0

IOAN CARCEA MATEI GHERGHE

ALIAJE NEFEROASE

DE TURNTORIE

1

PREFA

n contextual unei economii globalizate se pune tot mai acut

problema fabricaiei dup cele mai avansate cunotine i tehnologii deoarece

piaa liber elimin rapid i fr scrupule pe toi cei care nu se ncadreaz n

limitele de eficien privind raportul calitate/pre. Din acest motiv este

necesar ca literatura tehnic de specialitate s fie ct mai actual pentru a

servi ca surs de informaii tuturor celor care activeaz n nvmntul

tehnic, n cercetare i n industrie.

Performanele economice nregistrate n ultimile decenii au fost

posibile datorit progresului tehnic din toate ramurile industriale i cu

precdere a celor din domeniul ingineriei materialelor. Se manifest o cerere

din ce n ce mai mare de materiale cu proprieti specifice, uneori

semnificativ diferite de ale celor clasice, ceea ce impune utilizarea de

tehnologii i dotri tehnice moderne i cu destinaie special.

Prezenta lucrare se dorete a fi util inginerilor i tehnicienilor din

seciile de turnare a metalelor i aliajelor, profesorilor, studenilor i elevilor

din nvmntul tehnic, precum i cercettorilor din domeniul tiinei i

ingineriei materialelor. Considerm c este prima lucrare n domeniul

fabricaiei de piese turnate din aliaje neferoase care a aprut n noul context

politic i economic al Romniei integrate n structurile europene.

n condiiile unui sistem european global de standardizare, a unei

piee total liberalizate pentru materii prime, materiale auxiliare, combustibili,

energie etc., dar i pentru piese turnate, eventual tratate termic, eboate sau

prelucrate la cote finite, reuita va fi numai a celor care aplic cele mai

2

avensate realizri ale tiinei i tehnicii. Trebuie reinut faptul c astzi este

necesar s fabrici ieftin i de calitate, n condiii ecologice reglementate, s

consumi ct mai puin energie i combustibili, s asiguri condiii optime de

munc i via pentru angajai i s livrezi produse sigure, garantate din toate

punctele de vedere.

Pe baza celor mai recente date din literatura de specialitate i a

experienei proprii, autorii prezint cele mai uzuale metale i aliaje neferoase

de turntorie, precum i procesele fizico-chimice i tehnologiile de elaborare

i turnare ale acestora.

Vom fi recunosctori tuturor celor care ne vor transmite comentarii i

observaii, sugestii i propuneri utile pentru mbuntirea materialului editat,

n vederea unor noi apariii.

Autorii

3

CUPRINS PREFA .................................................................................................................. 1

Cap.I. METALE SI ALIAJE NEFEROASE ............................................................. 7

1.1. METALE NEFEROASE ................................................................................ 7

1.2. ALIAJE NEFEROASE ................................................................................ 14

1.2.1. Clasificarea aliajelor neferoase ............................................................. 15

1.2.2. Aspecte termodinamice ale sistemelor de aliaje neferoase ................... 17

1.3. SOLIDIFICAREA METALELOR I ALIAJELOR NEFEROASE ................ 27

1.4. PROPRIETI DE TURNARE ALE METALELOR I ALIAJELOR ..........31

CAP. II. PROCESE FIZICO-CHIMICE LA ELABORAREA I TURNAREA

METALELOR I ALIAJELOR NEFEROASE ...................................................... 35

2.1. TOPIREA ..................................................................................................... 35

2.2. SURSE DE IMPURITI ........................................................................... 40

2.2.1. Interaciunea cu gazele .......................................................................... 40

2.2.2. Interaciunea cu cptueala cuptorului i zgura ..................................... 42

2.3. RAFINAREA METALELOR I ALIAJELOR ........................................... 44

2.4. FONDANI I PREALIAJE ....................................................................... 47

2.5. PRINCIPIILE ELABORRII ALIAJELOR NEFEROASE ........................ 52

2.5.1. Pregtirea arjei ..................................................................................... 52

2.5.2. Condiii de topire ................................................................................... 53

2.5.3. Controlul elaborrii ............................................................................... 54

CAP.III. MODIFICAREA STRUCTURII DE TURNARE A METALEOR I

ALIAJELOR NEFEROASE .................................................................................... 57

3.1. CONSIDERAII ASUPRA CRISTALIZRII I SOLIDIFICRII ........... 57

3.2. PROCESE DE MODIFICARE A STRUCTURII DE TURNARE .............. 59

3.2.1. Clasificarea modificrii dup manifestare i structur .......................... 61

3.2.2. Clasificarea modificrii dup natura constituentului structural ............. 67

3.3. PROCEDEE DE MODIFICARE A STRUCTURII DE TURNARE ........... 79

3.3.1. Procedee fizico-chimice de modificare ................................................. 79

3.3.2. Procedee fizice de modificare ............................................................... 83

4

CAP.IV. CUPRUL I ALIAJELE CUPRULUI ...................................................... 93

4.1. CUPRUL ...................................................................................................... 93

4.2. ALIAJELE CUPRULUI .............................................................................. 97

4.2.1. Clasificarea aliajelor cuprului ............................................................... 97

4.2.2. Bronzurile cu staniu .............................................................................. 98

4.2.2.1. Structura bronzurilor cu staniu ........................................................... 98

4.2.2.2. Proprietile bronzurilor cu staniu .................................................... 101

4.2.2.3. Mrci de bronzuri cu staniu .............................................................. 103

4.2.2.4. Elaborarea i turnarea bronzurilor cu staniu ..................................... 105

4.2.3. Bronzurile cu aluminiu ........................................................................ 110

4.2.3.1 Structura bronzurilor cu aluminiu ..................................................... 111

4.2.3.2. Proprietile bronzurilor cu aluminiu ............................................... 113

4.2.3.3. Mrci de bronzuri cu aluminiu ......................................................... 115

4.2.3.4. Elaborarea i turnarea bronzurilor cu aluminiu ................................ 117

4.2.4. Alamele de turntorie .......................................................................... 122

4.2.4.1. Structura alamelor de turntorie ....................................................... 122

4.2.4.2. Proprietile alamelor de turntorie .................................................. 124

4.2.4.3. Mrci de alame de turntorie ............................................................ 126

4.2.4.4. Elaborarea i turnarea alamelor ........................................................ 128

CAP. V. ALUMINIUL I ALIAJELE ALUMINIULUI ..................................... 131

5.1. ALUMINIUL.............................................................................................. 131

5.2. ALIAJELE ALUMINIULUI ...................................................................... 133

5.2.1. Clasificarea aliajelor aluminiului ........................................................ 133

5.2.2. Aliaje aluminiu-siliciu ......................................................................... 134

5.2.3. Aliaje aluminiu - cupru ....................................................................... 138

5.2.4. Aliaje aluminiu magneziu ................................................................ 140

5.2.5. Caracteristici ale principalelor mrci de aliaje de aluminiu ................ 142

5.3. ELABORAREA ALIAJELOR DE ALUMINIU ....................................... 144

CAP. VI. PLUMBUL, STANIUL SI ALIAJELE LOR ......................................... 151

6.1. PLUMBUL ................................................................................................. 151

6.2. STANIUL ................................................................................................... 152

5

6.3. ALIAJELE PLUMBULUI I STANIULUI ............................................... 153

6.3.1. Aliaje de lipit ....................................................................................... 153

6.3.2. Aliaje antifriciune ............................................................................... 155

6.3.2.1. Aliaje antifriciune pe baz de staniu ............................................... 157

6.3.2.2. Aliaje antifriciune pe baz de plumb ............................................... 158

6.3.2.3. Elaborarea aliajelor antifriciune ...................................................... 159

6.3.2.4. Turnarea aliajelor antifriciune ........................................................ 161

CAP.VII. TRATAMENTE TERMICE ALE ALIAJELOR NEFEROASE ......... 163

7.1. TRATAMENTE TERMICE ALE ALIAJELOR CUPRULUI .................. 164

7.1.1. Recoacerea de omogenizare ................................................................ 164

7.1.2. Recoacerea de recristalizare ................................................................ 165

7.1.3. Recoacerea de detensionare................................................................. 166

7.1.4. Recoacerea de nmuiere ...................................................................... 166

7.1.5. Clirea i revenirea .............................................................................. 166

7.2. TRATAMENTE TERMICE ALE ALIAJELOR ALUMINIULUI ............ 167

7.2.1. Recoacerea de detensionare................................................................. 167

7.2.2. Durificarea prin precipitare ................................................................. 167

CAP. VIII. INGINERIA PROCESELOR DE TURNARE A METALELOR I

ALIAJELOR NEFEROASE .................................................................................. 169

8.1. PRINCIPIILE FABRICAIEI DE PIESE TURNATE .............................. 169

8.1.1. Bazele proiectrii garniturilor de model .............................................. 172

8.1.2. Reele de turnare .................................................................................. 174

8.2. TURNAREA N FORME TEMPORARE ................................................. 176

8.2.1. Nisipuri de turntorie .......................................................................... 178

8.2.2. Liani pentru turntorii ........................................................................ 179

8.2.2.1. Argila ................................................................................................ 181

8.2.2.2. Bentonita .......................................................................................... 182

8.2.2.3. Silicatul de sodiu .............................................................................. 183

8.2.2.4. Silicatul de etil .................................................................................. 185

8.2.2.5. Covasilul .......................................................................................... 185

8.2.2.6. Covalitul ........................................................................................... 186

6

8.2.2.7. Uleiul de in ....................................................................................... 186

8.2.2.8. Dextrina ............................................................................................ 186

8.2.2.9. Melasa .............................................................................................. 187

8.2.2.10. Leia sulfitic ................................................................................. 187

8.2.2.11. Rini sintetice ............................................................................... 188

8.2.3. Materiale de adaos ............................................................................... 191

8.2.3.1. Adaosuri carbonice ........................................................................... 191

8.2.3.2. Adaosuri polizaharidice .................................................................... 192

8.2.3.3. Adaosuri celulozice .......................................................................... 192

8.2.4. Vopsele refractare ............................................................................... 192

8.2.5. Reete de preparare a amestecurilor de formare .................................. 194

8.2.6. Formarea manual n rame .................................................................. 197

8.2.6.1. Execuia formelor din amestecuri cu liani anorganici ..................... 197

8.2.6.2. Execuia formelor din amestecuri liate cu silicat de sodiu ............... 201

8.2.6.3. Execuia formelor din amestecuri liate cu rini sintetice ................ 203

8.3. TURNAREA N FORME PERMANENTE ............................................... 205

8.3.1. Turnarea gravitaional n forme metalice .......................................... 206

8.3.2. Turnarea centrifug ............................................................................. 210

8.3.3. Turnarea sub presiune ......................................................................... 217

8.3.3.1. Avantaje i caracteristici ale turnrii sub presiune ........................... 219

8.3.3.2. Instalaii pentru turnarea sub presiune a aliajelor neferoase ............ 224

8.3.3.3. Parametrii tehnologici ai turnrii sub presiune ................................. 233

8.4. DEFECTELE PIESELOR TURNATE ....................................................... 241

BIBLIOGRAFIE .................................................................................................... 247

7

CAP.I. METALE SI ALIAJE NEFEROASE

Metalele i aliajele neferoase reprezint una dintre cele mai

importante grupe de materiale utilizate de om din cele mai vechi timpuri i

cu perspective de cretere a importanei lor n viitor. n afara materialelor

neferoase clasice, unele domenii de vrf ale tehnicii, precum: tehnica

aerospaial, tehnica nuclear, electrotehnica, electronica, energetica etc.,

solicit materiale i aliaje cu proprieti deosebite: supraconductibilitate,

superplasticitate, refractaritate, rezisten mrit la coroziune, memoria

formei, rezistene mecanice de excepie, magnetism, rezistivitate etc. Pentru

a fabrica produsele metalurgice solicitate de noile industrii sunt necesare

tehnologii i instalaii moderne, precum i specialiti cu o nalt pregtire

teortic i practic.

1.1. METALE NEFEROASE

Cele 116 elemente chimice cunoscute pn n prezent pot fi grupate

astfel: - 6 sunt gaze inerte ( He ; Ne ; Ar ; Kr ; Xe ; Rn ),

- 12 sunt nemetale ( halogenii: F ; Cl ; Br ; I - calcogenii: O ; S

precum i: N ; P ; H ; C ; Se ; At ),

- 7 sunt semimetale ( B ; Si ; Ge ; As ; Sb ; Te ; Po ),

- 91 sunt metale.

Caracteristicile structurale i electronice specifice metalelor se

datoreaz faptului c atomii sunt legai ntre ei de ctre electonii de valen

care sunt repartizai pe benzi energetice i nu mai aparin fiecrui atom n

parte. Proprietile care pot face diferena dintre metale i celelalte elemente

sau compui chimici sunt de natur[49]:

8

- fizic metalele au: luciu metalic, opacitate, plasticitate,

elasticitate, conductivitate termic i electric etc.

- chimic oxizii metalelor au caracter bazic;

- tehnologic metalele au valori specifice pentru: duritate, rezistena

de rupere la traciune, tenacitate, rezistena la uzare, rezistena la coroziune,

maleabilitate, ductilitate etc.

Datorit realizrilor tehnice din domeniul semiconductorilor i al

supraconductibilitii s-a stabilit c rezistivitatea electric a oricrei substane

este influenat de temperatur. Metalele se caracterizeaz prin valoarea

pozitiv a coeficientului de temperatur al rezistivitii electrice, ceea ce

nseamn c la creterea temperaturii conductivitatea lor electric scade.

Din cele 91 de metale 23 sunt plasate n grupele principale, iar

celelalte 68 n grupele secundare ale sistemului periodic. Deoarece structura

electronic influeneaz decisiv proprietile, deci i insuirile specifice,

metalele se pot mpri n dou grupe mari:

a. Metale cu straturile electronice intermediare saturate cu electroni,

care fac parte din grupele principale ale sistemului periodic[37;38]:

- metalele blocului S care pierd uor electronii de pe stratul s, sunt

cele care fac parte din grupa I metalele alcaline ( Li, Na, K, Rb, Cs, Fr ) i

grupa a-II-a metalele alcalino-pamntoase ( Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra );

- metalele blocului P care pierd uor electronii de pe stratul p, sunt

cele care fac parte din grupa a III-a ( Al, Ga, In, Tl, Uut ), grupa a IV-a ( Sn,

Pb, Uuq ), grupa a V-a ( Bi, Uup ) i grupa a VI-a ( Uuh ).

b. Metale cu straturile electonice intermediare nesaturate cu

electroni, aflate n grupele secundare ale sistemului periodic, cunoscute sub

denumirea de elementele blocului d sau de metale de tranziie, au structura

ultimului strat electronic ocupat ( ) 211011 sndn , n care n = 4, 5, 6, 7. Acestea se pot grupa astfel:

9

- metalele grupei I b ( Cu, Ag, Au, Rg ), au cele mai pronunate

caracteristici metalice i conductivitatea termic i electric cea mai mare;

- metalele grupei II b ( Zn, Cd, Hg, Uub ) sunt uor fuzibile i uor

volatile;

- metalele grupei III b ( Sc, Y, La, Ac ) sunt numeroase i foarte

diferite deoarece aici intr elementele blocului f denumite metalele

pmnturilor rare, din care fac parte cele 14 lantanide ( Ce, Pr, Nd, Pm, Sm,

Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu ), precum i cele 14 elemente

radioactive din seria de tranziie intern a actinidelor ( Th, Pa, U, Np, Pu,

Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr );

- metalele grupei IV b ( Ti, Zr, Hf, Rf ) au proprieti deosebite,

temperatur mare de topire i formeaz oxizi refractari i foarte stabili;

- metalele grupei V b ( V, Nb, Ta, Db ) au temperturi nalte de topire

i vaporizare, precum i o stabilitate chimic deosebit de ridicat;

- metalele grupei VI b ( Cr, Mo, W, Sg ) sunt alb cenuii,

strlucitoare, cristalizeaz n sistemul cubic cu volum centrat, au temperaturi

de topire foarte ridicate i sunt cele mai puin volatile;

- metalele grupei VII b ( Mn, Tc, Re, Bh ) sunt foarte diferite ca

rspndire ( Mn este uzual, iar Tc, Re i Bh sunt rare i recent descoperite) i

proprieti ( Mn are temperatura de topire de 1220oC i se oxideaz uor, iar

Tc i Re care se topesc la 2700oC, respectiv 3175oC, sunt foarte refractare i

stabile din punct de vedere chimic);

- metalele grupei VIII b sunt cuprinse n trei coloane, dar

proprietile sunt mai apropiate pe orizontal i din acest motiv ele se mpart

n dou familii distincte: familia fierului ( Fe, Co, Ni ) este constituit din

metale tipice care au proprieti fizico-mecanice, chimice i tehnologice

deosebite i au largi aplicaii n tehnic, mai ales sub form de aliaje cu

rezisten mecanic deosebit, magnetice, nemagnetice, antiacide, refractare,

10

rezistente la coroziune, superplastice, cu memorie, moi sau cu duritate mare;

familia metalelor platinice ( Ru, Rh, Pd i Os, Ir, Pt ) conine elemente

cu reactivitate foarte redus care se pot gsi n stare nativ n scoara terestr;

ele sunt metale rare, refractare, inactive din punct de vedere chimic, cu

utilizri speciale i costuri de fabricaie foarte mari.

Datorit caracterului spaial al legturii metalice, ionii metalici

formeaz reele cristaline de maxim compactitate ceea ce face ca

majoritatea metalelor s cristalizeze n unul din cele trei sisteme: cubic

centrat, cubic compact, hexagonal compact. Fenomenul de polimorfism este

rar ntlnit la metale, mai ales n domeniul unor temperaturi rezonabile.

Principalele exemple n acest sens sunt[14]:

- Sn , cristalizat n sistemul cubic tip diamant, trece la temperaturi

mai mari de 13,2oC n Sn care cristalizeaz n sistemul cubic;

- Calciul prezint trei stri alotropice: Ca - cub cu fee centrate,

Ca - hexagonal i Ca - cub centrat;

- Stroniul are trei stri alotropice: cubic cu fee centrate, cubic

centrat, hexagonal;

- Scandiul poate cristaliza n cubic cu fee centrate sau n hexagonal;

- Ti i Zr cristalizate n sistem hexagonal trec la temperaturi mai

mari de 882oC, respectiv 862oC, n Ti i Zr care au reeaua cub centrat;

- Hafniul poate cristaliza n hexagonal sau cub cu volum centrat,

manganul n sistemul cubic i tetragonal, fierul n cubic cu volum centrat sau

cubic cu fee centrate, cobaltul n hexagonal compact sau cub cu fee

centrate, wolframul n cub centrat sau cub cu fee centrate.

n funcie de utilitatea lor tehnic metalele se pot clasifica n:

-metale uzuale: Fe, Cu, Ni, Pb, Sn, Zn, Al, Mg, Ti etc.

-metale rare: Y, Hf, Ta, Re, Os, Ir, Pt, Ru, Rh, Pd, Ga, In, Tl etc.

iar metalele uzuale se mpart n:

11

-fierul ( mpreun cu aliajele sale) i

-metalele neferoase.

Din cele 90 metale neferoase cunoscute pn n prezent:

- 61 sunt naturale i au o stabilitate total a atomului,

- 13 sunt natural radioactive, au instabilitate a nucleului atomic i se

obin prin dezintegrarea altor elemente,

- 16 sunt artificiale fiind obinute prin sintez.

Din punct de vedere a rspndirii se remarc faptul c primele 15

elemente amplasate n partea de sus a sistemului periodic i care au numere

de ordine mici, reprezint 99,48% din scoara terestr. Metalele neferoase

care au cea mai mare pondere n litosfer sunt[9]: Al 7,51% ; Ca 3,39% ;

Na 2,64% ; Mg 1,94% ; Ti -0,58%.

O parte din metalele neferoase au fost cunoscute i folosite de oameni

cu mii de ani n urm, dar abia n secolul XX s-au nregistrat creteri

spectaculoase ale produciei de metale i aliaje neferoase. Situaia produciei

pentru cele mai importante metale neferoase este urmtoarea[12;24;62]:

- Cupru producia mondial de cupru rafinat a fost:

8.100 tone/an . . . . n anul 1750

7.200.000 tone/an . . . . n anul 1975

9.000.000 1986

15.234.000 2003

17.814.000 2006

Dei reprezint doar 10 x 10-3 % din scoara terestr, rezervele de

zcaminte cuprifere exploatabile, conform celor mai recente realizri din

domeniul concentrrii i extraciei, sunt de peste 300 milioane tone de cupru.

- Zinc producia mondial de zinc rafinat a fost:

5.000.000 tone/an . . . n anul 1968

7.000.000 1986

12

9.879.000 2003

10.229.000 2005

11.394.000 2007

Zincul este puin rspndit n scoara terstr, doar 4 x 10-3 % , ns

producia crete anual ca urmare a cererii tot mai mari n domeniul proteciei

anticorozive i al aliajelor de turntorie.

- Staniu producia mondial de staniu a fost:

200.000 tone/an . . . n anul 1968

264.000 2004

280.000 2005

Staniul este un metal scump i deficitar care reprezint doar n x 10-4%

din scoara terestr. El este de nenlocuit n urmtoarele domenii: folii

alimentare de staniol, acoperirea tablelor din oel utilizate pentru ambalaje

alimentare i farmaceutice, producerea aliajelor de lipit, a aliajelor

antifriciune, a aliajelor uor fuzibile, a bronzurilor etc.

- Plumb producia mondial de plumb a fost:

749.000 tone/an . . . n anul 1900

1.520.000 1930

2.390.000 1960

3.370.000 1990

6.763.000 2003

8.150.000 2007

Plumbul reprezint doar 1,6 x 10-3 % din scoara terestr. El este din

ce n ce mai puin utilizat n aplicaii domestice, n schimb este de nenlocuit

n domeniul proteciei mpotriva radiaiilor.

- Aluminiu este metalul cu ritmul de cretere a produciei cel mai

ridicat de la descoperirea sa i pn n prezent:

3,79 tone/an . . n anul 1886

13

99,45 tone/an . . n anul 1890

5.693 tone/an . . . n anul 1900

16.000.000 tone/an . . . n anul 1986

24.300.000 2001

28.000.000 2003

31.900.000 2005

Aluminiul este primul metal i al treilea element ( dup oxigen i

siliciu) ca rspndire n litosfer, unde se gsete n proporie de 7,51 %.

Datorit proprietilor deosebite pe care le are, aluminiul a devenit al

doilea produs metalurgic dup oel, chiar dac consumurile energetice pentru

extracia sa sunt nc foarte mari (13,2MWh/tAl, fa de 40MWh/tAl ct era

n anul 1900). Creterea n continuare a produciei de aluminiu este posibil

deoarece pmntul conine, n afara celor ase miliarde tone de bauxit

exploatabil (astzi estimrile sunt la peste 50 miliarde tone), nc nou

miliarde tone de nefeline, caolinuri i cenui de termocentrale ce vor putea fi

valorificate n viitorul apropiat.

- Magneziu este foarte raspndit n litosfer, reprezentnd 1,94 %

din aceasta i este produs pe plan mondial n cantiti din ce n ce mai mari:

300.000 tone/an . . . . n anul 1986

886.000 2006

Creterea produciei de magneziu este justificat de cererea din ce n

ce mai mare de aliaje uoare i superuoare n aeronautic, astronautic i n

industriile de autoturisme, autocamioane, ambarcaiuni navale etc.

Ritmuri deosebite de cretere a produciei s-au inregistrat i pentru

celelalte metale neferoase utilizate n tehnic. Din punct de vedere al

aliajelor elaborate n turntorii deosebit de importante au devenit metale ca:

nichel, titan, crom, molibden, volfram, vanadiu etc.

14

1.2. ALIAJE NEFEROASE

Aliajele metalice sunt materiale tehnice alctuite din dou sau mai

multe elemente chimice, dintre care pondrea cea mai mare o au metalele,

care prezint caracteristci metalice evidente. Elementele care intr n

compoziia aliajelor se numesc componeni, cel mai important dintre acestea

fiind metalul de baz, altele fiind elementele principale de aliere, iar celelalte

sunt elementele secundare de aliere.

Pe lng metalul de baz i elementele de aliere aliajele industriale

conin impuriti care provin din materia prim sau au fost introduse

accidental n procesele de elaborare i turnare. n funcie de influena pe care

o au acestea se pot grupa n:

- impuriti neutre, care nu influeneaz nefavorabil calitatea aliajelor

i a cror concentraie n aliaj nu este strict limitat;

- impuriti nocive, care nrutesc proprietile i care trebuie

eliminate pn cnd coninutul lor se reduce sub limita maxim admisibil.

Aliajele neferoase reprezint o categorie important de materiale care

sunt utilizate n majoritatea domeniilor tehnice dintre care amintim: industria

constructoare de maini, industria navala, industria chimic, aeronautic i

astronautic, electrotehnic i electronic, energetic etc.

Prin noiunea de aliaje neferoase se inelege, n sens general,

totalitatea aliajelor care nu au ca element de baz fierul, iar n sens restrns,

totalitatea aliajelor larg utilizate n tehnic care au ca baz metale neferoase

comune cum ar fi: cuprul, aluminiul, magneziul, zincul, plumbul, staniul etc.

i care nu fac parte din metalele neferoase rare sau scumpe. Celelalte aliaje

neferoase sunt cunoscute ca aliaje speciale, cu utilizri exprese, de cele

mai multe ori cu denumiri specifice.

Domeniile de aplicare ale metalelor i aliajelor neferoase sunt

determinate n primul rnd de proprietile lor specifice care gsesc o

15

anumit coresponden cu complexitatea cerinelor practice din diverse

domenii tehnice. Prin prisma satisfacerii acestor cerine aliajele neferoase de

turntorie, complexe sau mai puin complexe, nu i-au gsit nlocuitori , fapt

ce le pstreaz importana deosebit de care s-au bucurat pn n prezent.

1.2.1. Clasificarea aliajelor neferoase

Diversitatea mare de proprieti specifice pe care le prezint aliajele

neferoase, a ngreunat foarte mult realizarea unei clasificri acceptate.

Autorii consider c o clasificare complet a aliajelor neferoase trebuie s se

fac dup urmtoarele criterii[32;39]:

a) dup numrul elementelor de aliere:

-aliaje binare - conin metalul de baz i un element de aliere;

-aliaje ternare - conin metalul de baz i dou elemente de aliere;

-aliaje cuaternare - conin metalul de baz i trei elemente de aliere;

-aliaje complexe - conin metalul de baz i mai multe elemente de

aliere.

b) dup coninutul elementelor de aliere:

-aliaje slab aliate, care au pn la 3% elemente de aliere;

-aliaje mediu aliate, care au 3-10% elemente de aliere;

-aliaje nalt aliate, care au peste 10% elemente de aliere.

c) dup greutatea specific a metalului de baz:

-aliaje uoare, care au greutatea specific mai mic de 4 daN/dm3,

cum sunt cele pe baz de aluminiu, magneziu, beriliu etc. Aliajele

superuoare care au greutatea specific mai mic de 2 daN/dm3 fac parte din

sistemul magneziu, litiu, aluminiu;

-aliaje grele, cu greutatea specific mai mare de 4 daN/dm3 sunt pe

baz de: cupru, nichel, zinc, staniu, plumb etc. Bronzurile i alamele, care

conin metalele de mai sus, sunt cele mai utilizate aliaje grele n turntorii.

16

d) dup temperatura de topire:

-aliaje uor fuzibile, cu temperaturi de topire mai mici de 500C, din

categoria crora fac parte aliaje pe baz de plumb, staniu, zinc, cadmiu;

-aliaje cu temperatur medie de topire, care se topesc ntre 500C i

1000C, din care fac parte aliaje pe baz de aluminiu, magneziu i cupru;

-aliaje cu temperatur de topire ridicat, cuprins ntre 1000C i

1500C, din care fac parte aliajele pe baz de cupru, nichel, beriliu, mangan;

-aliaje greu fuzibile, cu temperatura de topire de peste 1500C, cum

ar fi cele pe baz de cobalt, titan, platin, wolfram, molibden etc.

Este de reinut c aceast clasificare are n vedere temperatura de

topire a metalului de baz, deoarece aliajele neferoase nu au un punct de

topire constant, ci se topesc ntr-un interval de temperatur, n funcie de

compoziia chimic real.

e) dup destinaie, utilizare i tehnologia de prelucrare:

-prealiaje, utilizate ca materiale intermediare la elaborarea aliajelor

neferoase;

-aliaje de turntorie, destinate fabricrii pieselor turnate;

-aliaje deformabile, care se prelucreaz ulterior pe cale metalurgic

prin deformare plastic la cald;

-aliaje destinate turnrii pieselor cu proprieti de antifriciune;

-aliaje destinate industriei aeronautice, pe baz de aluminiu,

magneziu i titan.

-aliaje cu destinaie special: electronic, biocompatibile, medicin,

alimentaie, opere de art i cult etc.

f) dup natura componentului de baz:

- aliajele cuprului;

- aliajele aluminiului;

- aliajele magneziului;

17

- aliajele nichelului etc.

n afara clasificrii sumare prezentate mai sus, literatura de

specialitate ofer i alte criterii de clasificare: dup culoare, dup

reactivitatea chimic, dup gradul de utilizare etc.

Aliajele neferoase se caracterizeaz prin[16]: simbol (marc),

compoziie nominal, compoziie admisibil i compoziie real, pentru

fiecare admindu-se anumite valori ale proprietilor fizice i mecanice, n

general standardizate. Exist ns i multe aliaje cunoscute sub diverse

denumiri comerciale pe care literatura de specialitate le prezint ca atare.

Simbolul sau marca ofer o indicaie sumar asupra naturii i

componentelor aliajului. Compoziia nominal este compoziia chimic

medie a aliajului, corespunztoare simbolizrii acestuia n standarde.

Exemple:

-CuSn9Zn5Taliaj de cupru(bronz) pentru turntorie cu 9%Sn, 5%Zn;

-CuAl9Fe5Ni5 aliaj de cupru(bronz) cu 9% Al, 5% Fe, 5% Ni;

-CuZn38Pb2Mn2 aliaj de cupru(alam) cu 38% Zn, 2% Pb, 2% Mn;

-ATSi10Cu3MgFe aliaj de aluminiu turnat, cu 10% Si, 3% Cu i

cantiti mici de Mg i Fe (dar nu ca impuriti);

-Y-Sn83 aliaj antifriciune care conine 83% Sn.

Compoziia admisibil indic limitele ntre care poate fi cuprins

compoziia aliajului i reprezint limitele inferioare i superioare ale

concentraiei componenilor i coninutul maxim de impuriti tolerate.

Compoziia real este compoziia chimic efectiv a aliajului,

determinat prin analize chimice cantitative.

1.2.2. Aspecte termodinamice ale sistemelor de aliaje neferoase

Proprietile pieselor turnate din aliaje neferoase sunt dependente de

compoziia chimic i de structur. Prin introducerea unuia sau mai multor

18

elemente de aliere ntr-un metal se pot obine aliaje de diferite compoziii,

structuri i proprieti ce vor avea utilizri tehnice corespunztoare.

Formarea structurii aliajelor neferoase este influenat att de

condiiile de elaborare ct i de configuraia pieselor i de condiiile de

turnare i rcire ale acestora.

n general, structura se refer att la macrostructura piesei turnate ct

i la microstructura acesteia. Macrostructura, de obicei observat cu ochiul

liber ntr-o ruptur proaspt, cuprinde forma i distribuia grunilor

echiaci fini, zona cristalelor columnare i zona cristalelor echiaxe mari.

La solidificarea lingourilor se formeaz trei zone distincte[15]:

- la marginea exterioar, un strat ngust de cristale fine cu orientare

ntmpltoare, germinate eterogen;

- n centrul lingoului, gruni cristalini echiaci mari, dezvoltai la

subrcirea constituional;

- zona intermediar, de transcristalizaie, este constituit din cristale

columnare dezvoltate n direcia de pierdere a cldurii, perpendicular pe

pereii lingoului, ceea ce poate conduce la tendina de desprindere la coluri

dac acestea nu sunt rotunjite.

Fig.1.1. Macrostructura unui lingou turnat n seciune longitudinal i transversal.

19

Microstructura unui aliaj este determinat de natura, forma,

distrubuia i proporia constituenilor metalografici. Se poate vorbi de o

microstructur primar, care se obine direct prin procesul de solidificare n

urma turnrii pieselor i de o microstructur secundar care rezult n urma

unor tratamente termice efectuate dup solidificarea i rcirea pieselor.

Aa cum s-a artat mai sus, aliajele neferoase pot fi combinaii de

dou, trei sau mai multe elemente. ntre aceste elemente chimice pot exista

urmtoarele relaii pornind de la capacitatea lor de a se dizolva total, parial

sau deloc n stare lichid sau solid[14;32]:

- total solubile (miscibile) n stare lichid i n stare solid;

- total solubile n stare lichid dar insolubile n stare solid;

- total solubile n stare lichid i parial solubile n stare solid;

- insolubile att n stare solid ct i n stare lichid.

n literatura de specialitate sunt dezbtute n amnunt aceste cazuri n

cadrul diagramelor de echilibru termic, binare sau ternare. Aceste diagrame

reprezint relaia grafic, trasat n funcie de temperatur i concentraie,

care arat schimbarea strilor de echilibru ale aliajelor n funcie de aceste

coordonate. Diagramele de echilibru ofer posibilitatea stabilirii strii

aliajelor la o anumit concentraie n funcie de temperatur i de a determina

fazele existente din punct de vedere cantitativ i calitativ. Ele permit, de

asemenea, s se urmreasc transformrile de faz care se produc la nclzire

sau la rcire, precum i identificarea constituenilor structurali care se obin

n urma transformrilor de faz.

Principalele tipuri de diagrame de echilibru termic, binare sunt

prezentate mai jos[14; 16]:

a) complet miscibile (solubile) att n stare lichid ct i n stare

solid (Fig. 1.2). Exemple: Cu-Ni, Au-Ag, Co-Ni, Cu-Mn.

20

Fig.1.2. Diagrame de echilibru ale aliajelor binare formate din metalele A i B total miscibile att n stare lichid ct i n stare solid.

La temperaturi superioare temperaturii lichidus aliajul formeaz o

topitur omogen cu o concentraie specific n cei doi componeni A i B.

La temperatura lichidus ncepe solidificarea primelor cristale de soluie

solid cu compoziia determinat de nivelul concentraiilor celor doi

componeni metalici. Cantitatea de cristale crete pe msura rcirii, astfel c

la atingerea temperaturii solidus ultimile cantiti de aliaj lichid se solidific.

Sub temperatura solidus aliajul este solidificat n totalitate sub forma unei

soluii solide omogene.

b) complet miscibile (solubile) n stare lichid dar nemiscibile n

stare solid (Fig.1.3 i Fig.1.4). Exemple: Pb Sb; Al Sn; Mg Zn;

Al Sb; Al Ni; Al Mn; Mg Si.

n acest caz sunt posibile trei tipuri de diagrame:

- aliaje binare cu eutectic simplu dac componenii nu interacioneaz;

- aliaje binare a cror componeni interacioneaz chimic i formeaz

compui definii stabili, care se topesc congruent;

- aliaje binare a cror componeni interacioneaz i formeaz compui

definii instabili ce se topesc incongruent corespunztor tranziiei peritectice.

21

n primul caz, aa cum se vede n figura 1.3, aliajele corespunztoare

punctului E, denumite aliaje eutectice, se obin prin cristalizarea simultan

din lichid a metalelor A i B. Datorit rejectrii atomilor celuilalt metal n

lichidul din faa frontului de solidificare, acesta se mbogete n atomi de

B, n vecintatea cristalelor de metal A i n atomi de A la limita cristalelor

de metal B. Aliajele aflate n stnga punctului E, numite hipoeutectice, au o

structur alctuit din cristale primare de metal A i amestec mecanic

eutectic A+B, iar aliajele aflate n dreapta punctului E, numite hipereutectice

separ din topitur cristale primare de B i amestec mecanic eutectic A+B.

Fig. 1.3. Diagrama de echilibru a unui

sistem format din dou metale

complet solubile n stare lichid i

total insolubile n stare solid[52].

Aliajul de compoziie

X ncepe s se solidifice la punctul L prin separarea de cristale de metal A,

iar lichidul se mbogete n metal B dup linia LE. La temperatura

eutectic, corespunztoare punctului E, solidific amestecul mecanic de

microcristale de metal A i microcristale de metal B.

L

X B

A+E B+E

E

Lichid

B[%]

Metal A + Lichid Metal B + Lichid

A

A B

35

65 %E

B A

22

Deoarece n punctul E variana sistemului este nul nseamn c att

temperatura ct i compoziia chimic a eutecticului sunt bine determinate.

Diagrama structural din partea de jos permite calculul n procente masice a

fiecrui constituent structural al aliajului.

Dac componenii sistemului binar de aliaje formeaz compui

chimici care n stare solid sunt complet insolubili atunci diagramele de

echilibru vor fi de forma celor din figura 1.4. Metalele cu mare afinitate

chimic formeaz compui foarte stabili care se topesc congruent, adic fr

s se descompun la temperaturi mai mari dect ale celor dou metale, iar

metalele cu afinitate chimic moderat formeaz compui care se descompun

nainte de topire. Considernd compusul chimic un component pur

diagramele pot fi mprite n pseudodiagrame binare cu eutectic.

a b Fig. 1.4. Diagrame de echilibru ale aliajelor binare formate din metale total miscibile n stare

lichid, complet insolubile n stare solid i care formeaz un compus chimic: a stabil pn la temperatura de topire (congruent); b care se descompune nainte de topire

(incongruent)

c) complet miscibile n stare lichid i parial miscibile n stare

solid (Fig. 1.5). Exemple: Pb-Sn; Sb-Sn; Al-Mg; Al-Si; Cu-Sn; Cu-Al;

Cu-Zn. n stare solid se poate forma o soluie solid de metal B, dizolvat n

metalul A, simbolizat prin i o soluie solid de metal A, dizolvat n

metalul B, simbolizat prin .

De asemenea se formeaz i eutecticul E care este un amestec

mecanic de soluii solide i .

23

a b Fig. 1.5. Diagrame de echilibru ale aliajelor binare formate din metale total miscibile n stare

lichid i parial solubile n stare solid, care prezint transformare eutectic a cu solubilitate n stare solid invariabil cu temperatura; b cu solubilitate n stare solid

variabil cu temperatura d) nemiscibile n stare lichid i nemiscibile n stare solid (Fig. 1.6).

Exemple: Al-Pb, Al-Ti, Ni-Sn, Ni-Pb, Cu-Pb, Zn-Pb, Cu-Cr. n stare lichid,

cele dou metale nu formeaz o singur faz omogen, fiecare comportndu-

se independent unul fa de altul. Prin scderea temperaturii se solidific mai

nti cristalele metalului cu temperatura de topire mai ridicat coexistnd cu

masa topit a celuilalt metal pn ce temperatura ajunge la nivelul

temperaturii de solidificare (respectiv topire) a acestuia. De obicei se produce

o separare a celor dou metale n dou straturi suprapuse, n funcie de

greutatea specific. Aceste metale pot fi procesate prin metodele metalurgiei

pulberilor (amestecare, presare i sinterizare).

a b Fig.1.6 Diagrame de echilibru ale aliajelor binare formate din metale total nemiscibile (a) i

parial nemiscibile (b) att n stare lichid ct i solid

24

Fa de cazurile generale de mai sus, literatura de specialitate prezint

diverse diagrame binare de echilibru termic ce pot fi considerate cazuri

particulare ale acestora.

n cazul aliajelor formate din trei componeni metalici se poate vorbi

despre aceleai tipuri de relaii ntre componeni, ca i n cazul aliajelor

binare. Aceste relaii sunt exprimate grafic tot prin diagrame de echilibru

ns mai complexe, deoarece ele se traseaz de regul n trei dimensiuni, ns

pot fi reprezentate simplificat prin rabatere n plan. Astfel de diagrame sunt

prezentate n figura 1.7. i n figura 1.8.

Fig. 1.7. Diagrama de echilibru a sistemelor ternare cu componeni complet solubili n stare

lichid i insolubili n stare solid

Fig.1.8. Proiecia diagramei ternare pe triunghiul concentraiilor, cu sisteme binare rbtute.

25

Pe baza diagramelor de echilibru se pot trage concluzii privind

proprietile fizice, chimice, mecanice, precum i consideraiile teoretice

necesare stabilirii tehnologiilor de elaborare, turnare i tratamente termice.

n ceea ce privete elaborarea i turnarea, cunoaterea diagramei de

echilibru permite s se determine:

- posibilitile de aliere ale metalelor;

- obinerea unor constituieni care s duc la realizarea proprietilor

fizico-chimice i tehnologice impuse piesei turnate;

- temperatura la care aliajul trece n stare lichid;

- intervalul de solidificare.

Din diagramele prezentate mai sus, se nelege c, n stare solid, ntr-

un aliaj, se ntlnesc constituieni structurali ce pot fi grupai n patru tipuri

principale: - metal pur;

- compui definii;

- soluii solide;

- amestecuri mecanice.

Prin constituient structural se nelege acea parte constitutiv, faze

sau amestecuri de faze, din care este alctuit structura aliajelor i care la

analiza metalografic prezint un aspect caracteristic.

Faza reprezint acea parte omogen a unui sistem, mrginit de

celelalte pri ale sistemului printr-o suprafa de separaie i care prezint o

reea proprie.

Metalul pur se caracterizeaz prin temperatur constant de topire

respectiv de solidificare, iar la analiza metalografic apare sub form de

gruni poliedrici omogeni, uneori punndu-se n eviden doar limita dintre

cristale iar alteori sub forma unei structuri dendritice.

Compuii definii reprezint combinaii n anumite proporii ntre

atomii elementelor componente i la analiza metalografic apar cu reele

26

cristaline specifice, diferite de ale elementelor componente. Ei pot fi mai

mult sau mai puin stabili n funcie de metalele pe care le conin i de

legturile formate: prin legile valenei sau prin electroni comuni.

Soluiile solide se prezint ca un amestec intim al atomilor celor doi

componeni, asamblai ntr-un edificiu cristalin unitar. La orice compoziie

soluia solid este omogen, iar proprietile fizice i prametrii reelei difer

nesemnificativ de cele ale compoziiilor vecine. Din punct de vedere a

amplasrii atomilor componenilor n reeaua cristalin se disting dou tipuri

de soluii solide:

- soluie solid de substituie obinut prin substituirea (nlocuirea)

atomilor unui component cu atomii celuilalt component;

- soluie solid de interstiie, care se formeaz prin ptrunderea

atomilor unui component n spaiul dintre atomii altui component; acest tip

de soluie solid este mai rar ntlnit.

Din punct de vedere al amplasrii domeniului lor de existen,

soluiile solide se grupeaz n:

- soluii solide primare, al cror domeniu de existen pornete de la

unul din componenii puri ai aliajului, acesta fiind solventul soluiei, iar

reeaua sa cristalin se pstreaz pe tot domeniul de existen al soluiei

solide terminale;

- soluii solide secundare, au ntreg domeniul de omogenitate i de

existen axat pe compoziia i reeaua cristalin a unui compus intermetalic.

n mod normal, distribuia atomilor de specii diferite n reeaua

cristalin a unei soluii solide este ntmpltoare, iar aceasta este denumit

soluie solid dezordonat.

Soluiile solide de substituie la care este posibil ca la temperaturi

coborte s aib loc distribuia regulat a atomilor de specii diferite n

reeaua cristalin, sunt denumite soluii solide ordonate.

27

Amestecurile mecanice se prezint sub forma unor agregate de

microcristale ale celor doi componeni sau a dou faze, cunoscute i sub

denumirea de eutectice. Caracteristic pentru eutectice este faptul c au o

temperatur de topire, respectiv de solidificare constant, iar cele dou faze

se separ simultan. Eutecticele rezult prin solidificarea unei topituri, iar

atunci cnd se formeaz prin transformare n stare solid se numesc

eutectoide.

1.3. SOLIDIFICAREA METALELOR I ALIAJELOR

NEFEROASE

Solidificarea aliajelor este procesul de trecere a acestora din starea

lichid (de topitur) n stare solid ca urmare a pierderii de energie prin

cedarea cldurii i prezint dou aspecte principale: unul de amorsare sau

germinare i cellalt de desfurare sau cretere a cristalelor[44].

Germinarea reprezint etapa formrii germenilor de solidificare adic

a nucleelor sau centrelor de cristalizare. Germenii de solidificare pot fi

germeni proprii sau omogeni i germeni strini sau eterogeni.

Germinarea omogen este procesul de formare spontan a unor centri

de cristalizare n jurul crora se va dezvolta un cristal, chiar din atomii

existeni n masa lichidului, n anumite condiii de subrcire.

Germinarea eterogen se realizeaz n jurul unor germeni strini,

care pot fi particule infime aflate n suspensie n lichid. Aceste particule pot

proveni fie din impuritile aflate n lichid, fie din precipitarea primar a unor

faze sub form de minicristale. Comportarea acestora ca nuclee de

cristalizare este posibil numai dac ele au aceeai reea cristalin cu a

metalului care trebuie s cristalizeze (izomorfe) sau au unele plane

cristalografice analoge cu ale acestuia (epitaxie).

28

n practic, germanarea eterogen poate s fie favorizat prin

introducerea intenionat n aliajul lichid a unor elemente chimice numite

modificatori, rezultnd astfel structuri cu gruni foarte fini n locul unor

structuri grosolane. n general, aceti modificatori sunt elemente cu afinitate

mare fa de oxigen, ceea ce permite formarea de incluziuni nemetalice

(oxizi) ce joac apoi rolul de centrii de cristalizare.

Creterea cristalelor ncepe imediat dup ce s-au format germenii

stabili, iar viteza lor de cretere este direct proporional cu diminuarea

energiei atomilor prin evacuarea cldurii.

Se poate vorbi despre o cristalizare la scar atomic, cnd atomii se

vor fixa n acele locuri n care vor gsi un numr mare de vecini ce vor

contribui la diminuarea energiei lor (deci tind spre o stare de echilibru) i

despre o cristalizare la scara cristalului ce ar consta ntr-o adiionare continu

de atomi n plane paralele cu anumite plane cristaline, ns nedirijate,

obinndu-se n final cristale cu configuraii geometrice oarecare. Totui n

condiii de rcire foarte lent exist posibilitatea formrii unor cristale

oarecum dirijate, numite dendrite, care se nasc ca urmare a unor direcii

prefereniale de cedare a cldurii. Dendritele au forma unei frunze de ferig

i oprirea creterii lor are loc atunci cnd ramurile ei ajung n zone cu metal

lichid n care este acumulat o cantitate mai mare de cldur provenind de la

un cristal vecin (este un proces ce are mare similitudine cu nghearea apei).

Fig. 1.9. Formarea dendritei[52]

a apariia centrului de cristalizare;b cedarea cldurii;c dendrita.

29

n final, structura policristalin a unui aliaj, caracterizat de existena

unui numr mare de gruni cristalini, este dat de:

- creterea liber a cristalelor pn la incomodarea reciproc;

- realizarea masei unice prin sudarea grunilor i formarea limitelor

de gruni ca urmare a acumulrii incluziunilor de diferite tipuri care se

solidific ultimele;

- poligonizarea structurii constnd n creterea grunilor n timp i la

temperaturi ridicate, prin difuzie, n scopul micorrii energiei interne. Dup

solidificare, grunii mari continu s creasc resorbindu-i pe cei mici.

Solidificarea aliajelor este un proces ce se desfoar ntr-un anumit

timp, care n cazul turnrii n piese este dat pe de o parte de grosimea de

perete a piesei, iar pe de alt parte de capacitatea formei de turnare de a

prelua mai repede sau mai ncet o anumit cantitate de cldur de la metalul

lichid.

n momentul turnrii metalului pur, lichid, n form, n vederea

obinerii piesei turnate, ca urmare a faptului c pereii acesteia sunt mai reci

dect metalul topit va exista un flux de cldur dirijat spre pereii formei.

Rezult deci c n imediata vecintate a pereilor formei temperatura

metalului va scdea mai rapid, formndu-se un strat de metal solidificat la o

anumit temperatur. Pe msur ce cldura este preluat de pereii formei

acest strat se mrete, astfel nct, la un moment dat peretele piesei turnate se

gsete n situaia din figura 1.10 a. Pe peretele formei de turnare s-a format

deja un strat de metal solid 1, care avanseaz n masa metalului lichid 2. Se

poate spune c la solidificarea metalului pur exist un front de solidificare

care avanseaz dinspre peretele formei spre axa peretelui piesei turnate cu o

vitez dependent de schimbul de cldur. n cazul metalelor pure, nu exist

un interval de solidificare, temperatura de topire este egal cu temperatura de

solidificare: Tlichidus = Tsolidus.

30

Fig. 1.10 Solidificarea peretelui unei piese turnate[52]. 1 solid, 2 lichid, 3 zon bifazic, 4 form de turnare.

Spre deosebire de metalele pure cele mai multe aliaje se solidific

ntr-un interval de temperatur, fapt pentru care solidificarea peretelui piesei

turnate se produce ca n fig. 1.10 b. n momentul turnrii aliajului lichid n

form, el are temperatura Tturnare. Pe msur ce cldura se elimin prin pereii

formei se ajunge la situaia ca la un moment dat lichidul din preajma

peretelui formei s aib temperatura Tlichidus i n aceast zon s apar

primele cristale de soluie solid. Dup un timp, temperatura lng peretele

formei va scdea la valoarea Tsolidus i mai apoi acest front de temperatur va

nainta spre axa peretelui piesei. Solidificarea se va socoti terminat cnd n

axa piesei se va atinge Tsolidus.

Se poate spune c la solidificarea aliajelor exist dou fronturi: un

front de nceput de solidificare i un front de sfrit de solidificare. ntre

aceste dou fronturi exist o zon bifazic a crei mrime depinde de aliaj,

de mrimea intervalului de solidificare i de capacitatea formei de turnare de

a prelua cldura. Mrimea intervalului de solidificare este dependent de

compoziia chimic a aliajului. Mai jos se prezint intervalele de solidificare

pentru unele aliaje de interes:

ATNSi12 = Al + 12%Si 577 - 590 C

31

ATNSi6Cu = Al + 6%Si + 3%Cu 526 - 610 C

ATNSi10Mg = Al +9%Si + 0,3%Mg 575 - 612 C

ATNCu4 = Al + 4%Cu 549 - 646 C

ATNCu4Ni2Mg = Al + 4,5%Cu + 1,75%Mg 540 - 630 C

ATNSi5Cu2 = Al + 5%Si + 3%Cu 526 - 625 C

CuSn10T = Cu + 10%Sn 815 - 1050 C

CuZn40 = Cu + 38%Zn 898 - 905 C

CuZn40Pb = Cu + 37%Zn + 2,5%Pb 880 - 895 C

CuAl = Cu + 9%Al 1056 - 1075 C

Structura realizat n urma procesului de solidificare se numete

structur primar i ea poate s se menin i la temperatura ordinar dac

aliajul nu prezint transformri de faz n stare solid (vezi diagramele de

echilibru termic pentru aliajele respective). Aceast structur depinde de o

serie de factori cum ar fi: viteza de rcire, numrul centrelor de cristalizare,

compoziia chimic etc. n cazul acelor aliaje care prezint transformri de

faz n stare solid, aceast structur poate fi corectat prin operaii de

tratament termic obinndu-se o structur secundar.

1.4. PROPRIETI DE TURNARE ALE METALELOR I

ALIAJELOR NEFEROASE

Proprietatea tehnologic a materialelor metalice de a se turna n piese

se numete turnabilitate. Ea poate fi definit ca foarte bun, bun,

satisfctoare sau rea i este dependent de unele proprieti fizice ale

matalului sau aliajului care se toarn. Principalele proprieti care

influeneaz turnabilitatea sunt:

- FUZIBILITATEA: proprietatea metalelor i aliajelor de a trece n

starea lichid. Metalele i aliajele care se topesc la temperaturi joase se

32

numesc uor fuzibile i prezint avantajul unor instalaii de topire mai ieftine

i a unei elaborri mai simple.

n general, pentru a ieftini procesul de elaborare a aliajelor se

urmrete alegerea unor compoziii chimice care s asigure temperaturi de

topire ct mai joase (de regul aliajele eutectice sau cele aflate n imediata

vecintate).

- FLUIDITATEA: proprietatea metalelor i aliajelor lichide de a

curge cu uurin i de a umple forma de turnare. Este foarte important

deoarece de ea depinde obinerea pieselor cu configuraie complicat i cu

perei subiri. Cea mai bun fluiditate o prezint aliajele eutectice sau din

imediata vecintate, iar un factor important pentru creterea acesteia este

temperatura de turnare.

- PROPRIETI DE SUPRAFA: fenomenele de suprafa

determin desfurarea proceselor de coalescen, de ncorporare sau

expulzare a incluziunilor nemetalice, de adsorbie i desorbie a gazelor, de

cristalizare i modificare a structurii, de interaciune cu suprafaa agregatelor

i a formelor de turnare. Fenomenele superficiale depind de proprietile

stratului limit i ale fazelor volumice ce vin n contact i sunt influenate de

presiune i temperatur.

Datorit atraciei exercitate de ctre forele interatomice asupra

atomilor din stratul superficial, energia liber a suprafeei este mult mai mare

dect energia liber din volum. Acest exces de energie asigur stabilitatea

suprafeei de separare i mpiedic dispersarea fazelor n contact, la variaii

energetice minime. Modificarea izotermic a ariei superficiale se realizeaz

cu un consum de lucru mecanic, care este egal cu scderea energiei libere a

suprafeei: dF = - dL = d n care cu s-a notat tensiunea

superficial, care se msoar n J/m2 sau N/m. Tensiunea superficial

reprezint fora care se exercit tangenial la suprafaa lichidelor datorit

33

interaciunii atomilor de la suprafa i din interior i tinde s micoreze

suprafaa lichidului. Aceast proprietate este important prin faptul c

metalul nu copiaz fidel toate micile detalii ale suprafeei formei, genernd

astfel suprafee mai netede. O apreciere aproximativ asupra tensiunii

superficiale a unui aliaj este tendina stropilor de a se transforma n mici

sfere la solidificare ceea ce indic o tensiune superficial crescut. Tensiunea

superficial este mult mai mare la metale i aliaje dect la alte substane i se

mrete cu numarul grupei din sistemul periodic n care se gsete.

- CONTRACIA: tendina aliajelor i metalelor de a-i micora

volumul la trecerea din starea lichid n starea solid. n procesul de turnare a

aliajelor se are n vedere att contacia volumic ct i contracia liniar.

Contracia volumic este important pentru aprecierea volumului retasurii ce

poate s apar n anumite zone ale pieselor turnate i de aici posibilitatea

dimensionrii maselotelor ce vor compensa aceste valori de retasur.

Calculul volumului retasurii, n % din volumul piesei, se face cu

formula:

V = a V (1.1)

unde: V volumul retasurii;

V volumul piesei;

a coeficient de contracie la solidificare.

n tabelul 1.1 se dau valorile coeficientului a pentru unele aliaje

neferoase uzuale. Tabelul 1.1. Valorile coeficientului de contracie la solidificare

Aliajul Contracia la solidificare [%] Aliajul Contracia la

solidificare [%] Bronz cu staniu 6,3-7,4 Bronz cu beriliu 4,5-5,0

Bronz cu aluminiu 6,0-9,0 Alam 4,9-7,1 Bronz cu plumb 5,0-7,2 Aliaje de aluminiu 3,8-7,0

Bronz cu mangan 4,8-6,2 Aliaje de magneziu 5,2-6,0

34

Volumul de retasur calculat se va raporta la numrul de maselote

propus ceea ce va permite stabilirea destul de corect a mrimii i formei

acestora.

Contracia liniar este important n stabilirea dimensiunilor

modelului de turnare cu ajutorul cruia se realizeaz semifabricatele.

Valorile medii ale contraciei liniare pentru diferite aliaje neferoase sunt

indicate n tabelul 1.2. Tabelul 1.2. Valorile contraciei liniare i ale adaosului de contracie

Aliajul turnat Mrimea pieselor Contracia liniar [%] Adaosul de

contracie [%]

Bronz cu staniu Mici 1,4-1,6

1,25 Mijlocii 1,0-1,4 Mari 0,8-1,2

Bronz cu aluminiu Mici 2,0-3,0

2 Mijlocii 1,8-2,6 Mari 1,5-2,0

Aliaje de cupru (alame i altele)

Mici 1,5-2,0 1,25 Mijlocii 1,0-1,5

Mari 0,8-1,2 Aliaje de aluminiu

Al-Si Diferit 1,0-1,2 1,15 Al-Cu 1,2-1,4 1,30 Aliaje de magneziu Diferit 1,1-1,4 1,25

Aliaje de zinc Diferit 1,2-1,8 1,5

Valoarea contraciei liniare depinde, n afar de mrimea piesei

turnate, de faptul dac ea este liber sau frnat.

Pentru calculul dimensiunilor modelului se va utiliza formula:

Lm = Lp + xt100Lp (1.2)

unde: Lm dimensiunea nominal a modelului de turnare;

Lp dimensiunea nominal a piesei turnate;

xt sporul de contracie.

35

CAP. II. PROCESE FIZICO-CHIMICE LA ELABORAREA I

TURNAREA METALELOR I ALIAJELOR NEFEROASE

Produsele metalurgice n general i piesele turnate n special

corespund calitativ la solicitrile fizico mecanice impuse dac metalul sau

aliajul are compoziia chimic prescris, puritatea impus i structura

corespunztoare. Prima condiie pentru ca o pies metalic s fie

corespunztoare este ca elaborarea i turnarea s se realizeze n cele mai

bune condiii, pe baza unei tehnologii i a unei dotri tehnice

corespunztoare. Acest lucru este extrem de important deoarece la

temperatura de topire i supranclzire metalele i aliajele interacioneaz

intens cu mediul solid, lichid sau gazos cu care intr n contact. Astfel, la

elaborare i turnare au loc procese de topire, de dizolvare, de vaporizare, de

interaciune cu gazele, de interaciune cu creuzetul i cptueala cuptoarelor

sau a oalelor de turnare, precum i de interaciune cu zgurile i fondanii.

2.1. TOPIREA

Topirea este procesul metalurgic de tranformare a metalului sau

aliajului solid n lichid ca urmare a nclzirii peste o anumit temparatur.

Dac la starea solid atomii ocup poziii relativ fixe, executnd doar micri

de oscilaie n jurul nodurilor reelei, la starea lichid mobilitatea atomilor

este mai ridicat, ceea ce la scar macroscopic determin fluiditatea.

Metalele solide se caracterizeaz printr-o ordonare ndeprtat a atomilor

(103 104 distane interatomice), iar metalele lichide prin ordonarea

apropiat a atomilor (zeci de distane interatomice)[7].

La topire, care este un proces deosebit de important n elaborarea i

turnarea metalelor i aliajelor, trebuie s se aib n vedere urmtoarele:

- temperatura de topire a componentelor ncrcturii i a aliajelor;

36

- ordinea introducerii elementelor de aliere n arj;

- consumul total de cldur necesar;

- pregtirea ncrcturii i modul de ncrcare;

- pierderile de metal;

- greutatea specific.

Aa cum s-a artat n capitolul 1, exist metale uor fuzibile , cu

temperaturi de topire mai mici de 500C, metale cu temperaturi medii de

topire cuprinse ntre 500 -1000C, metale cu temperaturi ridicate de topire

cuprinse ntre 1000 - 1500C i metale greu fuzibile care au temperatura de

topire mai mare de 15000C.

Fiecare metal este caracterizat de o temperatur de topire i de o

temperatur de fierbere sau vaporizare care trebuie s fie bine cunoscute. n

procesul de elaborare este important s se cunoasc cantitatea de cldur

necesar deoarece aceasta difer de la aliaj la aliaj, n funcie de compoziia

chimic i de proprietile fizice ale metalelor componente. Pentru elaborarea

unui aliaj este nevoie de o cantitate de cldur pentru nclzire, o cantitate de

cldur pentru topire i o cantitate de cldur pentru supranclzire. ntreaga

cantitate de cldur este dat de relaia:

Q = M c(Tt T0) + M qlt + M s(Ts Tt) [W] (2.1)

unde: M este cantitatea de metal din ncrctur [Kg];

c cldura specific a ncrcturii n stare solid [j/Kggrad];

Tt temperatura de topire (medie) [K];

T0 temperatura iniial a ncrcturii [K];

qlt cldura latent de topire [j/kg];

s cldura specific n stare lichid [j/kg];

Ts temperatura de supranclzire [K].

Pentru cele mai importante metale se dau, n tabelul 2.1, o serie de

proprieti fizice care prezint interes[3]:

37

Tabelul 2.1. Proprieti fizice ale unor metale neferoase uzuale

Proprieti fizice Metale Al Cu Zn Sn Pb Si Mg Greutatea specific [daN/dm3] 2,70 8,96 7,14 7,30 11,4 2,33 1,74 Cldura latent de topire [Kcal/Kg] 93,9 50,46 26,2 14,2 5,7 127,7 85,2

Cldura specific [Kcal/KgC] 0,215 0,092 0,093 0,054 0,031 0,182 0,245 Temperatura de topire [C] 660 1083 419 232 327 1410 650 Temperatura de vaporizare [C] 2450 2595 906 2270 1725 2680 1107

De asemenea, pentru cteva aliaje de interes n tabelul 2.2. se dau

unele propriezi fizice. Tabelul 2.2. Cldura specific i cldura latent de topire a unor aliaje neferoase

Aliajul Cldura specific [Kcal/KgC] Cldura latent de topire

[Kcal/Kg] Alame cu 32-40% Zn 0,0926-0,0913 34-40 Bronz cu 6-20% Sn 0,095-0,086 40-46 Bronz cu 10% Al 0,104 60-65

Aluminiu-Siliciu 10-13% 0,230 93

Diferenele mari ntre valorile cldurii latente de topire, cldurii

specifice i temperaturii de topire, conduc la urmtoarele concluzii[7]:

- pentru elaborarea aliajelor de aluminiu, se consum cantitile cele

mai mari de cldur;

- pentru elaborarea aliajelor de cupru se consum de aproape dou ori

mai puin cldur dect pentru aceeai cantitate de aliaj de aluminiu;

- un aliaj de aluminiu sau de magneziu va putea sta mai mult n oala

de turnare fr s piard cldur, dect un aliaj de cupru, staniu sau plumb

care trebuie turnat imediat;

- la elaborare se evit supranclzirea aliajelor n stare lichid,

deoarece au loc pierderi mari prin oxidare i evaporare.

Componena unei arje poate s fie destul de eterogen deoarece ea

poate fi constituit fie din materiale recirculate, situaie n care se face o

retopire, fie din materiale pure i prealiaje, situaie n care se face o topire cu

38

aliere. De asemenea materialele pentru ncrctur pot fi caracterizate printr-

o serie de parametrii: compoziie chimic, form (lingou, sprturi, achii etc),

mrime, provenien, stare (metalul pur, prealiaj, metal vechi, deeuri proprii

etc) sau acuratee (stare de oxidare, acoperit cu nisip, emulsii etc).

Este recomandat ca materialele pentru ncrctur s fie folosite n

stare prenclzit sau cel puin uscat. n cazul retopirii, ordinea de ncrcare

n cuptor este hotrt de mrimea bucilor arjei. Se vor ncrca n primul

rnd bucile cele mai mari i n baia format prin topirea lor, se introduc

apoi bucile mai mici, eventual achii (pan) i abia la urm cele medii.

n cazul topirii cu aliere factorul care hotrte ordinea componenei

arjei este determinat de urmtoarele proprietile n stare lichid: cldura de

topire, greutatea specific, temperatura de topire i de fierbere, afinitatea fa

de mediu, solubilitatea i capacitatea de a dizolva ceilali componeni.

La nceput se topesc componenii de aliere cu temperatura de topire i

temperatura de fierbere cea mai mare i cu afinitate minim fa de mediu.

Deoarece aceste proprieti pot fi uneori contrare, n practic, alierea se face

utiliznd prealiajele. Aceste prealiaje trebuie sa fie ct mai bogate n

componentul de aliere i s aib proprieti fizico-chimice comparabile cu

ale metalului cu care trebuiesc aliate.

Un caz aparte ntlnit n practica elaborrii i turnrii este topirea

metalelor cu diferen mare de greutate specific. n aceast situaie metalele

mai uoare sunt scufundate cu ajutorul unor clopote din material refractar n

topitura metalului mai greu, sub amestecarea continu a bii.

De asemenea, un caz aparte l reprezint metalele care au o

temperatur de vaporizare sczut (cazul zincului i a magneziului) i deci o

mare tendin pentru pierderi prin evaporare, oxidare sau ardere. n acest caz

se va face o topire sub presiune (nu sunt ntotdeauna condiii) sau o topire

normal utiliznd fondani acoperitori, care formeaz un strat protector

39

deasupra metalului lichid, care limiteaz intensitatea reaciilor de oxidare,

adsorbia de oxigen i evaporarea componenilor de aliere uor volatili.

Pe parcursul elaborrii metalelor i aliajelor neferoase, trebuie evitat

orice fel de micare inutil a suprafeei metalului lichid i orice operaie care

ar putea mri suprafaa de contact ntre metal i mediu. Dac aceste operaii

trebuiesc executate, ele se vor face cu mare pruden, pentru a tulbura ct

mai puin suprafaa metalului.

Pentru o elaborare corect, trebuie s se in seama de pierderile prin

ardere care survin inevitabil i care depind att de tipul cuptorului ct i de

natura ncrcturii. n tabelul 2.3 sunt prezentate aceste pierderi pentru

elementele mai larg utilizate. Tabelul 2.3. Pierderi de metale prin oxidare n diferite condiii de elaborare

Alia

jul p

e ba

z

de

Tipu

l cup

toru

lui

nc

rct

ura

Pierderi prin oxidare [%]

Al

Cu Zn

Mn

Sn

Si

Mg

Ni

Cupru

Cu creuzet

C 0,5-1 0,5-0,1 1-3 1-3 0,5-1,5 1-3 1-5 0,5-1

N 2-3 1,0-1,5 2-5 2-3 1-1,5 4-8 2-10 1-1,5

Cu vatr C 2-3 1,0-1,5 2-10 1-5 1-1,5 2-5 1-10

0,5-1,5

N 3-5 1-3 3-20 2-9 1-3 5,0-10 2-20 1-2

Aluminiu

Cu creuzet

C 0,5-1 0,5-1,0 1-2 0,5-1,5 - 1-5 1-3

0,5-0,8

N 2-3 0,5-1,5 1-3 1-2 - 2-10 2-4 0,5-1,0

Cu vatr C 2-3 1-1,5 1-5 1-3 - 2-6 1-4 0,5-1,5

N 3-5 1,0-2,0 2-8 3-5 - 3-15 2-10 1-2

C ncrctur compact; N ncrctur necompact.

Plumbul are o pierdere de 1-2%, cnd este utilizat n aliajele pe baz

de cupru.

40

2.2. SURSE DE IMPURITI

Impurificarea metalelor i aliajelor neferoase n timpul procesului de

topire are numeroase surse, ncepnd de la ncrctur, mediu de topire,

agregatul de elaborare, prelucrarea metalului lichid nainte de turnare etc.

Cauza impurificrii este pe de o parte tendina metalului lichid de a

absorbi corpurile cu care vine n contact, iar pe de alt parte afinitatea mare

fa de oxigen a celor mai multe metale neferoase i formarea de oxizi solizi,

lichizi sau gazoi.

Sursa de impurificare n procesul de topire poate fi ncrctura

cuptorului format din componeni metalici (metale i aliaje mai puin sau

mai mult oxidate) i nemetalici (fondani, rafinatori, zgur) pe de o parte, i

mediul de topire pe de alt parte (cptueala cuptorului, atmosfera creat

deasupra bii, sculele utilizate etc.)

Nu este de neglijat ca surs de impuriti oala de turnare i chiar

forma n care se toarn metalul lichid. innd seama de influena i de

mecanismul de acionare, impuritile pot fi clasate n gazoase i negazoase.

n condiiile topirii, multe din impuritile solide trec n stare lichid i chiar

gazoas suferind o dispersie din ce n ce mai mare i o amestecare cu arja

metalic. n cadrul acestei dispersii unele impuriti, numite active, vor fi

absorbite de metal iar cele neactive se vor ridica, ca efect al greutii

specifice mai mici, pe suprafaa bii, unde se vor elimina sub form de gaze

sau vor coagula formnd un strat de zgur.

2.2.1. Interaciunea cu gazele

Aa cum s-a artat mai sus, gazele reprezint o important surs de

impuriti. Gazele pot proveni din umiditate, din aerul atmosferic, din fazele

rezultate la arderea combustibilului pentru nclzire sau chiar pot fi introduse

intenionat n diverse scopuri tehnologice (rafinare).

41

Dizolvarea gazelor n metale este condiionat direct de procesele de

adsorbie i de difuzie[2;7].

Azotul se dizolv numai n unele metale cu care poate s formeze

nitruri, cum ar fi aluminiul sau magneziul, acestea avnd o influen

nefavorabil asupra rezistenei la coroziune.

Hidrogenul se dizolv n marea majoritate a metalelor, el difuznd n

acestea nc de la temperatura obinuit ns n mod accelerat o dat cu

creterea temperaturii. Solubilitatea lui este foarte accentuat mai ales la

alierea cu metalele cu care formeaz hidruri. De cele mai multe ori

hidrogenul se afl sub form de bule care, neputnd fi n ntregime eliminate

dup solidificare, nrutesc considerabil caracteristicile pieselor turnate.

Sursa principal de hidrogen o constituie umiditatea coninut n

ncrctur, n fondani, n prealiaje, n cptueala refractar a cuptorului sau

a oalelor i n combustibil.

La arderea hidrocarburilor din combustibilii utilizai, n atmosfera

cuptorului se formeaz o mare cantitate de vapori de ap, ceea ce conduce la

o saturare a metalului topit cu hidrogen. Astfel la arderea gazului metan,

compoziia atmosferei cuptorului este aproximativ urmtoarea: 0 5% O2, 8

13% CO2, 0 7% CO, 0,3 1,5% SO2 i 7,5 16,5% H2O.

Nu este lipsit de interes, ca surs de hidrogen, existena pe

ncrctura metalic a unsorilor, uleiurilor i emulsiilor.

Oxigenul este adus n contact cu metalul topit att prin umiditatea i

oxizii pe care i conine ncrctura metalic sau cptueala cuptorului ct i

de atmosfera cuptorului constituit din gaze arse i aer atmosferic. n unele

cazuri oxigenul este adus n mod voit n contact cu metalul lichid atunci cnd

se utilizeaz fondanii sau gazele de rafinare.

Activitatea oxigenului este foarte important dac se are n vedere

afinitatea lui ridicat fa de majoritatea metalelor i desfurarea cu vitez

42

mare a reaciilor de oxidare. Mecanismul de oxidare, dei depinde de starea

de agregare ca intensitate, se produce att n stare solid ct i n stare lichid

sau gazoas.

Oxizii metalelor care se formeaz n procesul de elaborare pot fi

solizi, lichizi sau gazoi. Unii oxizi pot fi dizolvai n aliajul lichid, alii nu,

iar alii formeaz incluziuni nemetalice.

Dup caracterul interaciunii cu oxigenul, metalele neferoase se

clasific n trei grupe:

- metalele care nu dizolv oxigen i nu reacioneaz cu acesta (aurul,

platina i elementele platinice) nu sunt de interes larg;

- metale care nu dizolv oxigen n stare solid sau lichid, dar

reacioneaz cu acesta: aluminiu, magneziu, zinc, staniu, plumb, cadmiu etc.

Interaciunea acestor metale cu oxigenul se reduce la formarea unor pelicule

de oxizi la suprafa, care apoi se disperseaz n faza lichid. n cazul alierii

ntre ele a acestor metale se constat o cretere a vitezei de oxidare ca urmare

a formrii unor compui compleci.

- metale care dizolv o cantitate mare de oxigen att n stare solid,

dar mai ales n stare lichid: cuprul, nichelul, argintul, titanul, zirconiul,

vanadiul etc. Aceste metale formeaz soluii de tipul Me MemOn, i att ele

ct i aliajele lor nu pot fi elaborate fr a se lua msuri de protecie contra

oxidrii.

Oxigenul dizolvat n aliaje se elimin din baia metalic prin

dezoxidare iar oxizii formai se ndeprteaz prin rafinare sau decantare.

2.2.2. Interaciunea cu cptueala cuptorului i zgura

ntre aliajele lichide i pereii sau vatra cuptorului pot avea loc reacii,

care influeneaz gradul de impurificare a metalului. De regul pot avea loc

reacii ntre metalele aliajului i oxizii din cptueal sau ntre oxizii

43

metalelor i oxizii din cptueal. Este tiut c materialele refractare utilizate

la cptueala cuptoarelor conin cantiti nsemnate de oxizi: SiO2, Al2O3,

CaO, MgO, Cr2O3 etc.

Interaciunile metalelor i aliajelor neferoase cu cptueala se

manifest sub diferite forme[30]: metalizarea, reacii de schimb ntre metale

i materialele refractare, ntre oxizii metalelor i cptueal, dizolvarea

materialului cptuelii (sau a creuzetului) de ctre topitur sau de ctre zgur.

Metalizarea este impregnarea cptuelii cu metal sub aciunea

presiunii metalostatice i a efectelor capilare favorizate de temperatur. Se

ntlnete n cazul aliajelor pe baz de cupru i de plumb.

Reaciile de schimb ntre metale i cptueala cuptorului se produc

mai accentuat atunci cnd oxizii coninui n materialul cptuelii nu au

acelai caracter chimic (acid, bazic sau neutru) cu oxizii formai predominant

n topitur sau zgur. n practic se va acorda o mare atenie acestui aspect

mai ales atunci cnd se vor forma straturi de zgur pe suprafaa metalului

lichid, sau se vor introduce fondani. Dac totui este necesar formarea unei

zgure cu caracter antagonic caracterului cptuelii, aceasta va fi meninut

numai perioada strict necesar urmnd s fie nlocuit cu alta

corespunztoare. Pentru eliminarea acestui neajuns, acolo unde este posibil

se vor utiliza materiale refractare cu caracter neutru.

Ca efect al proceselor fizico-chimice care au loc n condiiile de

topire, se creaz o anumit cantitate de substane nevolatile, numite zgure

naturale.

Compoziia chimic a zgurelor naturale este dependent de felul

aliajului, de mediul de topire i de gradul de impurificare al metalului. n

general zgurele conin oxizi simpli sau compleci ai metalelor topiturii,

compui ai metalelor cu componenii rafinatorilor i diferii compui ai

metalelor cu impuritile (sulfuri, cloruri, fluoruri, fosfuri etc.).

44

Zgurile naturale au greutate specific, temperatur de topire i

conductibilitate termic mai mic dect ale metalelor, iar vrscozitate i

tensiune superficial mai mare. Aceste nsuiri le permit s se separe relativ

uor din topituri i s formeze pe suprafaa acestora un strat protector

mpotriva pierderilor termice i a evaporrii sau de frnare a fenomenelor de

adsorbie i desorbie. Stratul de zgur format determin viteza de oxidare a

metalelor n timpul topirii sau afinrii i confer posibilitatea controlului

vitezei de oxidare prin introducerea unor cantiti mici de adaosuri.

De foarte multe ori, formarea zgurilor este un proces voit, cu scopul

de protecie a bii sau de accelerare a unor procese fizico-chimice.

Materialele utilizate se numesc fondani sau fluxuri i uneori ei pot rmne n

stare solid (mangalul) sau se topesc formnd un strat continuu de 10-15 mm

grosime.

Zgurile nou formate pot avea deci o influen activ asupra topiturilor

prin tendina lor de a stabili echilibrele termo-chimice ale sistemului.

2.3. RAFINAREA METALELOR I ALIAJELOR

Operaia de purificare a aliajului topit, adic de ndeprtare a

cantitilor mici de impuriti metalice, incluziuni nemetalice (oxizi, nitruri,

zgur) i gaze se numete rafinare. Operaia de ndeprtare a oxigenului, care

datorit solubilitii sczute se gsete n principal sub form de oxizi, se

numete dezoxidare i se realizeaz n principal pe cale chimic[34].

n general, pentru obinerea unei caliti superioare a metalului

elaborat, aceste dou operaii sunt cuplate, uneori executndu-se simultan.

Dezoxidarea chimic se face prin precipitare sau difuzie i se

bazeaz pe afinitatea mai mare fa oxigen a elementelor utilizate pentru

rafinare n comparaie cu cele care au format oxizii existeni n baia metalic.

45

Dezoxidanii conin elemente care au afinitatea fa de oxigen mai mare

dect a metalelor coninute n aliaj.

Dezoxidarea prin precipitare se realizeaz cu ajutorul unor prealiaje

care conin elemente solubile n topitur i care formez cu uurin oxizi

insolubili ce pot fi separai din aceasta. n urma reaciei noii oxizi formai pot

fi n stare solid, lichid sau gazoas. Cel mai uor se elimin oxizii gazoi,

apoi cei lichizi i foarte greu sau de loc oxizii solizi.

Dezoxidarea prin difuzie elimin oxigenul din baie, fr dizolvarea

elementelor dezoxidante, ceea ce conduce la o puritate mai mare a bii.

Dezoxidanii, sub form de pulbere, se depun pe suprafaa metalului lichid i

interacioneaz cu oxizii cu care intr n contact i cu cei care sunt

transportai la interfa prin difuzie sau transfer de mas.

Rafinarea se face pe cale fizic i const n antrenarea oxizilor i

gazelor care se gsesc n baie i trecerea lor n zgur. Rafinarea se face de

obicei cu gaze inerte, ns i cu anumite sruri sau metale atunci cnd este

completat cu dezoxidarea pe cale chimic. Rafinarea are la baz adsorbia

i un fenomen asemntor flotaiei: incluziunile nemetalice neumectate de

metalul lichid, ader uor la bulele de gaze aflate n masa acestuia. Dac prin

metal se sufl un gaz neutru sub presiune, incluziunile ader la bulele

gazoase formate i sunt ridicate la suprafa de ctre acestea.

Cei mai utilizai dezoxidani prin precipitare sunt: fosforul,

magneziul, borul sub diverse combinaii. Astfel:

- pentru aliaje de cupru:

cupru fosforos cu 9%P ; 11%P ; 13% P sau 15%P. magneziu metalic; borax (Na2B4O7) cu pulbere de magneziu n raport 95:5; amestec de sruri: CaF2 MgF2;

- pentru aliaje de aluminiu:

46

amestecuri de sruri ale diferitelor elemente cu afinitate mare fa de oxigen, n proporii variabile de genul: KCl NaCl sau MgCl2

KCl sau NaCl NaF KCl, CaF2 NaF, MgF NaF etc.

Dezoxidarea prin difuzie se aplic mai ales la elaborarea cuprului i a

aliajelor sale, cu dezoxidani precum: carbura de calciu(CaC2), borura de

magneziu(Mg3B2), mangalul i zgura boric(95%borax+5%pulbere de Mg).

Cei mai utilizai dezoxidani pentru principalele aliaje neferoase pe

baz de cupru sunt dai mai jos: Tabelul 2.4. Dezoxidani ai aliajelor cuprului

Tipul aliajului Dezoxidani prin precipitare Dezoxidani prin difuzie

Pe baz de cupru

Prealiaj Cu-P Carbid (CaC2)

Prealiaj Cu-Li Zgur boric (95% Na2B4O7 + 5% Mg) Prealiaj Cu-Si Carbon (mangal)

Prealiaj Si-Mn Borur de magneziu (Mg3B2) Prealiaj Cu-Be

Prealiaj Al-Mg-Mn

Gazele utilizate la rafinare, cel mai des ntrbuinate sunt: azotul,

argonul, heliul i clorul. De regul aceste gaze sunt introduse cu o uoar

suprapresiune (cca. 0,1-0,2 atm) cu ajutorul unor lnci speciale din oel,

prevzute cu un numr de orificii cu diametru de cca. 1 mm, acoperite cu

material refractar. Timpul de gazare este de cteva minute, 2 8 minute, cu

un debit de cca. 5 6 l/min, urmrindu-se consumarea unei cantiti de gaz

egal cu cca. 0,1 0,5% din masa topiturii. Dac gradul de impurificare este

foarte mare att timpul ct i cantitatea de gaz de rafinare poate s creasc.

Rafinarea poate s se execute i cu ajutorul unor sruri sau amestecuri

de sruri, care introduse n topitur genereaz substane volatile sub form de

bule la care adiioneaz celelalte gaze i impuriti coninute n topitur. Cele

mai utilizate sunt clorurile: hexacloretanul (C2Cl6), clorura de bor (BCl3),

clorura de mangan (MnCl2), clorura de aluminiu (AlCl3), clorura de zinc

47

(ZnCl2) etc. Cantitatea de cloruri utilizat variaz ntre 0,05-0,3% din masa

topiturii, iar introducerea lor n baie se face cu ajutorul clopotelor. Trebuie

precizat c utilizarea acestor sruri se va face numai n condiii speciale,

deoarece reaciile sunt violente i se produc degajri de gaze toxice.

n afara procedeelor de rafinare prezentate mai sus, exist i alte

procedee cum ar fi: rafinarea prin filtrare, rafinarea n vid sau rafinarea sub

aciunea vibraiilor i a ultrasunetelor[7].

Un factor important n procesul de rafinare i dezoxidare l constituie

temperatura aliajului, care trebuie s fie corespunztoare desfurrii acestor

procese.

2.4. FONDANI I PREALIAJE

Aa cum s-a vzut mai sus, marea majoritate a aliajelor neferoase se

elaboreaz cu participarea unui strat solid sau lichid, format din sruri

individuale, amestecuri de sruri sau alte substane care poart denumirea de

fondani sau fluxuri[7]. Cele care au numai rol de acoperire sau de protecie

i care micoreaz sau elimin interaciunea topiturii cu gazele din atmosfera

agregatului de elaborare se numesc fluxuri. Fondanii interacioneaz cu

topitura, n afara rolului de protecie ei asigurnd fie rafinarea sau purificarea

topiturii de incluziuni i gaze, fie modificarea structurii de turnare.

n funcie de scopul i natura lor, fondanii pot fi[30]:

de acoperire, cnd trebuie s reduc sau s evite complet interaciunea topiturii cu atmosfera cuptorului;

de rafinare, cnd trebuie s participe efectiv la purificarea bii metalice de gaze i incluziuni;

de modificare, cnd trebuie s contribuie la obinerea unei structuri omogene i compacte, cu gruni de dimensiuni mici;

de oxidare, atunci cnd rafinarea se face prin oxidare;

48

de dezoxidare, atunci cnd trebuie eliminat oxigenul i oxizii din baia metalic;

de degazare, atunci cnd se urmrete reducerea coninutului de gaze din topitura metalic.

n afara acestor tipuri individuale se gsesc i fondani universali,

care pot fi utilizai n acelai timp ca protectori, rafinatori i modificatori.

n apropierea temperaturii de topire fondanii se caracterizeaz prin:

- dimensiunile i cantitatea relativ a cationilor i anionilor din reea;

- caracterul legturilor dintre acetia;

- polarizarea i tendina de formare a gruprilor complexe de ioni.

La elaborarea aliajelor neferoase se utilizeaz n special fondani

formai din cloruri i fluoruri ale metalelor alcaline i alcalino-pmntoase.

Acestea se caracterizeaz prin temperaturi de topire relativ ridicate i printr-o

conductibilitate electric bun. Conductibilitatea srurilor este determinat

de transportul curentului electric, n principal de cationii mobili de

dimensiuni mici, iar viscozitatea este dependent de anionii voluminoi.

Un rol esenial l joac proprietile superficiale ale fondanilor i

anume: tensiunea superficial, tensiunea interfazic i fenomenele de

umectare. Cu ct tensiunea superficial este mai mic cu att umectarea este