).Determinarea plansei de valori pentru proprietatile considerate 3.3).Selectia materialului optim prin metoda proprietati ponderate si prin metoda costului pe unitate de produs 4).Caracterizarea proprietatilor materialelor selectate 4.1).Evaluarea si optimizarea propritatilor tehnologice. 4.2).Aprecierea proprietatilor de intrebuintare 5).Optimizarea selectiei materialelor prin dezvoltarea unor tehnici de consolidare volumica si de durificare a stratului de suprafata.

-2-

Tema de proiectare

Pentru produsul:arbore pinion conic, serie mare de fabricatie,avend o duritate a suprafetei,HV=1000-1100(69.970.2 HRC), grosime de strat durificat,=0.2-0.3 mm si o duritate a miezului 32-35HRC, se cere sa se stabileasca:materialul optim care sa asigure cerintele de performanta, rezultatul din calculul tehnico-economic si care este adoptat posibilitatilor firmei constructoare.

-3-

1.Analiza functionala, constructiva si tehnologica a produsului. Stabilirea principala a itinerariului tehnologic de prelucrareArborii sunt organe de masini cu miscare de rotatie, utilizate pentru transmiterea momentului de torsiune la piesele care sunt montate pe arbori. In majoritatea cazurilor, arborii au si rolul de a mentine pozitia axei de rotatie a elementelor cu care sunt asamblati. Arborii sunt organe de masini ce se rotesc in jurul axei lor geometrice si transmit momente de rasucire, respectiv puteri. Acestia sunt solicitati in principal la torsiune si incovoiere; sunt organe foarte importante, datorita raspndirii lor si a rolului mare ce-l joaca in buna functionare a masinilor, agregatelor, utilajelor. Rolul functional al arborilor este transmiterea momentului de torsiune pune in evidenta solicitarea permanenta a acestor organe de masinitorsiunea, in cazul in care arborii au si rolul de a mentine pozitia axei de rotatie a elementelor sustinute, solicitarea de torsiune a acestora este insotita si de o solicitare de incovoiere, cauzata de fortele cu care actioneaza organelle sustinute asupra arborilor.(fortele din angrenare) Multitudinea constructiilor care necesita folosirea arborilor justifica atentia care trebuie acordata calculului si constructiei acestora(fig 1). Clasificarea arborilor se face dupa mai multe criterii: a)dupa forma-arbori drepti-in constructie masiva -in constructie tubulara -arbori cotiti b)dupa modul de rezemare-static determinati -static nedeterminati c)dupa pozitia in fluxul energetic-motori -intermediari -condusi(de iesire) d)dupa modul de comportare la vibratii-rigizi(r< cr) -elastici(r> cr)

-4-

Fig 1 Forma constructiva a arborelui depinde de sarcinile care actioneaza asupra cestuia si prin urmare de metoda de legatura dintre arbore si piesele montate pe acesta. La proiectarea solutiei constructive a arborelui trebuie sa se ia in considerare : marimea rezistentei la oboseala prin reducere concentratorilor; realizarea unei pozitii corecte a pieselor montate pe arbore si, in special, sprijinul axial correct al acestora; asigurarea tehnologicitatii arborelui la un cost minim. Principala sursa de concentratori de eforturi unitare o constituie trecerile de sectiune(treptele de diametru); modul de realizare a acestor trepte stabilind insa prelucrabilitatea arborelui, accesibilitatea pietrei de rectificat si sprijinul axial al pieselor montate pe arbore. Se recomanda ca treptele de diametru sa fie executate prin raze de racordare cat mai mari posibile(fig 2). Utilizarea treptelor de diametru ca reazem pentru sprijinul axial al pieselor montate pe arbore, precum si accesibilitatea pietrei de rectificat in zona de trecere de la un diametru la altul este obtinuta prin canalele de trecere(fig.3). Fig 2

-5-

Fig 3

Canalele de pana, sursa importanta a concentrarii de eforturi unitare, trebuie realizate cu capetele rotunjite. Se recomanda ca trecerea de la partea canelata a arborelui la celelalte parti ale acestuia sa se realizeze prin raze de racordare cat mai mari posibile. In unele cazuri se construiesc arbori drepti pe care sunt fixate in consola roti dintate sau roti stelate pentru transmisii cu lant, sau saibe pentru transmisii cu curea, ceea ce provoaca eforturi unitare mari in arbore si totodata descentrarea organelor de masini fixate pe arbore fata de axa geometrica de simetrie a lagarelor. O deosebita atentie trebuie acordata axei de simetrie deformate a arborelui in cazul in care pe acesta sunt fixate roti dintate, intruc`t deformatii pronuntate ale acesteia creeaza o pronuntata lipsa de parallelism a axelor rotilor dintate, care provoaca o inadmisibila neuniformitate a repartitiei presiunilor pe flancurile in contact ale dintilor. Un exemplu il constituie arboreal cu roata dintata conica reprezentata in (fig.4) la care , datorita apropierii dintre lagarul 4 si roata dintata 5, deschiderea consolei c este foarte redusa. Lagarele cu role 3 si 4 preiau numai sarcini radiale, iar lagarul cu bile 2, posed`nd un singur r`nd de bile, preia intreaga sarcina axiala, caci jocul cu care este fixat lagarul in carcassa impiedica transmiterea fortelor radiale. Fixarea radiala a tuturor pieselor montate pe arbore are loc prin piulita 1. Modul de fixare pe arbore a organelor de masini ca sI tipul lagarelor influenteaza forma arborelui. Utilizarea lagarelor de alunecare implica existenta unor fusuri lungi , iar utilizarea lagarelor de rostogolire implica existenta unor fusuri scurte(fig.5)

-6-

Fig 4 Fig 5 Masinile unelte existente pot de asemenea sa influenteze asupra formei arborilor.Astfel, daca nu pot fi frezati dinti direct pe arbore din lipsa unei freze corespunzatoare , se vor utilize roti dintate detasabile ce se fixeaza pe arbore. Conditiile de montaj pot de asemenea sa influenteze forma arborilor.Astfel, in (fig 6) se prezinta montajul separate al rotii dintate fata de lagar, ceea ce complica forma arborelui. In (fig.7) se prezinta montajul comun al rotii dintate si al lagarului, ceea ce simplifica forma arborelui.

Fig 6 Fig 7 Majoritatea arborilor sunt formati din tronsoane de diametre diferite (in treapta), urmarindu-se prin aceasta , pe de o parte ,iar pe de alta parte, realizarea unui profil al arborelui c`t mai apropiat de solidul de egala rezistenta la flexiune (fig.8)

Fig 8

Asamblarea dintre arbore si organelle de masini montate pe acesta , care trebuie sa asigure transmiterea sau preluarea momentelor de torsiune se poate realize prin caneluri (fig.9), pene (fig 10,11,12,13, 14), surub (fig.15), stift (fig.16,17, 18), clema (fig.19)-7-

Fig 9

Fig 10, 11, 12, 13

Fig 14

Fig 15

-8-

Fig 16

Fig 17

Fig 18

Fig 19

In cazul arborilor de diametru constant, rolul treptelor este preluat de inele ce se fixeaza in stare rece sau calda pe arbore. Daca inelul se fixeaza in stare rece prin presare pe arbore, atunci trebuie plasat la extremitatile arborelui, deoarece deplasarea inelului prin impingere pe o anumita portiune din arbore ar putea provoca deteriorarea suprafetei arborelui sI a inelului, si, ca urmare , slabirea fixarii. Pentru fixarea pe arbore a organelor de masin ice nu transmit momente de torsiune se va evita utilizarea canelurilor sau a penelor . In fig.20 se indica modalitatea de montare pe arbore a rotilor dintate intermediare si a satelitilor de la angrenajele planetare. C`nd este posibil, pentru a descarca arboreal de solicitare la torsiune, organelle de masini plasate pe acesta se leaga prin intermediul mansoanelor de torsiune.(fig.21)

Fig 20

Fig 21 Pentru a mari capacitatea de rezistenta a arborilor se utilizeaza at`t imbunatatiri de naturea constructiva c`t si imbunatatiri de natura tehnologica in cadrul procesului de fabricatie a acestora. Imbunatatirea constructiei arborilor consta in gasirea forme mai rationale care sa permita diminuarea-9-

concentrarii eforturilor unitare in regiunile de trecere de la un tronson la altul. Raza de curbura a curbei generatoare a suprafetei de racordare a doua tronsoane adiacente din arbore trebuie sa fie cat mai mare. Daca din motive constructive raza de curbura a curbei generatoare a suprafetei trebuie mentinuta mica este necesar sa se prevada degajari in umarul arborelui (fig 22 sau sa se monteze un inel de distantare (fig.23) folosind in acelasi timp degajarea in arbore pentru a se putea efectua rectificarea suuprafetei . In fig.24 si 25 sunt doua tipuri de canale de pana si anume: canalul din fig 26 a fost realizat cu freza disc, iar cel din fig.27cu freza deget.

Fig 22 Fig 23 Fig 24 Fig 25 Procedeele tehnologice de majorare a capacityatii de rezistenta constau in selectionarea judiciousa a materialului de constructie si a tratamentelor termice sau termochimice ce urmeaza sa fie aplicate arborilor. In scopul micsorarii uzurii fusurilor suprafata acestora se supune unui tratament termic (calire superficiala) sau termochimic (cementare,nitrurare), in special in cazurile in care uleiul este ancrasat cu impuritati si provoaca uzura abraziva a fusurilor. Tehnologicitatea semifabricatelor Tin`nd seama de pretul materialului, costul prelucrarii mecanice si consumul de energie, semifabricatele utilizate pentru obtinerea diferitelor piese trebuie stabilite si pe baza unor criterii economice. Tendinta in tehnologia moderna este de a utiliza semifabricate avind forma si dimensiunile cit mai apropiate de cele ale pieselor finite. Pentru obtinerea pieselor de complexitati diferite, elaborarea semifabricatelor se pot face prin turnare, matritare sau sudare. Tehnologicitatea semifabricatelor turnate. In fabricatia motoarelor, compresoarelor, turbinelor etc. Greutatea pieselor executate din semifabricate turnate ajunge 70-80% din greutatea totala a produsului, de aceea imbunatatirea tehnologicitatii constructiei pieselor turnate poate atrage dupa sine importante efecte economice in procesul de fabricatie al intregului produs.

- 10 -

Semifabricatele turnate trebuie sa aiba forme constructive c`t mai simple, cu contururi line si este recomandat sa se evite ramificarea peretilor interiori ai piesei turnate. Simplificarea constructiei conduce la reducerea costului modelelor, cutiilor cu miezuri, cochilelor pentru turnare. Configuratia semifabricatului turnat trebuie sa asigure posibilitatea scoaterea modelului din forma si a miezului din cutii. In acest scop se prevad inclinari constructive ale peretilor piesei(fig 26), cu precizarea valorii unghiului .

Fig 26

Fig 27

Fig 28

La proiectarea formei piesei trebuie sa se evite pereti de dimensiuni si grosimi mari deoarece pot aparea sulfuri si zone poroase(fig 27), care determina scaderea rezistentei materialului piesei. De asemenea, trebuie sa se tina seama de contractia materialului la trecerea din stare lichida in stare solidda si la racirea ulterioara p`na la temperatura normala. Din cauza vitezelor diferite de racire a peretilor grosi si a celor subtiri a piesei turnate, fr`narea termica de contractie conduce la formarea tensiunilor interne, deformarea semifabricatului si chiar aparitia de crapaturi(fig 28). In vederea micsorarii volumului de munca necesar realizarii semifabricatelor turnate la proiectarea pieselor este necesar ca forma constructiva a acestora sa fie compusa din elemente c`t mai simple si avantajoase pentru executia modelelor(fig 29). Tehnoligicitatea semifabricatelor matritate. La proiectarea pieselor pentru care semifabricatele urmeaza a fi obtinute prin matritare trebuie avute in vedere unele aspecte specifice. Astfel, forma semifabricatului matritat trebuie sa permita scoaterea usoara a acestuia din matrita. Pentru aceasta suprafetele laterale ale semifabricatului trebuie sa aiba inclinari de matritare(fig 30), stabilite in raport cu marimea adaosului de prelucrare. Trecerile intre diferite sectiuni trebuie racordate cu raze de racordare suficient de mari, deoarece conditiile tehnologice ale matritarii nu admit unghiuri si muchii ascutite in locasurile matritei. Constructia piesei trebuie sa admita de regula, o suprafata de separatie plana, deoarece in acest caz se simplifica si se ieftineste executia matritelor. Suprafata de separtie trebuie- 11 -

dispusa pe c`t posibil astfel inc`t de ambele parti ale acesteia sa se afle acelasi volum de metal, adica sa coincida cu planul de simetrie al piesei(fig 31).

Fig 29

Fig 30

Fig 31

Piesele cu configuratie complicata pot fi impartite in doua sau mai multe bucati, cu forme maisimple care se imbina apoi prin sudare. De asemenea terbuie sa se urmareasca reducerea la minim a deseurilor de metal pentru caprelucrarile ulterioare prin aschiere sa fie c`t mai simple. Tehnologicitatea semifabricatelor sudate. In cazul semifabricatelor sudate se recomanda sa se analizeze comportarea metalului sau aliajului din punct de veder metalurgic, constructiv si tehnologic. Aspectul metalurgic se refera la transformarile structurale si schimbarile proprietatilor fizico mecanice. Comportarea constructiva ia in considerare influienta configuratiei geometrice a ansamblului sudat asupra rezistentei privind solicitarile la care este supus, iar comportarea tehnologica tine seama de conditiile ce trebuie indeplinite in fazele de pregatire a sudarii, in cele de tratament termic si prelucrarii mecanice ulterioare. La proiectarea semifabricatelor sudate se va urmarii asigurarea accesului electrodului pentru a se putea efectua in cele mai bune conditii operatia(fig 32.a), se vor evita realizarea imbinarilor in zone cu diferente mari de sectiuni(fig 32.b) sau in cele supuse la solicitari(fig 32.c), pentru a nu slabii rezistenta materialului.

Fig 32 Material si tehnologie- 12 -

Materialul arborilor se allege in functie de scopul si conditiile impuse acestora , modul de rezemare, tehnologia adoptata. Principalele materiale folosite in constructia arborilor sunt: -oteluri carbon OL44; OL50; OL60; -oteluri carbon de calitate OLC25; OLC35; OLC45; -otelurile aliate cu crom, crom nichel, crom-mangan -otelurile turnate sau fontele de inalta rezistenta Executarea arborilor din oteluri aliate este justificata numai in cazul in care constructia impune acest lucru (pinioane executate corp comun cu arboreal) sau in cazul arborilor puternic solicitati , la care se impugn conditii de gabarit sau greutate(arboriii din transmisiile autovehicolelor). In toate aceste cazuri, prelucrarea arborelui trebuie realizata atent, intruc`t cresterea rezistentei la oboseala a otelului aliat este insotita de marimea sensibilitatii acestuia la concentrarea tensiunilor. Asigurarea rezistentei la oboseala a arborelui si a rezistentei la uzare a fusurilor acestuia trebuie sa se realizeze prin forma constructiva si prin tratamente de suprafata - mecanice, termice si termodinamice si numai in ultima instanta prin folosirea de oteluri aliate. Fontele de inalta inalta rezistenta folosite in constructia arborilor de dimensiuni mari si a celor cu forme complicate, ofera avantajul unor importante economii de material si manopera. Sensibilitatea mai redusa la concentrarea tensiunilor, precum si proprietatea de amortizare a vibratiilor reprezinta, de asemenea, avantaje ale folosirii fontei la executia acestor organe de masini. Alegerea semifabricatului pentru arbori este determinata de scopul, importanta si dimensiunea acestora. Astfel, se intrebuinteaza semifabricate : -laminate trase precis, pentru arbori cu d < 140amms -laminate cu forjare ulterioara -forjate din lingouri, pentru arbori de dimensiuni mari -matritate la dimensiuni si productii care permit si justifica executia matritelor -furnale Prelucrarea ulterioara a arborilor se realizeaza prin aschiere : strunjire, rugozitatea fiind in functie de destinatia si importanta arborelui; strunjire urmata de rectificare, pentru care suprafetele fusurilor si ale suprafetelor pe care se monteaza piesele sustinute de arbore, atunci c`nd ajustajele care trebuie obtnute impun o precizie ridicata. O importanta deosebita trebuie acordata obtinerii unei rugozitati corespunzatoare pentru suprafetele arborilor solicitati la sarcini variabile importante.- 13 -

Cauzele ce conduc la distrugerea arborilor in principal sunt : suprasolicitaarile ce actioneaza periodic sau alterativ; ruperi la oboseala(HC < 105); socuri sau vibratii. Tratamente termice In functie de materialul si semifabricatul folsit, de tipul arborilor si procesul de fabricatie aplicat, se recomanda urmatoarele tartamente termice : Dupa forjare, inainte de pelucrarie mecanica, in scopul refacerii structurii si maririi prelucrabilitatii prin aschiere, se aplica un tartament termic de recoacere. Semifabricatul introdus in cuptor este incalzit la cca. 8500C, mentinut la aceasta temperatura c`teva ore, dupa care se face o racire lenta in cuptor. Dupa prelucrarile mecanice de degrosare, pentru imbunatatirea proprietatilor mecanice se aplica un tratament termic de imbunatatire(calire + reveniire inalta). Pentru calire piesele se incalzesc in cuptor la temperatura la cca. 8500C(fig 33), se mentin

Fig 33 c`teva ore la aceasta temperatura - functie de dimensiune dupa care se face o racire in ulei. Temperatura pentru revenirea inalta este de cca. 6500C, cu mentinere la aceasta temperatura c`teva ore, urmata de o racire in aer. Dupa strunjireaa de semifinisare, pentru a reduce valoarea tensiunilor interne din material, se mai aplica asupra arborilor un tratament termic de detensionare la cca. 6000C, foosind o viteza de incalzire si de racire mica. Conditii tehnice de pelucrare. Cu toate ca arborii sunt piese grele si de dimensiuni mari, se cere realizarea unor bune precizii dimensionale, de forma si de calitatea suprafetelor impuse de documentatii. -arborii se prelucreaza cu tolerante relativ str`nse, corespunzatoare clasei de precizie 7 ... 9 si a unei rugozitati Ra = 0,4 ... 3,2 m, preiczia si netezimea mai buna se refera la fusuri, in zona presarii discurilor si la canalelede pana. -bataia radiala admisibila fata de axa geometrica in diferite portiuni nu trebuie sa depaseasca la fusuri 0,01 ... 0,02 mm, iar diametrul exterior al discului arborelui monobloc 0,04 mm -ovalitatea si conicitatea admisa la fusuri sa nu depaseasca 0,015 ... 0,025 mm- 14 -

-tolerantele de precizie la prelucrare, pe diametrul exterior al discului arborilor monobloc se admite 0,2 mm -excentricitatea admisa pentru orificiul central fata de axa geometrica nu trebuie sa depaseasca 0,25 mm -inclinarea admisibila a canalului de pana fata de axa arborelui, se admite de cel mult 0,020 mm, pentru pentru fiecare 100 mm lungime de canal Procesul tehnologic de prelucrare mecanica al arborilor este compus dintr un numar mare de operatii si faze, etapele mai importante sunt : alegerea si prelucrarea bazelor de asezare, prelucrarea de degrosare, prelcrarea de semifinisare, prelucrarea de finisare si operatii de control. Prelucrarile mecanice : 1) Alegerea si prelucrarea bazelor de asezare pentru majoritatea operatiilor de prelucrare mecanica, arborele se aseaza intre v`rfuri si pentru descarcarea partii centrale se sprijina pe lunete. Pentru realizarea suprafetelor de asezare a arborelui se executa mai multe operatii si faze. Dupa forjare si recoacere se executa frezarea suprafetelor frontale la cele doua capete ale arborelui, folosind masini de frezat orizontale, asezarea presei fac`ndu se pe suprafete brute. Pentru operatia de trasare, semifabricatul se aseaza pe masa de trasaj si se stabilesc in sectiuni diametrul treptelor si adaosurile de prelucrare(fig 34). Av`nd trasat arborele, se executa prelucrarea celor doua orificii de centrare cu strunguri sau masini de alezat(fig 35), unde prelucrarea incepe cu burghierea gaurii de diametru(d), a carei marime deepinde de diametrul(D) al arborelui. Dupa executarea bazelor tehnologice principale, arborele se instaleaza intre v`rfuri si se prelucreaza prin strunjire locasul pentru luneta.

- 15 -

Fig 34

Fig 35

2) Prelucrarea de degrosare degrosarea suprafetelor cilindrice exterioare a arborilor se face pe strunguri orizontale de mare capacitate, cu mai multi suporti, ce permit prelucrarea concomitenta a mai multor suprafete. Semifabricatul centrat intre v`rfuri si ingustat pe lunete este antrenat de la capete. Pentru inlaturarea adaosurilor neuniforme, cu scopul evitarii arborelui in timpul rotirii si pentru descarcarea partii centrale, strunjirea incepe cu portiunea de diametru maxim, de o parte si de alta a locasului pentru luneta in ordinea aratata in fig 36 Prelucrarea gaurii centrale se face in doua etape : gaurirea inaintea tratamentului termic de imbunatatire si prelucrarea de finisare dupa tratamentul termic. Preluvrarea gaurii centrale se executa la masini unelte speciale de gaurit sau pe strunguri inzestrate cu dispozitive speciale. In fig 37 este schema de lucru a unui strung echipat pentru gaurirea unui arbore monobloc. Un capat al arborelui (1) e fixat in universal, iar celalat pe luneta (8). Pe suportul (7) si paousa mobila (6) se instaleaza burghiul (2) cu ghidajele (3) si axul (4). Prin furtunul de la pompa (9) circula lichidul de racire ungere. In timpul gauririi se roteste arborele, iar burghiul executa avansul, evit`ndu se devierea burghiului si rezult`nd o gaura centrala corecta.

Fig 36

Fig 37

- 16 -

3) Prelucrarea de semifinisare - incepe dupa efectuarea tratamentului termic si se caracterizeaza prin prelucrari in scopul verificarii materialului si pentru uniformizarea adaosului, respectiv imbunatatirea preciziei. Pentru controlul structurii si proprietatilor mecanice ale materialului se procedeaza la trasarea unor inele de proba de la ambele capete ale arborelui(fig 38), care se prelucreaza prin strunjire, slefuire si se supun incercarilor corespunzatoare.

Fig 38 Dupa indepartarea capetelor, prin taierea probelor, se procedeaza o noua trasare si o prelucrare a gaurilor de centrare, respectiv a locasului pentru luneta. 4) Prelucrarea de finisare. Dupa efectuarea tratamentului termic de detensionare, arborele se verifica printr o operatie de trasare daca nu s au produss eventuale deformatii si se stabilesc totodata adaosurile de prelucrare pentru prelucrarile de finisare. Prelucrarile de finisare incep cu strunjirea cilindrica exterioara de o parte si de cealalta a lunetei, arborele fiind instlat intre v`rfuri. Prin aceasta operatie, av`nd un numar relativ mare de faze, se stabilesc dimensiunile geometrice si tolerantele prescrise ale arborelui. Frezarea canalelor de pana se executa la masini de frezat verticale cu freze deget, tin`ndu se seama de instalare si pozitionare corecta a arborelui pe masa masinii unelte. Inainte de frezare se face trasarea, care urmareste ca planul de simetrie al canalului de pana sa treaca prin axa geometrica a arborelui si totodata dimensiunile si precizia sa fie comform desenului de executie. Prelucrarile de finisare se incheie cu gauriri, largiri, filetari, respectiv lucrari de lacatuserie(ajustari). 5) Fabricarea arborilor sudati folosirea arborilor sudati se datoreste greutatilor int`mpinate la obtinera pieselor mari forjate(10 ... 12 tone) de calitate superioara si a pretului de cost ridicat. Fabricarea arborilor sudati. Folosirea arborilor sudati se datoreste greutatilor int`mpinate la obtinerea pieselor mari forjate(10 ... 12 tone) de calitate superioara si a preturilor de cost ridicat. Independent de cauzele care au condus la fabricarea arborilor de turbine sudati, ei prezinta multe avantaje :- 17 -

-pentru un arbore sudat se utiizeaza piese forjate de dimensiuni si greutati mici, ceea ce simplifica si usureaza elaborarea semifabricatului, prelucrarea si controlul -arborele sudat are greutate mai mica si o buna rigiditate. Are stabilitate termica buna, nu se deformeaza la solicitari si lucreaza bine la temperaturi ridicate -diferitele parti, in functie de temperaturile de functionare, pot fi confectionate din diverse marci de otel Dezavantajul arborelui sudat poate fi cauzat de rezistenta mai mica a cusaturilor de cea a metalului de baza. De aceea, importanta deosebita prezinta: alegerea corecta a electrozilor, tehnologia sudarii buna si corectitudinea tratamentului termic. Im fig.39 se arata schema tehnologica de realizarre a unui semifabricat de turbina sudat de 9,5 tone.Materialul celor 7 elemente (discuri) componentele arborelui este un otel slab aliat . Instalarea arborelui in vederea sudarii se face in pozitie verticala,folosindu-se o dispozitivare speciala pentru rigidizare, respectiv evitarea deformatiilor. Dispozitivul 1 are ca parti importante doua discuri si 3 ... 5 tiranti amplasati pe circumferinta.Str`ngerea tirantilor se verifica cu ajutorul tensometrelor. Intre discuri ,pe circumferinta cu placi de distantare 2, grosimea acestora se alege in functie de contractia axiala a cusaturii, care s-a determinat in prealabil la sudarea unor machete. Discul de asamblat se incalzeste si se aseaza pe placa de distantare, in mod identic se va proceda si cu urmatoarela elemente p`na la asamblarea completa a arborelui. Sudarea este electrica. In cazul folosirii otelurilor austenitice nu se recomanda incalzire prealabila a elementelor componente ale arborelui, deoarece aceste oteluri prin incalzire favorizeaza formarea fisurilor, at`t in metalul depus c`t si in cel de baza. Pentru micsorarea tensiunilor in material, dupa sudare se incalzeste arborele la 8500C, se mentine la aceasta temperatura 10 ... 15 ore, urmata de o racire in cuptor.

- 18 -

Prelucrarea mecanica a unui arbore sudat parcurge,in general, acelasi itinerariu tehnologic ca si un arbore forjat. Operatii de control. Controlul asupra arborilor se face in cursul procesului de fabricatie si dupa terminarea prelucrarilor mecanice in cadrul controlului final. Este un control individual care se face conform documentatiei si normelor interne ale uzinelor producatoare de arbori. -Determinarea proprietatilor mecanice si verificarea tensiunilor remanente in materia se face dupa degrosare si tratamentul termic de imbunatatire, folosind metoda inelelor taiate din semifabricate ca si in cazul discului sau folosind metoda tensometrica; -Verificarea existentei fulgilor, fisurilor sau incluziunilor nemetalice se face dupa degrosare si tratamentul termic de imbunatatire si consta prin decaparea cu solutie diluata de acid azotic a partilor mai groase ale arborelui; -Verificarea distribuirii uniforme a sulfului si fosforului, prin luare de amprente, in sectiunile unde se presupune ingramadire de sulf(parti frontale, fusuri, parti mai groase, etc.); -Verificarea periscopica la arborii care au gaura centrala, in scopul depistarii eventualelor fisuri, defecte, etc. Pentru aceasta se foloseste un dispozitiv optic(periscop) compus dintr un tub cu fanta, in dreptul careia sub un unghi de 450 se afla o oglinda iluminata cu ajutorul unui bec. Printr o deplasare axiala si rotire se poate verifica intreaga suprafata a ggaurii centrale; -Verificarea termica a arborelui se face dupa degrosare in scopul stabilirii omogenitatii materialului, coinciderea axei piesei forjate cu cea a lingoului, respectiv o verificare la incovoiere la temperatura de functionare. Verificarea termica se face pentru arborii care in conditii de lucru au temperatura cel putin 3000C. Semifabricatul este introdus in pozitie orizontala intrun cuptor electric (fig 40), este instalat pe doua lagare speciale si este rotit prin intermediul unor reductoare. Termocuple speciale legate cu potentiometrul masoara temperatura cuptorului si a metalului, iar indicatoare plasate in diferite puncte(3 la mijloc si 2 la capete) masoara incovoierea arborelui.

- 19 -

Fig 40 Verificarea termica consta in incalzirea lenta a arborelui, aflat in rotatie permanenta(3 ... 4 rot/min) in cuptor, p`na la temperatura de exploatare, mentinerea la temperatura maxima 8 ... 12 ore, urmata de o racire lenta in cuptor. Inregistrarea temperaturilor, respectiv a incovoierilor se face pe tot parcursul incercarilor la intervale de cca. 30 minute. Rezultatele controlului se considera pozitive daca nu se constata la arbore incovoiere in timpul inclzirii sau daca incovoierea minima ram`ne invariabila in timpul mentinerii la temperatura macima si de racire. Valoarea sagetii de incovoiere, la temperatura maxima de mentinere, se recomanda sa nu depaseasca prescriptiunile; -Controlul executiei canalelor de pana se face cu sabloane speciale(fig 41) care se orienteaza fata de suprafata exterioara a arborelui. Se verifica pozitia corecta a canalelor de pana fata de axa arborelui si racordurile dintre peretii laterali si fundul canalului de pana. In cazul arborilor cu douar`nduri de pene, verificarea paralelismului intre planul de simetrie al canalelor de pana si axa arborelui se face cu ajutorul unui compas special (fig 42.

Fig 41

Fig 42

- 20 -

Compasul cu brate (1) se aseaza intr o pozitie in care se asigura contactul intre rolele (2), penele si suprafata arborelui. Placa (5) prin surubul (6) fixeaza aceasta pozitie. Tija comparatorului (4) se lasa in jos si se stabileste contactul cu suprafata arborelui; se noteaza indicatiile comparatorului. Dupa ce s a facut masurarea de o parte a arborelui, operatia se repeta si de cealalta parte(simetric). Rezultatele ambelor citiri trebuie sa fie identice si diferenta intre ele nu poate avea loc dec`t in cazul cand planul de simetrie al ambelor pene nu trece prin axa arborelui. Dupa terminarea pelucrarilor mecanice, in cadrul controlului final se examineaza raportul se verifica dimensiunile elementelor principale ale arborelui calitatea suprafetelor, pe baza documentatiei constructive si tehnologice.

2. Definirea matricei de proprieti ale materialelor candidate, ierarhizarea acestora i aprecierea factorilor de pondere.Proprietile ce vor fi luate n considerare pot fi mprite n 2 categori: proprieti de exploatare i proprieti tehnologice. Aceasta matrice de proprietati cuprinde: -rezistenta la oboseala -tenacitatea -calibilitatea -prelucrabilitatea prin aschiere -limita de curgere -rezistenta la uzare -sudabilitatea La otelurile de imbunataatire un rol important il au conditiile de revenire acestea determin`nd caracteristicile mecanice din piesa respectiva. Prin clibilitate se nelege ad`cimea de ptrundere a clirii, respectiv grosimea stratului cu structur sau duritate cel puin semimartensitic.- 21 -

Duritatea semimartensitic este considerat ca fiind duritatea medie a unei structuri formate din 50% martensit i 50% constitueni de treapt perlitic (de obicei troostit) sau bainitic.. Clibilitatea are un rol major n determinarea duritii att n suprafa ct i n miez. Durificarea prin clire asigur o bun rezisten la torsiune i o foarte bun rezisten la contact. Indicii de apreciere a clibilitii unui oel sunt: -viteza critic de clire, definit prin viteza minim de rcire, care asigur transformarea integral a austenitei n martensit; ea se determin din diagramele de transformare izoterm sau anizoterm a austenitei; -diametrul critic ideal, este diametrul maxim al probei din oelul considerat, care prezint n centru o structur semimartensitic n cazul rcirii ntr-un mediu ideal, adic ntr-un mediu care preia instantaneu ntreaga cldur din prob; -diametrul critic real, adic diametrul maxim al probei din oelul considerat, care prezint n centru o structur semimartensitic, la rcirea ntr-un mediu real; -lungimea (distana) critic, adic distana de la captul clit al epruvetei Jominy pn la zona cu structur martensitic. Prelucrabilitatea se refer la capacitatea materialului de a putea fi prelucrat prin achiere, turnare, forjare, matriare, sudare sau deformare plastic. Dac piesa considerat va fi durificat prin tratament termic, proprietatea tehnologic va fi clibilitatea. Termenii indicatori de prelucrabilitate i evaluarea prelucrabilitii sunt folosii ca msuri calitative i relative ale prelucrabilitii unui oel n condiii specifice. Estimrile prelucrabilitii sunt de obicei raportate n procente ale vitezei de achiere pentru un oel de referin. Calitatea suprafeei finisate este un alt mijloc de estimare a prelucrabilitii materialelor. Coninutul de carbon are un efect dominant asupra prelucrabilitii oelurilor carbon, n special din cauz c aceast se determin rezistena, duritatea i ductilitatea. Tenacitatea este una din caracteristicile complexe ale oelurilor carbon de calitate, fiind o rezultant a duritii i respectiv ductilitii unui oel aflat ntr-o anumit stare de tratament termic. Tenacitatea unui oel este funcie de compoziia sa chimic, gabaritul arborelui, structur i chiar de starea suprafeei acestuia, este legat direct de temperatura de tranziie ductilfragil , respectiv de rezistena la rupere fragil a materialului.

- 22 -

Rezistena la oboseal este principala cauz a deteriorrii arborilor, cu scoaterea acestora din uz, urmat de ntreruperea procesului tehnologic, reparaiile fcndu-se cu costuri mari. Rezistena la oboseal este n primul rnd verificarea formei arborelui i a dimensiunilor acestuia. Aceast verificare se face n funcie de material, prelucrare, dimensiuni, form constructiv, condiii de exploatare, starea suprafeei. Verificarea la oboseal se face n seciunile periculoase n special unde exist concentrri importante de tensiuni. Prin aceast verificare se poate ine seama de un numr nsemnat de factori care influeneaz capacitatea portant a arborelui: material, prelucrare, form, dimensiune, condiii de exploatare, felul ciclului. Verificarea la oboseal const n determinarea coeficienilor de siguran fa de solicitarea normal i cea tangenial i compunerea coeficienilor de siguran pariali ntr-un coeficient de siguran rezultani. Limita de curgere. Cu ct aceasta este mai mare cu att diametrul arborelui va fi mai redus i deci prelucrarea prin sudare va fi mai bun. Rezistena la uzur a oelurilor este dependent de duritate, dar n aceeai msur este determinat i de ali factori: compoziia chimic, structur, natura, fineea i distribuia constituenilor structurali, ndeosebi a carburilor. Rezistena la uzur depinde i de proprietile de rezisten ale materialului, mrimea tensiunilor, coeficient de frecare Aplic`nd metoda logicii decizionale: l =n ( n 1) , unde n numr de 2

proprieti, va rezulta c numrul de rezultate pozitive va fi 15. Acest numr va fi mprit la fiecare din cele 6 proprieti n funcie de importana pe care o au acestea. Factorul de pondere se calculeaz prin mprirea numrului deciziilor pozitive ale fiecrei proprieti la numrul total de decizii. n felul acesta se obin factorii de pondere care se trec n tabelul de mai jos. Cea mai mare pondere o au clibilitatea i rezistena la oboseal. La captul opus se afl prelucrabilitatea i rezistena la uzur. Pentru a stabili factorii de pondere se aplica metoda logicii decizionale: n( n 1) 7 x6 l= = = 21 , unde: n=numar de proprietati.2 2

- 23 -

Decizii luate n procesul de determinare a factorilor de pondereProprietati1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 7 8 9

Numar decizie10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 1 0

os oi KCU Puritatea Ereditatea granulara Aschiab. Clib.

Matricea de proprieti cu factorii de pondereProprietatea Rezistena la oboseal prin contact pulsatoriu Rezistena la oboseal prin ncovoiere pulsatorie Rezilienta (Tenacitatea) Puritatea materialului Ereditatea granular Prelucrabilitatea prin achiere Clibilitatea Total: Decizii pozitive 6 3 4 1 1 1 5 21 Factorii de pondere 6/21= 0,285 3/21= 0,142 4/21= 0,19 1/21= 0,047 1/21= 0,047 1/21= 0,047 5/21= 0,238 1

- 24 -

3. Selecia materialului i a proceselor tehnologice de prelucrare. Proiectarea indicelui de performan

Principalele criterii tehnice care determin alegerea unui oel pentru un organ de main sunt: asigurarea funcionalitii i a durabilitii piesei ca atare i a ansamblului n care este inclus; posibilitile de punere n oper. La acestea se adaug criteriile economice care nu trebuie neglijate i dintre care se amintesc: costul oelului, costurile de fabricaie. La alegerea materialelor, factorul cel mai important l constituie stabilirea prealabil a concepiei proiectrii. Proiectarea constructiv", de stabilire a formei definitive a pieselor, este esenial, mai ales c forma geometric exercit o influen preponderent asupra funcionalitii i durabilitii acestora. De obicei, forma este determinat n primul rnd de condiiile funcionale i de tehnologia de realizare ale piesei respective.

. 3.1Alegerea preliminar a cel puin 5 mrci de materiale candidate Marci de materiale candidate: 1) 2) 3) 4) 5) 15Cr9 21MoMnCr12 17MoCrNi14 13CrNi30 20MoNi35

- 25 -

3.1.1.a)15Cr9 Compoziia chimic, formele de livrare i domeniile de utilizare ale oelului

Calitate C s x xs 0.120.18 0.40-0.70 Mn Si

Compoziia chimic, % P Max. 0.035 0.17-0.37 Max. 0.025 0.02-0.035 S Max. 0.035 0.02-0.04 Max. 0.025 0.70-1.00 Cr

Forma de livrare:produs plat laminat la rece,profile laminate la cald,semifabricate pt forjare. Domenii de utilizare:organe de masini si piese tratate termic

3.1.2.a.) Temperatura critic i tratamente termice recomandate pentru oelul 15Cr19Temperaturi Ac1=735 Ac3=820 Tratamente termice T0C recomandate Recoacere de muiere 650-700 Normalizare Cemenatre Clire 1 Recoacere intermediar Clire II Revenire joas 870-900 Aer 870-900 Apa pachet 870-900 apa 630-650 Cuptor 770-820 Apa ,ulei 150-180 Aer Ms=405 Rcire Cuptor

- 26 -

3.13.a.) Unele caracteristici fizice ale oelului 15Cr19Conductivitatea termic , W/m 0C, la temperatura T, 0C Mas specific , kg/m3 20 45.76 20 452 200 43.48 200 531.6 400 34.53 400 627.9 600 34.30 600 749.2 800 30.81 800 925.1 1000 30.81 100 992

Cldura specific cp J/kg la temperatura T, 0C 7800

3.14.a.) Caracteristicile mecanice ale oelului 15Cr19 tratate termicTratament termic Grosimea sau diametrul piesei n mm Rm N/mm2 n Rp0,2 nN/mm2 As n % KCU300/2 J/cm2 n

Clire 870900+ Max 30 revenire 150-180

680-880

410

11

80

- 27 -

b) 21MoMnCr12. 3.1.1.b) Compoziia chimic, formele de livrare i domeniile de utilizare ale oelului 21MoMnCr12 .Compoziia chimic, % Calitate C s 0180.24 0.80-1.20 0.17-0.37 Max. 0.025 Max. 0.025 0.02-0.035 Mn Si P Max. 0.035 S Max. 0.035 0.02-0.04 1.00-1.40 0.20-0.30 Cr Mo

x xs

Domenii de utilizare. Organe de maini i piese tratate termic, cu ancimea de clire garantat conform curbei de clibilitate a mrcii, ca: roi dinate pentru maini grele, arbori, arbori cu came, lanuri de traciune.

3.1.2.b) Temperatura critic i tratamente recomandate pentru oelul 21MoMnCr12Temperaturi Ac1=735 Ac3=820 0 Tratamente termice TC recomandate Recoacere de muiere 650-700 Normalizare Cemenatre Clire Recoacere intermediar Clire II Revenire joas 830-860 Aer 870-890 Ulei ,pachet 860-880 Ulei 650-680 Cuptor 810-830 Ulei 170-190 Aer Ms=405 Rcire Cuptor

termice

- 28 -

3.1.3.b) Unele caracteristici fizice ale oelului 21MoMnCr12.Conductivitatea termic , W/m 0C, la temperatura T, 0C Mas specific , kg/m3 20 48.83 20 452 200 46.39 200 531.6 400 41.51 400 627.9 600 36.62 600 749.2 800 34.18 800 925.1 1000 31.74 100 992

Cldura specific cp J/kg 7800

3.1.4.b) Caracteristicile mecanice ale oelului 21MoMnCr12 tratament termicGrosimea sau diametrul piesei n mm Max 30 30-63 Rm n N/mm2 Rp0,2 nN/mm 2 As n % KCU300/2 J/cm2 n

Tratament termic Clire 860-880 0 C/ulei + revenire joas170-190 0 C/aer

980-1270 830-1080

740 590

10 11

60 60

- 29 -

c)17MoCrNi14 3.1. 1.c)Compoziia chimic, formele de livrare i domeniile de utilizare ale oeluluiCalitate C s x xs Forma de livrare:produse plate laminate la rece,profile laminate la cald,semifabricate pt forjare,otel calibrat Domenii de utilizare:organe de masini si piese tratate termic. 0.150.21 0.50-0.80 0.17-0.37 Max. 0.025 Max. 0.025 0.02-0.035 1.80-1.00 1.20-1.50 0.150.30 Mn Si Compoziia chimic, % P Max. 0.035

S Max. 0.035 0.02-0.04

Cr

Ni

Mo

3.1.2.c) Temperatura critic i tratamente termice recomandate pentru oelul 17MoCrNi14Temperaturi Ac1=720 Ac3=800 Tratamente termice T0C recomandate Recoacere de muiere 650-700 Normalizare Cemenatre Clire Recoacere intermediar 860-890 Aer 880-900 Ulei ,pachet 880-900 Ulei 650-680 Cuptor Ms=375 Rcire Cuptor

- 30 -

3.1.3.c) Unele caracteristici fizice ale oelului17MoCrNi14Conductivitatea termic , W/m 0C, la temperatura T, 0C Mas specific , kg/m3 20 48.83 20 452 200 46.39 200 531.6 400 41.51 400 590.2 600 36.62 600 749.2 800 34.18 800 925.1 1000 31.74 100 987.8

Cldura specific cp J/kg temperatura T, 0C 7800

3.1.4.c) Caracteristicile mecanice ale oelului17MoCrNi14Tratament termic Clire 860-880 0 C/ulei + revenire joas170-190 0 C/aer Grosimea sau diametrul piesei n mm Max 30 30-63 Rm n N/mm2 Rp0,2 nN/mm 2 As n % KCU300/2 J/cm2 n

980-1220 830-1130

690-590

9 10

80 100

d) 13CrNi35 3.1.1d)Compoziia chimic, formele de livrare i domeniile de utilizare ale oeluluiCompoziia chimic, % Calitate C s x xs 0.090.16 0.300.60 0.17-0.37 Max. 0.025 Mn Si P Max. 0.035 S Max. 0.035 0.02-0.04 Max. 0.025 0.02-0.035 Cr Ni

0.60-0.90

2.753.15

- 31 -

Forma de livrare:produse plate laminate la rece,profile laminate la cald,semifabricate pt forjare Domeniu de utilizare;organe de masini si piese tratate termic,coroane,bolturi pt pistoane,axe cu came.

3.1.2.d) Temperatura critic i tratamente termice recomandate pentru oelul 13CrNi35Temperaturi Ac1=715 Ac3=820 Tratamente termice T0C recomandate Recoacere de muiere 650-700 Normalizare Cemenatre Clire Recoacere intermediar Clire II Revenire joas 850-880 Aer 870-890 Ulei ,pachet 850-870 Ulei 640-670 Cuptor 760-810 Apa ulei 170-190 Aer Ms=380 Rcire Cuptor

3.1.3.d) Unele caracteristici fizice ale 13CrNi35Conductivitatea termic , W/m 0C, la temperatura T, 0C Mas specific , kg/m3 20 55.99 20 452 200 52.32 200 531.6 400 46.74 400 627.9 600 41.16 600 749.2 800 38.48 800 920..9 1000 35.69 100 987.6

Cldura specific cp J/kg temperatura T, 0C 7880

3.1.4.d) Caracteristicile mecanice ale oelului13CrNi35Tratament termic Clire 860-880 0 C/ulei + revenire Grosimea sau diametrul piesei n mm Max 30 30-63 Rm n N/mm2 Rp0,2 nN/mm 2 As n % KCU300/2 J/cm2 n

880-1170 780-1080

640-540

10 11

80 100

- 32 -

joas170-190 0 C/aer

e)20MoNi35 3.1.1.e)Compoziia chimic, formele de livrare i domeniile de utilizare ale oeluluiCompoziia chimic, % Calitate C s x xs 0.180.23 0.40-0.70 0.17-0.37 Max. 0.025 0.02-0.035 Mn Si P Max. 0.035 S Max. 0.035 0.02-0.04 Max. 0.025 3.25-3.75 0.20-0.30 Ni Mo

Forma de livrare:produse plate laminate la cald semifabricat pt forjat,otel calibrat,sarme lainate Domenii de utilizare:organe de masini si piese tratatetermic.

31.2.e)Temperatura critic i tratamente termice recomandate pentru oelul 20MoNi35Temperaturi Ac1=693 Ac3=768 0 Tratamente termice TC recomandate Recoacere de muiere 650-700 Normalizare Cemenatre Clire Recoacere intermediar Clire II Revenire joas 860-890 Aer 880-900 Ulei ,pachet 850-870 Ulei 650-700 Cuptor 730-760 ulei 170-190 Aer Ms=345 Rcire Cuptor

- 33 -

3.1.3.e) Unele caracteristici fizice ale oelului 20MoNi35Conductivitatea termic , W/m 0C, la temperatura T, 0C Mas specific , kg/m3 20 53.83 20 452 200 51.16 200 531.6 400 45.69 400 623.7 600 40.34 600 745.1 800 37.67 800 916.7 1000 34.88 100 983.7

Cldura specific cp J/kg temperatura T, 0C 7800

3.1.4.e) Caracteristicile mecanice ale oelului 20MoNi35Tratament termic Clire 860-880 0 C/ulei + revenire joas170-190 0 C/aer Grosimea sau diametrul piesei n mm Max 30 30-63 Rm n N/mm2 Rp0,2 nN/mm 2 As n % KCU300/2 J/cm2 n

930-1220 880-1120

690-640

11 11

80 100

- 34 -

3.2. Determinarea plajei de valori pentru proprietile considerate

Din standardele de material, precum i din literatura de specialitatea, a fost completat urmtorul tabel cu proprietiile de interes al acestor materiale:Material

os [N/mm2]

oi [N/mm2

KCU [J/cm2]

Puritatea Ereditatea Aschiabilitatea granulara

Clibilitate a

15Cr9 21MoMnCr1 2 17MoCrNi14 13CrNi30 20MoNi35

1 1085 1240 1240 1178 1302

2 603 727 753 723 753

3 80 60 100 100 100 5 5 5 5 5

4 8 8 8 8 8

5

6 1.87(5) 1.98(4) 3.62(3) 4.59(2) 13.35(1)

7 35.28 132.67 184.27 57.03 88.45

os = osa = 21*HRC [N/mm2] , HRC se ia din banda de calibilitate (valoarea minima la suprafata) oi = 1.5*-1 = 1.5*(0.4*Rm+50) [N/mm2], Rm se ia din tabele KCU [J/cm2] se ia din tabele Puritatea se ia maxim 5 daca nu exista oxizi si silicati Ereditatea granulara se ia functie de punctajul granulatiei N care pentru roti dintate este 7 sau 8

- 35 -

Pentru determinarea indicelui de achiabilitate, se utilizeaz o formul empiric ce se bazeaz pe compoziia chimic a materialului. Aceast formul permite determinarea vitezei de achiere la o rotaie de 60 [min-1], rotaie normal folosit pentru strunjirea de degroare. Formula este urmtoarea: V60 = 161,5 141,4*(%C) 42,4*(%Si) 39,2*(%Mn) 179,4*(%P) + 121,4*(%S) [m/min] %C, %Si, %Mn, %P, %S se ia din tabele Aprecierea clibilitii prin intermediul diametrului critic ideal se calculeaz cu relaia: Di=DbFx1Fx2Fxn

n care Db este clibilitatea de baz stabilit n funcie de coninutul n carbon al oelului i de granulaie (figura 3), iar Fx1... Fxn sunt factori de multiplicare a cror valoare se ia n funcie de coninutul n elemente nsoitoare permanente i n elemente de aliere (figura 4).

Fig. 3

Fig. 4

- 36 -

n funcie de plaja de valori a proprietiilor considerate, se va purcede la echivalarea acestora pe o scar comun, s presupunem de la 1 la 100. n acest mod, materialul cu valoarea proprietii ceea mai ridicat va primi nota maxim (100), iar restul vor fi scalate n jos, raportand nota 0 la o valoare nul a proprietii considerate. Astfel se regenereaz tabelul precedent (3) cu noile proprieti scalate n tabelul 2:Proprietat e scalata = valoarea numerica a proprietat ii 100 valoarea maxima din lista

Proprietii materialelor de interes, scalateMarc oel 15Cr9 21MoMnCr12 17MoCrNi14 13CrNi30 20MoNi35 os [N/mm2] 83.3 95.2 95.2 90.4 100 oi [N/mm2] 80.0 96.5 100 96. 100 KCU [J/cm2] 80 60 100 100 100 Puritatea 100 100 100 100 100 Ereditatea granulara 100 100 100 100 100 Aschiabilitatea Clibilitatea 5 4 3 2 1 19.13 71.4 100 30.9 47.9

3.3 Selecia materialului optim prin metoda proprietilor ponderate i prin metoda costului pe unitatea de proprietate1.Metoda proprietatilor ponderate Aceasta metoda poate fi utilizata la optimizarea selectiei materialelor atunci cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati. Fiecarei cerinte de material, sau proprietati ii este conferita o anumita pondere dependenta de importanta ei. Pentru fiecare material se vor insuma valorile individuale ale proprietatilor ponderate si se va obtine asa numitul index de performanta . Materialul cu indexul de performanta cel mai ridicat va fi considerat ca fiind optim pentru aplicatia respectiva.- 37 -

In forma ei simpla metoda proprietatilor ponderate are dezavantajul ca trebuiesc combinate unitati de masura diferite, care vor putea duce la rezultate nerationale. Fiecare proprietate este astfel scalata incat valoarea sa numerica maxima sa nu depaseasca 100. Ori de cate ori se evalueaza o lista de materiale candidate, se va lua in considerare cate o singura proprietae de o data. Cea mai buna valoare din lista se apreciaza ca fiind 100, iar celelalte vor fi scalate proportional. Pentru o proprietate data, valoarea scalata B la un material candidat va fi : B = proprietatea scalta =valoarea.numerica.a. propritatii * 100 valoarea. max ima.in.listan i =1

Indexul de performanta al materialului va fi = Bi * i ; B valori scalate; factorii de pondere;

Materiale 15Cr9 21MoMnCr12 17MoCrNi14 13CrNi30 20MoNi35

os [N/mm2] 83.3 95.2 95.2 90.4 100

oi [N/mm2] 80.0 96.5 100 96. 100

Proprietati sclate KCU Ereditatea Puritatea 2 [J/cm ] granulara 100 80 100 60 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

Aschiabi litatea 5 4 3 2 1

Clibilitat ea 19.13 71.4 100 30.9 47.9

64.48 78.81 93.67 75.24 82.54

1.Metoda costului pe unitatea de proprietate Costul pe unitatea de rezisten se calculeaz cu relaia: Cr = Cm * unde, 2/3

Cm = Costul materialului si cheltuieli de procesare; = densitatea; - 38 -

= Rm = rezistena la rupere;

Marc oel 15Cr9 21MoMnCr12 17MoCrNi14 13CrNi30 20MoNi35

Cost material [lei] RON 4,1 4,3 4,4 4,5 4,5

Cost relativ 1 1,05 1,07 1,09 1,09

Densitate [kg/m3] 7800 7800 7800 7880 7800

Rm [N/mm2] 680 980 980 880 930

Cost pe unitatea de rezisten77.32

98.66 98.66 91.83 95.27

Calculul cifrei de merit: M = Index de performan64.48

CrCifra de merit 0.834 0.799 Poziia 3 5

Marc oel 15Cr9 21MoMnCr12

Cost pe unitatea de rezisten 77.32 98.66

78.81

17MoCr Ni1413CrNi30 20MoNi35

93.6775.24 82.54

98.6691.83 95.27

0.9490.819 0.866

14 2

Se observ ca materialul cu ceea mai mare cifr de merit este 17MoCrNi14, care ofer cel mai bun indice de performan, dar i un raport foarte propice ntre proprieti i cost. n urmtoarele capitole ne vom concentra de caracterizarea acestui particular material, i de a studia metodele de

- 39 -

mbuntire a proprietiilor acestuia prin intermediul tratamentelor termice i chimice.

4. Caracterizarea proprietilor materialului selectat4.1.Compozitia chimica ,formele de livrare si domeniu de utilizareCalitate C s x xs Mn Si Compoziia chimic, % P S Cr Ni Mo

Max. 0.035

Max. 0.035 0.02-0.04 Max. 0.025 1.801.00 1.201.50 0.150.30

0.150.21

0.50-0.80

0.17-0.37 Max. 0.025

0.02-0.035

Forma de livrare:produse plate laminate la rece,profile laminate la cald,semifabricate pt forjare,otel calibrat Domenii de utilizare:organe de masini si piese tratate termic.

4. 2. Temperatura critic i tratamente termice recomandate pentru oelulTemperaturi Ac1=720 Ac3=800 Ms=375 0 Tratamente termice TC recomandate Rcire Recoacere de 650-700 muiere Cuptor Normalizare 860-890 Aer Cemenatre 880-900 Ulei ,pachet Clire 880-900 Ulei Recoacere 650-680 intermediar Cuptor

- 40 -

4. 3. Unele caracteristici fizice ale oeluluiConductivitatea termic , W/m 0C, la temperatura T, 0C Mas specific , kg/m3

20 48.83 20 452

200 46.39 200 531.6

400 41.51 400 590.2

600 36.62 600 749.2

800 34.18 800 925.1

1000 31.74 100 987.8

Cldura specific cp J/kg temperatura T, 0C 7800

4.4.Caracteristicile mecanice ale oeluluiTratament termic Grosimea sau diametrul piesei n mm Rm n N/mm2 Rp0,2 nN/mm 2 As n % KCU300/2 J/cm2 n

Clire 860880 0C/ulei + Max 30 revenire 30-63 joas170190 0C/aer

980-1220 830-1130

690-590

9 10

80 100

4.1. Evaluarea i optimizarea proprietilor tehnologice

Fiecare element din compoziia chimic a materialului are influen asupra clibilitii. Aceast influen poate fi tradus printr-un factor de- 41 -

multiplicare, iar aciunea tuturor elementelor nu se manifest ca o sum ci ca un produs. Diametrul critic ideal se calculeaz cu formula: Di = Db*Fx1*Fx2*...*Fxn Db = Clibilitatea de baz stabilit n funcie de procentajul n C al oelului. Fx1... Fxn = factori de multiplicare a cror valoare se ia n funcie de coninutul n elemente nsoitoare permanente i n elemente de aliere. Db se determin din figura urmtoare pentru un punctaj de granulaie 8 iar coninutul n C =,0.18 %.

Revenirea

Db=40

- 42 -

0.65%MnF=3.2 0.25%SiF=1.2 0.90%CrF=3.0 1.35%NiF=2.0 0.22%MoF=1.8Di = Db*FMn*FSi*FCr* FNi*FMo Di=4*3.2*1.2*3.0*2.0*1.8=51.84mm

Duritatea de-a lungul epruvetei Jominy se alege funcie de figura 3.1 pag 4.3. n funcie de Di l [mm] HRC S 44 6,25 36 12,50 25 18,75 20 25,00 18 31,25 17 37,50 16 43,75 15 50,00 14.5

- 43 -

C urb a d e calibilitate40 35 30 25 HRC 20 15 10 5 0 6.25 12.5 18.75 25 31.25 37.5 43.75 50 l [m m ]

- 44 -

Curba de calibilitate40 35 30 25 HRC 20 15 10 5 0 6.25 12.5 18.75 25 31.25 l [m ] m 37.5 43.75 50

4.2).Aprecierea proprietatilor de intrebuintareDeterminarea curbei gradient de duritate pe grosimea stratului carburat

- 45 -

Calculul duratei de viaLa majoritatea pieselor cedarea prematur este rezultatul oboselii. Proiectarea pieselor i selecia oelurilor i a tehnologiilor de prelucrare pentru prevenirea cedrilor prin oboseal constituie un subiect extrem de- 46 -

vast. Fenomenul de oboseal datorat deformrii ciclice prezint o component plastic i o component elastic: p = + 2 2 2e

n care:

- amplitudinea deformaiei totale; 2 p 2 - amplitudinea deformaiei plastice; e - amplitudinea deformaiei elastice. 2

Pentru condiii de tensiuni nalte n care predomin deformaia plastic ecuaia general a vieii prin oboseal poate fi aproximat: 2N f = p 2 f 1/ c

unde 2Nf este viaa prin oboseal exprimat n cicluri, iar 100 'f = ln 100 Z

- c reprezint exponentul ductilitii la oboseal (pentru oelurile tratate termic -0,70 2 N f = 2 1.02

1/ c

pentru rezisten la oboseal de scurt durat unde p=0,00251/ 0.6 0.0025 = 71255.26 => 2 N f = 2 1.02 1/ c

pentru rezisten la oboseal de scurt durat unde p=0,0011/ 0.6 0.001 2N f = = 328133.28 => 2 1.02 1/ c

5.Optimizarea seleciei materialului prin dezvoltarea unor tehnici de consolidare volumic i de durificare a stratului de suprafa

- 48 -

Pentru mbuntirea proprietilor oelului 17MoCrNi14 se vor respecta tratamentele termice redate n tabelul urmtor.Temperaturi Ac1=720 Ac3=800 Tratamente termice T0C recomandate Recoacere de muiere 650-700 Normalizare Cemenatre Clire Recoacere intermediar 860-890 Aer 880-900 Ulei ,pachet 880-900 Ulei 650-680 Cuptor Ms=375 Rcire Cuptor

Aa cum a fost stabilit n capitolul precedent, proprietiile materialului care trebuie obinute n urma operaiilor de tratament termic se recomand a fi: concentraia de carbon necesar n strat: 0,38-0,39%; duritate pe suprafa obinut dup cementare: 70HRC; adncimea de strat clit:0.2-0,3mm duritatea miezului: 32-35HRC. Suplimentar, pentru asigurarea acestor proprieti, inginerul proiectant va trebui s ia in considerare i urmtoarele aspecte: a) Mrcile de oeluri la care principala contribuie n obinerea clibilitii stratului o au elementele formatoare de carburi (Cr, Ti, Mo, etc.) sunt sensibile n oarecare msur la apariia microfisurilor, ndeosebi cnd dup carburare se efectueaz o clire direct n ap sau ap cu aditivi. Pentru prevenirea acestor fenomene se va limita coninutul n carbon al stratului la cel mult 0,90%. b) Oelurile cu un coninut ridicat de nichel (13CrNi30, 20MoNi35) prezint n structur o cantitate mare de austenit rezidual (peste 30%) n urma clirii directe dup carburare, dac coninutul n carbon al stratului depete 0,75%; cantitatea excesiv de austenit din structur va conduce la pierderea capacitii oelului de a suporta sarcinile din exploatare i implicit la o avariere prin- 49 -

pitting. Efectuarea unei cliri la temperaturi sczute (-70...-80C) pentru transformarea austenitei reziduale produce ns microfisuri severe i poate conduce la fisurare n cursul prelucrrii prin rectificare i la o rupere prematur n cazul solicitrii de oboseal prin ncovoiere. Problema se poate rezolva prin selecia unui oel cu un grad de aliere mai redus i prin limitarea coninutului de carbon n stratul carburat. c) La carburarea unor seciuni rotunde de peste 75mm apar dificulti legate de obinerea unei duriti i a unei microstructuri corespunztoare att n strat ct i n miez datorit vitezelor mici de rcire la clirea n ulei. n asemenea aplicaii se vor selecta cu precdere tratamentele de nitrurare sau de clire de suprafa. Dac acest lucru nu este posibil, se va recurge la selecia oelurilor pentru carburare cu grad de aliere mai ridicat. De asemenea, pentru obinerea unei tenaciti maxime n miez este necesar realizarea unei austenitizri corespunztoare urmat de o clire la martensit (fr urme de ferit). mbuntirea tenacitii la temperaturi sczute de exploatare este posibil prin selecia oelurilor aliate cu nichel. n plus, dac proporia de austenit rezidual nu depete 20% oelurile cu coninut de nichel i pstreaz rezistena la oboseal de lung durat prin ocuri repetate ntr-o msur similar oelurilor fr nichel. Lund n cosideraie toate cele enumerate mai sus, se vor putea obine proprietiile optime de exploatare, dar i tehnologice pentru oelul de cementare aliat 17MoCrNi14. Recoacerea pentru mbuntirea prelucrrii prin achiere, numit i recoacere de nmuiere sau globulizare, se aplic oelurilor n scopul ridicrii productivitii i prelucrrii cu un consum minim de scule. Probleme referitoare la prelucrarea prin achiere apar n cazul urmtoarelor oeluri: oeluri extra moi i moi, carbon i slab aliate; oeluri dure i extradure; oeluri autoclibile. Oeluri extramoi i moi, cu carbon sub 0,2%, au n stare de semifabricat o structur feritic. Aceasta, la achiere, datorit plasticitii, determin mrirea forelor de frecare ntre material i scula i conduce la o rugozitate mare a suprafeei prelucrate. Aceste inconveniente se elimin prin fragilizarea feritei, care se

- 50 -

poate face fie prin aliere cu fosfor i siliciu, fie prin tratament termic de normalizare cu supranclzire la 950 C i rcire n ulei. Recoacerea propriu - zis de mbuntirea prelucrabilitii prin achiere se aplic oelurilor dure i extradure i celor autoclibile. Cele dure (0,6...0,9 %C) i extradure (1,0...1,4 % C) au prelucrabilitatea prin achiere redus deoarece lamelele de cementit din perlita joac rolul unor microcutite abrazive fa de muchia tietoare a sculei, uznd-o rapid prin abraziune. Prin tratament termic se modific forma cementitei (devine sferoidala, globulara), lamelele de cementit secundar dizolvndu-se parial la nclzirea oelului la temperaturi n jurul liniei AC1. Duritatea va fi de 250...300 HB, convenabil prelucrrilor prin achiere Recoacerea de normalizare (de regenerare) se aplic n scopul regenerrii structurii de echilibru a materialului cu granulaie fin i uniform. Prelucrarea la cald (turnarea, forjarea, sudarea, etc.), peste punctele critice ale aliajelor ce prezint transformri de faz n stare solid, este nsoit de modificri structurale, uneori neconvenabile pentru prelucrrile ulterioare sau pentru utilizarea lor n exploatare. Piesele pot prezenta unele defecte structurale, cum ar fi granulaia grosolan, aspectul necorespunztor al constituenilor de echilibru (structuri lamelare sau aciculare), formarea de constitueni nafar de echilibru. Acestea vor fi neturate prin tratamentul chimic de normalizare, care const ntr-o reaustenitizare corect a oelului, prin nclzire la temperaturi mai mari dect AC3 , meninere scurt i rcire lent. Piesele din oel, la care defectul frecvent ntlnit este cel de ferit acicular (aezarea "n frunza" a feritei), se vor nclzi la temperaturi ce nu vor depi punctul critic superior cu mai mult de 30...50 C, se vor menine la aceasta temperatura pn cnd va avea loc egalizarea termic i apoi se vor rci lent, cu viteze de 50... 1000 C/h. Regimul termic n cazul normalizrii este: - pentru oelurile hipoeutectoide (C < 0,85%): - nclzire la temperatura AC3+ 30...50 C; - meninere 20...30 min; -rcire n aer linitit sau ventilat; - pentru otelurile hipoeutectoide (C=0,85...2%): - nclzire la temperatura AC1+50...70 C; - meninere 20...30 min; - rcire n aer linitit fr cureni.- 51 -

Normalizarea conduce la o structur normal mai fin, cu un grad de dispersie mai ridicat al cementitei secundare n masa feritic de baza. n consecina, proprietile mecanice se mbuntesc: cresc limitele elastice, de curgere, rezistena la rupere i duritatea, deci se mbuntete prelucrabilitatea prin achiere. Fig. 41 Clirea oelurilor const n nclzirea lor n domeniul austenitic urmat de o rcire energic. Prin viteza critic se nelege cea mai mica viteza de rcire care asigura parcurgerea intervalului de minim stabilitate a austenitei fr intersectarea curbelor in "C" . Cu ct curba n "C" este mai deplasat spre dreapta, cu att viteza de clire este mai mic. Deplasarea spre dreapta a curbei are loc datorit coninutului de carbon i elementelor de aliere care mresc stabilitatea austenitei la transformare.

La oelurile carbon, viteza critic este de 500...600 C/s. n tratamentul de clire, pe lng factorul vitez de rcire, un rol forate important l au i elementele de aliere: nichelul, cromul, molibdenul, siliciul, wolframul, vanadiul. Toate acestea se dizolv n austenit i frneaz difuziunea atomilor de carbon, deci acioneaz n acelai sens cu viteza la ntrzierea formarii austenitei, deci la mrirea stabilitii ei. n aceste condiii se poate ajunge la meninerea structurii austenitice pn la temperatura mediului ambiant - oeluri austenitice-inoxidabile. Factorii care trebuie analizai n scopul stabilirii corecte a regimului termic de clire a unui oel sunt: compoziia chimic, temperatur de austenitizare i durata de meninere, mediul de rcire (viteza de rcire sa fie mai mare dect viteza critic). La clirea unei piese, viteza de rcire este mai mare la suprafaa dect n miez, n acest fel ea poate s depeasc la suprafaa viteza critic de rcire, n timp ce n miez este mai mic dect aceasta. n consecina, la- 52 -

suprafa austenit se transform n martensit, iar n miez sufer transformarea perlitic, deci piesa nu este clit pe ntreaga seciune. Se prezint curba de variaie a vitezei de rcire de-a lungul unei piese cilindrice n raport cu viteza critic de rcire.

Se numete clibilitate proprietatea oelului de a se cli, caracterizat printr-o duritate minim i prin adncimea de clire. Adncimea de clire se consider convenional, ca fiind distana de la suprafaa pn la stratul cu structura semimartensitic (50% martensita, 50% troostit). Clibilitatea este mrit de factorii care cresc stabilitatea austenitei subrcite fa de descompunerea cu difuzie, respectiv acei factori care deplaseaz spre dreapta curbele TTT. Dintre acetia, compoziia austenitei este factorul cel mai important. Creterea coninutului de carbon micoreaz viteza critic i, n consecin, clibilitatea. De astfel, oelurile avnd sub 0,2% C sunt neclibile. Elementele de aliere, cu excepia cobaltului, au acelai efect. Creterea dimensiunii gruntelui de aliere, cu excepia cobaltului, au acelai efect. Creterea dimensiunii gruntelui austenitic reduce suprafaa de separaia dintre cristale pe care are loc de preferin, transformarea cu difuzie i deci mrete clibilitatea. Carburile nedizolvate i incluziunile reduc aceast proprietate a oelului, deoarece servesc ca germeni pentru transformarea perlitic. La examinarea suprafeei de rupere a oelului, zona clit are un aspect neted cenuiu cu aspect de porelan, n timp ce miezul neclit este grunos sau fibros. Metoda obinuita de clire, numit clire cu rcire continu, const n cufundarea piesei nclzite pn la temperatura de clire intr-un mediu de rcire care s asigure viteza necesar obinerii structurii martensitice . Viteza de rcire se stabilete din curba TTT. De obicei, oelurile cu clibilitate redus se rcesc n ap, iar cele cu clibilitate ridicat, n ulei sau n aer. Pentru reducerea deformrilor produse de tensiuni se recomand ca piesele cilindrice sa fie introduse n mediul de rcire n poziie vertical, iar discurile se introduc cu diametrul perpendicular pe suprafaa bii.

- 53 -

Pentru reducerea tensiunilor interne se poate aplica aa numita clire ntrerupt la care se folosesc dou medii de rcire, apa i apoi uleiul sau clirea n trepte, cu rcire ntr-o baie cu sruri i meninere pn la egalizarea temperaturii pe ntreaga seciune, urmata de o rcire n ulei sau n aer. Datorit omogenizrii temperaturii pe ntreaga seciune, la transformarea martensitic ulterioar, tensiunile, deformaiile i pericolul deformrii pieselor sunt diminuate prin faptul c transformarea are loc n toat masa. O alta metod, clirea izotermic, se caracterizeaz printr-o nclzire deasupra punctului critic i o rcire i o meninere ntr-o baie de sruri topite, pn la transformarea austenitei n bainit . Se asigur astfel obinerea unor caracteristici mecanice bune, respectiv duritate i rezistenta nalte, asociate cu o tenacitate satisfctoare. Aceste caliti sunt date de structura bainitei, format din particulele globulare foarte fine de carburi n matricea de ferit. Tratamentul poate fi condus n aa fel nct n structur s rmn o cantitate de 10...20% austenit rezidual, n care caz la o scdere redus a duritii i a rezistenei se obine o cretere important a calitilor plastice. Clirea sub zero grade are drept ca scop principal stabilizarea dimensiunilor pieselor. Austenita rezidual se transforma treptat n martensit la temperatura ambiant, aceasta transformare fiind nsoit de cretere de volum, deci de modificarea dimensiunilor. ns dimensiunile unor piese ca bile i role de rulmeni, calibre sau scule de msurare trebuie s ramn stabile cu o precizie foarte mare. De aceea, ele se supun tratamentului sub zero grade. Un alt scop este creterea duritii i rezistenei la uzura datorit reducerii cantitii de austenit rezidual.

- 54 -

Totodat, se evita fisurarea pieselor la rectificare, deoarece austenita este descompus. Tratamentul sub zero grade se efectueaz imediat dup o clire obinuit, la temperaturi pn la - 80 C. Clirea superficial este o metoda de durificare la suprafaa a oelului i const din nclzirea pe o adncime mic urmat de o rcire rapid. n acest fel se obine o nalt rezistena i duritate a stratului superficial cu un miez moale i tenace. nclzirea pieselor se poate face prin inducie cu cureni de inalt frecvent, n electrolit sau cu flacra acetilenic i prezint ca avantaj o viteza mare de nclzire, nlturndu-se astfel pericolul oxidrii i decarburrii.

Revenirea se aplica intodeauna dupa calirea martensitica cu scopuldiminuari sau eliminari tensiunilor interne,respective a fragilitati produselor metalice calite precum si al obtineri caracteristicilor de expluatare ale acestora. Strctura materialului este influentata de regimul de revenire (temperature si duritate)odata u cresterea lor se acentueaa difuzi atomica a carbonului,fierului si elementelor de aliere,determinand transformarile structurale.Difuzia atomilor de carbon incepe de la circa100.C cand atomi parasesc pozitiile din reteaua martensitica de calire si se combina cu atoi de fier formand carbura de fier .

Revenirea joasaPrima transformare la revenire realizata in intervalul 80-200.C a condos la foarmarea martensitei de revenire care se prezinta sub forma unor ace de culoare inchisa mata si de aceia se mai numeste martensita neagra .Carburile sunt coerentecu masa de baza iar austenita reziduala existenta dupa calire in structura se regaseste si dupa revenire pana la 200C. Revenirea efectuata in intervalul 100-200(250C,pentru oteluri aliate)se numeste revenire joasa si are ca efect o usoara scadere a duritati cu 2-3 HRC(58-62HRC)si o detensionare partiala,respective o bna rezistenta la uzura si la oboseala.Asadar ,revenirea joasa se aplica pieselor carburate si calite ,pieselor calite superficial pieselor pieselor si sculelor din otel cu carbon ridicat si mediu aliat.Ea se efectueaza in bai de ulei sau de saruri ,iar in lipsa acestora in cuptoare cu aer ventilat. La temperature cuprinse intre in intervalul 200-300.C austenita reziduala se descompune formand bainita inferioara sau se transforma in martensita de revenira.

- 55 -

Bibliografie[1] I. Mitelea, B. Radu - Selecia i utilizarea materialelor inginereti

Ed. Politehnica, Timioara, 2004. [2] N.S. Gheorghiu , N. Ionescu - Organe de maini I. [3] M. Gafianu, .a. - Organe de maini, vol. II [4] B. Horovitz, .a. Organe de maini [5] Livius Udrescu Materiale si tratamente termice volumice [5] Livius Udrescu Tratamente termice de suprafata si acoperiri

- 56 -