DEFECTELE PIESELOR TURNATE

GeneralităŃi

În procesul de turnare a metalelor şi aliajelor care influenŃează procesul, piesele pot rezulta

cu defecte datorită fie unor proprietăŃi specifice materialului turnat, fie nerespectării tehnologiei de

turnare, fie unor cauze accidentale.

Defectele pieselor turnate sunt standardizate (STAS 782-64).Prin acest standard s-au stabilit:

- denumirea defectelor, grupa şi categoria din care ele fac parte;

- simbolizarea lor;

- descrierea în vederea identificării.

Principalele defecte ale pieselor turnate pot fi încadrate în următoarele grupe: forme,

dimensiuni şi mase necorespunzătoare, defecte de suprafaŃă, crăpături, goluri, incluziuni metalice

sau nemeta1ice, defecte de structură, defecte privind compoziŃia chimică sau caracteristicile

mecanice şi fizice.

Cunoaşterea cauzelor care pot duce la apariŃia defectelor asigură preîntâmpinarea acestora

prin adoptarea unor măsuri cu caracter tehnologic, constructiv etc.

În cele ce urmează se vor descrie câteva din cauzele apariŃiei unor defecte foarte răspândite

precum şi măsurile de prevedere corespunzătoare.

Defecte cauzate de fenomenul de contracŃie

În decursul răcirii metalelor şi aliajelor acestea suferă fenomenul de contracŃie. Acest

fenomen se manifestă atât in stare lichidă cât şi în stare solidă a metalelor. În general contracŃia

totală CT a unui metal sau aliaj aflat în stare lichidă şi supus răcirii până la atingerea temperaturii

mediului ambiant, se compune din:

FC±++= SLSLT CCCC

în care: CL este contracŃia în stare lichidă în decursul scăderii temperaturii de la temperatura

de turnare T, la temperatura de topire Ttop;

CLS - contracŃia la trecerea din stare lichidă în stare solidă;

CS - contracŃia în stare solidă la scăderea temperaturii de la temperatura de topire

Ttop, la temperatura mediului ambiant, T0;

CF - contracŃia şi dilatarea rezultată în decursul transformărilor de fază produse în

stare solidă.

Dintre termenii din membrul 2 al relaŃiei, o valoare însemnată o are CLS. Principalele efecte

rezultând din existenŃa fenomenului de contracŃie şi care pot provoca apariŃia defectelor sunt:

formarea retasurilor şi microretasurilor, apariŃia tensiuni1or interne, apariŃia crăpăturilor, apariŃia

deformaŃiilor.

Formarea retasurilor şi a microretasurilor

Retasura sau golul de contracŃie se produce ca urmare a contracŃiei metalului sau aliajului la

trecerea din stare lichidă în starea solidă. Dacă într-un vas tronconic cu baza mare sus se supune

răcirii o cantitate oarecare de metal lichid, în urma procesului de solidificare, ca urmare a faptului

că volumul solidului rezultat este mai mic decât cel al lichidului din care a provenit, se formează în

partea de sus un gol de contracŃie denumit retasură (fig. 1). Volumul retasurii este cu atât mai mare

cu cât coeficientul de contracŃie, al metalului respectiv este mai mare. O astfel de solidificare, având

ca rezultat formarea unei retasuri în partea superioară a piesei turnate se numeşte solidificare

dirijată. Dacă se consideră solidificarea unei cantităŃi de lichid într-un vas cilindric (fig. 1,b), din

aceleaşi motive, solidificarea va avea ca rezultat formarea unei retasuri în partea centrală a piesei cu

o porozitate axială, rezultată din solidificarea ultimelor cantităŃi de lichid. O astfel de solidificare cu

formarea unei retasuri concentrate şi a unei porozităŃi axiale se numeşte solidificare simultană.

Solidificarea lichidului într-un vas de formă tronconică cu baza mare jos duce la formarea a

două retasuri(fig. 1,c); una principală în partea superioară şi alta secundară în partea centrală a

piesei.

Formarea retasurilor în timpul solidificării dirijate este de dorit deoarece ele pot fi

transferate în afara corpului piesei.

Fig. 1. Formarea golurilor de contracŃie:

1 - retasură; 2 - porozitate axială; 3 - retasură secundară

Fig. 2. Noduri termice în piesele turnate

Golurile de contracŃie apar în acele piese - prezintă fie grosime uniformă a pereŃilor, fie

grosimi variabile care împiedică solidificarea dirijată. De exemplu porŃiunea de piesă reprezentată

în fig. 2,a, datorită neuniformităŃii grosimii pereŃilor se va solidifica cu goluri interioare deoarece

există zone, în care se găsesc acumulări de lichid L ce se vor solidifica mai târziu decât restul piesei,

formând golurile de contracŃie R.

Fig. 3. Formarea microretasurilor:

L - lichid; R - gol de contracŃie

Aglomerările de metal înscrise în cercuri ce nu pot fi rostogolite în sus prin pereŃii piesei

până la partea superioară, se numesc noduri termice. De altfel, metoda cercurilor înscrise în

diferitele porŃiuni ale pereŃilor piesei se folosesc pe scară largă la identificarea nodurilor termice

(fig. 2, b). În faŃa retasurilor concentrate la partea superioară sau în nodurile termice şi a

porozităŃilor axiale, golul de solidificare poate apare şi sub formă de microretasuri sau

microporozităŃi ca urmare a împiedicării pătrunderii metalului lichid între dendritele orientate

arbitrar (fig. 3). Aceste defecte produc o micşorare însemnată a proprietăŃilor mecanice şi o pierdere

a etanşeităŃii. Microretasurilor apar în special la so1idificarea aliajelor cu interval mare de

so1idificare. Metalele pure şi aliajele eutectice produc numai retasură concentrată.

În general retasurile se produc la toate aliajele de turnătorie. În cazul fontelor cu grafit

lamelar, contracŃia la solidificare este parŃial sau total compensată de creşterea volumului fontei de

grafitizare. Ca urmare, tendinŃa de formare a retasurilor concentrate sau microretasurilor este mică.

Prevenirea formării defectelor datorate golurilor de contracŃie

Mijloacele de prevenire a formării defectelor cauzate de golurile de contracŃie se împart în

măsuri tehnologice şi măsuri constructive.

Măsurile tehnologice constau din utilizarea maselotelor şi a acceleratorilor de răcire.

- Maselotele sunt rezerve de metal lichid dispuse sub forma unor prelungiri ale piesei, în scopul

transferării retasurii din corpul piesei în afara ei. Modul de acŃionare a maselotei este arătat în

fig. 4, a. Fără existenŃa maselotei piesa ar fi prezentat după solidificare retasura 1. Prin solidificarea

cu maselotă, retasura este transferată în maselotă ocupând poziŃia 2.

Fig. 4. Maselote

După dezbaterea piesei din formă, maselota se înlătură printr-un procedeu oarecare (tăiere

mecanică, termică etc.)

Maselotele amplasate deasupra piesei şi care sunt cele mai folosite, se numesc maselote

directe. În practică se utilizează însă şi maselote aflate în interiorul formelor în dreptul unor noduri

termice.

Pentru ca o maselotă să-şi îndeplinească rolul, trebuie să se asigure o solidificare dirijată a

peretelui piesei spre maselotă. Pentru aceasta pereŃii pieselor se îngroaşă artificial prevăzându-se

adaosuri cu caracter tehnologic(fig. 4, b).

Zona de acŃiune a unei maselote se întinde numai pe o anumită distanŃă; rezultă că pentru o

piesă de o anumită configuraŃie se prevăd, de la caz la caz, una sau mai multe maselote. De

exemplu, pentru piesa inelară din fig. 4, c s-au prevăzut patru maselote (M).

- Acceleratorii de răcire denumiŃi şi răcitori sunt corpuri metalice care servesc la accelerarea

răcirii şi solidificării nodului termic, înaintea de solidificarea porŃiunilor învecinate. Răcitorii sunt

singurele mijloace care fac posibilă prevenirea formării retasurilor în nodurile termice de la

joncŃiunea a doi pereŃi şi la colŃurile interioare ale pieselor. În practică se folosesc două tipuri de

răcitori : interiori şi exteriori.

- Răcitorii interiori sunt corpuri metalice de aceeaşi compoziŃie ca şi metalul care se toarnă şi se

introduc în nodul termic pentru a provoca prin absorbŃie de căldură solidificarea nodului,

concomitent sau înaintea pereŃilor subŃiri învecinaŃi (fig. 5). Răcitori interiori trebuie să fie resorbiŃi

în masa aliajului care se toarnă, topindu-se sau sudându-se de acesta. Ei au diferite forme ca de

exemplu : spirale de sârmă, cuie, bare etc.

Fig. 5. Răcitori interiori

- Răcitorii exteriori sunt plăci metalice de fontă sau oŃel care se încorporează în peretele formei în

dreptul nodurilor termice (fig. 6). Răcitorii exteriori se pot folosi şi în scopul accelerării solidificării

unei anumite părŃi a piesei pentru asigurarea solidificării unei anumite părŃi a piesei pentru

asigurarea solidificării dirijate pentru a mări zona de acŃiune a unei maselote.

Fig. 6. Folosirea răcitorilor exteriori

Prevenirea retasurilor din nodurile termice prin măsuri constructive se realizează prin

proiectarea judicioasă a piesei, sau dacă acest lucru nu s-a făcut la timp, prin modificarea

constructivă a piesei fără ca aceasta să dăuneze rezistenŃei şi funcŃionării ei. În fig. 7 sunt arătate

câteva soluŃii constructive pentru evitarea nodurilor termice sau micşorării lor.

Fig. 7. Modificarea constructivă a pereŃilor pieselor turnate

a – piese cu nod termic; b – piese fără nod termic sau cu nod termic mai mic

- Combaterea formării microretasurilor se face prin exercitarea unei presiuni asupra metalului în

momentul solidificării (turnare sub presiune, centrifugală etc.)

ApariŃia tensiunilor interne

În cursul răcirii, în piesele turnate pot apare trei feluri de tensiuni : termice, fazice şi de

contracŃie.

- Tensiunile termice se datoresc răcirii neuniforme a pieselor. PereŃii subŃiri şi părŃile mai

îndepărtate de punctul de intrare a metalului în formă se răcesc mai repede şi trec mai devreme din

zona de temperaturi în care metalul este plastic, în zona în care deformaŃiile sunt elastice. Rezultă că

la un anumit moment o parte a piesei se află în stare plastică iar cealaltă, în stare elastică. Când şi a

două parte va atinge starea elastică ambele părŃi se vor contracta diferit ceea ce face ca în ele să

apară tensiuni de întindere sau compresiune în funcŃie de dimensiunile părŃii respective (în părŃile

groase - tensiuni de întindere, în părŃile subŃiri - tensiuni de compresiune).

Pentru exemplificare, se consideră o piesă turnată în formă de jug (fig. 8), cu două bare

subŃiri S şi una groasă G, unite la capete prin două traverse rigide T. În timpul răcirii , barele subŃiri

vor trece primele în stare elastică, scurtând-o. Atunci când şi aceasta va trece în stare elastică, ea va

continua să se contracte dar va fi împiedicată de baretele laterale. Această interacŃiune duce la

apariŃia în bara centrală a unor tensiuni de compresiune.

Fig. 8. Formarea tensiunilor interne în piesele turnate

- Tensiunile fazice apar ca urmare a faptului că diferitele părŃi ale piesei nu trec în acelaşi timp prin

transformările de fază. După cum se ştie, transformările de fază sunt însoŃite de modificări ale

volumului specific ale constituenŃilor structurali. Tensiunile produse pot provoca distrugerea piesei,

mai ales când efectul lor se suprapune peste cel al tensiunilor termice.

- Tensiunile de contracŃie se datoresc împiedicării contracŃiei prin rezistenŃa opusă de forme şi

miezuri. Spre deosebire de celelalte două categorii de tensiuni, acestea au caracter temporar şi

dispar în momentul înlăturării cauzei care provoacă frânarea contracŃiei (dezbaterea piesei).

Tensiunile de contracŃie sunt întotdeauna tensiuni de întindere, fapt care le face deosebit de

periculoase, mai ales că la temperaturi ridicate, rezistenŃa materialului este scăzută.

Prevenirea şi combaterea tensiunilor interne

Tensiunile termice pot fi reduse printr-o serie de măsuri cu caracter constructiv ca de

exemplu, evitarea unor diferenŃe mari între grosimile pereŃilor piesei sau prin măsuri tehnologice ca:

- accelerarea răcirii părŃilor groase cu ajutorul răcitorilor;

- răcirea foarte înceată a pieselor cu grosime uniformă, evidenŃiindu-se diferenŃele mari ale vitezei

de răcire între centrul peretelui şi suprafaŃă;

- eliberarea părŃilor groase de amestecul de formare imediat după solidificarea lor etc.

Tensiunile fazice se pot evita asigurându-se o răcire a piesei astfel încât, punctele de

transformare să fie traversate cu viteză mai mică.

Tensiunile de contracŃie se înlătură prin îndepărtarea cauzei care le-a produs: rezistenŃa

opusă de formă sau miezuri, ceea ce reclamă o scoatere a presei din formă imediat după solidificare.

Piesele turnate grele şi de formă complicată prezintă întotdeauna tensiuni. Prin deformare o

parte din tensiuni dispar prin relaxare. Dacă însă relaxarea se face după intrarea în exploatare a

piesei respective, maşina îşi pierde din precizie putând deveni neutilizabilă.

Pentru a se elimina tensiunile interne din piesele turnate se aplică frecvent tratamentul

termic de recoacere de detensionare. Adeseori piesele de oŃel turnat suferă o detensionare în timpul

recoacerii de omogenizare sau de normalizare la care aceste piese sunt întotdeauna supuse, fie

pentru îmbunătăŃirea proprietăŃilor mecanice, fie pentru uşurarea prelucrării ulterioare prin aşchiere.

ApariŃia deformaŃiilor

Ca o consecinŃă a existenŃei tensiunilor interne piesa turnată se deformează, funcŃie de

configuraŃia ei. Ştiind că tensiunile termice sunt de întindere în părŃile groase şi de compresiune în

părŃile subŃiri, rezultă că părŃile groase ale piesei au tendinŃa de a-şi reduce lungimea, iar cele subŃiri

de a şi-o mări. Cunoscând aceste lucruri se poate prevedea forma pe care o capătă piesa deformată.

Astfel, pentru o grindă turnată cu secŃiune în formă de T, deformaŃia ei depinde de dimensiunile

secŃiunii (fig. 9, a şi b).

Cunoaşterea modului de deformare permite realizarea unor piese care să nu sufere

deformaŃii (fig. 9, c).

Fig. 9. DeformaŃii în piesele turnate

Atunci când nu este posibilă obŃinerea unei piese turnate nedeformabile, se poate prevedea

execuŃia unui model cu deformaŃie contrară celei pe care o va primi piesa turnată.

ApariŃia crăpăturilor

După temperatura la care se produc, crăpăturile piesei turnate pot fi crăpături la rece sau la

cald.

- Crăpăturile la rece, ce apar în piesele turnate la temperatura ambiantă au la temperaturi joase sub

500°C deci în domeniul elastic de temperaturi se datoresc faptului că tensiunile de turnare - termice,

fazice şi de contracŃie - însumate, depăşesc rezistenŃa la rupere a materialului. Ele sunt drepte, puŃin

deschise, uneori abia perceptibile, au întindere mare, cu tendinŃă de a se propaga în continuare.

Ruptura este intercristalină, de culoare metalică, deschisă au uşor colorată (când s-a produs la

temperaturi peste 200°C) din cauza unui film de oxizi.

Crăpăturile la rece se produc fie în timpul răcirii piesei în formă, fie la dezbatere, fie

ulterior, la temperatura ambiantă.

- Crăpăturile la cald se produc numai la răcirea în formă, au un traseu intercristalin, sunt mai largi,

de întindere mică, şerpuite şi fără tendinŃa de a se propaga în continuare; ele sunt puternic colorate

în negru ca urmare a unei oxidări puternice.

Fig. 10. ApariŃia crăpăturilor la cald şi combaterea lui

Crăpăturile la cald se produc la temperaturi înalte, deci in domeniul plastic. Tensiunile care

pot apare în acest domeniu sunt tensiunile de contracŃie, deci crăpăturile la cald se datoresc acestor

tensiuni. În cazul oŃelului peste aceste tensiuni se pot suprapune tensiunile fazice, datorate

contracŃiei de volum produsă la transformarea γ→α.

În fig. 10, a, este arătat modul de producere a unor crăpături datorită împiedicării contracŃiei

piesei de către formă.

La răcirea corpului piesei se produce contracŃia la care este împiedicată de către peretele

formei ce apasă asupra flanşei 2, provocând apariŃia unei crăpături în zona de maximă solicitare 3.

Crăpăturile la cald se produc mai ales în piesele din oŃel turnat şi constituie, alături de

retasuri, cel mai frecvent defect de turnare.

Prevenirea apariŃiei crăpăturilor la cald

Crăpăturile la cald pot fi prevenite prin masuri tehnologice şi constructive. Dintre măsurile

tehnologice se pot enumera:

- asigurarea unei compresibilităŃi sporite formei şi miezurilor;

- folosirea răcitorilor exteriori în locurile în care se prevede apariŃia crăpăturilor la cald, în scopul

măririi rezistenŃei porŃiunii respective, prin scăderea temperaturii ei.

Dintre măsurile constructive fac parte:

- întărirea zonei periclitate cu nervuri de contracŃie (fig. 10,b);

- înlocuirea pereŃilor plani cu pereŃi curbi;

- evitarea părŃilor ieşinde, amplasate la distanŃă mare etc.

Defecte cauzate de fenomenul de segregare

Fenomenul de segregare se poate manifesta la scara cristalelor (segregaŃie minoră) cât şi la

scara peretelui piesei (segregaŃie majoră).

SegregaŃia minoră constă în apariŃia diferenŃelor de concentraŃie într-un anumit element, în

cadrul unei faze în curs de solidificare. După cum se cunoaşte la temperatura t1 (fig. 11) faza

separată are concentraŃia c1, la temperatura t2, concentraŃia c2 şi aşa mai departe. Un cristal separat

liber în masa lichidului va avea deci zona axială mai bogată în component A iar zona marginală mai

bogată în componenta B.

Fig. 11. ApariŃia segregaŃiei minore

Prin procesul de difuziune ulterioară această eterogenizare chimică se atenuează într-o

anumită măsură dacă există condiŃia favorabilă a menŃinerii îndelungate la temperaturi ridicate.

- SegregaŃia majoră constă în existenta diferenŃei de concentraŃie chimică între diferitele zone ale

peretelui piesei turnate.

În cazul aliajelor feroase, primele cristale şi primu1 strat solidificat în contact cu peretele

formei sunt mai sărace în elemente solubile: C, Si, P etc. ca zonă centrală a piesei. Se observă că

incluziunile de tipul sulfurilor, oxizilor, silicaŃilor din cauza punctului lor de topire scăzut, segregă

şi se acumulează în zona centrală a pieselor şi în special în zona învecinată retasurii.

Se consideră de asemenea ca fiind segregare majoră eterogenizarea chimică rezultată din

diferenŃa de densitate dintre primele cristale separate şi lichid, ce duce la depunerea acestor cristale

în zonele inferioare ale pieselor.

Repartizarea neuniformă a componenŃilor aliajelor în piesele turnate, ca urmare a procesului

de segregare, exercită o influenŃă defavorabilă asupra proprietăŃilor fizice, chimice şi mecanice ale

acestora. Fenomenul de segregare poate fi combătut printr-o serie de măsuri privind compoziŃia

aliajului turnat şi tehnologii de turnare(de exemplu mărirea vitezei de răcire a piesei în forme

metalice).

Eterogenitatea chimică rezultată în urma fenomenului de segregare se poate înlătura

supunând piesele turnate unui tratament termic de recoacere de omogenizare.

Defecte cauzate de pătrunderea gazelor în metalul piesei

În metale şi aliaje, gazele se pot găsi sub formă de sufluri, straturi de gaze absorbite, soluŃii

solide şi combinaŃii chimice. Incluziunile de gaze constituie unul din cele mai răspândite defecte ale

pieselor turnate.

Gazele dizolvate, degajându-se din soluŃii solide pot provoca crăpături ce se prezintă sub

formă a numeroase fisuri cu aspect de pete de culoare deschisă numite fulgi.

Suflurile sunt discontinuităŃi în piese, care scad rezistenŃa materialului prin micşorarea

secŃiunii şi prin efectul lor de concentrare a tensiunilor. Suflurile se deosebesc de retasuri prin

aspectul şi culoarea cavităŃii. Astfel, indiferent de provenienŃa lor, suflurile prezintă o suprafaŃă

netedă, de obicei neoxidată de culoare argintie, în timp ce retasurile prezintă o suprafaŃă neregulată

şi de culoare neagră din cauza oxizilor formaŃi.

Suflurile se pot datora atât metalului turnat cât şi formei.

Suflurile datorate metalului se obŃin prin difuziunea gazelor în metalul lichid, fenomen

favorizat de existenŃa temperaturilor înalte. Gazele care pot difuza în metalele şi aliajele lichide

sunt: N2, O2, H2 sau compuşi gazoşi H2O, SO2, CO etc.

Principalele surse de pătrundere a gazelor datorate formei sunt:

- antrenarea aerului la curgerea metalului prin reŃeaua de turnare;

- dislocarea de către metal a aerului din cavitatea formei;

- umiditatea şi aerul sau gazele din porii amestecului de formare;

- existenŃa unor componenŃi ai amestecului de formare care produc gaze.

Prevenirea apariŃiei suflurilor se poate realiza prin adoptarea unor măsuri tehnologice

corespunzătoare, care să elimine sursele de apariŃie a gazelor în metal.

Alte defecte

În afara defectelor amintite, în piesele turnate se întâlnesc şi alte defecte cauzate de unele

fenomene cum ar fi :

- eroziunea pereŃilor reŃelelor de turnare şi ai cavităŃii formei de către metalul lichid aflat în mişcare;

- reacŃiile chimice produse între pereŃii formei şi metalul turnat;

- cauze accidentale (distrugerea pereŃilor cavităŃii, deplasarea semiformelor) etc.