Defecte cauzate de fenomenul de contractie

In decursul racirii metalelor si aliajelor acestea sufera fenomenul de contractie. Acest fenomen se manifesta atat in stare solida cat si in stare lichida a metalelor. In general contractia totala a unui metal sau aliaj CT aflat in stare lichida si supus racirii pana la atingerea temperaturii mediului ambiant, se compune din :

CT=CL+CLS+CS±CF

In care : CL -este contractia in stare lichida in decursul

scaderii temperaturii de la temperatura de turnare T,

la temperatura de topire T top.

CLS - la trecerea din stare lochida in stare solida ;

CS -contractia in stare solida la scaderea

temperaturii de la temperatura de Tsol la

temperatura mediului ambiant To ;

CF -contractia(dilatarea) rezultata in decursul

transformarilor de faza produse in stare solida.

Dintre termenii din membrul 2 al reactiei o valoare insemnata o are CLS. Principalele efecte rezultand din existenta fenomenului de contractie si care pot provoca aparitia tensiunilor interne, aparitia crapaturilor, aparitia deformatiilor.

Formarea retasurilor si microretasurilor

Retasura sau globul de contractie se produce ca urmare a contractiei metalului sau aliajului la trecerea din stare lichida in stare solida. Daca intr-un vas tronconic cu baza mare sus se suprapune racirii o cantitate oarecare de metal lichid, in urma procesului de solidificare, ca urmare a faptului ca volumul solidului rezultat este mai mic decat al lichidului din care a provenit se formeaza in partea de sus un gol de contractie denumit retasura. Volumul retasurii este cu atat mai mare cu cat coeficientul de contractie la solidificare al metalului respectiv este mai mare. O altfel de solidificare, avand ca rezultat formarea unei retasuri in parea superioara a pisei turnate se numeste solidificare dirijata. Daca se considera solidificarea unui cantitati de lichid intr-un vas cilindric, din aceleasi motive, solidificarea va avea ca reprezentant formarea unei retasuri in partea centrala a piesei cu opozitie axiala se numeste solidificarea simultana.

Solidificarea lichidului intr-un vas de forma tronconica cu baza mare jos duce la formarea a doua retasuri : una principala in partea centrala si o alta secundara in partea centrala a piesei. Formara retasurilor in timpul solidificarii dirijate este dorit deoarece ele pot fi transferate in afara corpului presei.

Golurile de contractie apar in acele piese care preznita fie grosime uniforma a peretilor fie grosimi variabile care impiedica solidificarea dirijata de exemplu portiune de piesa reprezentata in figura 2 neuniformitatilor grosimii peretilor se va solidifica cu goluri interioare deoarece exista zone in care acumulari de lichid L ce se vor solidifica mai tarziu decat restul piesei formand goluri de contractie R.

Aglomerarile de metal inscrise in cercuri ce nu pot fi rostogolite in sus prin pereti piesei pana la partea superioara se numesc noduri termice Dealtfel, metoda cercurilor inscrise in alte portiuni ale peretilor piesei se folosesc pe scara larga de indentificare a nodurilor termice. In afara retasurilor concentrate la partea superioara sau in nodurile termice si a pozitie axiale golul de solidificare poate aparea si sub forma de microretasuri sau microporositati ca urmare a impiedicari patrunderi a metalului lichid intre dendritele orientate arbritrar (fig. 3). Aceste defecte produc o micsorare insemnata a proprietatilor mecanice si o pierdere a etanseitatii. Metalele pure si aliajele eutectice produc numai retasura concentrata.

In general retasurile se produc la toate aliajele de turnatorie. In cazul fontelor cenusii cu grafic lamelar, contractia la solidificare este partial sau total compensata de cresterea volumului fontei la grafitizare. Ca urmare, tendtina de formare a retasurilor concentrate sau microretasurilor este mica

Prevederea formari defectelor datorate golurilor de contractie

Mijloacele de prevedere a defectelor cauzate de golurile de contractie se impart in masuri tehnologice si masuri constructive.

Masurile tehnologice constau din utilizarea meselor si a acceleratorilorr de racire.

-Maselotele sunt rezervate de metal lichid dispuse sub forma unor prelungiri ale piesei, in scopul transferarii retasurii din corpul piesei in afara ei. Modul de actionare a maselotei este aratat in figura 4.

Fara existenta maselotei piesa ar fii prezentata dupa solidificarea retasura. 1 prin solidificarea cu maselota, retasura este transferata in maselota, ocupand pozitia 2.

Dupa dezbaterea piesei din forma, maselota se inlatura printr-un procedeu oarecare(taiere mecanica, termica).

Maselotele amplasate deasupra piesei si care sunt cele mai folosite, se numesc maselote directe. In practica se utilizeaza insa si maselotele aflate in interiorul formelor in dreptul unor noduri termice.

Zona de actiune a unei maselote se intinde numai pe o anumita distanta ;rezulta ca pentru o piesa de o anumita configuratie se prevad, de la caz la caz, una sau mai multe maselote. De exemplu, pentru piesa inelara din fig. 4c s-au prevazut pentru maselote(M).

Distanta dintre doua maselote vecine se stabileste pe baza constatarii ca o maselota isi exercita influenta sa pe o distanta egala cu 2 s, in care s reprezinta grosimea peretelui piesei pe care este amplasata maselota. Tinand cont ca si capatul piesei contribuie la solidificarea dirijata a piesei, exercitandu-si influenta pe o distanta de 2, 5*s, rezulta ca o maselota se poate amplasa la o distanta de 2*s+2, 5*s=4, 5*s de la capatul piesei fig. 5.

Amplasarea unui racitor exterior pe capatul piesei sporeste aceasta distanta cu circa 50 mm. Acceleratorii de racire denumiti si racitori sunt corpuri metalice care servesc la accelerarea racirii si solidificarii modului termic, inainte de solidificarea portiunilor invecinate. Racitorii sunt singurele mijloace care fac posilbila prevenirea formarii retasurilor in nodurile termice de la jonctiunea a doi pereti la colturile interioare ale pieselor. In practica se folosesc doua tipuri de racitori :interior si exterior.

Racitorii interiori sunt corpuri metalice din aceiasi compozitie ca si metal care se toarna si se introduc in nodul termic pentru a provoca prin absorbtie de caldura solidificarea nodului, concomitent sau in inaintea peretilor subtiri invecinati fig. 6.

Racitorii interiori trebuie sa fie resorbiti in masa aliajului care se toarna topindu-se sau sudandu-se de acesta. Ei au diferite forme ca de exemplu :spirale de sarma, cuie, bare.

Racitorii exteriori sunt placi metalice de fonta sau de otel care se incorporeaza in peretele formei in dreptul nodurilor termice fig. 7.

Racitorii exteriori se pot folosii si in scopul accelerarii solidificarii unei anumite parti a piesei pentru asigurarea solidificarii dirijate sau pentru a mari zona de actiune a unei maselote.

Prevenirea retasurilor din nordurile termice prin masuri contructive se realizeaza prin proiectarea judicioasa a piesei sau daca acest lucru nu s-a facut la timp, prin modificarea constructiva a piesei fara ca aceasta sa dauneze razistentei si functionarii ei. La alegerea metodei de rezolvare a nodurilor termice trebuie sa analizeze toate posibilitatile tehnologice sau constructive si sa le aleaga metoda optima. (fig. 8)

Combaterea formarii microretasurilor se face prin exercitare unei presiuni asupra metalului in momentul solidificarii(turnarea sub presiune, centrifugala).

Aparitia tensiunilor interne.

In cursul racirii in piesele turnate pot aparea 3 feluri de tensiuni :termice, fizice si de contractie. .              Tensiunile termice se datoresc racirii neuniforme a pieselor. Peretii subtiri si partile mai indepartate ale punctului de intrare a metalului in forma se racesc mai repede si trece mai devreme din zona de temperaturi in care metalul este este plastic in zona de temperaturi in care deformarile sunt elastice. Rezulta ca la un anumit moment o parte a piesei se afla in stare plastica si cealalalta in stare elastica. Cand si a doua parte va atinge starea elastica ambele parti se vor contracta diferit, ceea ce face ca in ele sa apara tensiuni de intindere sau compresiune in functie de dimensiunile partii respective(in partile groase-tensiuni de intindere in partile subtiri-tensiuni de compresiune. Pentru exemplificare se considera o piesa turnata in forma de jug fig. 9) cu doua bare si una groasa G unite la capete prin doua traverse rigide. T

In timpul racirii barele subtiri vor trece in stare elastica si contractandu-se se va comprima bara groasa G aflata in stare plastica scurtand-o. Atunci cand si aceasta va trece in stare plastica ea va continua sa se contracte dar va fii impiedicata de barele laterale. Aceasta interactiune duce la aparitia in bara centrala a unor tensiuni de intindere, iar in barele laterale a unor tensiuni de compresiune.

Tensiunile fizice apar ca urmare a faptului ca diferitele parti ale piesei nu trec in acelasi timp prin transformarile de faza. Dupa cum se stie transformarile de faza sunt insotite de modificari ale volumului specific ale constituientilor structurali. Tensiunile produse pot provoca distrugerea piesei, mai ales cand efectul lor se suprapune peste cel al tensiunilor termice.

Tensiunile de contractie se datoresc impiedicarii contractiei prin rezistenta opusa ale forme sau miezului. Spre deosebire de celelalte categorii de tensiuni acestea au caracter temporar si dispar in momentul inlaturarii cauzei care provoaca franarea contractiei. Tensiunile de contractie sunt intotdeauna tensiunii de intindere, fapt care le face deosebit de periculoase mai ales ca la temperaturi ridicate rezistenta materialului este scazuta.

Prevenire si combaterea tensiunilor intense.

Tensiunile termice pot fii reduse printr-o serie de masuri cu caracter constructiv ca de exemplu evitarea unor diferite masuri intre grosimile peretilor piesei sau prin masuri tehnologice ca:

- accelerarea racirii partilor groase cu ajutorul racitorilor

- racirea foarte inceata a pieselor cu grosime uniforma, evitandu-se diferentele mari ale vitezei de racire intre centrul peretelui si suprafata.

- eliberarea partilor groase de formare imediat dupa solidificarea lor etc.

Tensiunile fizice se pot asigura asigurandu-se o racire a piesei incat punctele de transformare sa fie traversate cu viteza mai mica.

Tensiunile de contractie se inlatura prin indepartarea cauzei care le-a produs:rezistenta opusa de forma sau miezuri ceea ce reclama o scadere a piesei din forma imediat dupa solidificare.

Piesele turnate grele si de forma complicata prezinta inlaturarea tensiunii. Prin deformare o parte din tesiuni dispar prin relaxare. Daca insa relaxarea se face dupa intrarea in exploatare a piesei respective masina isi pierde din precizie putand fii neutilizabila. Pentru a se elimina tensiunile interne din piesele turnate se aplica frecvent tratamentul termic de recoacere de determinare. Adeseori piesele de otel turnat sufera de tensionare in timpul recoacerii de omogenizare sau de normalizare la care sunt aceste piese intotdeauna supuse, fie pentru imbunatatirea proprietatilor mecanice fie pentru usurarea prelucrarii de omogenizare sau de normalizare la care sunt aceste piese intotdeauna supuse, fie pentru imbunatatirea proprietatilor mecanice fie pentru usurarea prelucrarii ulterioare prin aschiere.

Aparitia deformatiilor

Ca o consecinta a existentei tensiunilor interne piesa turnata se deformeaza, functie de configuratia ei. Stiind ca ten­siunile termice sunt de intindere in partile groase si de compresiune in partile subtiri, rezulta ca, partile groase ale piesei au tendinta, de a-si reduce lungi­mea, iar cele subtiri de a si-o mari. Cunoscand aceste lucruri se poate preve­dea forta pe care o va capata piesa deformata. Astfel pentru o grinda tur­nata cu sectiune in forma de T, deformatia ei depinde de dimensiunile sec­tiunii (fig 10 a si b).

Cunoasterea modului de deformare permite realizarea unor piese care sa nu sufere deformatii (fig. 10. c).

Atunci cand nu este posibila obtinerea unei piese turnate nedeformabile, se poate prevedea executia unui model cu deformatie contrara celei pe care o va primi piesa turnata.

Aparitia crapaturilor

Dupa temperatura la care se produc, crapaturile pieselor turnate pot fi crapaturi la rece sau la cald.

-Crapaturi la rece, ce apar in piesele turnate la temperaturea ambianta sau la temperaturi joase, sub 500°C- deci in domeniul elastic de temperatura- se datoresc faptului ca tensiunile de turnare- insumate, depasesc rezistenta de rupere a materialului. Ele sunt drepte, putin deschise, uneori abia perceptibile, au intindere mare, cu tendinta de a se propaga in continuare.

Ruptura este intracristalina de culoare metalica deschisa sau usor colorata din cauza uni film de oxizi.

Crapaturile la rece se produc fie la dezbatere, fie ulterior la temperatura ambianta.

Crapaturile la cald se produc numai la racirea in forma, au un traseu intracristalin, sunt mai largi, de intindere mica serpuite si fara tendinta de a se propaga in continuare ;ele sunt puternic colorate in negru ca urmare a unei oxidari puternice. Crapaturile la cald se produc la temperaturi inalte, deci in domeniul plastic. Tensiunile care pot aparea in acest domeniu sunt tensiuni de contractie deci crapaturile la cald se datoresc acestor tensiuni. In cazul otelului peste aceste tensiuni se pot suprapune tensiuni fizice, datorita contractiei de volum produsa la transformare. In fig. 11. a. este aratat modul de producere a unor crapaturi datorita impidicarii contractiei piesei de catre forma. La racirea corpului piesei se produce contractia 1 care este impiedicata de catre peretele formei ce apasa asupra flansei 2 provocand aparitia unei crapaturi in zona de maxima solicitare. 3. Crapaturile la cald se produc mai mult in piesele de otel turnat si constitue alaturi de retasuri cel mai frecvent defect de turnare.

2. 7Prevenirea aparitilor crapaturilor la cald.

Crapaturile la cald pot fi prevenite prin masuri tehnologice si constructive. Dintre masurile tehnologice se pot enumera :

- asigurarea unei compresibilitati aparte formei si miezului

- folosirea racitorilor exteriori in locurile in care se prevede aparitia crapaturilor la cald, in scopul maririi rezistentei portiunii respective prin scaderea temperaturi ei.

Dintre masurile constructive fac parte :

- intarirea zonei periclitate cu nervuri de contractie fig. 11b. sau ingroseri fig 12.

- inlocuirea peretilor plani cu pereti curbi fig. 13

- evitarea partilor iesite, amplasarea la distanta mare.

Defecte cauzate de fenomenul de segregare.

Fenomenul de segregare se poate manifesta atat  la scara cristalelor cat si la scara peretilor piesei.

Sefregarea minora consta in aparitia diferentelor de concentratie intr-un anumit element, in cazul unei faze in curs de solidificare. Dupa cum se cunoaste la temperatura t, (fig. 14) faza separata are concentratia C1 la tempetatuta T2, concentratie C2 si asa mai departe. Un cristal separat liber in masa lichidului va avea deci zona axiala mai bogata in component A , iar zona marginala mai bogata in component B. Prin procesul de difuzie ulterioara aceasta eterogenitate chimica se atenueaza intr-o anumita masura daca exista conditia favorabila mentinerii indelungate a temperaturii ridicate

Fig. 14.

Segregatia majora consta in existenta diferentei de concentratie echimica intre diferitele zone ale peretelui piesei turnate

In cazul aliajelor fieroase, primele cristale in primul strat solidificat in contact cu peretele formei sunt mai sarace in elemente solubile :C, SI, P  ca zona centrala a piesei. Se observa ca incluziunile de timpul suflurilor, oxizilor, silicatilor din cauza punctului lor de topire scazut, segrega si se acumuleaza in zona centrala a pieselor si in special in zona invecinata retasurii.

Se considera deasemenea ca fiind segregare majora eterogenitatea chimica rezultata din diferenta de densitate dintre primele cristale separate si lichid, duce la punerea acestor cristale in zonele inferioare ale pieselor

Reprezentarea neuniforma a componentilor aliajelor in piesele turnate ca urmare a procesului de segregare, exercita o influenta defavorabila asupra proprietatilor fizice, chimice si mecanice ale acestora. Fenomenul de segregare pote si combatut printr-o serie de masuri privind compozitia aliajului turnat si tehnologia de turnare

Eterogenitatea chimica rezultata in urma fenomenului de segregare se poate inlatura supunand piesele turnate ale unui tratament termic de recoacere de omogenizare.

Defectele cauzate de patrunderea gazelor in aliajul lichid.

In metale si aliaje gazele se pot gasi sub forma de sufluri, straturi de gaze absorbite, solutii solide si combinati chimice. Incloziunile de gaze constituie unul din cele mai raspandite defecte ale pieselor turnate.

Gazele dizolvate degajandu-se in solutii solide pot provoca crapaturi ce se prezinta sub forme de numeroase fisuri cu aspect de pete de culoare deschisa denumite fulgi

Suflurile sunt discontinuitati in piese care scad rezistenta materialului prin micsorarea sectiuni si prin efectul lor de concentrare a tensiunilor

Sulfurile se deosebesc de retasuri prin aspectul de culoare a cavitati. Astfel sulfurile prezinta o suprafata neteda, de obicei neoxidata, de culoare argintie , in timp ce retasurile prezinta o suprafata neregulata de culoare neagra din cauza oxizilor formati.

Suflurile se pot datora atat metalului turnat cat si formei.

Suflurile datorate metalului se obtin prin dizolvarea gazelor in metallichid fenomen favorizat de existenta temperaturilor inalte. Gazele care pot difuza in metalele si aliaje sunt:azotul, hidrogenul, oxigenul.

Principalele surse de patrundere a gazelor datorate formei sunt :

- antrenarea aerului la curgerea metalului prin reteaua de turnare ;

- dislocarea de catre metal a aerului din cavitatea formei

- umiditatea si aerul sau gazele din porii amestecului de formare

- existenta unor componenti ai amestecului de formare care produc gaze.

Prevenirea apariilor sulfurilor se poate realiza prin adaptarea unor masuri tehnologice corespunzatoare, care sa elimine sursele de aparitie a gazelor in metal.

Alte defecte

In afara defectelor amintite, in piesele turnate se intalnesc si alte defecte cauzate de fenomene cum ar fi:

- eroziunea peretilor retelelor de turnare si a cavitati formei de catre metalul lichid aflat in miscare;

- reactiile chimice produse intre peretii formei si metalul turnat

- cauze accidentale.

Metode de combatere a defectelor :

Proiectarea corecta a tehnologiei pieselor turnate ;

Pregatirea corespunzatoare a tehnologiei procesului de fabricatie ;

Analiza statistica a defectelor pieselor turnate.

Remanierea defectelor :

Remanierea cuprinde totalitatea operatiilor de corectare a defectelor care fac ca piesele turnate sa nu corespunda conditiilor calitative prevazute in standarde, normative si instructiuni de receptie.

In functie de felul defectului, de dimensiunile si forma piesei turnate, remanierea se executa prin procedee mecanice, prin sudare, dar si chimice si speciale.

Din procedeele mecanice de remaniere fac parte : curatirea, indreptarea, stemuirea, dopuirea, bucsarea, placarea, procedeul Metalock. Aceste procedee se aplica in mod curent in turnatorie avand avantaj ca se folosesc utilaje si tehnologii simple.

Sudarea, este una din cele mai sigure si mai raspandite metode de remaniere ale defectelor pieselor turnate.

Clasificarea procedeelor de sudare se face in functie de natura surselor de caldura folosite pentru topirea aliajului de baza si al celui de adaos la locul de imbinare. Sunt recomandate in mod curent trei procedee pentru remanierea defectelor de turnare :

Sudarea cu arc electric ;

Sudarea oxiacetilena ;

Sudarea aluminotermica.

Dintre procedeele chimice de remaniere amintim : remanierea prin impregnare.

Ca si procedeu special de remaniere se foloseste si remanierea prin metalizare.

BIBLIOGRAFIE

1.                                              Voicu M. s. a. - Studiul si tehnologia metalelor, E. D. P. 1975

2.                                              Nanu A. - Tehnologia materialelor E. D. P. 1978

3.                                              Manualul inginerului mechanic, Tehnologia constructiilor de masini, Ed. Tehn. 1972.

4.                                              Sofronie L. -Elaborarea si turnarea aliajelor E. D. P. 1975

5.                                              Chira I. s. a. - Procedee speciale de turnare E. D. P. 1980

6.                                              Buzila S. - Proiectarea si executarea formelor, E. D. P. 1976

7.                                              Stefanescu Cl. s. a. -Tehnologia de executare a pieselor prin turnare, Ed. Tehn. 1981

8.                                              Popescu V. - Forjarea si extruziunea metalelor, E. D. P. 1978.

9.                                              Badea S. - Forjarea metalelor, E. D. P. 1979.

10.                                           Zgura Gh. s. a. - Tehnologia stantarii si matritarii la rece, E. D. P. 1979.

11.                                           Salagean Tr. - Sudarea cu arcul electric, Ed. Facla, 1977.

12.                                           Boarna C. s. a. -Procedee neconventionale de sudare, Ed. Facla, 1980.

13.                                           Avram I, s. a. -Procedee conexe sudarii, Ed. Tehn. 1968.

14.                                           Popescu N. s. a. -Tehnologia tratamentelor termice, Ed. tehn, 1974.

15.                                           Enache St. s. a. -Proiectarea formei pieselor in constructia de masini, Ed. tehn. 1979

16.                                           Colectiile standardelor de stat.