INTERACT MF cap6_19august.doc

92
CAPITOLUL 6 INTERACŢIUNEA METAL-FORMĂ ŞI DEFECTE TIPICE ÎN PIESELE TURNATE DIN OŢEL Principalele defecte de suprafaţă, cauzate de interacţiunea dintre oţel şi formă (miez), sunt următoarele: excrescenţele metalice, rugozitatea, aderenţele, suflurile exogene, incluziunile nemetalice, compoziţia şi structura metalografică necorespunzătoare a pereţilor piesei turnate. Defectele de suprafaţă constituie sursa principală a abaterilor dimensionale şi de masă a pieselor turnate. Importanţa cunoaşterii tendinţei de formare a acestor defecte se explică prin aceea că ele reprezintă frecvent până la 70% din totalul defectelor, implică consumuri mari de energie pentru îndepărtarea prin remaniere şi prelucrare mecanică (costul acestor operaţii fiind adesea mai mare decât cel al piesei turnare). În afară de aceasta, îndepărtarea aderenţelor şi excrescenţelor metalice în sectorul de curăţire al turnătoriilor se realizează în condiţii grele de microclimat. La piesele turnate din oţel, în comparaţie cu alte aliaje, intervin următoarele particularităţi, în ceea ce priveşte interacţiunea metal-formă, şi deci apariţia defectelor de suprafaţă: temperatura de turnare ridicată (1500…1650 o C); prezenţa oxigenului dizolvat în aliaj; prezenţa unor oxizi nedizolvaţi în oţel; tendinţa mare de oxidare a unor elemente de aliere; presiune metalostatică mare (în general dimensiuni şi mase mari ale pieselor turnate, durate 1

Transcript of INTERACT MF cap6_19august.doc

Page 1: INTERACT MF cap6_19august.doc

CAPITOLUL 6

INTERACŢIUNEA METAL-FORMĂ ŞI DEFECTE TIPICE IcircN PIESELE TURNATE DIN OŢEL

Principalele defecte de suprafaţă cauzate de interacţiunea dintre oţel şi formă (miez) sunt următoarele excrescenţele metalice rugozitatea aderenţele suflurile exogene incluziunile nemetalice compoziţia şi structura metalografică necorespunzătoare a pereţilor piesei turnate Defectele de suprafaţă constituie sursa principală a abaterilor dimensionale şi de masă a pieselor turnate Importanţa cunoaşterii tendinţei de formare a acestor defecte se explică prin aceea că ele reprezintă frecvent pacircnă la 70 din totalul defectelor implică consumuri mari de energie pentru icircndepărtarea prin remaniere şi prelucrare mecanică (costul acestor operaţii fiind adesea mai mare decacirct cel al piesei turnare) Icircn afară de aceasta icircndepărtarea aderenţelor şi excrescenţelor metalice icircn sectorul de curăţire al turnătoriilor se realizează icircn condiţii grele de microclimat La piesele turnate din oţel icircn comparaţie cu alte aliaje intervin următoarele particularităţi icircn ceea ce priveşte interacţiunea metal-formă şi deci apariţia defectelor de suprafaţă temperatura de turnare ridicată (1500hellip1650oC) prezenţa oxigenului dizolvat icircn aliaj prezenţa unor oxizi nedizolvaţi icircn oţel tendinţa mare de oxidare a unor elemente de aliere presiune metalostatică mare (icircn general dimensiuni şi mase mari ale pieselor turnate durate mai mari de solidificare a aliajului) viteze mari de turnare (icircnălţimi mari ale jetului de aliaj icircn cazul folosirii oalelor cu orificiu) Instabilitatea proprietăţilor fizico-mecanice şi chimice ale pereţilor formei la temperaturile de turnare a oţelurilor determină apariţia a 40hellip70 din defectele pieselor

61 Tendinţa de formare a excrescenţelor metalice

611 Morfologia şi mecanismul apariţiei excrescenţelor mecanice

Excrescenţele metalice reprezintă surplusuri de material la pereţii pieselor turnate neprevăzute icircn desenele tehnologice Ele apar

1

sub formă de crustă (scoarţe plăgi) creastă (nervuri solzi) umflături şi bavuri (fig 61)

Fig 61 Tipuri de excrescenţe metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel a ndash creste b ndash cruste c ndash umflături d ndash bavuri

Fig 62 Variaţia temperaturii icircn peretele formei Tt ndash temperatura de turnare a oţeluluiTl ndash temperatura lichidus

TS ndash temperatura solidus

Cauza apariţiei lor o constituie procesele de deformare fisurare şi exfoliere a pereţilor formei şi a miezurilor care vin icircn contact cu oţelul lichid icircn timpul operaţiei de turnare şi de răciere icircnainte de solidificare Aceste procese sunt datorate la racircndul lor apariţiei tensiunilor interne icircn

2

perioada de icircncălzire la turnare a formelor şi a miezurilor precum şi de presiunea exercitată de coloana de oţel lichid La turnarea oţelurilor icircn cavitatea tehnologică a formei prin pereţii formei se transmite o mare cantitate de căldură (căldura fizică de supraicircncălzire care reprezintă cca 20 din total căldura de cristalizare cca 70 căldura determinată de unele transformări fazice cca 12 din total) corespunzătoare unor fluxuri de pacircnă la 1x104 kcalm2h şi unor viteze de pacircnă la 500oCs

Tensiunile din pereţii formei şi miezurilor sunt explicate de apariţia cacircmpului de temperatură pe secţiunea peretelui (fig 62) suprafaţa de contact (Tc) a formelor fiind Tc = (03hellip10)Tt (Tt este temperatura de turnare a oţelului) Ca urmare procesele de dilatare şi contracţie a componentelor din forme se desfăşoară icircn mod diferit ceea ce determină apariţia tensiunilor (de icircntindere sau de compresiune)

612 Influenţa factorilor tehnologici

6121 Influenţa naturii formei

La obţinerea pieselor din oţel se folosesc cu precădere următoarele tipuri de forme

ndashforme crude şi uscate din amestecuri cu argilă şi bentonităndashforme din amestecuri cu răşini silicat de sodiu metalofosfaţindashforme cruste (ceramice) cu silicat de etilComponenta refractară poate fi nisipul cuarţos (SiO2) cel de

zirconiu (ZrO2 ZrSiO4) sau cromitul (FeO-Cr2O3) olivină (Mg2SiO4 + Fe2SiO4) cromomagnezit (MgO-Fe2O3-Al2O3-SiO2) magnezit (MgO) corund (Al2O3) oxid de zirconiu (ZrO2) cuarţ amorf (SiO2) distensilimanit magnezită Proprietăţile termofizice exprimate prin coeficientul de acumulare a căldurii (bf) sunt foarte diferite (bf este cuprins icircntre 1260 şi 2240 Ws12m2oC) ceea ce determină valori diferite ale temperaturii şi duratei de contact la interfaţa oţel lichid-formă (v tabelul 61) Cu cacirct durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă este mai mare cu atacirct şi temperatura de contact Tc va fi mai ridicată şi deci schimbările structurale din amestecuri vor fi mai pronunţate Icircn prezenţa lianţilor formele posedă valori mai ridicate ale coeficientului bf iar icircn cazul prezenţei materialelor termoizolante valori mai scăzute ( v tabelul 62)

3

Tabelul 61Influenţa coeficientului de acumulare a căldurii (bf) asupra duratei de

contact a oţelului lichid cu peretele fomei

Tipul nisipuluibf

Ws12m2oC

Durata de contact (icircn secunde ) pentru grosimi (icircn mm) ale pereţilor piesei de

50 150 300 600Cuarţos 1260 43 141 442 -Disten-silimanit 1470 34 115 306 972Zircon 1820 26 83 199 594Metil 1960 23 68 159 472Cromomagnezit

2100 19 58 142 391

Cromit 2240 9 25 57 135

Tabelul 62 Valorile coeficientului de acumulare a căldurii bf pentru unele amestecuri

de formare

Tipul amesteculuibf Ws12m2oC

(pentru 20 1550oC)Nisip cuarţos 14001750Idem + 20 pulbere de azbest 8401050Idem + 30 marsalită 21002450Nisip de cromomagnezită + silicat de sodiu 6 35003850Nisip de zirconiu + silicat de sodiu 6 26603500Nisip cuarţos + silicat de sodiu 6 2070Nisip cuarţos + silicat de sodiu 6 + făină de lemn 2 11701585

La icircncălzire nisipul cuarţos prezintă transformări structurale icircnsoţite de importante creşteri de volum

tridimit cristobalit (61)

O importanţă deosebită pentru forme o are trasformarea α SiO2

icircn β SiO2 la 575oC Aşadar nisipul cuarţos prezintă valori ridicate ale coeficientului de dilatare (α peste 250middot10-7oC) Celelalte tipuri de nisip posedă valori mult mai scăzute (astfel MgO-α = 140middot10-7oC ZrO2-α = 11010-7oC cuarţul amorf topit α = 54middot10-7oC) (v fig 63)

4

Fig 63 Curbele de dilatare ale granulelor de diferite nisipuri refractare 1 ndash cuarţit 2 ndash olivină 3 ndash cromit 4 ndash zircon 5 ndash cuarţ amorf

Impurităţile nisipurilor cuarţoase (oxizi de Fe Mn Si Ni P Co feldspaţi etc) favorizează transformarea cuarţului icircn cristobalit la una şi aceeaşi temperatură de icircncălzire a formei O influenţă similară o are prezenţa bentonitei argilei şi a adaosurilor carbonice Impurităţile se găsesc icircn nisip sub formă de particule cu dimensiunile de sub 100 μm Icircn consecinţă la turnarea oţelurilor icircn cavitatea tehnologică a formelor pe bază de nisip cuarţos se desfăşoară practic toate transformările fazice ale cuarţului icircnsoţite de mari creşteri de volum Formele cu lianţi anorganici naturali (argilă şi bentonită) avacircnd la bază caolinitul (Al2O32SiO22H2O) sau montorilonitul sunt folosite pe scară largă la producerea pieselor turnate din oţel Formele pot fi neuscate (crude) sau uscate Tensiunile icircn formele crude din amestecuri pe bază de nisip

5

cuarţos şi argile (bentonite) sunt provocate la icircncălzirea lor de următoarele procese

ndashdilatarea granulelor de cuarţndashcontracţia datorită deshidratării peliculelor de liant (argilă

bentonită) indicată de curbele termice (v fig 64) peliculele de liant au grosimi de pacircnă la 10 μm

Fig 64 Curbele termice diferenţiale ale diferitelor tipuri de materiale

refractare1 ndash caolinit 2 ndash pirofilit 3 ndash talc

4 ndash zircon

ndashşamotizarea (coalitizarea) peliculelor de liant de exemplu icircn cazul argilei au loc la icircncălzire transformările

ndashla 400-600oC

(62)

ndashla 900-1250oC

(63)

şi

(64)

6

şi

(65)

a b

Fig 65 Variaţia densităţii peliculei de argilă la diferite cicluri de refolosire şi a

conţinutului de umiditate icircn formele crude

a ndash densitatea peliculei de argilă b ndash zona de condensaţie datorită umidităţii formei

c ndash zona de condensaţie datorită vopselei

c

Aşadar la temperaturi ridicate ale pereţilor formelor (de peste 1250oC) argila se transformă treptat icircn silimonit mullit cuarţ liber şi alumină ceea ce reprezintă procesul de şamotizare icircnsoţit de micşorarea valorii densităţii peliculei la refolosirea argilei la mai mult

7

cicluri de fabricaţie (fig 65 a) evaporarea apei din straturile superficiale ale formei şi condensarea icircn zone mai icircndepărtate deci formarea zonei de condensare (fig 65 b şi c)

La folosirea repetată a amestecurilor cu argilă pe peliculele şamotizate de argilă se depun noi straturi proces care se numeşte colitizare Ca urmare la turnarea oţelului icircn cavitatea tehnologică a formelor crude au loc două procese distincte dilatarea granulelor de nisip cuarţos şi contracţia argilei şi bentonitei (fig 66 a şi b) procese care conduc la apariţia tensiunilor maxime la temperaturi de 575oC (formarea cuarţului α) şi 1250-1450 oC (formarea cristobalitei α) (fig 66 c)

a b

Fig 66 Procesul de dilatare şi contracţie icircnregistrate la amestecurile

pe bază de nisip cuarţos şi apariţia vacircrfurilor de tensiune maximă

1 ndash nisip cuarţos 2 ndash argilă 3 ndash forme cu amestecuri din argilă (rezultantă) 4 ndash formă din amestec cu răşină

c

La suprafaţa formelor (mai ales la semiformele superioare) şi ale miezurilor apar astfel de tensiuni de icircntindere (σ) iar icircn condiţiile icircn

8

care σ gt σt (σt ndash rezistenţa la icircntindere la temperaturi ridicare de peste 1250oC ale formei) apar fisuri şi exfolieri icircn cavităţile cărora penetrează oţelul lichid şi icircn acest mod apar surplusurile metalice de tip creastă (penetrarea icircn fisură) şi crustă (penetrarea icircn alveolele provocate de exfolieri) Aşadar factorii principali de influenţă asupra excrescenţelor (TFE) metalice sunt (icircn sensul creşterii valorii lor v tabelul 63)

Tabelul 63 Influenţa principalilor factori tehnologici privind natura formei asupra

tendinţei de formare a excrescenţelor (TFE) metaliceFactori tehnologici α d u tc Rt ε1

TFE + - + + - +

-coeficientul de acumulare a căldurii (bf) micşorează TFE icircntrucacirct se reduce temperatura de contact şi gradientul de temperatură pe secţiunea peretelui formei creşte stabilitatea termică a formei deci durata de contact a oţelului lichid cu forma este mai mică decacirct durata de stabilitate termică a formei solicitată termic şi mecanic gradul de rotunjire a granulelor de nisip măreşte TFE deoarece se micşorează volumul de pori din formă

ndashcoeficientul de dilatare a granulelor de nisip α măreşte TFE ndashcontracţia ε1 a peliculelor de liant măreşte TFEndashdimensiunile granulelor (d) de nisip micşorează TFE ca

urmare a volumului mai mare de pori şi deci a posibilităţii de micşorare a valorii tensiunilor prin redistribuirea şi deplasarea granulelor

ndashumiditatea pereţilor formei (u) icircn zona de condensaţie măreşte TFE ca urmare a micşorării rezistenţei la compresiune a peretelui formei σc de asemenea uscarea formelor micşorează TFE

ndashtemperatura de contact (tc) măreşte TFE ca urmare a intensificării proceselor de temperatură structurală a componentelor amestecului şi a creşterii gradientului de temperatură icircn peretele formei

ndashrezistenţa (Rt) micşorează TFEndashadaosurile organice ca de exemplu substanţele carbonice icircn

proporţie de 2 ndash 8 făina de lemn (micşorează TFE deoarece prin arderea lor determină creşterea volumului de pori)

ndashgradul de icircndesare a amestecului de formare (măreşte TFE datorită micşorării volumului de pori acest fapt se constată mai ales icircn cazul formelor obţinute din amestecuri icircndesate la presiuni ridicare)

9

ndashadaosurile de oxid de fier icircn proporţie de 2 ndash 4 (micşorează TFE datorită formării fazei lichide din sistemul FeOSiO2 care după solidificare creează un schelet rigid icircn jurul granulelor de nisip şi deci măreşte rezistenţa la cald (Rt)

ndashcantitatea de liant (micşorează TFE datorită creşterii rezistenţei la rupere adezivă şi coezivă şi deci a rezistenţei la temperatură (Rt)

Formele din sistemul cuarţos-argilă (bentonită) la icircnceput se dilată spre interiorul cavităţii (deformare pozitivă) dimensiunilor acestora se micşorează pentru ca după un oarecare timp sensul deformării să se schimbe icircn sensul creşterii dimensiunilor cavităţii (deformare negativă) (fig 67 a şi b)

Fig 67 Deformarea pereţilor formei crude (a) şi uscate (b) icircn cazul turnării oţelului cu 03 C

Deformarea şi deci dimensiunile umflăturilor la suprafaţa pieselor sunt cu atacirct mai pronunţate cu cacirct temperatura de contact (la interfaţă) umiditatea icircn amestec şi presiunea metalostatică sunt mai mari (fig 67)

Formele cu lianţi organici sintetici şi naturali pot fi icircmpărţite icircn trei clase icircn funcţie de natura lianţilor

ndashclasa 1 heteroatomice (O N) şi cu lanţuri carbonice saturate (de exemplu dextrina leşia sulfitică răşini ureo-aldehidice polivinilacetatul polivinilbutirolul etc) caracterizate printr-o stabilitate termică scazută (v tab 6 4)

ndashclasa 2 ndash cu lanţuri carbonice nesaturate şi cu proces de polimerizare cu structura carbonului tridimensională caracterizate prin

10

rezistenţă termică mare (de exemplu uleiul de in bachelita răşinile furanice tab 64) cu temperatura de icircnceput de distrugere la 542 ndash 600oC

ndashclasa 3 ndash combinaţii organo-metalice ale Si Ti Zr (de exemplu silicatul de etil tab 64) care prezintă o rezistenţă termică ridicată

Tabelul 64Clasificarea şi structura lianţilor organici

Clasa icircn funcţie de legătura structu-

rală

Grupa icircn funcţie de

natura chimică

Caracteristica structurii

Liantul tipic şi compoziţia lui

Temperatura medie de disociereTmed oC

1 2 3 4 5

1

Polizaharide (amidon dextrină melasă)

C6H10O4

Dextrină C-431H-59O-51

270

Melasa C-42 H-64 O-516

270

Lignosulfaţi (leşie sulfitică

C9H88O24(OCH3)096

(structura ligninei) grupele heterociclice şi aromatice-CHOH-CH2OH-O-CH3

-HSO3

Leşia alcoolosulfiţi ca C-415 H-53 O-472 S- 6

380

Răşini naturale (colofoniu şelac etc)

C19H29COOHColofoniu C-70 H- 10-12 H- 12-15

230-260 vaporizare

Răşini uleo-aldehidice (formaldehidă)

(-C-N-C-) şi (-C-O-C-)

Răşină formaldehidică (MF-17) C-39 H-6 N-30 O-25

300

11

Tabelul 64 (continuare)1 2 3 4 5

1

Nitro şi metilceluloze

-ONO2 -OCH3

Nitrolac C-286H-31 O-57N-113

185

Acetat de vinilH2C-CH-Nn

|O=C-CH3

Polivinilacetat C-557 H-7O- 373

250

Complecşi polivinilici

(-C-O-C-) şi (-C-C-)

Polivinilbutiral C-657 H-8 O-263

350

Polimeri organici (pe bază de alcool polivinilic polistiren etc)

- - 250-350

2

Gliceride ale acizilor nesaturaţi

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Ulei de in C-67H-8 O- 25

420

Răşini sintetice

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipicăC-916H-48 O- 25 S+N ndash 11

500

Răşini fenol formaldehidice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Bachelită pulbereC-80 H-6 O- 14

470

Răşini furanice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipică FF-SC-73 H-6O- 21

500

FA-SC-71 H-5O- 24

500

Răşini indencumaron

(-C-C-) şi (-C=C-)Răşina tipicăC-88H-68 O-50

450

3

Polimeri organici ai silicatului de etil şi ai altor substante cu Si Ti Zr

(-O-E(R)2+O-)X

UNDE E= Si Ti ZrR= radicalul alcoolului Peste 600oC liantul prezinta SiO2 TiO2 ZrO2

La organosilicic cu lanţ siloxanic (-O-Si-O) şi radicali aromatici

600

Apa (se dă pentru comparaţie)

H2OH-111O- 889

100 fierbe

Tabelul 64 (continuare)

12

Clasificarea şi structura lianţilor organiciClasa icircn funcţie de legă-

tura structu-

rală

Degajarea de substanţe organice

(de greut)

Produsele după disocierea completă

1100oC

Tendinţa de degajare a gazelor

Gaz mgmiddotatomg

Carbon mgmiddotatomg

Volum (la 1400oC) Vcm3g

Viteza relativă

W=VTmed

1 6 7 8 9 10

1

lt50062 0004 8500 3150064 0003 8800 326

lt30 0056 0005 7700 2025-8 0060 0048 8200 350

10-12 0065 0018 7600 252

1

1-2 0054 0 7400 4001 0058 0023 7900 3181 0056 0040 7700 220

1-10 - - 8000 300

2lt30 0055 0040 7500 180lt60 0026 0074 3600 72lt50 0039 0057 5350 114lt50 0042 0048 5800 116lt60 0040 0044 5500 110lt30 0037 0065 5100 102

3lt80 SiO2+C - - - -

- 0055 - 7600 7601polimeri heteroatomici şi cu lanţuri carbonice saturate 2polimeri cu lanţuri carbonice plane şi tridimensionale nesaturate 3combinaţii organo-metalice

La icircncălzire lianţii din clasa 1 se descompun prin volatilizare la temperaturi de 200 - 300oC procese icircnsoţite de creşterea temperaturii şi pierderea greutăţii (vezi curbele de variaţie a temperaturii şi greutăţii din fig 68 c d şi f) Pierderea de greutate poate ajunge pacircnă la 90 Vacircrfurile endoterme constatate la lianţi răşini uleo-aldehinice şi polivinilacetat se explică prin degajarea amoniacului şi a vaporilor de apă (icircn primul caz) şi a volatilizării grupelor acetilenice (icircn cazul al doilea) Cea mai mare parte din produsele cărbunoase posedă o structură poroasă şi se oxidează repede la icircncălzirea ulterioară a liantului

13

Fig 68 Variaţia temperaturii şi greutăţii icircnregistrate la icircncălzirea unor lianţi organici

a ndash răşină furanică b ndash răşină formaldehidică (bachelita pulbere) c ndash răşină d ndash nitrolac e ndash răşină ureo-formaldehidică f ndash polivinilacetat

Lianţii din clasa 2 la icircncălzire formează structuri -C-C noi tridimensionale ceea ce se reflectă pe curbele termice prin efecte exotermice la temperaturi de 200 ndash 400oC (fig 68 a b şi c) Cu creşterea temperaturii se formează compuşi carbonici cu tendinţă mare de oxidare (icircn cantitate de 50 din cea de liant) care se depun pe suprafaţă granulelor de cuarţ şi icircn porii formei

14

Schema proceselor de descompunere a lianţilor organici din clasa 1 şi 2 este următoarea

Lianţii din clasa 3 prezintă un proces de descompunere termică a radicalilor organici icircn intervalul de temperatură 300 ndash 500oC asiguracircnd icircnsă la temperaturi ridicate un liant de tip gel (structura oxidică) cu rezistenţă termică ridicată

La temperaturi ridicate ale formei (peste 1100oC cazul turnării oţelului) viteza de carbonizare este mai mare decacirct cea de degajare a volatilelor (fig 69) Rezultă o precipitare intensă de compuşi carbonici (cărbune lucios) Atomii de H şi de N din liant se degajă sub formă moleculară (H2 şi N2) iar O şi S sub formă de compuşi (CO şi SO2) Carbonul lucios se depune sub formă de pelicule pe granulele de cuarţ are o structură cristalină similară grafitului şi posedă o valoare ridicată a densităţii şi conductivităţii termice (ρ = 19 ndash 22 gcm3 λ pacircnă la 70 kcalmmiddothmiddotgrad faţă de ρ = 15 ndash 16 gcm3 λ = 08 ndash 2 kcalmhgrad pentru carbonul amorf) precum şi o rezistenţă de 3 - 5 ori mai mare la oxidare faţă de carbonul amorf

Lianţi organici-polimeri

Ruperea legăturilor intermoleculare

Formarea radicalilor cu multe

molecule (nevolatile)

Formarea radicalilor cu molecule puţine

(volatile)

Polimerizarea radicalilor cu formarea unor legături carbonice

carbonice noi

Deshidratarea cu precipitarea de compuşi solizi carbinici

Formarea şi degajarea de compuşi volatili icircn

zona de icircncălzire

15

Fig 69 Variaţia timpului icircn care se desfăşoară procesele de carbonizare şi volatilizare icircn zona de contact metal-formă icircn funcţie de temperatură

1 ndash carbonizare 2 ndash volatilizare

Temperatura de descompunere termică cu formare de carbon lucios depinde de natura liantului organic ea este mai mică pentru compuşii aromatici nesaturaţi şi cei furanici icircn comparaţie cu substanţele alifatice saturate (fig 610) Aşadar procesul de carbonizare nu depinde de cantitatea totală de gaze degajate la icircncălzire ci de conţinutul compuşilor cu structura nesaturată cu precădere aromatică Icircn condiţii de temperaturi ridicate aproape toţi lianţii degajă carbon lucios icircn proporţie apropiată de cea teoretică (fig 610)

Rezultă că formele cu răşini posedă o rezistenţă termică foarte scăzută icircn intervalul de temperatură 1200 - 1600oC Cu toate acestea icircn cazul folosirii lor la turnarea oţelului se constată o tendinţă mai mică de formare a excrescenţelor la suprafaţa pieselor turnate Explicaţia constă icircn aceea că prin descompunerea totală a lianţilor organici creşte substanţial volumul de pori ceea ce determină micşorarea dilatării (fig 66 a curba 3) şi a valorii tensiunilor (fig 66 b curba 2) icircn comparaţie cu formele din amestec cu argilă Ca urmare scade tendinţa de fisurare şi exfoliere Icircn amestecurile cu răşini se folosesc icircntăritori de tipul

16

acidului ortofosforic care la temperaturi ridicate conduce la formarea anhidridei fosforice P2O5 care nu se descompune ci joacă rol de liant

Fig 610 Dependenţa de formare a carbonului lucios icircn funcţie de temperatura suprafeţei de contact a formei

1 ndash răşină formaldehidică 2 ndash răşină fenolică 3 ndash fenantren 4 ndash răşină indencumaron 5 ndash antracen 6 ndash naftalină 7 ndash parafină 8 ndash stearină 9 ndash furfurol

Formele realizate din amestecuri pe bază de nisip cuarţos şi lianţi anorganici sintetici (silicat de sodiu ciment metalofosfaţi) sunt folosite pe scară largă la turnarea oţelului La icircncălzire icircn aceste forme au loc următoarele procese fizico-chimice mai importante

ndashdilatatrea granulelor de nisip cuarţos

17

ndashcontracţia peliculelor de liant datorită deshidratării şi datorită disocierii carbonaţilor rezultaţi la icircntărirea cu CO2

Curba rezultantă pentru amestecuri este de tipul celei prezentate icircn figura 611

a b

Fig 611 Curbele de dilatare şi contracţie a amestecurilor cu silicat

de sodiu icircn condiţiile icircncălzirii la diferite temperaturi

c

a ndash deformarea icircn condiţiile aplicării sarcinilor de 01 MPa (curba 1) şi de 04 MPa (curba 2) b ndash viteza de deformare la formele neuscate (curba 3) şi uscate (curba 4) c ndash dilatarea şi contracţia amestesurilor pe bază de cromomagnezită la 1350degC la presiuni de 01 MPa pentru fracţii de dimensiuni mari (curba 5) şi medii (curba 6) şi

fracţii mici (curba 7)

Rezultă că icircn final amestecurile se contractă similar amestecurilor cu argilă icircnsă icircntr-o mai mică măsură Odată cu mărirea presiunii metalostatice creşte dilatarea şi viteza de dilatare (fig 611 a şi b) Adaosurile de argilă micşorează dilatarea Ca urmare formele pe bază de silicat de sodiu prezintă o mare tendinţă de fisurare şi deci de formare a excrescenţelor metalice Procesul de deformare la aceste amestecuri este puternic influenţat de dimensiunile granulelor de nisip rezistenţa la deformare scade odată cu micşorarea fracţiilor mici (pulberi) (fig 611 c) ceea ce se explică prin creşterea volumului de

18

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 2: INTERACT MF cap6_19august.doc

sub formă de crustă (scoarţe plăgi) creastă (nervuri solzi) umflături şi bavuri (fig 61)

Fig 61 Tipuri de excrescenţe metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel a ndash creste b ndash cruste c ndash umflături d ndash bavuri

Fig 62 Variaţia temperaturii icircn peretele formei Tt ndash temperatura de turnare a oţeluluiTl ndash temperatura lichidus

TS ndash temperatura solidus

Cauza apariţiei lor o constituie procesele de deformare fisurare şi exfoliere a pereţilor formei şi a miezurilor care vin icircn contact cu oţelul lichid icircn timpul operaţiei de turnare şi de răciere icircnainte de solidificare Aceste procese sunt datorate la racircndul lor apariţiei tensiunilor interne icircn

2

perioada de icircncălzire la turnare a formelor şi a miezurilor precum şi de presiunea exercitată de coloana de oţel lichid La turnarea oţelurilor icircn cavitatea tehnologică a formei prin pereţii formei se transmite o mare cantitate de căldură (căldura fizică de supraicircncălzire care reprezintă cca 20 din total căldura de cristalizare cca 70 căldura determinată de unele transformări fazice cca 12 din total) corespunzătoare unor fluxuri de pacircnă la 1x104 kcalm2h şi unor viteze de pacircnă la 500oCs

Tensiunile din pereţii formei şi miezurilor sunt explicate de apariţia cacircmpului de temperatură pe secţiunea peretelui (fig 62) suprafaţa de contact (Tc) a formelor fiind Tc = (03hellip10)Tt (Tt este temperatura de turnare a oţelului) Ca urmare procesele de dilatare şi contracţie a componentelor din forme se desfăşoară icircn mod diferit ceea ce determină apariţia tensiunilor (de icircntindere sau de compresiune)

612 Influenţa factorilor tehnologici

6121 Influenţa naturii formei

La obţinerea pieselor din oţel se folosesc cu precădere următoarele tipuri de forme

ndashforme crude şi uscate din amestecuri cu argilă şi bentonităndashforme din amestecuri cu răşini silicat de sodiu metalofosfaţindashforme cruste (ceramice) cu silicat de etilComponenta refractară poate fi nisipul cuarţos (SiO2) cel de

zirconiu (ZrO2 ZrSiO4) sau cromitul (FeO-Cr2O3) olivină (Mg2SiO4 + Fe2SiO4) cromomagnezit (MgO-Fe2O3-Al2O3-SiO2) magnezit (MgO) corund (Al2O3) oxid de zirconiu (ZrO2) cuarţ amorf (SiO2) distensilimanit magnezită Proprietăţile termofizice exprimate prin coeficientul de acumulare a căldurii (bf) sunt foarte diferite (bf este cuprins icircntre 1260 şi 2240 Ws12m2oC) ceea ce determină valori diferite ale temperaturii şi duratei de contact la interfaţa oţel lichid-formă (v tabelul 61) Cu cacirct durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă este mai mare cu atacirct şi temperatura de contact Tc va fi mai ridicată şi deci schimbările structurale din amestecuri vor fi mai pronunţate Icircn prezenţa lianţilor formele posedă valori mai ridicate ale coeficientului bf iar icircn cazul prezenţei materialelor termoizolante valori mai scăzute ( v tabelul 62)

3

Tabelul 61Influenţa coeficientului de acumulare a căldurii (bf) asupra duratei de

contact a oţelului lichid cu peretele fomei

Tipul nisipuluibf

Ws12m2oC

Durata de contact (icircn secunde ) pentru grosimi (icircn mm) ale pereţilor piesei de

50 150 300 600Cuarţos 1260 43 141 442 -Disten-silimanit 1470 34 115 306 972Zircon 1820 26 83 199 594Metil 1960 23 68 159 472Cromomagnezit

2100 19 58 142 391

Cromit 2240 9 25 57 135

Tabelul 62 Valorile coeficientului de acumulare a căldurii bf pentru unele amestecuri

de formare

Tipul amesteculuibf Ws12m2oC

(pentru 20 1550oC)Nisip cuarţos 14001750Idem + 20 pulbere de azbest 8401050Idem + 30 marsalită 21002450Nisip de cromomagnezită + silicat de sodiu 6 35003850Nisip de zirconiu + silicat de sodiu 6 26603500Nisip cuarţos + silicat de sodiu 6 2070Nisip cuarţos + silicat de sodiu 6 + făină de lemn 2 11701585

La icircncălzire nisipul cuarţos prezintă transformări structurale icircnsoţite de importante creşteri de volum

tridimit cristobalit (61)

O importanţă deosebită pentru forme o are trasformarea α SiO2

icircn β SiO2 la 575oC Aşadar nisipul cuarţos prezintă valori ridicate ale coeficientului de dilatare (α peste 250middot10-7oC) Celelalte tipuri de nisip posedă valori mult mai scăzute (astfel MgO-α = 140middot10-7oC ZrO2-α = 11010-7oC cuarţul amorf topit α = 54middot10-7oC) (v fig 63)

4

Fig 63 Curbele de dilatare ale granulelor de diferite nisipuri refractare 1 ndash cuarţit 2 ndash olivină 3 ndash cromit 4 ndash zircon 5 ndash cuarţ amorf

Impurităţile nisipurilor cuarţoase (oxizi de Fe Mn Si Ni P Co feldspaţi etc) favorizează transformarea cuarţului icircn cristobalit la una şi aceeaşi temperatură de icircncălzire a formei O influenţă similară o are prezenţa bentonitei argilei şi a adaosurilor carbonice Impurităţile se găsesc icircn nisip sub formă de particule cu dimensiunile de sub 100 μm Icircn consecinţă la turnarea oţelurilor icircn cavitatea tehnologică a formelor pe bază de nisip cuarţos se desfăşoară practic toate transformările fazice ale cuarţului icircnsoţite de mari creşteri de volum Formele cu lianţi anorganici naturali (argilă şi bentonită) avacircnd la bază caolinitul (Al2O32SiO22H2O) sau montorilonitul sunt folosite pe scară largă la producerea pieselor turnate din oţel Formele pot fi neuscate (crude) sau uscate Tensiunile icircn formele crude din amestecuri pe bază de nisip

5

cuarţos şi argile (bentonite) sunt provocate la icircncălzirea lor de următoarele procese

ndashdilatarea granulelor de cuarţndashcontracţia datorită deshidratării peliculelor de liant (argilă

bentonită) indicată de curbele termice (v fig 64) peliculele de liant au grosimi de pacircnă la 10 μm

Fig 64 Curbele termice diferenţiale ale diferitelor tipuri de materiale

refractare1 ndash caolinit 2 ndash pirofilit 3 ndash talc

4 ndash zircon

ndashşamotizarea (coalitizarea) peliculelor de liant de exemplu icircn cazul argilei au loc la icircncălzire transformările

ndashla 400-600oC

(62)

ndashla 900-1250oC

(63)

şi

(64)

6

şi

(65)

a b

Fig 65 Variaţia densităţii peliculei de argilă la diferite cicluri de refolosire şi a

conţinutului de umiditate icircn formele crude

a ndash densitatea peliculei de argilă b ndash zona de condensaţie datorită umidităţii formei

c ndash zona de condensaţie datorită vopselei

c

Aşadar la temperaturi ridicate ale pereţilor formelor (de peste 1250oC) argila se transformă treptat icircn silimonit mullit cuarţ liber şi alumină ceea ce reprezintă procesul de şamotizare icircnsoţit de micşorarea valorii densităţii peliculei la refolosirea argilei la mai mult

7

cicluri de fabricaţie (fig 65 a) evaporarea apei din straturile superficiale ale formei şi condensarea icircn zone mai icircndepărtate deci formarea zonei de condensare (fig 65 b şi c)

La folosirea repetată a amestecurilor cu argilă pe peliculele şamotizate de argilă se depun noi straturi proces care se numeşte colitizare Ca urmare la turnarea oţelului icircn cavitatea tehnologică a formelor crude au loc două procese distincte dilatarea granulelor de nisip cuarţos şi contracţia argilei şi bentonitei (fig 66 a şi b) procese care conduc la apariţia tensiunilor maxime la temperaturi de 575oC (formarea cuarţului α) şi 1250-1450 oC (formarea cristobalitei α) (fig 66 c)

a b

Fig 66 Procesul de dilatare şi contracţie icircnregistrate la amestecurile

pe bază de nisip cuarţos şi apariţia vacircrfurilor de tensiune maximă

1 ndash nisip cuarţos 2 ndash argilă 3 ndash forme cu amestecuri din argilă (rezultantă) 4 ndash formă din amestec cu răşină

c

La suprafaţa formelor (mai ales la semiformele superioare) şi ale miezurilor apar astfel de tensiuni de icircntindere (σ) iar icircn condiţiile icircn

8

care σ gt σt (σt ndash rezistenţa la icircntindere la temperaturi ridicare de peste 1250oC ale formei) apar fisuri şi exfolieri icircn cavităţile cărora penetrează oţelul lichid şi icircn acest mod apar surplusurile metalice de tip creastă (penetrarea icircn fisură) şi crustă (penetrarea icircn alveolele provocate de exfolieri) Aşadar factorii principali de influenţă asupra excrescenţelor (TFE) metalice sunt (icircn sensul creşterii valorii lor v tabelul 63)

Tabelul 63 Influenţa principalilor factori tehnologici privind natura formei asupra

tendinţei de formare a excrescenţelor (TFE) metaliceFactori tehnologici α d u tc Rt ε1

TFE + - + + - +

-coeficientul de acumulare a căldurii (bf) micşorează TFE icircntrucacirct se reduce temperatura de contact şi gradientul de temperatură pe secţiunea peretelui formei creşte stabilitatea termică a formei deci durata de contact a oţelului lichid cu forma este mai mică decacirct durata de stabilitate termică a formei solicitată termic şi mecanic gradul de rotunjire a granulelor de nisip măreşte TFE deoarece se micşorează volumul de pori din formă

ndashcoeficientul de dilatare a granulelor de nisip α măreşte TFE ndashcontracţia ε1 a peliculelor de liant măreşte TFEndashdimensiunile granulelor (d) de nisip micşorează TFE ca

urmare a volumului mai mare de pori şi deci a posibilităţii de micşorare a valorii tensiunilor prin redistribuirea şi deplasarea granulelor

ndashumiditatea pereţilor formei (u) icircn zona de condensaţie măreşte TFE ca urmare a micşorării rezistenţei la compresiune a peretelui formei σc de asemenea uscarea formelor micşorează TFE

ndashtemperatura de contact (tc) măreşte TFE ca urmare a intensificării proceselor de temperatură structurală a componentelor amestecului şi a creşterii gradientului de temperatură icircn peretele formei

ndashrezistenţa (Rt) micşorează TFEndashadaosurile organice ca de exemplu substanţele carbonice icircn

proporţie de 2 ndash 8 făina de lemn (micşorează TFE deoarece prin arderea lor determină creşterea volumului de pori)

ndashgradul de icircndesare a amestecului de formare (măreşte TFE datorită micşorării volumului de pori acest fapt se constată mai ales icircn cazul formelor obţinute din amestecuri icircndesate la presiuni ridicare)

9

ndashadaosurile de oxid de fier icircn proporţie de 2 ndash 4 (micşorează TFE datorită formării fazei lichide din sistemul FeOSiO2 care după solidificare creează un schelet rigid icircn jurul granulelor de nisip şi deci măreşte rezistenţa la cald (Rt)

ndashcantitatea de liant (micşorează TFE datorită creşterii rezistenţei la rupere adezivă şi coezivă şi deci a rezistenţei la temperatură (Rt)

Formele din sistemul cuarţos-argilă (bentonită) la icircnceput se dilată spre interiorul cavităţii (deformare pozitivă) dimensiunilor acestora se micşorează pentru ca după un oarecare timp sensul deformării să se schimbe icircn sensul creşterii dimensiunilor cavităţii (deformare negativă) (fig 67 a şi b)

Fig 67 Deformarea pereţilor formei crude (a) şi uscate (b) icircn cazul turnării oţelului cu 03 C

Deformarea şi deci dimensiunile umflăturilor la suprafaţa pieselor sunt cu atacirct mai pronunţate cu cacirct temperatura de contact (la interfaţă) umiditatea icircn amestec şi presiunea metalostatică sunt mai mari (fig 67)

Formele cu lianţi organici sintetici şi naturali pot fi icircmpărţite icircn trei clase icircn funcţie de natura lianţilor

ndashclasa 1 heteroatomice (O N) şi cu lanţuri carbonice saturate (de exemplu dextrina leşia sulfitică răşini ureo-aldehidice polivinilacetatul polivinilbutirolul etc) caracterizate printr-o stabilitate termică scazută (v tab 6 4)

ndashclasa 2 ndash cu lanţuri carbonice nesaturate şi cu proces de polimerizare cu structura carbonului tridimensională caracterizate prin

10

rezistenţă termică mare (de exemplu uleiul de in bachelita răşinile furanice tab 64) cu temperatura de icircnceput de distrugere la 542 ndash 600oC

ndashclasa 3 ndash combinaţii organo-metalice ale Si Ti Zr (de exemplu silicatul de etil tab 64) care prezintă o rezistenţă termică ridicată

Tabelul 64Clasificarea şi structura lianţilor organici

Clasa icircn funcţie de legătura structu-

rală

Grupa icircn funcţie de

natura chimică

Caracteristica structurii

Liantul tipic şi compoziţia lui

Temperatura medie de disociereTmed oC

1 2 3 4 5

1

Polizaharide (amidon dextrină melasă)

C6H10O4

Dextrină C-431H-59O-51

270

Melasa C-42 H-64 O-516

270

Lignosulfaţi (leşie sulfitică

C9H88O24(OCH3)096

(structura ligninei) grupele heterociclice şi aromatice-CHOH-CH2OH-O-CH3

-HSO3

Leşia alcoolosulfiţi ca C-415 H-53 O-472 S- 6

380

Răşini naturale (colofoniu şelac etc)

C19H29COOHColofoniu C-70 H- 10-12 H- 12-15

230-260 vaporizare

Răşini uleo-aldehidice (formaldehidă)

(-C-N-C-) şi (-C-O-C-)

Răşină formaldehidică (MF-17) C-39 H-6 N-30 O-25

300

11

Tabelul 64 (continuare)1 2 3 4 5

1

Nitro şi metilceluloze

-ONO2 -OCH3

Nitrolac C-286H-31 O-57N-113

185

Acetat de vinilH2C-CH-Nn

|O=C-CH3

Polivinilacetat C-557 H-7O- 373

250

Complecşi polivinilici

(-C-O-C-) şi (-C-C-)

Polivinilbutiral C-657 H-8 O-263

350

Polimeri organici (pe bază de alcool polivinilic polistiren etc)

- - 250-350

2

Gliceride ale acizilor nesaturaţi

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Ulei de in C-67H-8 O- 25

420

Răşini sintetice

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipicăC-916H-48 O- 25 S+N ndash 11

500

Răşini fenol formaldehidice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Bachelită pulbereC-80 H-6 O- 14

470

Răşini furanice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipică FF-SC-73 H-6O- 21

500

FA-SC-71 H-5O- 24

500

Răşini indencumaron

(-C-C-) şi (-C=C-)Răşina tipicăC-88H-68 O-50

450

3

Polimeri organici ai silicatului de etil şi ai altor substante cu Si Ti Zr

(-O-E(R)2+O-)X

UNDE E= Si Ti ZrR= radicalul alcoolului Peste 600oC liantul prezinta SiO2 TiO2 ZrO2

La organosilicic cu lanţ siloxanic (-O-Si-O) şi radicali aromatici

600

Apa (se dă pentru comparaţie)

H2OH-111O- 889

100 fierbe

Tabelul 64 (continuare)

12

Clasificarea şi structura lianţilor organiciClasa icircn funcţie de legă-

tura structu-

rală

Degajarea de substanţe organice

(de greut)

Produsele după disocierea completă

1100oC

Tendinţa de degajare a gazelor

Gaz mgmiddotatomg

Carbon mgmiddotatomg

Volum (la 1400oC) Vcm3g

Viteza relativă

W=VTmed

1 6 7 8 9 10

1

lt50062 0004 8500 3150064 0003 8800 326

lt30 0056 0005 7700 2025-8 0060 0048 8200 350

10-12 0065 0018 7600 252

1

1-2 0054 0 7400 4001 0058 0023 7900 3181 0056 0040 7700 220

1-10 - - 8000 300

2lt30 0055 0040 7500 180lt60 0026 0074 3600 72lt50 0039 0057 5350 114lt50 0042 0048 5800 116lt60 0040 0044 5500 110lt30 0037 0065 5100 102

3lt80 SiO2+C - - - -

- 0055 - 7600 7601polimeri heteroatomici şi cu lanţuri carbonice saturate 2polimeri cu lanţuri carbonice plane şi tridimensionale nesaturate 3combinaţii organo-metalice

La icircncălzire lianţii din clasa 1 se descompun prin volatilizare la temperaturi de 200 - 300oC procese icircnsoţite de creşterea temperaturii şi pierderea greutăţii (vezi curbele de variaţie a temperaturii şi greutăţii din fig 68 c d şi f) Pierderea de greutate poate ajunge pacircnă la 90 Vacircrfurile endoterme constatate la lianţi răşini uleo-aldehinice şi polivinilacetat se explică prin degajarea amoniacului şi a vaporilor de apă (icircn primul caz) şi a volatilizării grupelor acetilenice (icircn cazul al doilea) Cea mai mare parte din produsele cărbunoase posedă o structură poroasă şi se oxidează repede la icircncălzirea ulterioară a liantului

13

Fig 68 Variaţia temperaturii şi greutăţii icircnregistrate la icircncălzirea unor lianţi organici

a ndash răşină furanică b ndash răşină formaldehidică (bachelita pulbere) c ndash răşină d ndash nitrolac e ndash răşină ureo-formaldehidică f ndash polivinilacetat

Lianţii din clasa 2 la icircncălzire formează structuri -C-C noi tridimensionale ceea ce se reflectă pe curbele termice prin efecte exotermice la temperaturi de 200 ndash 400oC (fig 68 a b şi c) Cu creşterea temperaturii se formează compuşi carbonici cu tendinţă mare de oxidare (icircn cantitate de 50 din cea de liant) care se depun pe suprafaţă granulelor de cuarţ şi icircn porii formei

14

Schema proceselor de descompunere a lianţilor organici din clasa 1 şi 2 este următoarea

Lianţii din clasa 3 prezintă un proces de descompunere termică a radicalilor organici icircn intervalul de temperatură 300 ndash 500oC asiguracircnd icircnsă la temperaturi ridicate un liant de tip gel (structura oxidică) cu rezistenţă termică ridicată

La temperaturi ridicate ale formei (peste 1100oC cazul turnării oţelului) viteza de carbonizare este mai mare decacirct cea de degajare a volatilelor (fig 69) Rezultă o precipitare intensă de compuşi carbonici (cărbune lucios) Atomii de H şi de N din liant se degajă sub formă moleculară (H2 şi N2) iar O şi S sub formă de compuşi (CO şi SO2) Carbonul lucios se depune sub formă de pelicule pe granulele de cuarţ are o structură cristalină similară grafitului şi posedă o valoare ridicată a densităţii şi conductivităţii termice (ρ = 19 ndash 22 gcm3 λ pacircnă la 70 kcalmmiddothmiddotgrad faţă de ρ = 15 ndash 16 gcm3 λ = 08 ndash 2 kcalmhgrad pentru carbonul amorf) precum şi o rezistenţă de 3 - 5 ori mai mare la oxidare faţă de carbonul amorf

Lianţi organici-polimeri

Ruperea legăturilor intermoleculare

Formarea radicalilor cu multe

molecule (nevolatile)

Formarea radicalilor cu molecule puţine

(volatile)

Polimerizarea radicalilor cu formarea unor legături carbonice

carbonice noi

Deshidratarea cu precipitarea de compuşi solizi carbinici

Formarea şi degajarea de compuşi volatili icircn

zona de icircncălzire

15

Fig 69 Variaţia timpului icircn care se desfăşoară procesele de carbonizare şi volatilizare icircn zona de contact metal-formă icircn funcţie de temperatură

1 ndash carbonizare 2 ndash volatilizare

Temperatura de descompunere termică cu formare de carbon lucios depinde de natura liantului organic ea este mai mică pentru compuşii aromatici nesaturaţi şi cei furanici icircn comparaţie cu substanţele alifatice saturate (fig 610) Aşadar procesul de carbonizare nu depinde de cantitatea totală de gaze degajate la icircncălzire ci de conţinutul compuşilor cu structura nesaturată cu precădere aromatică Icircn condiţii de temperaturi ridicate aproape toţi lianţii degajă carbon lucios icircn proporţie apropiată de cea teoretică (fig 610)

Rezultă că formele cu răşini posedă o rezistenţă termică foarte scăzută icircn intervalul de temperatură 1200 - 1600oC Cu toate acestea icircn cazul folosirii lor la turnarea oţelului se constată o tendinţă mai mică de formare a excrescenţelor la suprafaţa pieselor turnate Explicaţia constă icircn aceea că prin descompunerea totală a lianţilor organici creşte substanţial volumul de pori ceea ce determină micşorarea dilatării (fig 66 a curba 3) şi a valorii tensiunilor (fig 66 b curba 2) icircn comparaţie cu formele din amestec cu argilă Ca urmare scade tendinţa de fisurare şi exfoliere Icircn amestecurile cu răşini se folosesc icircntăritori de tipul

16

acidului ortofosforic care la temperaturi ridicate conduce la formarea anhidridei fosforice P2O5 care nu se descompune ci joacă rol de liant

Fig 610 Dependenţa de formare a carbonului lucios icircn funcţie de temperatura suprafeţei de contact a formei

1 ndash răşină formaldehidică 2 ndash răşină fenolică 3 ndash fenantren 4 ndash răşină indencumaron 5 ndash antracen 6 ndash naftalină 7 ndash parafină 8 ndash stearină 9 ndash furfurol

Formele realizate din amestecuri pe bază de nisip cuarţos şi lianţi anorganici sintetici (silicat de sodiu ciment metalofosfaţi) sunt folosite pe scară largă la turnarea oţelului La icircncălzire icircn aceste forme au loc următoarele procese fizico-chimice mai importante

ndashdilatatrea granulelor de nisip cuarţos

17

ndashcontracţia peliculelor de liant datorită deshidratării şi datorită disocierii carbonaţilor rezultaţi la icircntărirea cu CO2

Curba rezultantă pentru amestecuri este de tipul celei prezentate icircn figura 611

a b

Fig 611 Curbele de dilatare şi contracţie a amestecurilor cu silicat

de sodiu icircn condiţiile icircncălzirii la diferite temperaturi

c

a ndash deformarea icircn condiţiile aplicării sarcinilor de 01 MPa (curba 1) şi de 04 MPa (curba 2) b ndash viteza de deformare la formele neuscate (curba 3) şi uscate (curba 4) c ndash dilatarea şi contracţia amestesurilor pe bază de cromomagnezită la 1350degC la presiuni de 01 MPa pentru fracţii de dimensiuni mari (curba 5) şi medii (curba 6) şi

fracţii mici (curba 7)

Rezultă că icircn final amestecurile se contractă similar amestecurilor cu argilă icircnsă icircntr-o mai mică măsură Odată cu mărirea presiunii metalostatice creşte dilatarea şi viteza de dilatare (fig 611 a şi b) Adaosurile de argilă micşorează dilatarea Ca urmare formele pe bază de silicat de sodiu prezintă o mare tendinţă de fisurare şi deci de formare a excrescenţelor metalice Procesul de deformare la aceste amestecuri este puternic influenţat de dimensiunile granulelor de nisip rezistenţa la deformare scade odată cu micşorarea fracţiilor mici (pulberi) (fig 611 c) ceea ce se explică prin creşterea volumului de

18

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 3: INTERACT MF cap6_19august.doc

perioada de icircncălzire la turnare a formelor şi a miezurilor precum şi de presiunea exercitată de coloana de oţel lichid La turnarea oţelurilor icircn cavitatea tehnologică a formei prin pereţii formei se transmite o mare cantitate de căldură (căldura fizică de supraicircncălzire care reprezintă cca 20 din total căldura de cristalizare cca 70 căldura determinată de unele transformări fazice cca 12 din total) corespunzătoare unor fluxuri de pacircnă la 1x104 kcalm2h şi unor viteze de pacircnă la 500oCs

Tensiunile din pereţii formei şi miezurilor sunt explicate de apariţia cacircmpului de temperatură pe secţiunea peretelui (fig 62) suprafaţa de contact (Tc) a formelor fiind Tc = (03hellip10)Tt (Tt este temperatura de turnare a oţelului) Ca urmare procesele de dilatare şi contracţie a componentelor din forme se desfăşoară icircn mod diferit ceea ce determină apariţia tensiunilor (de icircntindere sau de compresiune)

612 Influenţa factorilor tehnologici

6121 Influenţa naturii formei

La obţinerea pieselor din oţel se folosesc cu precădere următoarele tipuri de forme

ndashforme crude şi uscate din amestecuri cu argilă şi bentonităndashforme din amestecuri cu răşini silicat de sodiu metalofosfaţindashforme cruste (ceramice) cu silicat de etilComponenta refractară poate fi nisipul cuarţos (SiO2) cel de

zirconiu (ZrO2 ZrSiO4) sau cromitul (FeO-Cr2O3) olivină (Mg2SiO4 + Fe2SiO4) cromomagnezit (MgO-Fe2O3-Al2O3-SiO2) magnezit (MgO) corund (Al2O3) oxid de zirconiu (ZrO2) cuarţ amorf (SiO2) distensilimanit magnezită Proprietăţile termofizice exprimate prin coeficientul de acumulare a căldurii (bf) sunt foarte diferite (bf este cuprins icircntre 1260 şi 2240 Ws12m2oC) ceea ce determină valori diferite ale temperaturii şi duratei de contact la interfaţa oţel lichid-formă (v tabelul 61) Cu cacirct durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă este mai mare cu atacirct şi temperatura de contact Tc va fi mai ridicată şi deci schimbările structurale din amestecuri vor fi mai pronunţate Icircn prezenţa lianţilor formele posedă valori mai ridicate ale coeficientului bf iar icircn cazul prezenţei materialelor termoizolante valori mai scăzute ( v tabelul 62)

3

Tabelul 61Influenţa coeficientului de acumulare a căldurii (bf) asupra duratei de

contact a oţelului lichid cu peretele fomei

Tipul nisipuluibf

Ws12m2oC

Durata de contact (icircn secunde ) pentru grosimi (icircn mm) ale pereţilor piesei de

50 150 300 600Cuarţos 1260 43 141 442 -Disten-silimanit 1470 34 115 306 972Zircon 1820 26 83 199 594Metil 1960 23 68 159 472Cromomagnezit

2100 19 58 142 391

Cromit 2240 9 25 57 135

Tabelul 62 Valorile coeficientului de acumulare a căldurii bf pentru unele amestecuri

de formare

Tipul amesteculuibf Ws12m2oC

(pentru 20 1550oC)Nisip cuarţos 14001750Idem + 20 pulbere de azbest 8401050Idem + 30 marsalită 21002450Nisip de cromomagnezită + silicat de sodiu 6 35003850Nisip de zirconiu + silicat de sodiu 6 26603500Nisip cuarţos + silicat de sodiu 6 2070Nisip cuarţos + silicat de sodiu 6 + făină de lemn 2 11701585

La icircncălzire nisipul cuarţos prezintă transformări structurale icircnsoţite de importante creşteri de volum

tridimit cristobalit (61)

O importanţă deosebită pentru forme o are trasformarea α SiO2

icircn β SiO2 la 575oC Aşadar nisipul cuarţos prezintă valori ridicate ale coeficientului de dilatare (α peste 250middot10-7oC) Celelalte tipuri de nisip posedă valori mult mai scăzute (astfel MgO-α = 140middot10-7oC ZrO2-α = 11010-7oC cuarţul amorf topit α = 54middot10-7oC) (v fig 63)

4

Fig 63 Curbele de dilatare ale granulelor de diferite nisipuri refractare 1 ndash cuarţit 2 ndash olivină 3 ndash cromit 4 ndash zircon 5 ndash cuarţ amorf

Impurităţile nisipurilor cuarţoase (oxizi de Fe Mn Si Ni P Co feldspaţi etc) favorizează transformarea cuarţului icircn cristobalit la una şi aceeaşi temperatură de icircncălzire a formei O influenţă similară o are prezenţa bentonitei argilei şi a adaosurilor carbonice Impurităţile se găsesc icircn nisip sub formă de particule cu dimensiunile de sub 100 μm Icircn consecinţă la turnarea oţelurilor icircn cavitatea tehnologică a formelor pe bază de nisip cuarţos se desfăşoară practic toate transformările fazice ale cuarţului icircnsoţite de mari creşteri de volum Formele cu lianţi anorganici naturali (argilă şi bentonită) avacircnd la bază caolinitul (Al2O32SiO22H2O) sau montorilonitul sunt folosite pe scară largă la producerea pieselor turnate din oţel Formele pot fi neuscate (crude) sau uscate Tensiunile icircn formele crude din amestecuri pe bază de nisip

5

cuarţos şi argile (bentonite) sunt provocate la icircncălzirea lor de următoarele procese

ndashdilatarea granulelor de cuarţndashcontracţia datorită deshidratării peliculelor de liant (argilă

bentonită) indicată de curbele termice (v fig 64) peliculele de liant au grosimi de pacircnă la 10 μm

Fig 64 Curbele termice diferenţiale ale diferitelor tipuri de materiale

refractare1 ndash caolinit 2 ndash pirofilit 3 ndash talc

4 ndash zircon

ndashşamotizarea (coalitizarea) peliculelor de liant de exemplu icircn cazul argilei au loc la icircncălzire transformările

ndashla 400-600oC

(62)

ndashla 900-1250oC

(63)

şi

(64)

6

şi

(65)

a b

Fig 65 Variaţia densităţii peliculei de argilă la diferite cicluri de refolosire şi a

conţinutului de umiditate icircn formele crude

a ndash densitatea peliculei de argilă b ndash zona de condensaţie datorită umidităţii formei

c ndash zona de condensaţie datorită vopselei

c

Aşadar la temperaturi ridicate ale pereţilor formelor (de peste 1250oC) argila se transformă treptat icircn silimonit mullit cuarţ liber şi alumină ceea ce reprezintă procesul de şamotizare icircnsoţit de micşorarea valorii densităţii peliculei la refolosirea argilei la mai mult

7

cicluri de fabricaţie (fig 65 a) evaporarea apei din straturile superficiale ale formei şi condensarea icircn zone mai icircndepărtate deci formarea zonei de condensare (fig 65 b şi c)

La folosirea repetată a amestecurilor cu argilă pe peliculele şamotizate de argilă se depun noi straturi proces care se numeşte colitizare Ca urmare la turnarea oţelului icircn cavitatea tehnologică a formelor crude au loc două procese distincte dilatarea granulelor de nisip cuarţos şi contracţia argilei şi bentonitei (fig 66 a şi b) procese care conduc la apariţia tensiunilor maxime la temperaturi de 575oC (formarea cuarţului α) şi 1250-1450 oC (formarea cristobalitei α) (fig 66 c)

a b

Fig 66 Procesul de dilatare şi contracţie icircnregistrate la amestecurile

pe bază de nisip cuarţos şi apariţia vacircrfurilor de tensiune maximă

1 ndash nisip cuarţos 2 ndash argilă 3 ndash forme cu amestecuri din argilă (rezultantă) 4 ndash formă din amestec cu răşină

c

La suprafaţa formelor (mai ales la semiformele superioare) şi ale miezurilor apar astfel de tensiuni de icircntindere (σ) iar icircn condiţiile icircn

8

care σ gt σt (σt ndash rezistenţa la icircntindere la temperaturi ridicare de peste 1250oC ale formei) apar fisuri şi exfolieri icircn cavităţile cărora penetrează oţelul lichid şi icircn acest mod apar surplusurile metalice de tip creastă (penetrarea icircn fisură) şi crustă (penetrarea icircn alveolele provocate de exfolieri) Aşadar factorii principali de influenţă asupra excrescenţelor (TFE) metalice sunt (icircn sensul creşterii valorii lor v tabelul 63)

Tabelul 63 Influenţa principalilor factori tehnologici privind natura formei asupra

tendinţei de formare a excrescenţelor (TFE) metaliceFactori tehnologici α d u tc Rt ε1

TFE + - + + - +

-coeficientul de acumulare a căldurii (bf) micşorează TFE icircntrucacirct se reduce temperatura de contact şi gradientul de temperatură pe secţiunea peretelui formei creşte stabilitatea termică a formei deci durata de contact a oţelului lichid cu forma este mai mică decacirct durata de stabilitate termică a formei solicitată termic şi mecanic gradul de rotunjire a granulelor de nisip măreşte TFE deoarece se micşorează volumul de pori din formă

ndashcoeficientul de dilatare a granulelor de nisip α măreşte TFE ndashcontracţia ε1 a peliculelor de liant măreşte TFEndashdimensiunile granulelor (d) de nisip micşorează TFE ca

urmare a volumului mai mare de pori şi deci a posibilităţii de micşorare a valorii tensiunilor prin redistribuirea şi deplasarea granulelor

ndashumiditatea pereţilor formei (u) icircn zona de condensaţie măreşte TFE ca urmare a micşorării rezistenţei la compresiune a peretelui formei σc de asemenea uscarea formelor micşorează TFE

ndashtemperatura de contact (tc) măreşte TFE ca urmare a intensificării proceselor de temperatură structurală a componentelor amestecului şi a creşterii gradientului de temperatură icircn peretele formei

ndashrezistenţa (Rt) micşorează TFEndashadaosurile organice ca de exemplu substanţele carbonice icircn

proporţie de 2 ndash 8 făina de lemn (micşorează TFE deoarece prin arderea lor determină creşterea volumului de pori)

ndashgradul de icircndesare a amestecului de formare (măreşte TFE datorită micşorării volumului de pori acest fapt se constată mai ales icircn cazul formelor obţinute din amestecuri icircndesate la presiuni ridicare)

9

ndashadaosurile de oxid de fier icircn proporţie de 2 ndash 4 (micşorează TFE datorită formării fazei lichide din sistemul FeOSiO2 care după solidificare creează un schelet rigid icircn jurul granulelor de nisip şi deci măreşte rezistenţa la cald (Rt)

ndashcantitatea de liant (micşorează TFE datorită creşterii rezistenţei la rupere adezivă şi coezivă şi deci a rezistenţei la temperatură (Rt)

Formele din sistemul cuarţos-argilă (bentonită) la icircnceput se dilată spre interiorul cavităţii (deformare pozitivă) dimensiunilor acestora se micşorează pentru ca după un oarecare timp sensul deformării să se schimbe icircn sensul creşterii dimensiunilor cavităţii (deformare negativă) (fig 67 a şi b)

Fig 67 Deformarea pereţilor formei crude (a) şi uscate (b) icircn cazul turnării oţelului cu 03 C

Deformarea şi deci dimensiunile umflăturilor la suprafaţa pieselor sunt cu atacirct mai pronunţate cu cacirct temperatura de contact (la interfaţă) umiditatea icircn amestec şi presiunea metalostatică sunt mai mari (fig 67)

Formele cu lianţi organici sintetici şi naturali pot fi icircmpărţite icircn trei clase icircn funcţie de natura lianţilor

ndashclasa 1 heteroatomice (O N) şi cu lanţuri carbonice saturate (de exemplu dextrina leşia sulfitică răşini ureo-aldehidice polivinilacetatul polivinilbutirolul etc) caracterizate printr-o stabilitate termică scazută (v tab 6 4)

ndashclasa 2 ndash cu lanţuri carbonice nesaturate şi cu proces de polimerizare cu structura carbonului tridimensională caracterizate prin

10

rezistenţă termică mare (de exemplu uleiul de in bachelita răşinile furanice tab 64) cu temperatura de icircnceput de distrugere la 542 ndash 600oC

ndashclasa 3 ndash combinaţii organo-metalice ale Si Ti Zr (de exemplu silicatul de etil tab 64) care prezintă o rezistenţă termică ridicată

Tabelul 64Clasificarea şi structura lianţilor organici

Clasa icircn funcţie de legătura structu-

rală

Grupa icircn funcţie de

natura chimică

Caracteristica structurii

Liantul tipic şi compoziţia lui

Temperatura medie de disociereTmed oC

1 2 3 4 5

1

Polizaharide (amidon dextrină melasă)

C6H10O4

Dextrină C-431H-59O-51

270

Melasa C-42 H-64 O-516

270

Lignosulfaţi (leşie sulfitică

C9H88O24(OCH3)096

(structura ligninei) grupele heterociclice şi aromatice-CHOH-CH2OH-O-CH3

-HSO3

Leşia alcoolosulfiţi ca C-415 H-53 O-472 S- 6

380

Răşini naturale (colofoniu şelac etc)

C19H29COOHColofoniu C-70 H- 10-12 H- 12-15

230-260 vaporizare

Răşini uleo-aldehidice (formaldehidă)

(-C-N-C-) şi (-C-O-C-)

Răşină formaldehidică (MF-17) C-39 H-6 N-30 O-25

300

11

Tabelul 64 (continuare)1 2 3 4 5

1

Nitro şi metilceluloze

-ONO2 -OCH3

Nitrolac C-286H-31 O-57N-113

185

Acetat de vinilH2C-CH-Nn

|O=C-CH3

Polivinilacetat C-557 H-7O- 373

250

Complecşi polivinilici

(-C-O-C-) şi (-C-C-)

Polivinilbutiral C-657 H-8 O-263

350

Polimeri organici (pe bază de alcool polivinilic polistiren etc)

- - 250-350

2

Gliceride ale acizilor nesaturaţi

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Ulei de in C-67H-8 O- 25

420

Răşini sintetice

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipicăC-916H-48 O- 25 S+N ndash 11

500

Răşini fenol formaldehidice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Bachelită pulbereC-80 H-6 O- 14

470

Răşini furanice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipică FF-SC-73 H-6O- 21

500

FA-SC-71 H-5O- 24

500

Răşini indencumaron

(-C-C-) şi (-C=C-)Răşina tipicăC-88H-68 O-50

450

3

Polimeri organici ai silicatului de etil şi ai altor substante cu Si Ti Zr

(-O-E(R)2+O-)X

UNDE E= Si Ti ZrR= radicalul alcoolului Peste 600oC liantul prezinta SiO2 TiO2 ZrO2

La organosilicic cu lanţ siloxanic (-O-Si-O) şi radicali aromatici

600

Apa (se dă pentru comparaţie)

H2OH-111O- 889

100 fierbe

Tabelul 64 (continuare)

12

Clasificarea şi structura lianţilor organiciClasa icircn funcţie de legă-

tura structu-

rală

Degajarea de substanţe organice

(de greut)

Produsele după disocierea completă

1100oC

Tendinţa de degajare a gazelor

Gaz mgmiddotatomg

Carbon mgmiddotatomg

Volum (la 1400oC) Vcm3g

Viteza relativă

W=VTmed

1 6 7 8 9 10

1

lt50062 0004 8500 3150064 0003 8800 326

lt30 0056 0005 7700 2025-8 0060 0048 8200 350

10-12 0065 0018 7600 252

1

1-2 0054 0 7400 4001 0058 0023 7900 3181 0056 0040 7700 220

1-10 - - 8000 300

2lt30 0055 0040 7500 180lt60 0026 0074 3600 72lt50 0039 0057 5350 114lt50 0042 0048 5800 116lt60 0040 0044 5500 110lt30 0037 0065 5100 102

3lt80 SiO2+C - - - -

- 0055 - 7600 7601polimeri heteroatomici şi cu lanţuri carbonice saturate 2polimeri cu lanţuri carbonice plane şi tridimensionale nesaturate 3combinaţii organo-metalice

La icircncălzire lianţii din clasa 1 se descompun prin volatilizare la temperaturi de 200 - 300oC procese icircnsoţite de creşterea temperaturii şi pierderea greutăţii (vezi curbele de variaţie a temperaturii şi greutăţii din fig 68 c d şi f) Pierderea de greutate poate ajunge pacircnă la 90 Vacircrfurile endoterme constatate la lianţi răşini uleo-aldehinice şi polivinilacetat se explică prin degajarea amoniacului şi a vaporilor de apă (icircn primul caz) şi a volatilizării grupelor acetilenice (icircn cazul al doilea) Cea mai mare parte din produsele cărbunoase posedă o structură poroasă şi se oxidează repede la icircncălzirea ulterioară a liantului

13

Fig 68 Variaţia temperaturii şi greutăţii icircnregistrate la icircncălzirea unor lianţi organici

a ndash răşină furanică b ndash răşină formaldehidică (bachelita pulbere) c ndash răşină d ndash nitrolac e ndash răşină ureo-formaldehidică f ndash polivinilacetat

Lianţii din clasa 2 la icircncălzire formează structuri -C-C noi tridimensionale ceea ce se reflectă pe curbele termice prin efecte exotermice la temperaturi de 200 ndash 400oC (fig 68 a b şi c) Cu creşterea temperaturii se formează compuşi carbonici cu tendinţă mare de oxidare (icircn cantitate de 50 din cea de liant) care se depun pe suprafaţă granulelor de cuarţ şi icircn porii formei

14

Schema proceselor de descompunere a lianţilor organici din clasa 1 şi 2 este următoarea

Lianţii din clasa 3 prezintă un proces de descompunere termică a radicalilor organici icircn intervalul de temperatură 300 ndash 500oC asiguracircnd icircnsă la temperaturi ridicate un liant de tip gel (structura oxidică) cu rezistenţă termică ridicată

La temperaturi ridicate ale formei (peste 1100oC cazul turnării oţelului) viteza de carbonizare este mai mare decacirct cea de degajare a volatilelor (fig 69) Rezultă o precipitare intensă de compuşi carbonici (cărbune lucios) Atomii de H şi de N din liant se degajă sub formă moleculară (H2 şi N2) iar O şi S sub formă de compuşi (CO şi SO2) Carbonul lucios se depune sub formă de pelicule pe granulele de cuarţ are o structură cristalină similară grafitului şi posedă o valoare ridicată a densităţii şi conductivităţii termice (ρ = 19 ndash 22 gcm3 λ pacircnă la 70 kcalmmiddothmiddotgrad faţă de ρ = 15 ndash 16 gcm3 λ = 08 ndash 2 kcalmhgrad pentru carbonul amorf) precum şi o rezistenţă de 3 - 5 ori mai mare la oxidare faţă de carbonul amorf

Lianţi organici-polimeri

Ruperea legăturilor intermoleculare

Formarea radicalilor cu multe

molecule (nevolatile)

Formarea radicalilor cu molecule puţine

(volatile)

Polimerizarea radicalilor cu formarea unor legături carbonice

carbonice noi

Deshidratarea cu precipitarea de compuşi solizi carbinici

Formarea şi degajarea de compuşi volatili icircn

zona de icircncălzire

15

Fig 69 Variaţia timpului icircn care se desfăşoară procesele de carbonizare şi volatilizare icircn zona de contact metal-formă icircn funcţie de temperatură

1 ndash carbonizare 2 ndash volatilizare

Temperatura de descompunere termică cu formare de carbon lucios depinde de natura liantului organic ea este mai mică pentru compuşii aromatici nesaturaţi şi cei furanici icircn comparaţie cu substanţele alifatice saturate (fig 610) Aşadar procesul de carbonizare nu depinde de cantitatea totală de gaze degajate la icircncălzire ci de conţinutul compuşilor cu structura nesaturată cu precădere aromatică Icircn condiţii de temperaturi ridicate aproape toţi lianţii degajă carbon lucios icircn proporţie apropiată de cea teoretică (fig 610)

Rezultă că formele cu răşini posedă o rezistenţă termică foarte scăzută icircn intervalul de temperatură 1200 - 1600oC Cu toate acestea icircn cazul folosirii lor la turnarea oţelului se constată o tendinţă mai mică de formare a excrescenţelor la suprafaţa pieselor turnate Explicaţia constă icircn aceea că prin descompunerea totală a lianţilor organici creşte substanţial volumul de pori ceea ce determină micşorarea dilatării (fig 66 a curba 3) şi a valorii tensiunilor (fig 66 b curba 2) icircn comparaţie cu formele din amestec cu argilă Ca urmare scade tendinţa de fisurare şi exfoliere Icircn amestecurile cu răşini se folosesc icircntăritori de tipul

16

acidului ortofosforic care la temperaturi ridicate conduce la formarea anhidridei fosforice P2O5 care nu se descompune ci joacă rol de liant

Fig 610 Dependenţa de formare a carbonului lucios icircn funcţie de temperatura suprafeţei de contact a formei

1 ndash răşină formaldehidică 2 ndash răşină fenolică 3 ndash fenantren 4 ndash răşină indencumaron 5 ndash antracen 6 ndash naftalină 7 ndash parafină 8 ndash stearină 9 ndash furfurol

Formele realizate din amestecuri pe bază de nisip cuarţos şi lianţi anorganici sintetici (silicat de sodiu ciment metalofosfaţi) sunt folosite pe scară largă la turnarea oţelului La icircncălzire icircn aceste forme au loc următoarele procese fizico-chimice mai importante

ndashdilatatrea granulelor de nisip cuarţos

17

ndashcontracţia peliculelor de liant datorită deshidratării şi datorită disocierii carbonaţilor rezultaţi la icircntărirea cu CO2

Curba rezultantă pentru amestecuri este de tipul celei prezentate icircn figura 611

a b

Fig 611 Curbele de dilatare şi contracţie a amestecurilor cu silicat

de sodiu icircn condiţiile icircncălzirii la diferite temperaturi

c

a ndash deformarea icircn condiţiile aplicării sarcinilor de 01 MPa (curba 1) şi de 04 MPa (curba 2) b ndash viteza de deformare la formele neuscate (curba 3) şi uscate (curba 4) c ndash dilatarea şi contracţia amestesurilor pe bază de cromomagnezită la 1350degC la presiuni de 01 MPa pentru fracţii de dimensiuni mari (curba 5) şi medii (curba 6) şi

fracţii mici (curba 7)

Rezultă că icircn final amestecurile se contractă similar amestecurilor cu argilă icircnsă icircntr-o mai mică măsură Odată cu mărirea presiunii metalostatice creşte dilatarea şi viteza de dilatare (fig 611 a şi b) Adaosurile de argilă micşorează dilatarea Ca urmare formele pe bază de silicat de sodiu prezintă o mare tendinţă de fisurare şi deci de formare a excrescenţelor metalice Procesul de deformare la aceste amestecuri este puternic influenţat de dimensiunile granulelor de nisip rezistenţa la deformare scade odată cu micşorarea fracţiilor mici (pulberi) (fig 611 c) ceea ce se explică prin creşterea volumului de

18

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 4: INTERACT MF cap6_19august.doc

Tabelul 61Influenţa coeficientului de acumulare a căldurii (bf) asupra duratei de

contact a oţelului lichid cu peretele fomei

Tipul nisipuluibf

Ws12m2oC

Durata de contact (icircn secunde ) pentru grosimi (icircn mm) ale pereţilor piesei de

50 150 300 600Cuarţos 1260 43 141 442 -Disten-silimanit 1470 34 115 306 972Zircon 1820 26 83 199 594Metil 1960 23 68 159 472Cromomagnezit

2100 19 58 142 391

Cromit 2240 9 25 57 135

Tabelul 62 Valorile coeficientului de acumulare a căldurii bf pentru unele amestecuri

de formare

Tipul amesteculuibf Ws12m2oC

(pentru 20 1550oC)Nisip cuarţos 14001750Idem + 20 pulbere de azbest 8401050Idem + 30 marsalită 21002450Nisip de cromomagnezită + silicat de sodiu 6 35003850Nisip de zirconiu + silicat de sodiu 6 26603500Nisip cuarţos + silicat de sodiu 6 2070Nisip cuarţos + silicat de sodiu 6 + făină de lemn 2 11701585

La icircncălzire nisipul cuarţos prezintă transformări structurale icircnsoţite de importante creşteri de volum

tridimit cristobalit (61)

O importanţă deosebită pentru forme o are trasformarea α SiO2

icircn β SiO2 la 575oC Aşadar nisipul cuarţos prezintă valori ridicate ale coeficientului de dilatare (α peste 250middot10-7oC) Celelalte tipuri de nisip posedă valori mult mai scăzute (astfel MgO-α = 140middot10-7oC ZrO2-α = 11010-7oC cuarţul amorf topit α = 54middot10-7oC) (v fig 63)

4

Fig 63 Curbele de dilatare ale granulelor de diferite nisipuri refractare 1 ndash cuarţit 2 ndash olivină 3 ndash cromit 4 ndash zircon 5 ndash cuarţ amorf

Impurităţile nisipurilor cuarţoase (oxizi de Fe Mn Si Ni P Co feldspaţi etc) favorizează transformarea cuarţului icircn cristobalit la una şi aceeaşi temperatură de icircncălzire a formei O influenţă similară o are prezenţa bentonitei argilei şi a adaosurilor carbonice Impurităţile se găsesc icircn nisip sub formă de particule cu dimensiunile de sub 100 μm Icircn consecinţă la turnarea oţelurilor icircn cavitatea tehnologică a formelor pe bază de nisip cuarţos se desfăşoară practic toate transformările fazice ale cuarţului icircnsoţite de mari creşteri de volum Formele cu lianţi anorganici naturali (argilă şi bentonită) avacircnd la bază caolinitul (Al2O32SiO22H2O) sau montorilonitul sunt folosite pe scară largă la producerea pieselor turnate din oţel Formele pot fi neuscate (crude) sau uscate Tensiunile icircn formele crude din amestecuri pe bază de nisip

5

cuarţos şi argile (bentonite) sunt provocate la icircncălzirea lor de următoarele procese

ndashdilatarea granulelor de cuarţndashcontracţia datorită deshidratării peliculelor de liant (argilă

bentonită) indicată de curbele termice (v fig 64) peliculele de liant au grosimi de pacircnă la 10 μm

Fig 64 Curbele termice diferenţiale ale diferitelor tipuri de materiale

refractare1 ndash caolinit 2 ndash pirofilit 3 ndash talc

4 ndash zircon

ndashşamotizarea (coalitizarea) peliculelor de liant de exemplu icircn cazul argilei au loc la icircncălzire transformările

ndashla 400-600oC

(62)

ndashla 900-1250oC

(63)

şi

(64)

6

şi

(65)

a b

Fig 65 Variaţia densităţii peliculei de argilă la diferite cicluri de refolosire şi a

conţinutului de umiditate icircn formele crude

a ndash densitatea peliculei de argilă b ndash zona de condensaţie datorită umidităţii formei

c ndash zona de condensaţie datorită vopselei

c

Aşadar la temperaturi ridicate ale pereţilor formelor (de peste 1250oC) argila se transformă treptat icircn silimonit mullit cuarţ liber şi alumină ceea ce reprezintă procesul de şamotizare icircnsoţit de micşorarea valorii densităţii peliculei la refolosirea argilei la mai mult

7

cicluri de fabricaţie (fig 65 a) evaporarea apei din straturile superficiale ale formei şi condensarea icircn zone mai icircndepărtate deci formarea zonei de condensare (fig 65 b şi c)

La folosirea repetată a amestecurilor cu argilă pe peliculele şamotizate de argilă se depun noi straturi proces care se numeşte colitizare Ca urmare la turnarea oţelului icircn cavitatea tehnologică a formelor crude au loc două procese distincte dilatarea granulelor de nisip cuarţos şi contracţia argilei şi bentonitei (fig 66 a şi b) procese care conduc la apariţia tensiunilor maxime la temperaturi de 575oC (formarea cuarţului α) şi 1250-1450 oC (formarea cristobalitei α) (fig 66 c)

a b

Fig 66 Procesul de dilatare şi contracţie icircnregistrate la amestecurile

pe bază de nisip cuarţos şi apariţia vacircrfurilor de tensiune maximă

1 ndash nisip cuarţos 2 ndash argilă 3 ndash forme cu amestecuri din argilă (rezultantă) 4 ndash formă din amestec cu răşină

c

La suprafaţa formelor (mai ales la semiformele superioare) şi ale miezurilor apar astfel de tensiuni de icircntindere (σ) iar icircn condiţiile icircn

8

care σ gt σt (σt ndash rezistenţa la icircntindere la temperaturi ridicare de peste 1250oC ale formei) apar fisuri şi exfolieri icircn cavităţile cărora penetrează oţelul lichid şi icircn acest mod apar surplusurile metalice de tip creastă (penetrarea icircn fisură) şi crustă (penetrarea icircn alveolele provocate de exfolieri) Aşadar factorii principali de influenţă asupra excrescenţelor (TFE) metalice sunt (icircn sensul creşterii valorii lor v tabelul 63)

Tabelul 63 Influenţa principalilor factori tehnologici privind natura formei asupra

tendinţei de formare a excrescenţelor (TFE) metaliceFactori tehnologici α d u tc Rt ε1

TFE + - + + - +

-coeficientul de acumulare a căldurii (bf) micşorează TFE icircntrucacirct se reduce temperatura de contact şi gradientul de temperatură pe secţiunea peretelui formei creşte stabilitatea termică a formei deci durata de contact a oţelului lichid cu forma este mai mică decacirct durata de stabilitate termică a formei solicitată termic şi mecanic gradul de rotunjire a granulelor de nisip măreşte TFE deoarece se micşorează volumul de pori din formă

ndashcoeficientul de dilatare a granulelor de nisip α măreşte TFE ndashcontracţia ε1 a peliculelor de liant măreşte TFEndashdimensiunile granulelor (d) de nisip micşorează TFE ca

urmare a volumului mai mare de pori şi deci a posibilităţii de micşorare a valorii tensiunilor prin redistribuirea şi deplasarea granulelor

ndashumiditatea pereţilor formei (u) icircn zona de condensaţie măreşte TFE ca urmare a micşorării rezistenţei la compresiune a peretelui formei σc de asemenea uscarea formelor micşorează TFE

ndashtemperatura de contact (tc) măreşte TFE ca urmare a intensificării proceselor de temperatură structurală a componentelor amestecului şi a creşterii gradientului de temperatură icircn peretele formei

ndashrezistenţa (Rt) micşorează TFEndashadaosurile organice ca de exemplu substanţele carbonice icircn

proporţie de 2 ndash 8 făina de lemn (micşorează TFE deoarece prin arderea lor determină creşterea volumului de pori)

ndashgradul de icircndesare a amestecului de formare (măreşte TFE datorită micşorării volumului de pori acest fapt se constată mai ales icircn cazul formelor obţinute din amestecuri icircndesate la presiuni ridicare)

9

ndashadaosurile de oxid de fier icircn proporţie de 2 ndash 4 (micşorează TFE datorită formării fazei lichide din sistemul FeOSiO2 care după solidificare creează un schelet rigid icircn jurul granulelor de nisip şi deci măreşte rezistenţa la cald (Rt)

ndashcantitatea de liant (micşorează TFE datorită creşterii rezistenţei la rupere adezivă şi coezivă şi deci a rezistenţei la temperatură (Rt)

Formele din sistemul cuarţos-argilă (bentonită) la icircnceput se dilată spre interiorul cavităţii (deformare pozitivă) dimensiunilor acestora se micşorează pentru ca după un oarecare timp sensul deformării să se schimbe icircn sensul creşterii dimensiunilor cavităţii (deformare negativă) (fig 67 a şi b)

Fig 67 Deformarea pereţilor formei crude (a) şi uscate (b) icircn cazul turnării oţelului cu 03 C

Deformarea şi deci dimensiunile umflăturilor la suprafaţa pieselor sunt cu atacirct mai pronunţate cu cacirct temperatura de contact (la interfaţă) umiditatea icircn amestec şi presiunea metalostatică sunt mai mari (fig 67)

Formele cu lianţi organici sintetici şi naturali pot fi icircmpărţite icircn trei clase icircn funcţie de natura lianţilor

ndashclasa 1 heteroatomice (O N) şi cu lanţuri carbonice saturate (de exemplu dextrina leşia sulfitică răşini ureo-aldehidice polivinilacetatul polivinilbutirolul etc) caracterizate printr-o stabilitate termică scazută (v tab 6 4)

ndashclasa 2 ndash cu lanţuri carbonice nesaturate şi cu proces de polimerizare cu structura carbonului tridimensională caracterizate prin

10

rezistenţă termică mare (de exemplu uleiul de in bachelita răşinile furanice tab 64) cu temperatura de icircnceput de distrugere la 542 ndash 600oC

ndashclasa 3 ndash combinaţii organo-metalice ale Si Ti Zr (de exemplu silicatul de etil tab 64) care prezintă o rezistenţă termică ridicată

Tabelul 64Clasificarea şi structura lianţilor organici

Clasa icircn funcţie de legătura structu-

rală

Grupa icircn funcţie de

natura chimică

Caracteristica structurii

Liantul tipic şi compoziţia lui

Temperatura medie de disociereTmed oC

1 2 3 4 5

1

Polizaharide (amidon dextrină melasă)

C6H10O4

Dextrină C-431H-59O-51

270

Melasa C-42 H-64 O-516

270

Lignosulfaţi (leşie sulfitică

C9H88O24(OCH3)096

(structura ligninei) grupele heterociclice şi aromatice-CHOH-CH2OH-O-CH3

-HSO3

Leşia alcoolosulfiţi ca C-415 H-53 O-472 S- 6

380

Răşini naturale (colofoniu şelac etc)

C19H29COOHColofoniu C-70 H- 10-12 H- 12-15

230-260 vaporizare

Răşini uleo-aldehidice (formaldehidă)

(-C-N-C-) şi (-C-O-C-)

Răşină formaldehidică (MF-17) C-39 H-6 N-30 O-25

300

11

Tabelul 64 (continuare)1 2 3 4 5

1

Nitro şi metilceluloze

-ONO2 -OCH3

Nitrolac C-286H-31 O-57N-113

185

Acetat de vinilH2C-CH-Nn

|O=C-CH3

Polivinilacetat C-557 H-7O- 373

250

Complecşi polivinilici

(-C-O-C-) şi (-C-C-)

Polivinilbutiral C-657 H-8 O-263

350

Polimeri organici (pe bază de alcool polivinilic polistiren etc)

- - 250-350

2

Gliceride ale acizilor nesaturaţi

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Ulei de in C-67H-8 O- 25

420

Răşini sintetice

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipicăC-916H-48 O- 25 S+N ndash 11

500

Răşini fenol formaldehidice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Bachelită pulbereC-80 H-6 O- 14

470

Răşini furanice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipică FF-SC-73 H-6O- 21

500

FA-SC-71 H-5O- 24

500

Răşini indencumaron

(-C-C-) şi (-C=C-)Răşina tipicăC-88H-68 O-50

450

3

Polimeri organici ai silicatului de etil şi ai altor substante cu Si Ti Zr

(-O-E(R)2+O-)X

UNDE E= Si Ti ZrR= radicalul alcoolului Peste 600oC liantul prezinta SiO2 TiO2 ZrO2

La organosilicic cu lanţ siloxanic (-O-Si-O) şi radicali aromatici

600

Apa (se dă pentru comparaţie)

H2OH-111O- 889

100 fierbe

Tabelul 64 (continuare)

12

Clasificarea şi structura lianţilor organiciClasa icircn funcţie de legă-

tura structu-

rală

Degajarea de substanţe organice

(de greut)

Produsele după disocierea completă

1100oC

Tendinţa de degajare a gazelor

Gaz mgmiddotatomg

Carbon mgmiddotatomg

Volum (la 1400oC) Vcm3g

Viteza relativă

W=VTmed

1 6 7 8 9 10

1

lt50062 0004 8500 3150064 0003 8800 326

lt30 0056 0005 7700 2025-8 0060 0048 8200 350

10-12 0065 0018 7600 252

1

1-2 0054 0 7400 4001 0058 0023 7900 3181 0056 0040 7700 220

1-10 - - 8000 300

2lt30 0055 0040 7500 180lt60 0026 0074 3600 72lt50 0039 0057 5350 114lt50 0042 0048 5800 116lt60 0040 0044 5500 110lt30 0037 0065 5100 102

3lt80 SiO2+C - - - -

- 0055 - 7600 7601polimeri heteroatomici şi cu lanţuri carbonice saturate 2polimeri cu lanţuri carbonice plane şi tridimensionale nesaturate 3combinaţii organo-metalice

La icircncălzire lianţii din clasa 1 se descompun prin volatilizare la temperaturi de 200 - 300oC procese icircnsoţite de creşterea temperaturii şi pierderea greutăţii (vezi curbele de variaţie a temperaturii şi greutăţii din fig 68 c d şi f) Pierderea de greutate poate ajunge pacircnă la 90 Vacircrfurile endoterme constatate la lianţi răşini uleo-aldehinice şi polivinilacetat se explică prin degajarea amoniacului şi a vaporilor de apă (icircn primul caz) şi a volatilizării grupelor acetilenice (icircn cazul al doilea) Cea mai mare parte din produsele cărbunoase posedă o structură poroasă şi se oxidează repede la icircncălzirea ulterioară a liantului

13

Fig 68 Variaţia temperaturii şi greutăţii icircnregistrate la icircncălzirea unor lianţi organici

a ndash răşină furanică b ndash răşină formaldehidică (bachelita pulbere) c ndash răşină d ndash nitrolac e ndash răşină ureo-formaldehidică f ndash polivinilacetat

Lianţii din clasa 2 la icircncălzire formează structuri -C-C noi tridimensionale ceea ce se reflectă pe curbele termice prin efecte exotermice la temperaturi de 200 ndash 400oC (fig 68 a b şi c) Cu creşterea temperaturii se formează compuşi carbonici cu tendinţă mare de oxidare (icircn cantitate de 50 din cea de liant) care se depun pe suprafaţă granulelor de cuarţ şi icircn porii formei

14

Schema proceselor de descompunere a lianţilor organici din clasa 1 şi 2 este următoarea

Lianţii din clasa 3 prezintă un proces de descompunere termică a radicalilor organici icircn intervalul de temperatură 300 ndash 500oC asiguracircnd icircnsă la temperaturi ridicate un liant de tip gel (structura oxidică) cu rezistenţă termică ridicată

La temperaturi ridicate ale formei (peste 1100oC cazul turnării oţelului) viteza de carbonizare este mai mare decacirct cea de degajare a volatilelor (fig 69) Rezultă o precipitare intensă de compuşi carbonici (cărbune lucios) Atomii de H şi de N din liant se degajă sub formă moleculară (H2 şi N2) iar O şi S sub formă de compuşi (CO şi SO2) Carbonul lucios se depune sub formă de pelicule pe granulele de cuarţ are o structură cristalină similară grafitului şi posedă o valoare ridicată a densităţii şi conductivităţii termice (ρ = 19 ndash 22 gcm3 λ pacircnă la 70 kcalmmiddothmiddotgrad faţă de ρ = 15 ndash 16 gcm3 λ = 08 ndash 2 kcalmhgrad pentru carbonul amorf) precum şi o rezistenţă de 3 - 5 ori mai mare la oxidare faţă de carbonul amorf

Lianţi organici-polimeri

Ruperea legăturilor intermoleculare

Formarea radicalilor cu multe

molecule (nevolatile)

Formarea radicalilor cu molecule puţine

(volatile)

Polimerizarea radicalilor cu formarea unor legături carbonice

carbonice noi

Deshidratarea cu precipitarea de compuşi solizi carbinici

Formarea şi degajarea de compuşi volatili icircn

zona de icircncălzire

15

Fig 69 Variaţia timpului icircn care se desfăşoară procesele de carbonizare şi volatilizare icircn zona de contact metal-formă icircn funcţie de temperatură

1 ndash carbonizare 2 ndash volatilizare

Temperatura de descompunere termică cu formare de carbon lucios depinde de natura liantului organic ea este mai mică pentru compuşii aromatici nesaturaţi şi cei furanici icircn comparaţie cu substanţele alifatice saturate (fig 610) Aşadar procesul de carbonizare nu depinde de cantitatea totală de gaze degajate la icircncălzire ci de conţinutul compuşilor cu structura nesaturată cu precădere aromatică Icircn condiţii de temperaturi ridicate aproape toţi lianţii degajă carbon lucios icircn proporţie apropiată de cea teoretică (fig 610)

Rezultă că formele cu răşini posedă o rezistenţă termică foarte scăzută icircn intervalul de temperatură 1200 - 1600oC Cu toate acestea icircn cazul folosirii lor la turnarea oţelului se constată o tendinţă mai mică de formare a excrescenţelor la suprafaţa pieselor turnate Explicaţia constă icircn aceea că prin descompunerea totală a lianţilor organici creşte substanţial volumul de pori ceea ce determină micşorarea dilatării (fig 66 a curba 3) şi a valorii tensiunilor (fig 66 b curba 2) icircn comparaţie cu formele din amestec cu argilă Ca urmare scade tendinţa de fisurare şi exfoliere Icircn amestecurile cu răşini se folosesc icircntăritori de tipul

16

acidului ortofosforic care la temperaturi ridicate conduce la formarea anhidridei fosforice P2O5 care nu se descompune ci joacă rol de liant

Fig 610 Dependenţa de formare a carbonului lucios icircn funcţie de temperatura suprafeţei de contact a formei

1 ndash răşină formaldehidică 2 ndash răşină fenolică 3 ndash fenantren 4 ndash răşină indencumaron 5 ndash antracen 6 ndash naftalină 7 ndash parafină 8 ndash stearină 9 ndash furfurol

Formele realizate din amestecuri pe bază de nisip cuarţos şi lianţi anorganici sintetici (silicat de sodiu ciment metalofosfaţi) sunt folosite pe scară largă la turnarea oţelului La icircncălzire icircn aceste forme au loc următoarele procese fizico-chimice mai importante

ndashdilatatrea granulelor de nisip cuarţos

17

ndashcontracţia peliculelor de liant datorită deshidratării şi datorită disocierii carbonaţilor rezultaţi la icircntărirea cu CO2

Curba rezultantă pentru amestecuri este de tipul celei prezentate icircn figura 611

a b

Fig 611 Curbele de dilatare şi contracţie a amestecurilor cu silicat

de sodiu icircn condiţiile icircncălzirii la diferite temperaturi

c

a ndash deformarea icircn condiţiile aplicării sarcinilor de 01 MPa (curba 1) şi de 04 MPa (curba 2) b ndash viteza de deformare la formele neuscate (curba 3) şi uscate (curba 4) c ndash dilatarea şi contracţia amestesurilor pe bază de cromomagnezită la 1350degC la presiuni de 01 MPa pentru fracţii de dimensiuni mari (curba 5) şi medii (curba 6) şi

fracţii mici (curba 7)

Rezultă că icircn final amestecurile se contractă similar amestecurilor cu argilă icircnsă icircntr-o mai mică măsură Odată cu mărirea presiunii metalostatice creşte dilatarea şi viteza de dilatare (fig 611 a şi b) Adaosurile de argilă micşorează dilatarea Ca urmare formele pe bază de silicat de sodiu prezintă o mare tendinţă de fisurare şi deci de formare a excrescenţelor metalice Procesul de deformare la aceste amestecuri este puternic influenţat de dimensiunile granulelor de nisip rezistenţa la deformare scade odată cu micşorarea fracţiilor mici (pulberi) (fig 611 c) ceea ce se explică prin creşterea volumului de

18

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 5: INTERACT MF cap6_19august.doc

Fig 63 Curbele de dilatare ale granulelor de diferite nisipuri refractare 1 ndash cuarţit 2 ndash olivină 3 ndash cromit 4 ndash zircon 5 ndash cuarţ amorf

Impurităţile nisipurilor cuarţoase (oxizi de Fe Mn Si Ni P Co feldspaţi etc) favorizează transformarea cuarţului icircn cristobalit la una şi aceeaşi temperatură de icircncălzire a formei O influenţă similară o are prezenţa bentonitei argilei şi a adaosurilor carbonice Impurităţile se găsesc icircn nisip sub formă de particule cu dimensiunile de sub 100 μm Icircn consecinţă la turnarea oţelurilor icircn cavitatea tehnologică a formelor pe bază de nisip cuarţos se desfăşoară practic toate transformările fazice ale cuarţului icircnsoţite de mari creşteri de volum Formele cu lianţi anorganici naturali (argilă şi bentonită) avacircnd la bază caolinitul (Al2O32SiO22H2O) sau montorilonitul sunt folosite pe scară largă la producerea pieselor turnate din oţel Formele pot fi neuscate (crude) sau uscate Tensiunile icircn formele crude din amestecuri pe bază de nisip

5

cuarţos şi argile (bentonite) sunt provocate la icircncălzirea lor de următoarele procese

ndashdilatarea granulelor de cuarţndashcontracţia datorită deshidratării peliculelor de liant (argilă

bentonită) indicată de curbele termice (v fig 64) peliculele de liant au grosimi de pacircnă la 10 μm

Fig 64 Curbele termice diferenţiale ale diferitelor tipuri de materiale

refractare1 ndash caolinit 2 ndash pirofilit 3 ndash talc

4 ndash zircon

ndashşamotizarea (coalitizarea) peliculelor de liant de exemplu icircn cazul argilei au loc la icircncălzire transformările

ndashla 400-600oC

(62)

ndashla 900-1250oC

(63)

şi

(64)

6

şi

(65)

a b

Fig 65 Variaţia densităţii peliculei de argilă la diferite cicluri de refolosire şi a

conţinutului de umiditate icircn formele crude

a ndash densitatea peliculei de argilă b ndash zona de condensaţie datorită umidităţii formei

c ndash zona de condensaţie datorită vopselei

c

Aşadar la temperaturi ridicate ale pereţilor formelor (de peste 1250oC) argila se transformă treptat icircn silimonit mullit cuarţ liber şi alumină ceea ce reprezintă procesul de şamotizare icircnsoţit de micşorarea valorii densităţii peliculei la refolosirea argilei la mai mult

7

cicluri de fabricaţie (fig 65 a) evaporarea apei din straturile superficiale ale formei şi condensarea icircn zone mai icircndepărtate deci formarea zonei de condensare (fig 65 b şi c)

La folosirea repetată a amestecurilor cu argilă pe peliculele şamotizate de argilă se depun noi straturi proces care se numeşte colitizare Ca urmare la turnarea oţelului icircn cavitatea tehnologică a formelor crude au loc două procese distincte dilatarea granulelor de nisip cuarţos şi contracţia argilei şi bentonitei (fig 66 a şi b) procese care conduc la apariţia tensiunilor maxime la temperaturi de 575oC (formarea cuarţului α) şi 1250-1450 oC (formarea cristobalitei α) (fig 66 c)

a b

Fig 66 Procesul de dilatare şi contracţie icircnregistrate la amestecurile

pe bază de nisip cuarţos şi apariţia vacircrfurilor de tensiune maximă

1 ndash nisip cuarţos 2 ndash argilă 3 ndash forme cu amestecuri din argilă (rezultantă) 4 ndash formă din amestec cu răşină

c

La suprafaţa formelor (mai ales la semiformele superioare) şi ale miezurilor apar astfel de tensiuni de icircntindere (σ) iar icircn condiţiile icircn

8

care σ gt σt (σt ndash rezistenţa la icircntindere la temperaturi ridicare de peste 1250oC ale formei) apar fisuri şi exfolieri icircn cavităţile cărora penetrează oţelul lichid şi icircn acest mod apar surplusurile metalice de tip creastă (penetrarea icircn fisură) şi crustă (penetrarea icircn alveolele provocate de exfolieri) Aşadar factorii principali de influenţă asupra excrescenţelor (TFE) metalice sunt (icircn sensul creşterii valorii lor v tabelul 63)

Tabelul 63 Influenţa principalilor factori tehnologici privind natura formei asupra

tendinţei de formare a excrescenţelor (TFE) metaliceFactori tehnologici α d u tc Rt ε1

TFE + - + + - +

-coeficientul de acumulare a căldurii (bf) micşorează TFE icircntrucacirct se reduce temperatura de contact şi gradientul de temperatură pe secţiunea peretelui formei creşte stabilitatea termică a formei deci durata de contact a oţelului lichid cu forma este mai mică decacirct durata de stabilitate termică a formei solicitată termic şi mecanic gradul de rotunjire a granulelor de nisip măreşte TFE deoarece se micşorează volumul de pori din formă

ndashcoeficientul de dilatare a granulelor de nisip α măreşte TFE ndashcontracţia ε1 a peliculelor de liant măreşte TFEndashdimensiunile granulelor (d) de nisip micşorează TFE ca

urmare a volumului mai mare de pori şi deci a posibilităţii de micşorare a valorii tensiunilor prin redistribuirea şi deplasarea granulelor

ndashumiditatea pereţilor formei (u) icircn zona de condensaţie măreşte TFE ca urmare a micşorării rezistenţei la compresiune a peretelui formei σc de asemenea uscarea formelor micşorează TFE

ndashtemperatura de contact (tc) măreşte TFE ca urmare a intensificării proceselor de temperatură structurală a componentelor amestecului şi a creşterii gradientului de temperatură icircn peretele formei

ndashrezistenţa (Rt) micşorează TFEndashadaosurile organice ca de exemplu substanţele carbonice icircn

proporţie de 2 ndash 8 făina de lemn (micşorează TFE deoarece prin arderea lor determină creşterea volumului de pori)

ndashgradul de icircndesare a amestecului de formare (măreşte TFE datorită micşorării volumului de pori acest fapt se constată mai ales icircn cazul formelor obţinute din amestecuri icircndesate la presiuni ridicare)

9

ndashadaosurile de oxid de fier icircn proporţie de 2 ndash 4 (micşorează TFE datorită formării fazei lichide din sistemul FeOSiO2 care după solidificare creează un schelet rigid icircn jurul granulelor de nisip şi deci măreşte rezistenţa la cald (Rt)

ndashcantitatea de liant (micşorează TFE datorită creşterii rezistenţei la rupere adezivă şi coezivă şi deci a rezistenţei la temperatură (Rt)

Formele din sistemul cuarţos-argilă (bentonită) la icircnceput se dilată spre interiorul cavităţii (deformare pozitivă) dimensiunilor acestora se micşorează pentru ca după un oarecare timp sensul deformării să se schimbe icircn sensul creşterii dimensiunilor cavităţii (deformare negativă) (fig 67 a şi b)

Fig 67 Deformarea pereţilor formei crude (a) şi uscate (b) icircn cazul turnării oţelului cu 03 C

Deformarea şi deci dimensiunile umflăturilor la suprafaţa pieselor sunt cu atacirct mai pronunţate cu cacirct temperatura de contact (la interfaţă) umiditatea icircn amestec şi presiunea metalostatică sunt mai mari (fig 67)

Formele cu lianţi organici sintetici şi naturali pot fi icircmpărţite icircn trei clase icircn funcţie de natura lianţilor

ndashclasa 1 heteroatomice (O N) şi cu lanţuri carbonice saturate (de exemplu dextrina leşia sulfitică răşini ureo-aldehidice polivinilacetatul polivinilbutirolul etc) caracterizate printr-o stabilitate termică scazută (v tab 6 4)

ndashclasa 2 ndash cu lanţuri carbonice nesaturate şi cu proces de polimerizare cu structura carbonului tridimensională caracterizate prin

10

rezistenţă termică mare (de exemplu uleiul de in bachelita răşinile furanice tab 64) cu temperatura de icircnceput de distrugere la 542 ndash 600oC

ndashclasa 3 ndash combinaţii organo-metalice ale Si Ti Zr (de exemplu silicatul de etil tab 64) care prezintă o rezistenţă termică ridicată

Tabelul 64Clasificarea şi structura lianţilor organici

Clasa icircn funcţie de legătura structu-

rală

Grupa icircn funcţie de

natura chimică

Caracteristica structurii

Liantul tipic şi compoziţia lui

Temperatura medie de disociereTmed oC

1 2 3 4 5

1

Polizaharide (amidon dextrină melasă)

C6H10O4

Dextrină C-431H-59O-51

270

Melasa C-42 H-64 O-516

270

Lignosulfaţi (leşie sulfitică

C9H88O24(OCH3)096

(structura ligninei) grupele heterociclice şi aromatice-CHOH-CH2OH-O-CH3

-HSO3

Leşia alcoolosulfiţi ca C-415 H-53 O-472 S- 6

380

Răşini naturale (colofoniu şelac etc)

C19H29COOHColofoniu C-70 H- 10-12 H- 12-15

230-260 vaporizare

Răşini uleo-aldehidice (formaldehidă)

(-C-N-C-) şi (-C-O-C-)

Răşină formaldehidică (MF-17) C-39 H-6 N-30 O-25

300

11

Tabelul 64 (continuare)1 2 3 4 5

1

Nitro şi metilceluloze

-ONO2 -OCH3

Nitrolac C-286H-31 O-57N-113

185

Acetat de vinilH2C-CH-Nn

|O=C-CH3

Polivinilacetat C-557 H-7O- 373

250

Complecşi polivinilici

(-C-O-C-) şi (-C-C-)

Polivinilbutiral C-657 H-8 O-263

350

Polimeri organici (pe bază de alcool polivinilic polistiren etc)

- - 250-350

2

Gliceride ale acizilor nesaturaţi

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Ulei de in C-67H-8 O- 25

420

Răşini sintetice

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipicăC-916H-48 O- 25 S+N ndash 11

500

Răşini fenol formaldehidice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Bachelită pulbereC-80 H-6 O- 14

470

Răşini furanice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipică FF-SC-73 H-6O- 21

500

FA-SC-71 H-5O- 24

500

Răşini indencumaron

(-C-C-) şi (-C=C-)Răşina tipicăC-88H-68 O-50

450

3

Polimeri organici ai silicatului de etil şi ai altor substante cu Si Ti Zr

(-O-E(R)2+O-)X

UNDE E= Si Ti ZrR= radicalul alcoolului Peste 600oC liantul prezinta SiO2 TiO2 ZrO2

La organosilicic cu lanţ siloxanic (-O-Si-O) şi radicali aromatici

600

Apa (se dă pentru comparaţie)

H2OH-111O- 889

100 fierbe

Tabelul 64 (continuare)

12

Clasificarea şi structura lianţilor organiciClasa icircn funcţie de legă-

tura structu-

rală

Degajarea de substanţe organice

(de greut)

Produsele după disocierea completă

1100oC

Tendinţa de degajare a gazelor

Gaz mgmiddotatomg

Carbon mgmiddotatomg

Volum (la 1400oC) Vcm3g

Viteza relativă

W=VTmed

1 6 7 8 9 10

1

lt50062 0004 8500 3150064 0003 8800 326

lt30 0056 0005 7700 2025-8 0060 0048 8200 350

10-12 0065 0018 7600 252

1

1-2 0054 0 7400 4001 0058 0023 7900 3181 0056 0040 7700 220

1-10 - - 8000 300

2lt30 0055 0040 7500 180lt60 0026 0074 3600 72lt50 0039 0057 5350 114lt50 0042 0048 5800 116lt60 0040 0044 5500 110lt30 0037 0065 5100 102

3lt80 SiO2+C - - - -

- 0055 - 7600 7601polimeri heteroatomici şi cu lanţuri carbonice saturate 2polimeri cu lanţuri carbonice plane şi tridimensionale nesaturate 3combinaţii organo-metalice

La icircncălzire lianţii din clasa 1 se descompun prin volatilizare la temperaturi de 200 - 300oC procese icircnsoţite de creşterea temperaturii şi pierderea greutăţii (vezi curbele de variaţie a temperaturii şi greutăţii din fig 68 c d şi f) Pierderea de greutate poate ajunge pacircnă la 90 Vacircrfurile endoterme constatate la lianţi răşini uleo-aldehinice şi polivinilacetat se explică prin degajarea amoniacului şi a vaporilor de apă (icircn primul caz) şi a volatilizării grupelor acetilenice (icircn cazul al doilea) Cea mai mare parte din produsele cărbunoase posedă o structură poroasă şi se oxidează repede la icircncălzirea ulterioară a liantului

13

Fig 68 Variaţia temperaturii şi greutăţii icircnregistrate la icircncălzirea unor lianţi organici

a ndash răşină furanică b ndash răşină formaldehidică (bachelita pulbere) c ndash răşină d ndash nitrolac e ndash răşină ureo-formaldehidică f ndash polivinilacetat

Lianţii din clasa 2 la icircncălzire formează structuri -C-C noi tridimensionale ceea ce se reflectă pe curbele termice prin efecte exotermice la temperaturi de 200 ndash 400oC (fig 68 a b şi c) Cu creşterea temperaturii se formează compuşi carbonici cu tendinţă mare de oxidare (icircn cantitate de 50 din cea de liant) care se depun pe suprafaţă granulelor de cuarţ şi icircn porii formei

14

Schema proceselor de descompunere a lianţilor organici din clasa 1 şi 2 este următoarea

Lianţii din clasa 3 prezintă un proces de descompunere termică a radicalilor organici icircn intervalul de temperatură 300 ndash 500oC asiguracircnd icircnsă la temperaturi ridicate un liant de tip gel (structura oxidică) cu rezistenţă termică ridicată

La temperaturi ridicate ale formei (peste 1100oC cazul turnării oţelului) viteza de carbonizare este mai mare decacirct cea de degajare a volatilelor (fig 69) Rezultă o precipitare intensă de compuşi carbonici (cărbune lucios) Atomii de H şi de N din liant se degajă sub formă moleculară (H2 şi N2) iar O şi S sub formă de compuşi (CO şi SO2) Carbonul lucios se depune sub formă de pelicule pe granulele de cuarţ are o structură cristalină similară grafitului şi posedă o valoare ridicată a densităţii şi conductivităţii termice (ρ = 19 ndash 22 gcm3 λ pacircnă la 70 kcalmmiddothmiddotgrad faţă de ρ = 15 ndash 16 gcm3 λ = 08 ndash 2 kcalmhgrad pentru carbonul amorf) precum şi o rezistenţă de 3 - 5 ori mai mare la oxidare faţă de carbonul amorf

Lianţi organici-polimeri

Ruperea legăturilor intermoleculare

Formarea radicalilor cu multe

molecule (nevolatile)

Formarea radicalilor cu molecule puţine

(volatile)

Polimerizarea radicalilor cu formarea unor legături carbonice

carbonice noi

Deshidratarea cu precipitarea de compuşi solizi carbinici

Formarea şi degajarea de compuşi volatili icircn

zona de icircncălzire

15

Fig 69 Variaţia timpului icircn care se desfăşoară procesele de carbonizare şi volatilizare icircn zona de contact metal-formă icircn funcţie de temperatură

1 ndash carbonizare 2 ndash volatilizare

Temperatura de descompunere termică cu formare de carbon lucios depinde de natura liantului organic ea este mai mică pentru compuşii aromatici nesaturaţi şi cei furanici icircn comparaţie cu substanţele alifatice saturate (fig 610) Aşadar procesul de carbonizare nu depinde de cantitatea totală de gaze degajate la icircncălzire ci de conţinutul compuşilor cu structura nesaturată cu precădere aromatică Icircn condiţii de temperaturi ridicate aproape toţi lianţii degajă carbon lucios icircn proporţie apropiată de cea teoretică (fig 610)

Rezultă că formele cu răşini posedă o rezistenţă termică foarte scăzută icircn intervalul de temperatură 1200 - 1600oC Cu toate acestea icircn cazul folosirii lor la turnarea oţelului se constată o tendinţă mai mică de formare a excrescenţelor la suprafaţa pieselor turnate Explicaţia constă icircn aceea că prin descompunerea totală a lianţilor organici creşte substanţial volumul de pori ceea ce determină micşorarea dilatării (fig 66 a curba 3) şi a valorii tensiunilor (fig 66 b curba 2) icircn comparaţie cu formele din amestec cu argilă Ca urmare scade tendinţa de fisurare şi exfoliere Icircn amestecurile cu răşini se folosesc icircntăritori de tipul

16

acidului ortofosforic care la temperaturi ridicate conduce la formarea anhidridei fosforice P2O5 care nu se descompune ci joacă rol de liant

Fig 610 Dependenţa de formare a carbonului lucios icircn funcţie de temperatura suprafeţei de contact a formei

1 ndash răşină formaldehidică 2 ndash răşină fenolică 3 ndash fenantren 4 ndash răşină indencumaron 5 ndash antracen 6 ndash naftalină 7 ndash parafină 8 ndash stearină 9 ndash furfurol

Formele realizate din amestecuri pe bază de nisip cuarţos şi lianţi anorganici sintetici (silicat de sodiu ciment metalofosfaţi) sunt folosite pe scară largă la turnarea oţelului La icircncălzire icircn aceste forme au loc următoarele procese fizico-chimice mai importante

ndashdilatatrea granulelor de nisip cuarţos

17

ndashcontracţia peliculelor de liant datorită deshidratării şi datorită disocierii carbonaţilor rezultaţi la icircntărirea cu CO2

Curba rezultantă pentru amestecuri este de tipul celei prezentate icircn figura 611

a b

Fig 611 Curbele de dilatare şi contracţie a amestecurilor cu silicat

de sodiu icircn condiţiile icircncălzirii la diferite temperaturi

c

a ndash deformarea icircn condiţiile aplicării sarcinilor de 01 MPa (curba 1) şi de 04 MPa (curba 2) b ndash viteza de deformare la formele neuscate (curba 3) şi uscate (curba 4) c ndash dilatarea şi contracţia amestesurilor pe bază de cromomagnezită la 1350degC la presiuni de 01 MPa pentru fracţii de dimensiuni mari (curba 5) şi medii (curba 6) şi

fracţii mici (curba 7)

Rezultă că icircn final amestecurile se contractă similar amestecurilor cu argilă icircnsă icircntr-o mai mică măsură Odată cu mărirea presiunii metalostatice creşte dilatarea şi viteza de dilatare (fig 611 a şi b) Adaosurile de argilă micşorează dilatarea Ca urmare formele pe bază de silicat de sodiu prezintă o mare tendinţă de fisurare şi deci de formare a excrescenţelor metalice Procesul de deformare la aceste amestecuri este puternic influenţat de dimensiunile granulelor de nisip rezistenţa la deformare scade odată cu micşorarea fracţiilor mici (pulberi) (fig 611 c) ceea ce se explică prin creşterea volumului de

18

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 6: INTERACT MF cap6_19august.doc

cuarţos şi argile (bentonite) sunt provocate la icircncălzirea lor de următoarele procese

ndashdilatarea granulelor de cuarţndashcontracţia datorită deshidratării peliculelor de liant (argilă

bentonită) indicată de curbele termice (v fig 64) peliculele de liant au grosimi de pacircnă la 10 μm

Fig 64 Curbele termice diferenţiale ale diferitelor tipuri de materiale

refractare1 ndash caolinit 2 ndash pirofilit 3 ndash talc

4 ndash zircon

ndashşamotizarea (coalitizarea) peliculelor de liant de exemplu icircn cazul argilei au loc la icircncălzire transformările

ndashla 400-600oC

(62)

ndashla 900-1250oC

(63)

şi

(64)

6

şi

(65)

a b

Fig 65 Variaţia densităţii peliculei de argilă la diferite cicluri de refolosire şi a

conţinutului de umiditate icircn formele crude

a ndash densitatea peliculei de argilă b ndash zona de condensaţie datorită umidităţii formei

c ndash zona de condensaţie datorită vopselei

c

Aşadar la temperaturi ridicate ale pereţilor formelor (de peste 1250oC) argila se transformă treptat icircn silimonit mullit cuarţ liber şi alumină ceea ce reprezintă procesul de şamotizare icircnsoţit de micşorarea valorii densităţii peliculei la refolosirea argilei la mai mult

7

cicluri de fabricaţie (fig 65 a) evaporarea apei din straturile superficiale ale formei şi condensarea icircn zone mai icircndepărtate deci formarea zonei de condensare (fig 65 b şi c)

La folosirea repetată a amestecurilor cu argilă pe peliculele şamotizate de argilă se depun noi straturi proces care se numeşte colitizare Ca urmare la turnarea oţelului icircn cavitatea tehnologică a formelor crude au loc două procese distincte dilatarea granulelor de nisip cuarţos şi contracţia argilei şi bentonitei (fig 66 a şi b) procese care conduc la apariţia tensiunilor maxime la temperaturi de 575oC (formarea cuarţului α) şi 1250-1450 oC (formarea cristobalitei α) (fig 66 c)

a b

Fig 66 Procesul de dilatare şi contracţie icircnregistrate la amestecurile

pe bază de nisip cuarţos şi apariţia vacircrfurilor de tensiune maximă

1 ndash nisip cuarţos 2 ndash argilă 3 ndash forme cu amestecuri din argilă (rezultantă) 4 ndash formă din amestec cu răşină

c

La suprafaţa formelor (mai ales la semiformele superioare) şi ale miezurilor apar astfel de tensiuni de icircntindere (σ) iar icircn condiţiile icircn

8

care σ gt σt (σt ndash rezistenţa la icircntindere la temperaturi ridicare de peste 1250oC ale formei) apar fisuri şi exfolieri icircn cavităţile cărora penetrează oţelul lichid şi icircn acest mod apar surplusurile metalice de tip creastă (penetrarea icircn fisură) şi crustă (penetrarea icircn alveolele provocate de exfolieri) Aşadar factorii principali de influenţă asupra excrescenţelor (TFE) metalice sunt (icircn sensul creşterii valorii lor v tabelul 63)

Tabelul 63 Influenţa principalilor factori tehnologici privind natura formei asupra

tendinţei de formare a excrescenţelor (TFE) metaliceFactori tehnologici α d u tc Rt ε1

TFE + - + + - +

-coeficientul de acumulare a căldurii (bf) micşorează TFE icircntrucacirct se reduce temperatura de contact şi gradientul de temperatură pe secţiunea peretelui formei creşte stabilitatea termică a formei deci durata de contact a oţelului lichid cu forma este mai mică decacirct durata de stabilitate termică a formei solicitată termic şi mecanic gradul de rotunjire a granulelor de nisip măreşte TFE deoarece se micşorează volumul de pori din formă

ndashcoeficientul de dilatare a granulelor de nisip α măreşte TFE ndashcontracţia ε1 a peliculelor de liant măreşte TFEndashdimensiunile granulelor (d) de nisip micşorează TFE ca

urmare a volumului mai mare de pori şi deci a posibilităţii de micşorare a valorii tensiunilor prin redistribuirea şi deplasarea granulelor

ndashumiditatea pereţilor formei (u) icircn zona de condensaţie măreşte TFE ca urmare a micşorării rezistenţei la compresiune a peretelui formei σc de asemenea uscarea formelor micşorează TFE

ndashtemperatura de contact (tc) măreşte TFE ca urmare a intensificării proceselor de temperatură structurală a componentelor amestecului şi a creşterii gradientului de temperatură icircn peretele formei

ndashrezistenţa (Rt) micşorează TFEndashadaosurile organice ca de exemplu substanţele carbonice icircn

proporţie de 2 ndash 8 făina de lemn (micşorează TFE deoarece prin arderea lor determină creşterea volumului de pori)

ndashgradul de icircndesare a amestecului de formare (măreşte TFE datorită micşorării volumului de pori acest fapt se constată mai ales icircn cazul formelor obţinute din amestecuri icircndesate la presiuni ridicare)

9

ndashadaosurile de oxid de fier icircn proporţie de 2 ndash 4 (micşorează TFE datorită formării fazei lichide din sistemul FeOSiO2 care după solidificare creează un schelet rigid icircn jurul granulelor de nisip şi deci măreşte rezistenţa la cald (Rt)

ndashcantitatea de liant (micşorează TFE datorită creşterii rezistenţei la rupere adezivă şi coezivă şi deci a rezistenţei la temperatură (Rt)

Formele din sistemul cuarţos-argilă (bentonită) la icircnceput se dilată spre interiorul cavităţii (deformare pozitivă) dimensiunilor acestora se micşorează pentru ca după un oarecare timp sensul deformării să se schimbe icircn sensul creşterii dimensiunilor cavităţii (deformare negativă) (fig 67 a şi b)

Fig 67 Deformarea pereţilor formei crude (a) şi uscate (b) icircn cazul turnării oţelului cu 03 C

Deformarea şi deci dimensiunile umflăturilor la suprafaţa pieselor sunt cu atacirct mai pronunţate cu cacirct temperatura de contact (la interfaţă) umiditatea icircn amestec şi presiunea metalostatică sunt mai mari (fig 67)

Formele cu lianţi organici sintetici şi naturali pot fi icircmpărţite icircn trei clase icircn funcţie de natura lianţilor

ndashclasa 1 heteroatomice (O N) şi cu lanţuri carbonice saturate (de exemplu dextrina leşia sulfitică răşini ureo-aldehidice polivinilacetatul polivinilbutirolul etc) caracterizate printr-o stabilitate termică scazută (v tab 6 4)

ndashclasa 2 ndash cu lanţuri carbonice nesaturate şi cu proces de polimerizare cu structura carbonului tridimensională caracterizate prin

10

rezistenţă termică mare (de exemplu uleiul de in bachelita răşinile furanice tab 64) cu temperatura de icircnceput de distrugere la 542 ndash 600oC

ndashclasa 3 ndash combinaţii organo-metalice ale Si Ti Zr (de exemplu silicatul de etil tab 64) care prezintă o rezistenţă termică ridicată

Tabelul 64Clasificarea şi structura lianţilor organici

Clasa icircn funcţie de legătura structu-

rală

Grupa icircn funcţie de

natura chimică

Caracteristica structurii

Liantul tipic şi compoziţia lui

Temperatura medie de disociereTmed oC

1 2 3 4 5

1

Polizaharide (amidon dextrină melasă)

C6H10O4

Dextrină C-431H-59O-51

270

Melasa C-42 H-64 O-516

270

Lignosulfaţi (leşie sulfitică

C9H88O24(OCH3)096

(structura ligninei) grupele heterociclice şi aromatice-CHOH-CH2OH-O-CH3

-HSO3

Leşia alcoolosulfiţi ca C-415 H-53 O-472 S- 6

380

Răşini naturale (colofoniu şelac etc)

C19H29COOHColofoniu C-70 H- 10-12 H- 12-15

230-260 vaporizare

Răşini uleo-aldehidice (formaldehidă)

(-C-N-C-) şi (-C-O-C-)

Răşină formaldehidică (MF-17) C-39 H-6 N-30 O-25

300

11

Tabelul 64 (continuare)1 2 3 4 5

1

Nitro şi metilceluloze

-ONO2 -OCH3

Nitrolac C-286H-31 O-57N-113

185

Acetat de vinilH2C-CH-Nn

|O=C-CH3

Polivinilacetat C-557 H-7O- 373

250

Complecşi polivinilici

(-C-O-C-) şi (-C-C-)

Polivinilbutiral C-657 H-8 O-263

350

Polimeri organici (pe bază de alcool polivinilic polistiren etc)

- - 250-350

2

Gliceride ale acizilor nesaturaţi

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Ulei de in C-67H-8 O- 25

420

Răşini sintetice

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipicăC-916H-48 O- 25 S+N ndash 11

500

Răşini fenol formaldehidice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Bachelită pulbereC-80 H-6 O- 14

470

Răşini furanice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipică FF-SC-73 H-6O- 21

500

FA-SC-71 H-5O- 24

500

Răşini indencumaron

(-C-C-) şi (-C=C-)Răşina tipicăC-88H-68 O-50

450

3

Polimeri organici ai silicatului de etil şi ai altor substante cu Si Ti Zr

(-O-E(R)2+O-)X

UNDE E= Si Ti ZrR= radicalul alcoolului Peste 600oC liantul prezinta SiO2 TiO2 ZrO2

La organosilicic cu lanţ siloxanic (-O-Si-O) şi radicali aromatici

600

Apa (se dă pentru comparaţie)

H2OH-111O- 889

100 fierbe

Tabelul 64 (continuare)

12

Clasificarea şi structura lianţilor organiciClasa icircn funcţie de legă-

tura structu-

rală

Degajarea de substanţe organice

(de greut)

Produsele după disocierea completă

1100oC

Tendinţa de degajare a gazelor

Gaz mgmiddotatomg

Carbon mgmiddotatomg

Volum (la 1400oC) Vcm3g

Viteza relativă

W=VTmed

1 6 7 8 9 10

1

lt50062 0004 8500 3150064 0003 8800 326

lt30 0056 0005 7700 2025-8 0060 0048 8200 350

10-12 0065 0018 7600 252

1

1-2 0054 0 7400 4001 0058 0023 7900 3181 0056 0040 7700 220

1-10 - - 8000 300

2lt30 0055 0040 7500 180lt60 0026 0074 3600 72lt50 0039 0057 5350 114lt50 0042 0048 5800 116lt60 0040 0044 5500 110lt30 0037 0065 5100 102

3lt80 SiO2+C - - - -

- 0055 - 7600 7601polimeri heteroatomici şi cu lanţuri carbonice saturate 2polimeri cu lanţuri carbonice plane şi tridimensionale nesaturate 3combinaţii organo-metalice

La icircncălzire lianţii din clasa 1 se descompun prin volatilizare la temperaturi de 200 - 300oC procese icircnsoţite de creşterea temperaturii şi pierderea greutăţii (vezi curbele de variaţie a temperaturii şi greutăţii din fig 68 c d şi f) Pierderea de greutate poate ajunge pacircnă la 90 Vacircrfurile endoterme constatate la lianţi răşini uleo-aldehinice şi polivinilacetat se explică prin degajarea amoniacului şi a vaporilor de apă (icircn primul caz) şi a volatilizării grupelor acetilenice (icircn cazul al doilea) Cea mai mare parte din produsele cărbunoase posedă o structură poroasă şi se oxidează repede la icircncălzirea ulterioară a liantului

13

Fig 68 Variaţia temperaturii şi greutăţii icircnregistrate la icircncălzirea unor lianţi organici

a ndash răşină furanică b ndash răşină formaldehidică (bachelita pulbere) c ndash răşină d ndash nitrolac e ndash răşină ureo-formaldehidică f ndash polivinilacetat

Lianţii din clasa 2 la icircncălzire formează structuri -C-C noi tridimensionale ceea ce se reflectă pe curbele termice prin efecte exotermice la temperaturi de 200 ndash 400oC (fig 68 a b şi c) Cu creşterea temperaturii se formează compuşi carbonici cu tendinţă mare de oxidare (icircn cantitate de 50 din cea de liant) care se depun pe suprafaţă granulelor de cuarţ şi icircn porii formei

14

Schema proceselor de descompunere a lianţilor organici din clasa 1 şi 2 este următoarea

Lianţii din clasa 3 prezintă un proces de descompunere termică a radicalilor organici icircn intervalul de temperatură 300 ndash 500oC asiguracircnd icircnsă la temperaturi ridicate un liant de tip gel (structura oxidică) cu rezistenţă termică ridicată

La temperaturi ridicate ale formei (peste 1100oC cazul turnării oţelului) viteza de carbonizare este mai mare decacirct cea de degajare a volatilelor (fig 69) Rezultă o precipitare intensă de compuşi carbonici (cărbune lucios) Atomii de H şi de N din liant se degajă sub formă moleculară (H2 şi N2) iar O şi S sub formă de compuşi (CO şi SO2) Carbonul lucios se depune sub formă de pelicule pe granulele de cuarţ are o structură cristalină similară grafitului şi posedă o valoare ridicată a densităţii şi conductivităţii termice (ρ = 19 ndash 22 gcm3 λ pacircnă la 70 kcalmmiddothmiddotgrad faţă de ρ = 15 ndash 16 gcm3 λ = 08 ndash 2 kcalmhgrad pentru carbonul amorf) precum şi o rezistenţă de 3 - 5 ori mai mare la oxidare faţă de carbonul amorf

Lianţi organici-polimeri

Ruperea legăturilor intermoleculare

Formarea radicalilor cu multe

molecule (nevolatile)

Formarea radicalilor cu molecule puţine

(volatile)

Polimerizarea radicalilor cu formarea unor legături carbonice

carbonice noi

Deshidratarea cu precipitarea de compuşi solizi carbinici

Formarea şi degajarea de compuşi volatili icircn

zona de icircncălzire

15

Fig 69 Variaţia timpului icircn care se desfăşoară procesele de carbonizare şi volatilizare icircn zona de contact metal-formă icircn funcţie de temperatură

1 ndash carbonizare 2 ndash volatilizare

Temperatura de descompunere termică cu formare de carbon lucios depinde de natura liantului organic ea este mai mică pentru compuşii aromatici nesaturaţi şi cei furanici icircn comparaţie cu substanţele alifatice saturate (fig 610) Aşadar procesul de carbonizare nu depinde de cantitatea totală de gaze degajate la icircncălzire ci de conţinutul compuşilor cu structura nesaturată cu precădere aromatică Icircn condiţii de temperaturi ridicate aproape toţi lianţii degajă carbon lucios icircn proporţie apropiată de cea teoretică (fig 610)

Rezultă că formele cu răşini posedă o rezistenţă termică foarte scăzută icircn intervalul de temperatură 1200 - 1600oC Cu toate acestea icircn cazul folosirii lor la turnarea oţelului se constată o tendinţă mai mică de formare a excrescenţelor la suprafaţa pieselor turnate Explicaţia constă icircn aceea că prin descompunerea totală a lianţilor organici creşte substanţial volumul de pori ceea ce determină micşorarea dilatării (fig 66 a curba 3) şi a valorii tensiunilor (fig 66 b curba 2) icircn comparaţie cu formele din amestec cu argilă Ca urmare scade tendinţa de fisurare şi exfoliere Icircn amestecurile cu răşini se folosesc icircntăritori de tipul

16

acidului ortofosforic care la temperaturi ridicate conduce la formarea anhidridei fosforice P2O5 care nu se descompune ci joacă rol de liant

Fig 610 Dependenţa de formare a carbonului lucios icircn funcţie de temperatura suprafeţei de contact a formei

1 ndash răşină formaldehidică 2 ndash răşină fenolică 3 ndash fenantren 4 ndash răşină indencumaron 5 ndash antracen 6 ndash naftalină 7 ndash parafină 8 ndash stearină 9 ndash furfurol

Formele realizate din amestecuri pe bază de nisip cuarţos şi lianţi anorganici sintetici (silicat de sodiu ciment metalofosfaţi) sunt folosite pe scară largă la turnarea oţelului La icircncălzire icircn aceste forme au loc următoarele procese fizico-chimice mai importante

ndashdilatatrea granulelor de nisip cuarţos

17

ndashcontracţia peliculelor de liant datorită deshidratării şi datorită disocierii carbonaţilor rezultaţi la icircntărirea cu CO2

Curba rezultantă pentru amestecuri este de tipul celei prezentate icircn figura 611

a b

Fig 611 Curbele de dilatare şi contracţie a amestecurilor cu silicat

de sodiu icircn condiţiile icircncălzirii la diferite temperaturi

c

a ndash deformarea icircn condiţiile aplicării sarcinilor de 01 MPa (curba 1) şi de 04 MPa (curba 2) b ndash viteza de deformare la formele neuscate (curba 3) şi uscate (curba 4) c ndash dilatarea şi contracţia amestesurilor pe bază de cromomagnezită la 1350degC la presiuni de 01 MPa pentru fracţii de dimensiuni mari (curba 5) şi medii (curba 6) şi

fracţii mici (curba 7)

Rezultă că icircn final amestecurile se contractă similar amestecurilor cu argilă icircnsă icircntr-o mai mică măsură Odată cu mărirea presiunii metalostatice creşte dilatarea şi viteza de dilatare (fig 611 a şi b) Adaosurile de argilă micşorează dilatarea Ca urmare formele pe bază de silicat de sodiu prezintă o mare tendinţă de fisurare şi deci de formare a excrescenţelor metalice Procesul de deformare la aceste amestecuri este puternic influenţat de dimensiunile granulelor de nisip rezistenţa la deformare scade odată cu micşorarea fracţiilor mici (pulberi) (fig 611 c) ceea ce se explică prin creşterea volumului de

18

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 7: INTERACT MF cap6_19august.doc

şi

(65)

a b

Fig 65 Variaţia densităţii peliculei de argilă la diferite cicluri de refolosire şi a

conţinutului de umiditate icircn formele crude

a ndash densitatea peliculei de argilă b ndash zona de condensaţie datorită umidităţii formei

c ndash zona de condensaţie datorită vopselei

c

Aşadar la temperaturi ridicate ale pereţilor formelor (de peste 1250oC) argila se transformă treptat icircn silimonit mullit cuarţ liber şi alumină ceea ce reprezintă procesul de şamotizare icircnsoţit de micşorarea valorii densităţii peliculei la refolosirea argilei la mai mult

7

cicluri de fabricaţie (fig 65 a) evaporarea apei din straturile superficiale ale formei şi condensarea icircn zone mai icircndepărtate deci formarea zonei de condensare (fig 65 b şi c)

La folosirea repetată a amestecurilor cu argilă pe peliculele şamotizate de argilă se depun noi straturi proces care se numeşte colitizare Ca urmare la turnarea oţelului icircn cavitatea tehnologică a formelor crude au loc două procese distincte dilatarea granulelor de nisip cuarţos şi contracţia argilei şi bentonitei (fig 66 a şi b) procese care conduc la apariţia tensiunilor maxime la temperaturi de 575oC (formarea cuarţului α) şi 1250-1450 oC (formarea cristobalitei α) (fig 66 c)

a b

Fig 66 Procesul de dilatare şi contracţie icircnregistrate la amestecurile

pe bază de nisip cuarţos şi apariţia vacircrfurilor de tensiune maximă

1 ndash nisip cuarţos 2 ndash argilă 3 ndash forme cu amestecuri din argilă (rezultantă) 4 ndash formă din amestec cu răşină

c

La suprafaţa formelor (mai ales la semiformele superioare) şi ale miezurilor apar astfel de tensiuni de icircntindere (σ) iar icircn condiţiile icircn

8

care σ gt σt (σt ndash rezistenţa la icircntindere la temperaturi ridicare de peste 1250oC ale formei) apar fisuri şi exfolieri icircn cavităţile cărora penetrează oţelul lichid şi icircn acest mod apar surplusurile metalice de tip creastă (penetrarea icircn fisură) şi crustă (penetrarea icircn alveolele provocate de exfolieri) Aşadar factorii principali de influenţă asupra excrescenţelor (TFE) metalice sunt (icircn sensul creşterii valorii lor v tabelul 63)

Tabelul 63 Influenţa principalilor factori tehnologici privind natura formei asupra

tendinţei de formare a excrescenţelor (TFE) metaliceFactori tehnologici α d u tc Rt ε1

TFE + - + + - +

-coeficientul de acumulare a căldurii (bf) micşorează TFE icircntrucacirct se reduce temperatura de contact şi gradientul de temperatură pe secţiunea peretelui formei creşte stabilitatea termică a formei deci durata de contact a oţelului lichid cu forma este mai mică decacirct durata de stabilitate termică a formei solicitată termic şi mecanic gradul de rotunjire a granulelor de nisip măreşte TFE deoarece se micşorează volumul de pori din formă

ndashcoeficientul de dilatare a granulelor de nisip α măreşte TFE ndashcontracţia ε1 a peliculelor de liant măreşte TFEndashdimensiunile granulelor (d) de nisip micşorează TFE ca

urmare a volumului mai mare de pori şi deci a posibilităţii de micşorare a valorii tensiunilor prin redistribuirea şi deplasarea granulelor

ndashumiditatea pereţilor formei (u) icircn zona de condensaţie măreşte TFE ca urmare a micşorării rezistenţei la compresiune a peretelui formei σc de asemenea uscarea formelor micşorează TFE

ndashtemperatura de contact (tc) măreşte TFE ca urmare a intensificării proceselor de temperatură structurală a componentelor amestecului şi a creşterii gradientului de temperatură icircn peretele formei

ndashrezistenţa (Rt) micşorează TFEndashadaosurile organice ca de exemplu substanţele carbonice icircn

proporţie de 2 ndash 8 făina de lemn (micşorează TFE deoarece prin arderea lor determină creşterea volumului de pori)

ndashgradul de icircndesare a amestecului de formare (măreşte TFE datorită micşorării volumului de pori acest fapt se constată mai ales icircn cazul formelor obţinute din amestecuri icircndesate la presiuni ridicare)

9

ndashadaosurile de oxid de fier icircn proporţie de 2 ndash 4 (micşorează TFE datorită formării fazei lichide din sistemul FeOSiO2 care după solidificare creează un schelet rigid icircn jurul granulelor de nisip şi deci măreşte rezistenţa la cald (Rt)

ndashcantitatea de liant (micşorează TFE datorită creşterii rezistenţei la rupere adezivă şi coezivă şi deci a rezistenţei la temperatură (Rt)

Formele din sistemul cuarţos-argilă (bentonită) la icircnceput se dilată spre interiorul cavităţii (deformare pozitivă) dimensiunilor acestora se micşorează pentru ca după un oarecare timp sensul deformării să se schimbe icircn sensul creşterii dimensiunilor cavităţii (deformare negativă) (fig 67 a şi b)

Fig 67 Deformarea pereţilor formei crude (a) şi uscate (b) icircn cazul turnării oţelului cu 03 C

Deformarea şi deci dimensiunile umflăturilor la suprafaţa pieselor sunt cu atacirct mai pronunţate cu cacirct temperatura de contact (la interfaţă) umiditatea icircn amestec şi presiunea metalostatică sunt mai mari (fig 67)

Formele cu lianţi organici sintetici şi naturali pot fi icircmpărţite icircn trei clase icircn funcţie de natura lianţilor

ndashclasa 1 heteroatomice (O N) şi cu lanţuri carbonice saturate (de exemplu dextrina leşia sulfitică răşini ureo-aldehidice polivinilacetatul polivinilbutirolul etc) caracterizate printr-o stabilitate termică scazută (v tab 6 4)

ndashclasa 2 ndash cu lanţuri carbonice nesaturate şi cu proces de polimerizare cu structura carbonului tridimensională caracterizate prin

10

rezistenţă termică mare (de exemplu uleiul de in bachelita răşinile furanice tab 64) cu temperatura de icircnceput de distrugere la 542 ndash 600oC

ndashclasa 3 ndash combinaţii organo-metalice ale Si Ti Zr (de exemplu silicatul de etil tab 64) care prezintă o rezistenţă termică ridicată

Tabelul 64Clasificarea şi structura lianţilor organici

Clasa icircn funcţie de legătura structu-

rală

Grupa icircn funcţie de

natura chimică

Caracteristica structurii

Liantul tipic şi compoziţia lui

Temperatura medie de disociereTmed oC

1 2 3 4 5

1

Polizaharide (amidon dextrină melasă)

C6H10O4

Dextrină C-431H-59O-51

270

Melasa C-42 H-64 O-516

270

Lignosulfaţi (leşie sulfitică

C9H88O24(OCH3)096

(structura ligninei) grupele heterociclice şi aromatice-CHOH-CH2OH-O-CH3

-HSO3

Leşia alcoolosulfiţi ca C-415 H-53 O-472 S- 6

380

Răşini naturale (colofoniu şelac etc)

C19H29COOHColofoniu C-70 H- 10-12 H- 12-15

230-260 vaporizare

Răşini uleo-aldehidice (formaldehidă)

(-C-N-C-) şi (-C-O-C-)

Răşină formaldehidică (MF-17) C-39 H-6 N-30 O-25

300

11

Tabelul 64 (continuare)1 2 3 4 5

1

Nitro şi metilceluloze

-ONO2 -OCH3

Nitrolac C-286H-31 O-57N-113

185

Acetat de vinilH2C-CH-Nn

|O=C-CH3

Polivinilacetat C-557 H-7O- 373

250

Complecşi polivinilici

(-C-O-C-) şi (-C-C-)

Polivinilbutiral C-657 H-8 O-263

350

Polimeri organici (pe bază de alcool polivinilic polistiren etc)

- - 250-350

2

Gliceride ale acizilor nesaturaţi

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Ulei de in C-67H-8 O- 25

420

Răşini sintetice

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipicăC-916H-48 O- 25 S+N ndash 11

500

Răşini fenol formaldehidice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Bachelită pulbereC-80 H-6 O- 14

470

Răşini furanice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipică FF-SC-73 H-6O- 21

500

FA-SC-71 H-5O- 24

500

Răşini indencumaron

(-C-C-) şi (-C=C-)Răşina tipicăC-88H-68 O-50

450

3

Polimeri organici ai silicatului de etil şi ai altor substante cu Si Ti Zr

(-O-E(R)2+O-)X

UNDE E= Si Ti ZrR= radicalul alcoolului Peste 600oC liantul prezinta SiO2 TiO2 ZrO2

La organosilicic cu lanţ siloxanic (-O-Si-O) şi radicali aromatici

600

Apa (se dă pentru comparaţie)

H2OH-111O- 889

100 fierbe

Tabelul 64 (continuare)

12

Clasificarea şi structura lianţilor organiciClasa icircn funcţie de legă-

tura structu-

rală

Degajarea de substanţe organice

(de greut)

Produsele după disocierea completă

1100oC

Tendinţa de degajare a gazelor

Gaz mgmiddotatomg

Carbon mgmiddotatomg

Volum (la 1400oC) Vcm3g

Viteza relativă

W=VTmed

1 6 7 8 9 10

1

lt50062 0004 8500 3150064 0003 8800 326

lt30 0056 0005 7700 2025-8 0060 0048 8200 350

10-12 0065 0018 7600 252

1

1-2 0054 0 7400 4001 0058 0023 7900 3181 0056 0040 7700 220

1-10 - - 8000 300

2lt30 0055 0040 7500 180lt60 0026 0074 3600 72lt50 0039 0057 5350 114lt50 0042 0048 5800 116lt60 0040 0044 5500 110lt30 0037 0065 5100 102

3lt80 SiO2+C - - - -

- 0055 - 7600 7601polimeri heteroatomici şi cu lanţuri carbonice saturate 2polimeri cu lanţuri carbonice plane şi tridimensionale nesaturate 3combinaţii organo-metalice

La icircncălzire lianţii din clasa 1 se descompun prin volatilizare la temperaturi de 200 - 300oC procese icircnsoţite de creşterea temperaturii şi pierderea greutăţii (vezi curbele de variaţie a temperaturii şi greutăţii din fig 68 c d şi f) Pierderea de greutate poate ajunge pacircnă la 90 Vacircrfurile endoterme constatate la lianţi răşini uleo-aldehinice şi polivinilacetat se explică prin degajarea amoniacului şi a vaporilor de apă (icircn primul caz) şi a volatilizării grupelor acetilenice (icircn cazul al doilea) Cea mai mare parte din produsele cărbunoase posedă o structură poroasă şi se oxidează repede la icircncălzirea ulterioară a liantului

13

Fig 68 Variaţia temperaturii şi greutăţii icircnregistrate la icircncălzirea unor lianţi organici

a ndash răşină furanică b ndash răşină formaldehidică (bachelita pulbere) c ndash răşină d ndash nitrolac e ndash răşină ureo-formaldehidică f ndash polivinilacetat

Lianţii din clasa 2 la icircncălzire formează structuri -C-C noi tridimensionale ceea ce se reflectă pe curbele termice prin efecte exotermice la temperaturi de 200 ndash 400oC (fig 68 a b şi c) Cu creşterea temperaturii se formează compuşi carbonici cu tendinţă mare de oxidare (icircn cantitate de 50 din cea de liant) care se depun pe suprafaţă granulelor de cuarţ şi icircn porii formei

14

Schema proceselor de descompunere a lianţilor organici din clasa 1 şi 2 este următoarea

Lianţii din clasa 3 prezintă un proces de descompunere termică a radicalilor organici icircn intervalul de temperatură 300 ndash 500oC asiguracircnd icircnsă la temperaturi ridicate un liant de tip gel (structura oxidică) cu rezistenţă termică ridicată

La temperaturi ridicate ale formei (peste 1100oC cazul turnării oţelului) viteza de carbonizare este mai mare decacirct cea de degajare a volatilelor (fig 69) Rezultă o precipitare intensă de compuşi carbonici (cărbune lucios) Atomii de H şi de N din liant se degajă sub formă moleculară (H2 şi N2) iar O şi S sub formă de compuşi (CO şi SO2) Carbonul lucios se depune sub formă de pelicule pe granulele de cuarţ are o structură cristalină similară grafitului şi posedă o valoare ridicată a densităţii şi conductivităţii termice (ρ = 19 ndash 22 gcm3 λ pacircnă la 70 kcalmmiddothmiddotgrad faţă de ρ = 15 ndash 16 gcm3 λ = 08 ndash 2 kcalmhgrad pentru carbonul amorf) precum şi o rezistenţă de 3 - 5 ori mai mare la oxidare faţă de carbonul amorf

Lianţi organici-polimeri

Ruperea legăturilor intermoleculare

Formarea radicalilor cu multe

molecule (nevolatile)

Formarea radicalilor cu molecule puţine

(volatile)

Polimerizarea radicalilor cu formarea unor legături carbonice

carbonice noi

Deshidratarea cu precipitarea de compuşi solizi carbinici

Formarea şi degajarea de compuşi volatili icircn

zona de icircncălzire

15

Fig 69 Variaţia timpului icircn care se desfăşoară procesele de carbonizare şi volatilizare icircn zona de contact metal-formă icircn funcţie de temperatură

1 ndash carbonizare 2 ndash volatilizare

Temperatura de descompunere termică cu formare de carbon lucios depinde de natura liantului organic ea este mai mică pentru compuşii aromatici nesaturaţi şi cei furanici icircn comparaţie cu substanţele alifatice saturate (fig 610) Aşadar procesul de carbonizare nu depinde de cantitatea totală de gaze degajate la icircncălzire ci de conţinutul compuşilor cu structura nesaturată cu precădere aromatică Icircn condiţii de temperaturi ridicate aproape toţi lianţii degajă carbon lucios icircn proporţie apropiată de cea teoretică (fig 610)

Rezultă că formele cu răşini posedă o rezistenţă termică foarte scăzută icircn intervalul de temperatură 1200 - 1600oC Cu toate acestea icircn cazul folosirii lor la turnarea oţelului se constată o tendinţă mai mică de formare a excrescenţelor la suprafaţa pieselor turnate Explicaţia constă icircn aceea că prin descompunerea totală a lianţilor organici creşte substanţial volumul de pori ceea ce determină micşorarea dilatării (fig 66 a curba 3) şi a valorii tensiunilor (fig 66 b curba 2) icircn comparaţie cu formele din amestec cu argilă Ca urmare scade tendinţa de fisurare şi exfoliere Icircn amestecurile cu răşini se folosesc icircntăritori de tipul

16

acidului ortofosforic care la temperaturi ridicate conduce la formarea anhidridei fosforice P2O5 care nu se descompune ci joacă rol de liant

Fig 610 Dependenţa de formare a carbonului lucios icircn funcţie de temperatura suprafeţei de contact a formei

1 ndash răşină formaldehidică 2 ndash răşină fenolică 3 ndash fenantren 4 ndash răşină indencumaron 5 ndash antracen 6 ndash naftalină 7 ndash parafină 8 ndash stearină 9 ndash furfurol

Formele realizate din amestecuri pe bază de nisip cuarţos şi lianţi anorganici sintetici (silicat de sodiu ciment metalofosfaţi) sunt folosite pe scară largă la turnarea oţelului La icircncălzire icircn aceste forme au loc următoarele procese fizico-chimice mai importante

ndashdilatatrea granulelor de nisip cuarţos

17

ndashcontracţia peliculelor de liant datorită deshidratării şi datorită disocierii carbonaţilor rezultaţi la icircntărirea cu CO2

Curba rezultantă pentru amestecuri este de tipul celei prezentate icircn figura 611

a b

Fig 611 Curbele de dilatare şi contracţie a amestecurilor cu silicat

de sodiu icircn condiţiile icircncălzirii la diferite temperaturi

c

a ndash deformarea icircn condiţiile aplicării sarcinilor de 01 MPa (curba 1) şi de 04 MPa (curba 2) b ndash viteza de deformare la formele neuscate (curba 3) şi uscate (curba 4) c ndash dilatarea şi contracţia amestesurilor pe bază de cromomagnezită la 1350degC la presiuni de 01 MPa pentru fracţii de dimensiuni mari (curba 5) şi medii (curba 6) şi

fracţii mici (curba 7)

Rezultă că icircn final amestecurile se contractă similar amestecurilor cu argilă icircnsă icircntr-o mai mică măsură Odată cu mărirea presiunii metalostatice creşte dilatarea şi viteza de dilatare (fig 611 a şi b) Adaosurile de argilă micşorează dilatarea Ca urmare formele pe bază de silicat de sodiu prezintă o mare tendinţă de fisurare şi deci de formare a excrescenţelor metalice Procesul de deformare la aceste amestecuri este puternic influenţat de dimensiunile granulelor de nisip rezistenţa la deformare scade odată cu micşorarea fracţiilor mici (pulberi) (fig 611 c) ceea ce se explică prin creşterea volumului de

18

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 8: INTERACT MF cap6_19august.doc

cicluri de fabricaţie (fig 65 a) evaporarea apei din straturile superficiale ale formei şi condensarea icircn zone mai icircndepărtate deci formarea zonei de condensare (fig 65 b şi c)

La folosirea repetată a amestecurilor cu argilă pe peliculele şamotizate de argilă se depun noi straturi proces care se numeşte colitizare Ca urmare la turnarea oţelului icircn cavitatea tehnologică a formelor crude au loc două procese distincte dilatarea granulelor de nisip cuarţos şi contracţia argilei şi bentonitei (fig 66 a şi b) procese care conduc la apariţia tensiunilor maxime la temperaturi de 575oC (formarea cuarţului α) şi 1250-1450 oC (formarea cristobalitei α) (fig 66 c)

a b

Fig 66 Procesul de dilatare şi contracţie icircnregistrate la amestecurile

pe bază de nisip cuarţos şi apariţia vacircrfurilor de tensiune maximă

1 ndash nisip cuarţos 2 ndash argilă 3 ndash forme cu amestecuri din argilă (rezultantă) 4 ndash formă din amestec cu răşină

c

La suprafaţa formelor (mai ales la semiformele superioare) şi ale miezurilor apar astfel de tensiuni de icircntindere (σ) iar icircn condiţiile icircn

8

care σ gt σt (σt ndash rezistenţa la icircntindere la temperaturi ridicare de peste 1250oC ale formei) apar fisuri şi exfolieri icircn cavităţile cărora penetrează oţelul lichid şi icircn acest mod apar surplusurile metalice de tip creastă (penetrarea icircn fisură) şi crustă (penetrarea icircn alveolele provocate de exfolieri) Aşadar factorii principali de influenţă asupra excrescenţelor (TFE) metalice sunt (icircn sensul creşterii valorii lor v tabelul 63)

Tabelul 63 Influenţa principalilor factori tehnologici privind natura formei asupra

tendinţei de formare a excrescenţelor (TFE) metaliceFactori tehnologici α d u tc Rt ε1

TFE + - + + - +

-coeficientul de acumulare a căldurii (bf) micşorează TFE icircntrucacirct se reduce temperatura de contact şi gradientul de temperatură pe secţiunea peretelui formei creşte stabilitatea termică a formei deci durata de contact a oţelului lichid cu forma este mai mică decacirct durata de stabilitate termică a formei solicitată termic şi mecanic gradul de rotunjire a granulelor de nisip măreşte TFE deoarece se micşorează volumul de pori din formă

ndashcoeficientul de dilatare a granulelor de nisip α măreşte TFE ndashcontracţia ε1 a peliculelor de liant măreşte TFEndashdimensiunile granulelor (d) de nisip micşorează TFE ca

urmare a volumului mai mare de pori şi deci a posibilităţii de micşorare a valorii tensiunilor prin redistribuirea şi deplasarea granulelor

ndashumiditatea pereţilor formei (u) icircn zona de condensaţie măreşte TFE ca urmare a micşorării rezistenţei la compresiune a peretelui formei σc de asemenea uscarea formelor micşorează TFE

ndashtemperatura de contact (tc) măreşte TFE ca urmare a intensificării proceselor de temperatură structurală a componentelor amestecului şi a creşterii gradientului de temperatură icircn peretele formei

ndashrezistenţa (Rt) micşorează TFEndashadaosurile organice ca de exemplu substanţele carbonice icircn

proporţie de 2 ndash 8 făina de lemn (micşorează TFE deoarece prin arderea lor determină creşterea volumului de pori)

ndashgradul de icircndesare a amestecului de formare (măreşte TFE datorită micşorării volumului de pori acest fapt se constată mai ales icircn cazul formelor obţinute din amestecuri icircndesate la presiuni ridicare)

9

ndashadaosurile de oxid de fier icircn proporţie de 2 ndash 4 (micşorează TFE datorită formării fazei lichide din sistemul FeOSiO2 care după solidificare creează un schelet rigid icircn jurul granulelor de nisip şi deci măreşte rezistenţa la cald (Rt)

ndashcantitatea de liant (micşorează TFE datorită creşterii rezistenţei la rupere adezivă şi coezivă şi deci a rezistenţei la temperatură (Rt)

Formele din sistemul cuarţos-argilă (bentonită) la icircnceput se dilată spre interiorul cavităţii (deformare pozitivă) dimensiunilor acestora se micşorează pentru ca după un oarecare timp sensul deformării să se schimbe icircn sensul creşterii dimensiunilor cavităţii (deformare negativă) (fig 67 a şi b)

Fig 67 Deformarea pereţilor formei crude (a) şi uscate (b) icircn cazul turnării oţelului cu 03 C

Deformarea şi deci dimensiunile umflăturilor la suprafaţa pieselor sunt cu atacirct mai pronunţate cu cacirct temperatura de contact (la interfaţă) umiditatea icircn amestec şi presiunea metalostatică sunt mai mari (fig 67)

Formele cu lianţi organici sintetici şi naturali pot fi icircmpărţite icircn trei clase icircn funcţie de natura lianţilor

ndashclasa 1 heteroatomice (O N) şi cu lanţuri carbonice saturate (de exemplu dextrina leşia sulfitică răşini ureo-aldehidice polivinilacetatul polivinilbutirolul etc) caracterizate printr-o stabilitate termică scazută (v tab 6 4)

ndashclasa 2 ndash cu lanţuri carbonice nesaturate şi cu proces de polimerizare cu structura carbonului tridimensională caracterizate prin

10

rezistenţă termică mare (de exemplu uleiul de in bachelita răşinile furanice tab 64) cu temperatura de icircnceput de distrugere la 542 ndash 600oC

ndashclasa 3 ndash combinaţii organo-metalice ale Si Ti Zr (de exemplu silicatul de etil tab 64) care prezintă o rezistenţă termică ridicată

Tabelul 64Clasificarea şi structura lianţilor organici

Clasa icircn funcţie de legătura structu-

rală

Grupa icircn funcţie de

natura chimică

Caracteristica structurii

Liantul tipic şi compoziţia lui

Temperatura medie de disociereTmed oC

1 2 3 4 5

1

Polizaharide (amidon dextrină melasă)

C6H10O4

Dextrină C-431H-59O-51

270

Melasa C-42 H-64 O-516

270

Lignosulfaţi (leşie sulfitică

C9H88O24(OCH3)096

(structura ligninei) grupele heterociclice şi aromatice-CHOH-CH2OH-O-CH3

-HSO3

Leşia alcoolosulfiţi ca C-415 H-53 O-472 S- 6

380

Răşini naturale (colofoniu şelac etc)

C19H29COOHColofoniu C-70 H- 10-12 H- 12-15

230-260 vaporizare

Răşini uleo-aldehidice (formaldehidă)

(-C-N-C-) şi (-C-O-C-)

Răşină formaldehidică (MF-17) C-39 H-6 N-30 O-25

300

11

Tabelul 64 (continuare)1 2 3 4 5

1

Nitro şi metilceluloze

-ONO2 -OCH3

Nitrolac C-286H-31 O-57N-113

185

Acetat de vinilH2C-CH-Nn

|O=C-CH3

Polivinilacetat C-557 H-7O- 373

250

Complecşi polivinilici

(-C-O-C-) şi (-C-C-)

Polivinilbutiral C-657 H-8 O-263

350

Polimeri organici (pe bază de alcool polivinilic polistiren etc)

- - 250-350

2

Gliceride ale acizilor nesaturaţi

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Ulei de in C-67H-8 O- 25

420

Răşini sintetice

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipicăC-916H-48 O- 25 S+N ndash 11

500

Răşini fenol formaldehidice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Bachelită pulbereC-80 H-6 O- 14

470

Răşini furanice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipică FF-SC-73 H-6O- 21

500

FA-SC-71 H-5O- 24

500

Răşini indencumaron

(-C-C-) şi (-C=C-)Răşina tipicăC-88H-68 O-50

450

3

Polimeri organici ai silicatului de etil şi ai altor substante cu Si Ti Zr

(-O-E(R)2+O-)X

UNDE E= Si Ti ZrR= radicalul alcoolului Peste 600oC liantul prezinta SiO2 TiO2 ZrO2

La organosilicic cu lanţ siloxanic (-O-Si-O) şi radicali aromatici

600

Apa (se dă pentru comparaţie)

H2OH-111O- 889

100 fierbe

Tabelul 64 (continuare)

12

Clasificarea şi structura lianţilor organiciClasa icircn funcţie de legă-

tura structu-

rală

Degajarea de substanţe organice

(de greut)

Produsele după disocierea completă

1100oC

Tendinţa de degajare a gazelor

Gaz mgmiddotatomg

Carbon mgmiddotatomg

Volum (la 1400oC) Vcm3g

Viteza relativă

W=VTmed

1 6 7 8 9 10

1

lt50062 0004 8500 3150064 0003 8800 326

lt30 0056 0005 7700 2025-8 0060 0048 8200 350

10-12 0065 0018 7600 252

1

1-2 0054 0 7400 4001 0058 0023 7900 3181 0056 0040 7700 220

1-10 - - 8000 300

2lt30 0055 0040 7500 180lt60 0026 0074 3600 72lt50 0039 0057 5350 114lt50 0042 0048 5800 116lt60 0040 0044 5500 110lt30 0037 0065 5100 102

3lt80 SiO2+C - - - -

- 0055 - 7600 7601polimeri heteroatomici şi cu lanţuri carbonice saturate 2polimeri cu lanţuri carbonice plane şi tridimensionale nesaturate 3combinaţii organo-metalice

La icircncălzire lianţii din clasa 1 se descompun prin volatilizare la temperaturi de 200 - 300oC procese icircnsoţite de creşterea temperaturii şi pierderea greutăţii (vezi curbele de variaţie a temperaturii şi greutăţii din fig 68 c d şi f) Pierderea de greutate poate ajunge pacircnă la 90 Vacircrfurile endoterme constatate la lianţi răşini uleo-aldehinice şi polivinilacetat se explică prin degajarea amoniacului şi a vaporilor de apă (icircn primul caz) şi a volatilizării grupelor acetilenice (icircn cazul al doilea) Cea mai mare parte din produsele cărbunoase posedă o structură poroasă şi se oxidează repede la icircncălzirea ulterioară a liantului

13

Fig 68 Variaţia temperaturii şi greutăţii icircnregistrate la icircncălzirea unor lianţi organici

a ndash răşină furanică b ndash răşină formaldehidică (bachelita pulbere) c ndash răşină d ndash nitrolac e ndash răşină ureo-formaldehidică f ndash polivinilacetat

Lianţii din clasa 2 la icircncălzire formează structuri -C-C noi tridimensionale ceea ce se reflectă pe curbele termice prin efecte exotermice la temperaturi de 200 ndash 400oC (fig 68 a b şi c) Cu creşterea temperaturii se formează compuşi carbonici cu tendinţă mare de oxidare (icircn cantitate de 50 din cea de liant) care se depun pe suprafaţă granulelor de cuarţ şi icircn porii formei

14

Schema proceselor de descompunere a lianţilor organici din clasa 1 şi 2 este următoarea

Lianţii din clasa 3 prezintă un proces de descompunere termică a radicalilor organici icircn intervalul de temperatură 300 ndash 500oC asiguracircnd icircnsă la temperaturi ridicate un liant de tip gel (structura oxidică) cu rezistenţă termică ridicată

La temperaturi ridicate ale formei (peste 1100oC cazul turnării oţelului) viteza de carbonizare este mai mare decacirct cea de degajare a volatilelor (fig 69) Rezultă o precipitare intensă de compuşi carbonici (cărbune lucios) Atomii de H şi de N din liant se degajă sub formă moleculară (H2 şi N2) iar O şi S sub formă de compuşi (CO şi SO2) Carbonul lucios se depune sub formă de pelicule pe granulele de cuarţ are o structură cristalină similară grafitului şi posedă o valoare ridicată a densităţii şi conductivităţii termice (ρ = 19 ndash 22 gcm3 λ pacircnă la 70 kcalmmiddothmiddotgrad faţă de ρ = 15 ndash 16 gcm3 λ = 08 ndash 2 kcalmhgrad pentru carbonul amorf) precum şi o rezistenţă de 3 - 5 ori mai mare la oxidare faţă de carbonul amorf

Lianţi organici-polimeri

Ruperea legăturilor intermoleculare

Formarea radicalilor cu multe

molecule (nevolatile)

Formarea radicalilor cu molecule puţine

(volatile)

Polimerizarea radicalilor cu formarea unor legături carbonice

carbonice noi

Deshidratarea cu precipitarea de compuşi solizi carbinici

Formarea şi degajarea de compuşi volatili icircn

zona de icircncălzire

15

Fig 69 Variaţia timpului icircn care se desfăşoară procesele de carbonizare şi volatilizare icircn zona de contact metal-formă icircn funcţie de temperatură

1 ndash carbonizare 2 ndash volatilizare

Temperatura de descompunere termică cu formare de carbon lucios depinde de natura liantului organic ea este mai mică pentru compuşii aromatici nesaturaţi şi cei furanici icircn comparaţie cu substanţele alifatice saturate (fig 610) Aşadar procesul de carbonizare nu depinde de cantitatea totală de gaze degajate la icircncălzire ci de conţinutul compuşilor cu structura nesaturată cu precădere aromatică Icircn condiţii de temperaturi ridicate aproape toţi lianţii degajă carbon lucios icircn proporţie apropiată de cea teoretică (fig 610)

Rezultă că formele cu răşini posedă o rezistenţă termică foarte scăzută icircn intervalul de temperatură 1200 - 1600oC Cu toate acestea icircn cazul folosirii lor la turnarea oţelului se constată o tendinţă mai mică de formare a excrescenţelor la suprafaţa pieselor turnate Explicaţia constă icircn aceea că prin descompunerea totală a lianţilor organici creşte substanţial volumul de pori ceea ce determină micşorarea dilatării (fig 66 a curba 3) şi a valorii tensiunilor (fig 66 b curba 2) icircn comparaţie cu formele din amestec cu argilă Ca urmare scade tendinţa de fisurare şi exfoliere Icircn amestecurile cu răşini se folosesc icircntăritori de tipul

16

acidului ortofosforic care la temperaturi ridicate conduce la formarea anhidridei fosforice P2O5 care nu se descompune ci joacă rol de liant

Fig 610 Dependenţa de formare a carbonului lucios icircn funcţie de temperatura suprafeţei de contact a formei

1 ndash răşină formaldehidică 2 ndash răşină fenolică 3 ndash fenantren 4 ndash răşină indencumaron 5 ndash antracen 6 ndash naftalină 7 ndash parafină 8 ndash stearină 9 ndash furfurol

Formele realizate din amestecuri pe bază de nisip cuarţos şi lianţi anorganici sintetici (silicat de sodiu ciment metalofosfaţi) sunt folosite pe scară largă la turnarea oţelului La icircncălzire icircn aceste forme au loc următoarele procese fizico-chimice mai importante

ndashdilatatrea granulelor de nisip cuarţos

17

ndashcontracţia peliculelor de liant datorită deshidratării şi datorită disocierii carbonaţilor rezultaţi la icircntărirea cu CO2

Curba rezultantă pentru amestecuri este de tipul celei prezentate icircn figura 611

a b

Fig 611 Curbele de dilatare şi contracţie a amestecurilor cu silicat

de sodiu icircn condiţiile icircncălzirii la diferite temperaturi

c

a ndash deformarea icircn condiţiile aplicării sarcinilor de 01 MPa (curba 1) şi de 04 MPa (curba 2) b ndash viteza de deformare la formele neuscate (curba 3) şi uscate (curba 4) c ndash dilatarea şi contracţia amestesurilor pe bază de cromomagnezită la 1350degC la presiuni de 01 MPa pentru fracţii de dimensiuni mari (curba 5) şi medii (curba 6) şi

fracţii mici (curba 7)

Rezultă că icircn final amestecurile se contractă similar amestecurilor cu argilă icircnsă icircntr-o mai mică măsură Odată cu mărirea presiunii metalostatice creşte dilatarea şi viteza de dilatare (fig 611 a şi b) Adaosurile de argilă micşorează dilatarea Ca urmare formele pe bază de silicat de sodiu prezintă o mare tendinţă de fisurare şi deci de formare a excrescenţelor metalice Procesul de deformare la aceste amestecuri este puternic influenţat de dimensiunile granulelor de nisip rezistenţa la deformare scade odată cu micşorarea fracţiilor mici (pulberi) (fig 611 c) ceea ce se explică prin creşterea volumului de

18

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 9: INTERACT MF cap6_19august.doc

care σ gt σt (σt ndash rezistenţa la icircntindere la temperaturi ridicare de peste 1250oC ale formei) apar fisuri şi exfolieri icircn cavităţile cărora penetrează oţelul lichid şi icircn acest mod apar surplusurile metalice de tip creastă (penetrarea icircn fisură) şi crustă (penetrarea icircn alveolele provocate de exfolieri) Aşadar factorii principali de influenţă asupra excrescenţelor (TFE) metalice sunt (icircn sensul creşterii valorii lor v tabelul 63)

Tabelul 63 Influenţa principalilor factori tehnologici privind natura formei asupra

tendinţei de formare a excrescenţelor (TFE) metaliceFactori tehnologici α d u tc Rt ε1

TFE + - + + - +

-coeficientul de acumulare a căldurii (bf) micşorează TFE icircntrucacirct se reduce temperatura de contact şi gradientul de temperatură pe secţiunea peretelui formei creşte stabilitatea termică a formei deci durata de contact a oţelului lichid cu forma este mai mică decacirct durata de stabilitate termică a formei solicitată termic şi mecanic gradul de rotunjire a granulelor de nisip măreşte TFE deoarece se micşorează volumul de pori din formă

ndashcoeficientul de dilatare a granulelor de nisip α măreşte TFE ndashcontracţia ε1 a peliculelor de liant măreşte TFEndashdimensiunile granulelor (d) de nisip micşorează TFE ca

urmare a volumului mai mare de pori şi deci a posibilităţii de micşorare a valorii tensiunilor prin redistribuirea şi deplasarea granulelor

ndashumiditatea pereţilor formei (u) icircn zona de condensaţie măreşte TFE ca urmare a micşorării rezistenţei la compresiune a peretelui formei σc de asemenea uscarea formelor micşorează TFE

ndashtemperatura de contact (tc) măreşte TFE ca urmare a intensificării proceselor de temperatură structurală a componentelor amestecului şi a creşterii gradientului de temperatură icircn peretele formei

ndashrezistenţa (Rt) micşorează TFEndashadaosurile organice ca de exemplu substanţele carbonice icircn

proporţie de 2 ndash 8 făina de lemn (micşorează TFE deoarece prin arderea lor determină creşterea volumului de pori)

ndashgradul de icircndesare a amestecului de formare (măreşte TFE datorită micşorării volumului de pori acest fapt se constată mai ales icircn cazul formelor obţinute din amestecuri icircndesate la presiuni ridicare)

9

ndashadaosurile de oxid de fier icircn proporţie de 2 ndash 4 (micşorează TFE datorită formării fazei lichide din sistemul FeOSiO2 care după solidificare creează un schelet rigid icircn jurul granulelor de nisip şi deci măreşte rezistenţa la cald (Rt)

ndashcantitatea de liant (micşorează TFE datorită creşterii rezistenţei la rupere adezivă şi coezivă şi deci a rezistenţei la temperatură (Rt)

Formele din sistemul cuarţos-argilă (bentonită) la icircnceput se dilată spre interiorul cavităţii (deformare pozitivă) dimensiunilor acestora se micşorează pentru ca după un oarecare timp sensul deformării să se schimbe icircn sensul creşterii dimensiunilor cavităţii (deformare negativă) (fig 67 a şi b)

Fig 67 Deformarea pereţilor formei crude (a) şi uscate (b) icircn cazul turnării oţelului cu 03 C

Deformarea şi deci dimensiunile umflăturilor la suprafaţa pieselor sunt cu atacirct mai pronunţate cu cacirct temperatura de contact (la interfaţă) umiditatea icircn amestec şi presiunea metalostatică sunt mai mari (fig 67)

Formele cu lianţi organici sintetici şi naturali pot fi icircmpărţite icircn trei clase icircn funcţie de natura lianţilor

ndashclasa 1 heteroatomice (O N) şi cu lanţuri carbonice saturate (de exemplu dextrina leşia sulfitică răşini ureo-aldehidice polivinilacetatul polivinilbutirolul etc) caracterizate printr-o stabilitate termică scazută (v tab 6 4)

ndashclasa 2 ndash cu lanţuri carbonice nesaturate şi cu proces de polimerizare cu structura carbonului tridimensională caracterizate prin

10

rezistenţă termică mare (de exemplu uleiul de in bachelita răşinile furanice tab 64) cu temperatura de icircnceput de distrugere la 542 ndash 600oC

ndashclasa 3 ndash combinaţii organo-metalice ale Si Ti Zr (de exemplu silicatul de etil tab 64) care prezintă o rezistenţă termică ridicată

Tabelul 64Clasificarea şi structura lianţilor organici

Clasa icircn funcţie de legătura structu-

rală

Grupa icircn funcţie de

natura chimică

Caracteristica structurii

Liantul tipic şi compoziţia lui

Temperatura medie de disociereTmed oC

1 2 3 4 5

1

Polizaharide (amidon dextrină melasă)

C6H10O4

Dextrină C-431H-59O-51

270

Melasa C-42 H-64 O-516

270

Lignosulfaţi (leşie sulfitică

C9H88O24(OCH3)096

(structura ligninei) grupele heterociclice şi aromatice-CHOH-CH2OH-O-CH3

-HSO3

Leşia alcoolosulfiţi ca C-415 H-53 O-472 S- 6

380

Răşini naturale (colofoniu şelac etc)

C19H29COOHColofoniu C-70 H- 10-12 H- 12-15

230-260 vaporizare

Răşini uleo-aldehidice (formaldehidă)

(-C-N-C-) şi (-C-O-C-)

Răşină formaldehidică (MF-17) C-39 H-6 N-30 O-25

300

11

Tabelul 64 (continuare)1 2 3 4 5

1

Nitro şi metilceluloze

-ONO2 -OCH3

Nitrolac C-286H-31 O-57N-113

185

Acetat de vinilH2C-CH-Nn

|O=C-CH3

Polivinilacetat C-557 H-7O- 373

250

Complecşi polivinilici

(-C-O-C-) şi (-C-C-)

Polivinilbutiral C-657 H-8 O-263

350

Polimeri organici (pe bază de alcool polivinilic polistiren etc)

- - 250-350

2

Gliceride ale acizilor nesaturaţi

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Ulei de in C-67H-8 O- 25

420

Răşini sintetice

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipicăC-916H-48 O- 25 S+N ndash 11

500

Răşini fenol formaldehidice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Bachelită pulbereC-80 H-6 O- 14

470

Răşini furanice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipică FF-SC-73 H-6O- 21

500

FA-SC-71 H-5O- 24

500

Răşini indencumaron

(-C-C-) şi (-C=C-)Răşina tipicăC-88H-68 O-50

450

3

Polimeri organici ai silicatului de etil şi ai altor substante cu Si Ti Zr

(-O-E(R)2+O-)X

UNDE E= Si Ti ZrR= radicalul alcoolului Peste 600oC liantul prezinta SiO2 TiO2 ZrO2

La organosilicic cu lanţ siloxanic (-O-Si-O) şi radicali aromatici

600

Apa (se dă pentru comparaţie)

H2OH-111O- 889

100 fierbe

Tabelul 64 (continuare)

12

Clasificarea şi structura lianţilor organiciClasa icircn funcţie de legă-

tura structu-

rală

Degajarea de substanţe organice

(de greut)

Produsele după disocierea completă

1100oC

Tendinţa de degajare a gazelor

Gaz mgmiddotatomg

Carbon mgmiddotatomg

Volum (la 1400oC) Vcm3g

Viteza relativă

W=VTmed

1 6 7 8 9 10

1

lt50062 0004 8500 3150064 0003 8800 326

lt30 0056 0005 7700 2025-8 0060 0048 8200 350

10-12 0065 0018 7600 252

1

1-2 0054 0 7400 4001 0058 0023 7900 3181 0056 0040 7700 220

1-10 - - 8000 300

2lt30 0055 0040 7500 180lt60 0026 0074 3600 72lt50 0039 0057 5350 114lt50 0042 0048 5800 116lt60 0040 0044 5500 110lt30 0037 0065 5100 102

3lt80 SiO2+C - - - -

- 0055 - 7600 7601polimeri heteroatomici şi cu lanţuri carbonice saturate 2polimeri cu lanţuri carbonice plane şi tridimensionale nesaturate 3combinaţii organo-metalice

La icircncălzire lianţii din clasa 1 se descompun prin volatilizare la temperaturi de 200 - 300oC procese icircnsoţite de creşterea temperaturii şi pierderea greutăţii (vezi curbele de variaţie a temperaturii şi greutăţii din fig 68 c d şi f) Pierderea de greutate poate ajunge pacircnă la 90 Vacircrfurile endoterme constatate la lianţi răşini uleo-aldehinice şi polivinilacetat se explică prin degajarea amoniacului şi a vaporilor de apă (icircn primul caz) şi a volatilizării grupelor acetilenice (icircn cazul al doilea) Cea mai mare parte din produsele cărbunoase posedă o structură poroasă şi se oxidează repede la icircncălzirea ulterioară a liantului

13

Fig 68 Variaţia temperaturii şi greutăţii icircnregistrate la icircncălzirea unor lianţi organici

a ndash răşină furanică b ndash răşină formaldehidică (bachelita pulbere) c ndash răşină d ndash nitrolac e ndash răşină ureo-formaldehidică f ndash polivinilacetat

Lianţii din clasa 2 la icircncălzire formează structuri -C-C noi tridimensionale ceea ce se reflectă pe curbele termice prin efecte exotermice la temperaturi de 200 ndash 400oC (fig 68 a b şi c) Cu creşterea temperaturii se formează compuşi carbonici cu tendinţă mare de oxidare (icircn cantitate de 50 din cea de liant) care se depun pe suprafaţă granulelor de cuarţ şi icircn porii formei

14

Schema proceselor de descompunere a lianţilor organici din clasa 1 şi 2 este următoarea

Lianţii din clasa 3 prezintă un proces de descompunere termică a radicalilor organici icircn intervalul de temperatură 300 ndash 500oC asiguracircnd icircnsă la temperaturi ridicate un liant de tip gel (structura oxidică) cu rezistenţă termică ridicată

La temperaturi ridicate ale formei (peste 1100oC cazul turnării oţelului) viteza de carbonizare este mai mare decacirct cea de degajare a volatilelor (fig 69) Rezultă o precipitare intensă de compuşi carbonici (cărbune lucios) Atomii de H şi de N din liant se degajă sub formă moleculară (H2 şi N2) iar O şi S sub formă de compuşi (CO şi SO2) Carbonul lucios se depune sub formă de pelicule pe granulele de cuarţ are o structură cristalină similară grafitului şi posedă o valoare ridicată a densităţii şi conductivităţii termice (ρ = 19 ndash 22 gcm3 λ pacircnă la 70 kcalmmiddothmiddotgrad faţă de ρ = 15 ndash 16 gcm3 λ = 08 ndash 2 kcalmhgrad pentru carbonul amorf) precum şi o rezistenţă de 3 - 5 ori mai mare la oxidare faţă de carbonul amorf

Lianţi organici-polimeri

Ruperea legăturilor intermoleculare

Formarea radicalilor cu multe

molecule (nevolatile)

Formarea radicalilor cu molecule puţine

(volatile)

Polimerizarea radicalilor cu formarea unor legături carbonice

carbonice noi

Deshidratarea cu precipitarea de compuşi solizi carbinici

Formarea şi degajarea de compuşi volatili icircn

zona de icircncălzire

15

Fig 69 Variaţia timpului icircn care se desfăşoară procesele de carbonizare şi volatilizare icircn zona de contact metal-formă icircn funcţie de temperatură

1 ndash carbonizare 2 ndash volatilizare

Temperatura de descompunere termică cu formare de carbon lucios depinde de natura liantului organic ea este mai mică pentru compuşii aromatici nesaturaţi şi cei furanici icircn comparaţie cu substanţele alifatice saturate (fig 610) Aşadar procesul de carbonizare nu depinde de cantitatea totală de gaze degajate la icircncălzire ci de conţinutul compuşilor cu structura nesaturată cu precădere aromatică Icircn condiţii de temperaturi ridicate aproape toţi lianţii degajă carbon lucios icircn proporţie apropiată de cea teoretică (fig 610)

Rezultă că formele cu răşini posedă o rezistenţă termică foarte scăzută icircn intervalul de temperatură 1200 - 1600oC Cu toate acestea icircn cazul folosirii lor la turnarea oţelului se constată o tendinţă mai mică de formare a excrescenţelor la suprafaţa pieselor turnate Explicaţia constă icircn aceea că prin descompunerea totală a lianţilor organici creşte substanţial volumul de pori ceea ce determină micşorarea dilatării (fig 66 a curba 3) şi a valorii tensiunilor (fig 66 b curba 2) icircn comparaţie cu formele din amestec cu argilă Ca urmare scade tendinţa de fisurare şi exfoliere Icircn amestecurile cu răşini se folosesc icircntăritori de tipul

16

acidului ortofosforic care la temperaturi ridicate conduce la formarea anhidridei fosforice P2O5 care nu se descompune ci joacă rol de liant

Fig 610 Dependenţa de formare a carbonului lucios icircn funcţie de temperatura suprafeţei de contact a formei

1 ndash răşină formaldehidică 2 ndash răşină fenolică 3 ndash fenantren 4 ndash răşină indencumaron 5 ndash antracen 6 ndash naftalină 7 ndash parafină 8 ndash stearină 9 ndash furfurol

Formele realizate din amestecuri pe bază de nisip cuarţos şi lianţi anorganici sintetici (silicat de sodiu ciment metalofosfaţi) sunt folosite pe scară largă la turnarea oţelului La icircncălzire icircn aceste forme au loc următoarele procese fizico-chimice mai importante

ndashdilatatrea granulelor de nisip cuarţos

17

ndashcontracţia peliculelor de liant datorită deshidratării şi datorită disocierii carbonaţilor rezultaţi la icircntărirea cu CO2

Curba rezultantă pentru amestecuri este de tipul celei prezentate icircn figura 611

a b

Fig 611 Curbele de dilatare şi contracţie a amestecurilor cu silicat

de sodiu icircn condiţiile icircncălzirii la diferite temperaturi

c

a ndash deformarea icircn condiţiile aplicării sarcinilor de 01 MPa (curba 1) şi de 04 MPa (curba 2) b ndash viteza de deformare la formele neuscate (curba 3) şi uscate (curba 4) c ndash dilatarea şi contracţia amestesurilor pe bază de cromomagnezită la 1350degC la presiuni de 01 MPa pentru fracţii de dimensiuni mari (curba 5) şi medii (curba 6) şi

fracţii mici (curba 7)

Rezultă că icircn final amestecurile se contractă similar amestecurilor cu argilă icircnsă icircntr-o mai mică măsură Odată cu mărirea presiunii metalostatice creşte dilatarea şi viteza de dilatare (fig 611 a şi b) Adaosurile de argilă micşorează dilatarea Ca urmare formele pe bază de silicat de sodiu prezintă o mare tendinţă de fisurare şi deci de formare a excrescenţelor metalice Procesul de deformare la aceste amestecuri este puternic influenţat de dimensiunile granulelor de nisip rezistenţa la deformare scade odată cu micşorarea fracţiilor mici (pulberi) (fig 611 c) ceea ce se explică prin creşterea volumului de

18

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 10: INTERACT MF cap6_19august.doc

ndashadaosurile de oxid de fier icircn proporţie de 2 ndash 4 (micşorează TFE datorită formării fazei lichide din sistemul FeOSiO2 care după solidificare creează un schelet rigid icircn jurul granulelor de nisip şi deci măreşte rezistenţa la cald (Rt)

ndashcantitatea de liant (micşorează TFE datorită creşterii rezistenţei la rupere adezivă şi coezivă şi deci a rezistenţei la temperatură (Rt)

Formele din sistemul cuarţos-argilă (bentonită) la icircnceput se dilată spre interiorul cavităţii (deformare pozitivă) dimensiunilor acestora se micşorează pentru ca după un oarecare timp sensul deformării să se schimbe icircn sensul creşterii dimensiunilor cavităţii (deformare negativă) (fig 67 a şi b)

Fig 67 Deformarea pereţilor formei crude (a) şi uscate (b) icircn cazul turnării oţelului cu 03 C

Deformarea şi deci dimensiunile umflăturilor la suprafaţa pieselor sunt cu atacirct mai pronunţate cu cacirct temperatura de contact (la interfaţă) umiditatea icircn amestec şi presiunea metalostatică sunt mai mari (fig 67)

Formele cu lianţi organici sintetici şi naturali pot fi icircmpărţite icircn trei clase icircn funcţie de natura lianţilor

ndashclasa 1 heteroatomice (O N) şi cu lanţuri carbonice saturate (de exemplu dextrina leşia sulfitică răşini ureo-aldehidice polivinilacetatul polivinilbutirolul etc) caracterizate printr-o stabilitate termică scazută (v tab 6 4)

ndashclasa 2 ndash cu lanţuri carbonice nesaturate şi cu proces de polimerizare cu structura carbonului tridimensională caracterizate prin

10

rezistenţă termică mare (de exemplu uleiul de in bachelita răşinile furanice tab 64) cu temperatura de icircnceput de distrugere la 542 ndash 600oC

ndashclasa 3 ndash combinaţii organo-metalice ale Si Ti Zr (de exemplu silicatul de etil tab 64) care prezintă o rezistenţă termică ridicată

Tabelul 64Clasificarea şi structura lianţilor organici

Clasa icircn funcţie de legătura structu-

rală

Grupa icircn funcţie de

natura chimică

Caracteristica structurii

Liantul tipic şi compoziţia lui

Temperatura medie de disociereTmed oC

1 2 3 4 5

1

Polizaharide (amidon dextrină melasă)

C6H10O4

Dextrină C-431H-59O-51

270

Melasa C-42 H-64 O-516

270

Lignosulfaţi (leşie sulfitică

C9H88O24(OCH3)096

(structura ligninei) grupele heterociclice şi aromatice-CHOH-CH2OH-O-CH3

-HSO3

Leşia alcoolosulfiţi ca C-415 H-53 O-472 S- 6

380

Răşini naturale (colofoniu şelac etc)

C19H29COOHColofoniu C-70 H- 10-12 H- 12-15

230-260 vaporizare

Răşini uleo-aldehidice (formaldehidă)

(-C-N-C-) şi (-C-O-C-)

Răşină formaldehidică (MF-17) C-39 H-6 N-30 O-25

300

11

Tabelul 64 (continuare)1 2 3 4 5

1

Nitro şi metilceluloze

-ONO2 -OCH3

Nitrolac C-286H-31 O-57N-113

185

Acetat de vinilH2C-CH-Nn

|O=C-CH3

Polivinilacetat C-557 H-7O- 373

250

Complecşi polivinilici

(-C-O-C-) şi (-C-C-)

Polivinilbutiral C-657 H-8 O-263

350

Polimeri organici (pe bază de alcool polivinilic polistiren etc)

- - 250-350

2

Gliceride ale acizilor nesaturaţi

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Ulei de in C-67H-8 O- 25

420

Răşini sintetice

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipicăC-916H-48 O- 25 S+N ndash 11

500

Răşini fenol formaldehidice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Bachelită pulbereC-80 H-6 O- 14

470

Răşini furanice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipică FF-SC-73 H-6O- 21

500

FA-SC-71 H-5O- 24

500

Răşini indencumaron

(-C-C-) şi (-C=C-)Răşina tipicăC-88H-68 O-50

450

3

Polimeri organici ai silicatului de etil şi ai altor substante cu Si Ti Zr

(-O-E(R)2+O-)X

UNDE E= Si Ti ZrR= radicalul alcoolului Peste 600oC liantul prezinta SiO2 TiO2 ZrO2

La organosilicic cu lanţ siloxanic (-O-Si-O) şi radicali aromatici

600

Apa (se dă pentru comparaţie)

H2OH-111O- 889

100 fierbe

Tabelul 64 (continuare)

12

Clasificarea şi structura lianţilor organiciClasa icircn funcţie de legă-

tura structu-

rală

Degajarea de substanţe organice

(de greut)

Produsele după disocierea completă

1100oC

Tendinţa de degajare a gazelor

Gaz mgmiddotatomg

Carbon mgmiddotatomg

Volum (la 1400oC) Vcm3g

Viteza relativă

W=VTmed

1 6 7 8 9 10

1

lt50062 0004 8500 3150064 0003 8800 326

lt30 0056 0005 7700 2025-8 0060 0048 8200 350

10-12 0065 0018 7600 252

1

1-2 0054 0 7400 4001 0058 0023 7900 3181 0056 0040 7700 220

1-10 - - 8000 300

2lt30 0055 0040 7500 180lt60 0026 0074 3600 72lt50 0039 0057 5350 114lt50 0042 0048 5800 116lt60 0040 0044 5500 110lt30 0037 0065 5100 102

3lt80 SiO2+C - - - -

- 0055 - 7600 7601polimeri heteroatomici şi cu lanţuri carbonice saturate 2polimeri cu lanţuri carbonice plane şi tridimensionale nesaturate 3combinaţii organo-metalice

La icircncălzire lianţii din clasa 1 se descompun prin volatilizare la temperaturi de 200 - 300oC procese icircnsoţite de creşterea temperaturii şi pierderea greutăţii (vezi curbele de variaţie a temperaturii şi greutăţii din fig 68 c d şi f) Pierderea de greutate poate ajunge pacircnă la 90 Vacircrfurile endoterme constatate la lianţi răşini uleo-aldehinice şi polivinilacetat se explică prin degajarea amoniacului şi a vaporilor de apă (icircn primul caz) şi a volatilizării grupelor acetilenice (icircn cazul al doilea) Cea mai mare parte din produsele cărbunoase posedă o structură poroasă şi se oxidează repede la icircncălzirea ulterioară a liantului

13

Fig 68 Variaţia temperaturii şi greutăţii icircnregistrate la icircncălzirea unor lianţi organici

a ndash răşină furanică b ndash răşină formaldehidică (bachelita pulbere) c ndash răşină d ndash nitrolac e ndash răşină ureo-formaldehidică f ndash polivinilacetat

Lianţii din clasa 2 la icircncălzire formează structuri -C-C noi tridimensionale ceea ce se reflectă pe curbele termice prin efecte exotermice la temperaturi de 200 ndash 400oC (fig 68 a b şi c) Cu creşterea temperaturii se formează compuşi carbonici cu tendinţă mare de oxidare (icircn cantitate de 50 din cea de liant) care se depun pe suprafaţă granulelor de cuarţ şi icircn porii formei

14

Schema proceselor de descompunere a lianţilor organici din clasa 1 şi 2 este următoarea

Lianţii din clasa 3 prezintă un proces de descompunere termică a radicalilor organici icircn intervalul de temperatură 300 ndash 500oC asiguracircnd icircnsă la temperaturi ridicate un liant de tip gel (structura oxidică) cu rezistenţă termică ridicată

La temperaturi ridicate ale formei (peste 1100oC cazul turnării oţelului) viteza de carbonizare este mai mare decacirct cea de degajare a volatilelor (fig 69) Rezultă o precipitare intensă de compuşi carbonici (cărbune lucios) Atomii de H şi de N din liant se degajă sub formă moleculară (H2 şi N2) iar O şi S sub formă de compuşi (CO şi SO2) Carbonul lucios se depune sub formă de pelicule pe granulele de cuarţ are o structură cristalină similară grafitului şi posedă o valoare ridicată a densităţii şi conductivităţii termice (ρ = 19 ndash 22 gcm3 λ pacircnă la 70 kcalmmiddothmiddotgrad faţă de ρ = 15 ndash 16 gcm3 λ = 08 ndash 2 kcalmhgrad pentru carbonul amorf) precum şi o rezistenţă de 3 - 5 ori mai mare la oxidare faţă de carbonul amorf

Lianţi organici-polimeri

Ruperea legăturilor intermoleculare

Formarea radicalilor cu multe

molecule (nevolatile)

Formarea radicalilor cu molecule puţine

(volatile)

Polimerizarea radicalilor cu formarea unor legături carbonice

carbonice noi

Deshidratarea cu precipitarea de compuşi solizi carbinici

Formarea şi degajarea de compuşi volatili icircn

zona de icircncălzire

15

Fig 69 Variaţia timpului icircn care se desfăşoară procesele de carbonizare şi volatilizare icircn zona de contact metal-formă icircn funcţie de temperatură

1 ndash carbonizare 2 ndash volatilizare

Temperatura de descompunere termică cu formare de carbon lucios depinde de natura liantului organic ea este mai mică pentru compuşii aromatici nesaturaţi şi cei furanici icircn comparaţie cu substanţele alifatice saturate (fig 610) Aşadar procesul de carbonizare nu depinde de cantitatea totală de gaze degajate la icircncălzire ci de conţinutul compuşilor cu structura nesaturată cu precădere aromatică Icircn condiţii de temperaturi ridicate aproape toţi lianţii degajă carbon lucios icircn proporţie apropiată de cea teoretică (fig 610)

Rezultă că formele cu răşini posedă o rezistenţă termică foarte scăzută icircn intervalul de temperatură 1200 - 1600oC Cu toate acestea icircn cazul folosirii lor la turnarea oţelului se constată o tendinţă mai mică de formare a excrescenţelor la suprafaţa pieselor turnate Explicaţia constă icircn aceea că prin descompunerea totală a lianţilor organici creşte substanţial volumul de pori ceea ce determină micşorarea dilatării (fig 66 a curba 3) şi a valorii tensiunilor (fig 66 b curba 2) icircn comparaţie cu formele din amestec cu argilă Ca urmare scade tendinţa de fisurare şi exfoliere Icircn amestecurile cu răşini se folosesc icircntăritori de tipul

16

acidului ortofosforic care la temperaturi ridicate conduce la formarea anhidridei fosforice P2O5 care nu se descompune ci joacă rol de liant

Fig 610 Dependenţa de formare a carbonului lucios icircn funcţie de temperatura suprafeţei de contact a formei

1 ndash răşină formaldehidică 2 ndash răşină fenolică 3 ndash fenantren 4 ndash răşină indencumaron 5 ndash antracen 6 ndash naftalină 7 ndash parafină 8 ndash stearină 9 ndash furfurol

Formele realizate din amestecuri pe bază de nisip cuarţos şi lianţi anorganici sintetici (silicat de sodiu ciment metalofosfaţi) sunt folosite pe scară largă la turnarea oţelului La icircncălzire icircn aceste forme au loc următoarele procese fizico-chimice mai importante

ndashdilatatrea granulelor de nisip cuarţos

17

ndashcontracţia peliculelor de liant datorită deshidratării şi datorită disocierii carbonaţilor rezultaţi la icircntărirea cu CO2

Curba rezultantă pentru amestecuri este de tipul celei prezentate icircn figura 611

a b

Fig 611 Curbele de dilatare şi contracţie a amestecurilor cu silicat

de sodiu icircn condiţiile icircncălzirii la diferite temperaturi

c

a ndash deformarea icircn condiţiile aplicării sarcinilor de 01 MPa (curba 1) şi de 04 MPa (curba 2) b ndash viteza de deformare la formele neuscate (curba 3) şi uscate (curba 4) c ndash dilatarea şi contracţia amestesurilor pe bază de cromomagnezită la 1350degC la presiuni de 01 MPa pentru fracţii de dimensiuni mari (curba 5) şi medii (curba 6) şi

fracţii mici (curba 7)

Rezultă că icircn final amestecurile se contractă similar amestecurilor cu argilă icircnsă icircntr-o mai mică măsură Odată cu mărirea presiunii metalostatice creşte dilatarea şi viteza de dilatare (fig 611 a şi b) Adaosurile de argilă micşorează dilatarea Ca urmare formele pe bază de silicat de sodiu prezintă o mare tendinţă de fisurare şi deci de formare a excrescenţelor metalice Procesul de deformare la aceste amestecuri este puternic influenţat de dimensiunile granulelor de nisip rezistenţa la deformare scade odată cu micşorarea fracţiilor mici (pulberi) (fig 611 c) ceea ce se explică prin creşterea volumului de

18

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 11: INTERACT MF cap6_19august.doc

rezistenţă termică mare (de exemplu uleiul de in bachelita răşinile furanice tab 64) cu temperatura de icircnceput de distrugere la 542 ndash 600oC

ndashclasa 3 ndash combinaţii organo-metalice ale Si Ti Zr (de exemplu silicatul de etil tab 64) care prezintă o rezistenţă termică ridicată

Tabelul 64Clasificarea şi structura lianţilor organici

Clasa icircn funcţie de legătura structu-

rală

Grupa icircn funcţie de

natura chimică

Caracteristica structurii

Liantul tipic şi compoziţia lui

Temperatura medie de disociereTmed oC

1 2 3 4 5

1

Polizaharide (amidon dextrină melasă)

C6H10O4

Dextrină C-431H-59O-51

270

Melasa C-42 H-64 O-516

270

Lignosulfaţi (leşie sulfitică

C9H88O24(OCH3)096

(structura ligninei) grupele heterociclice şi aromatice-CHOH-CH2OH-O-CH3

-HSO3

Leşia alcoolosulfiţi ca C-415 H-53 O-472 S- 6

380

Răşini naturale (colofoniu şelac etc)

C19H29COOHColofoniu C-70 H- 10-12 H- 12-15

230-260 vaporizare

Răşini uleo-aldehidice (formaldehidă)

(-C-N-C-) şi (-C-O-C-)

Răşină formaldehidică (MF-17) C-39 H-6 N-30 O-25

300

11

Tabelul 64 (continuare)1 2 3 4 5

1

Nitro şi metilceluloze

-ONO2 -OCH3

Nitrolac C-286H-31 O-57N-113

185

Acetat de vinilH2C-CH-Nn

|O=C-CH3

Polivinilacetat C-557 H-7O- 373

250

Complecşi polivinilici

(-C-O-C-) şi (-C-C-)

Polivinilbutiral C-657 H-8 O-263

350

Polimeri organici (pe bază de alcool polivinilic polistiren etc)

- - 250-350

2

Gliceride ale acizilor nesaturaţi

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Ulei de in C-67H-8 O- 25

420

Răşini sintetice

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipicăC-916H-48 O- 25 S+N ndash 11

500

Răşini fenol formaldehidice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Bachelită pulbereC-80 H-6 O- 14

470

Răşini furanice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipică FF-SC-73 H-6O- 21

500

FA-SC-71 H-5O- 24

500

Răşini indencumaron

(-C-C-) şi (-C=C-)Răşina tipicăC-88H-68 O-50

450

3

Polimeri organici ai silicatului de etil şi ai altor substante cu Si Ti Zr

(-O-E(R)2+O-)X

UNDE E= Si Ti ZrR= radicalul alcoolului Peste 600oC liantul prezinta SiO2 TiO2 ZrO2

La organosilicic cu lanţ siloxanic (-O-Si-O) şi radicali aromatici

600

Apa (se dă pentru comparaţie)

H2OH-111O- 889

100 fierbe

Tabelul 64 (continuare)

12

Clasificarea şi structura lianţilor organiciClasa icircn funcţie de legă-

tura structu-

rală

Degajarea de substanţe organice

(de greut)

Produsele după disocierea completă

1100oC

Tendinţa de degajare a gazelor

Gaz mgmiddotatomg

Carbon mgmiddotatomg

Volum (la 1400oC) Vcm3g

Viteza relativă

W=VTmed

1 6 7 8 9 10

1

lt50062 0004 8500 3150064 0003 8800 326

lt30 0056 0005 7700 2025-8 0060 0048 8200 350

10-12 0065 0018 7600 252

1

1-2 0054 0 7400 4001 0058 0023 7900 3181 0056 0040 7700 220

1-10 - - 8000 300

2lt30 0055 0040 7500 180lt60 0026 0074 3600 72lt50 0039 0057 5350 114lt50 0042 0048 5800 116lt60 0040 0044 5500 110lt30 0037 0065 5100 102

3lt80 SiO2+C - - - -

- 0055 - 7600 7601polimeri heteroatomici şi cu lanţuri carbonice saturate 2polimeri cu lanţuri carbonice plane şi tridimensionale nesaturate 3combinaţii organo-metalice

La icircncălzire lianţii din clasa 1 se descompun prin volatilizare la temperaturi de 200 - 300oC procese icircnsoţite de creşterea temperaturii şi pierderea greutăţii (vezi curbele de variaţie a temperaturii şi greutăţii din fig 68 c d şi f) Pierderea de greutate poate ajunge pacircnă la 90 Vacircrfurile endoterme constatate la lianţi răşini uleo-aldehinice şi polivinilacetat se explică prin degajarea amoniacului şi a vaporilor de apă (icircn primul caz) şi a volatilizării grupelor acetilenice (icircn cazul al doilea) Cea mai mare parte din produsele cărbunoase posedă o structură poroasă şi se oxidează repede la icircncălzirea ulterioară a liantului

13

Fig 68 Variaţia temperaturii şi greutăţii icircnregistrate la icircncălzirea unor lianţi organici

a ndash răşină furanică b ndash răşină formaldehidică (bachelita pulbere) c ndash răşină d ndash nitrolac e ndash răşină ureo-formaldehidică f ndash polivinilacetat

Lianţii din clasa 2 la icircncălzire formează structuri -C-C noi tridimensionale ceea ce se reflectă pe curbele termice prin efecte exotermice la temperaturi de 200 ndash 400oC (fig 68 a b şi c) Cu creşterea temperaturii se formează compuşi carbonici cu tendinţă mare de oxidare (icircn cantitate de 50 din cea de liant) care se depun pe suprafaţă granulelor de cuarţ şi icircn porii formei

14

Schema proceselor de descompunere a lianţilor organici din clasa 1 şi 2 este următoarea

Lianţii din clasa 3 prezintă un proces de descompunere termică a radicalilor organici icircn intervalul de temperatură 300 ndash 500oC asiguracircnd icircnsă la temperaturi ridicate un liant de tip gel (structura oxidică) cu rezistenţă termică ridicată

La temperaturi ridicate ale formei (peste 1100oC cazul turnării oţelului) viteza de carbonizare este mai mare decacirct cea de degajare a volatilelor (fig 69) Rezultă o precipitare intensă de compuşi carbonici (cărbune lucios) Atomii de H şi de N din liant se degajă sub formă moleculară (H2 şi N2) iar O şi S sub formă de compuşi (CO şi SO2) Carbonul lucios se depune sub formă de pelicule pe granulele de cuarţ are o structură cristalină similară grafitului şi posedă o valoare ridicată a densităţii şi conductivităţii termice (ρ = 19 ndash 22 gcm3 λ pacircnă la 70 kcalmmiddothmiddotgrad faţă de ρ = 15 ndash 16 gcm3 λ = 08 ndash 2 kcalmhgrad pentru carbonul amorf) precum şi o rezistenţă de 3 - 5 ori mai mare la oxidare faţă de carbonul amorf

Lianţi organici-polimeri

Ruperea legăturilor intermoleculare

Formarea radicalilor cu multe

molecule (nevolatile)

Formarea radicalilor cu molecule puţine

(volatile)

Polimerizarea radicalilor cu formarea unor legături carbonice

carbonice noi

Deshidratarea cu precipitarea de compuşi solizi carbinici

Formarea şi degajarea de compuşi volatili icircn

zona de icircncălzire

15

Fig 69 Variaţia timpului icircn care se desfăşoară procesele de carbonizare şi volatilizare icircn zona de contact metal-formă icircn funcţie de temperatură

1 ndash carbonizare 2 ndash volatilizare

Temperatura de descompunere termică cu formare de carbon lucios depinde de natura liantului organic ea este mai mică pentru compuşii aromatici nesaturaţi şi cei furanici icircn comparaţie cu substanţele alifatice saturate (fig 610) Aşadar procesul de carbonizare nu depinde de cantitatea totală de gaze degajate la icircncălzire ci de conţinutul compuşilor cu structura nesaturată cu precădere aromatică Icircn condiţii de temperaturi ridicate aproape toţi lianţii degajă carbon lucios icircn proporţie apropiată de cea teoretică (fig 610)

Rezultă că formele cu răşini posedă o rezistenţă termică foarte scăzută icircn intervalul de temperatură 1200 - 1600oC Cu toate acestea icircn cazul folosirii lor la turnarea oţelului se constată o tendinţă mai mică de formare a excrescenţelor la suprafaţa pieselor turnate Explicaţia constă icircn aceea că prin descompunerea totală a lianţilor organici creşte substanţial volumul de pori ceea ce determină micşorarea dilatării (fig 66 a curba 3) şi a valorii tensiunilor (fig 66 b curba 2) icircn comparaţie cu formele din amestec cu argilă Ca urmare scade tendinţa de fisurare şi exfoliere Icircn amestecurile cu răşini se folosesc icircntăritori de tipul

16

acidului ortofosforic care la temperaturi ridicate conduce la formarea anhidridei fosforice P2O5 care nu se descompune ci joacă rol de liant

Fig 610 Dependenţa de formare a carbonului lucios icircn funcţie de temperatura suprafeţei de contact a formei

1 ndash răşină formaldehidică 2 ndash răşină fenolică 3 ndash fenantren 4 ndash răşină indencumaron 5 ndash antracen 6 ndash naftalină 7 ndash parafină 8 ndash stearină 9 ndash furfurol

Formele realizate din amestecuri pe bază de nisip cuarţos şi lianţi anorganici sintetici (silicat de sodiu ciment metalofosfaţi) sunt folosite pe scară largă la turnarea oţelului La icircncălzire icircn aceste forme au loc următoarele procese fizico-chimice mai importante

ndashdilatatrea granulelor de nisip cuarţos

17

ndashcontracţia peliculelor de liant datorită deshidratării şi datorită disocierii carbonaţilor rezultaţi la icircntărirea cu CO2

Curba rezultantă pentru amestecuri este de tipul celei prezentate icircn figura 611

a b

Fig 611 Curbele de dilatare şi contracţie a amestecurilor cu silicat

de sodiu icircn condiţiile icircncălzirii la diferite temperaturi

c

a ndash deformarea icircn condiţiile aplicării sarcinilor de 01 MPa (curba 1) şi de 04 MPa (curba 2) b ndash viteza de deformare la formele neuscate (curba 3) şi uscate (curba 4) c ndash dilatarea şi contracţia amestesurilor pe bază de cromomagnezită la 1350degC la presiuni de 01 MPa pentru fracţii de dimensiuni mari (curba 5) şi medii (curba 6) şi

fracţii mici (curba 7)

Rezultă că icircn final amestecurile se contractă similar amestecurilor cu argilă icircnsă icircntr-o mai mică măsură Odată cu mărirea presiunii metalostatice creşte dilatarea şi viteza de dilatare (fig 611 a şi b) Adaosurile de argilă micşorează dilatarea Ca urmare formele pe bază de silicat de sodiu prezintă o mare tendinţă de fisurare şi deci de formare a excrescenţelor metalice Procesul de deformare la aceste amestecuri este puternic influenţat de dimensiunile granulelor de nisip rezistenţa la deformare scade odată cu micşorarea fracţiilor mici (pulberi) (fig 611 c) ceea ce se explică prin creşterea volumului de

18

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 12: INTERACT MF cap6_19august.doc

Tabelul 64 (continuare)1 2 3 4 5

1

Nitro şi metilceluloze

-ONO2 -OCH3

Nitrolac C-286H-31 O-57N-113

185

Acetat de vinilH2C-CH-Nn

|O=C-CH3

Polivinilacetat C-557 H-7O- 373

250

Complecşi polivinilici

(-C-O-C-) şi (-C-C-)

Polivinilbutiral C-657 H-8 O-263

350

Polimeri organici (pe bază de alcool polivinilic polistiren etc)

- - 250-350

2

Gliceride ale acizilor nesaturaţi

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Ulei de in C-67H-8 O- 25

420

Răşini sintetice

(-C-O-C-) (-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipicăC-916H-48 O- 25 S+N ndash 11

500

Răşini fenol formaldehidice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Bachelită pulbereC-80 H-6 O- 14

470

Răşini furanice

(-C-C-) şi (-C=C-)

Răşina tipică FF-SC-73 H-6O- 21

500

FA-SC-71 H-5O- 24

500

Răşini indencumaron

(-C-C-) şi (-C=C-)Răşina tipicăC-88H-68 O-50

450

3

Polimeri organici ai silicatului de etil şi ai altor substante cu Si Ti Zr

(-O-E(R)2+O-)X

UNDE E= Si Ti ZrR= radicalul alcoolului Peste 600oC liantul prezinta SiO2 TiO2 ZrO2

La organosilicic cu lanţ siloxanic (-O-Si-O) şi radicali aromatici

600

Apa (se dă pentru comparaţie)

H2OH-111O- 889

100 fierbe

Tabelul 64 (continuare)

12

Clasificarea şi structura lianţilor organiciClasa icircn funcţie de legă-

tura structu-

rală

Degajarea de substanţe organice

(de greut)

Produsele după disocierea completă

1100oC

Tendinţa de degajare a gazelor

Gaz mgmiddotatomg

Carbon mgmiddotatomg

Volum (la 1400oC) Vcm3g

Viteza relativă

W=VTmed

1 6 7 8 9 10

1

lt50062 0004 8500 3150064 0003 8800 326

lt30 0056 0005 7700 2025-8 0060 0048 8200 350

10-12 0065 0018 7600 252

1

1-2 0054 0 7400 4001 0058 0023 7900 3181 0056 0040 7700 220

1-10 - - 8000 300

2lt30 0055 0040 7500 180lt60 0026 0074 3600 72lt50 0039 0057 5350 114lt50 0042 0048 5800 116lt60 0040 0044 5500 110lt30 0037 0065 5100 102

3lt80 SiO2+C - - - -

- 0055 - 7600 7601polimeri heteroatomici şi cu lanţuri carbonice saturate 2polimeri cu lanţuri carbonice plane şi tridimensionale nesaturate 3combinaţii organo-metalice

La icircncălzire lianţii din clasa 1 se descompun prin volatilizare la temperaturi de 200 - 300oC procese icircnsoţite de creşterea temperaturii şi pierderea greutăţii (vezi curbele de variaţie a temperaturii şi greutăţii din fig 68 c d şi f) Pierderea de greutate poate ajunge pacircnă la 90 Vacircrfurile endoterme constatate la lianţi răşini uleo-aldehinice şi polivinilacetat se explică prin degajarea amoniacului şi a vaporilor de apă (icircn primul caz) şi a volatilizării grupelor acetilenice (icircn cazul al doilea) Cea mai mare parte din produsele cărbunoase posedă o structură poroasă şi se oxidează repede la icircncălzirea ulterioară a liantului

13

Fig 68 Variaţia temperaturii şi greutăţii icircnregistrate la icircncălzirea unor lianţi organici

a ndash răşină furanică b ndash răşină formaldehidică (bachelita pulbere) c ndash răşină d ndash nitrolac e ndash răşină ureo-formaldehidică f ndash polivinilacetat

Lianţii din clasa 2 la icircncălzire formează structuri -C-C noi tridimensionale ceea ce se reflectă pe curbele termice prin efecte exotermice la temperaturi de 200 ndash 400oC (fig 68 a b şi c) Cu creşterea temperaturii se formează compuşi carbonici cu tendinţă mare de oxidare (icircn cantitate de 50 din cea de liant) care se depun pe suprafaţă granulelor de cuarţ şi icircn porii formei

14

Schema proceselor de descompunere a lianţilor organici din clasa 1 şi 2 este următoarea

Lianţii din clasa 3 prezintă un proces de descompunere termică a radicalilor organici icircn intervalul de temperatură 300 ndash 500oC asiguracircnd icircnsă la temperaturi ridicate un liant de tip gel (structura oxidică) cu rezistenţă termică ridicată

La temperaturi ridicate ale formei (peste 1100oC cazul turnării oţelului) viteza de carbonizare este mai mare decacirct cea de degajare a volatilelor (fig 69) Rezultă o precipitare intensă de compuşi carbonici (cărbune lucios) Atomii de H şi de N din liant se degajă sub formă moleculară (H2 şi N2) iar O şi S sub formă de compuşi (CO şi SO2) Carbonul lucios se depune sub formă de pelicule pe granulele de cuarţ are o structură cristalină similară grafitului şi posedă o valoare ridicată a densităţii şi conductivităţii termice (ρ = 19 ndash 22 gcm3 λ pacircnă la 70 kcalmmiddothmiddotgrad faţă de ρ = 15 ndash 16 gcm3 λ = 08 ndash 2 kcalmhgrad pentru carbonul amorf) precum şi o rezistenţă de 3 - 5 ori mai mare la oxidare faţă de carbonul amorf

Lianţi organici-polimeri

Ruperea legăturilor intermoleculare

Formarea radicalilor cu multe

molecule (nevolatile)

Formarea radicalilor cu molecule puţine

(volatile)

Polimerizarea radicalilor cu formarea unor legături carbonice

carbonice noi

Deshidratarea cu precipitarea de compuşi solizi carbinici

Formarea şi degajarea de compuşi volatili icircn

zona de icircncălzire

15

Fig 69 Variaţia timpului icircn care se desfăşoară procesele de carbonizare şi volatilizare icircn zona de contact metal-formă icircn funcţie de temperatură

1 ndash carbonizare 2 ndash volatilizare

Temperatura de descompunere termică cu formare de carbon lucios depinde de natura liantului organic ea este mai mică pentru compuşii aromatici nesaturaţi şi cei furanici icircn comparaţie cu substanţele alifatice saturate (fig 610) Aşadar procesul de carbonizare nu depinde de cantitatea totală de gaze degajate la icircncălzire ci de conţinutul compuşilor cu structura nesaturată cu precădere aromatică Icircn condiţii de temperaturi ridicate aproape toţi lianţii degajă carbon lucios icircn proporţie apropiată de cea teoretică (fig 610)

Rezultă că formele cu răşini posedă o rezistenţă termică foarte scăzută icircn intervalul de temperatură 1200 - 1600oC Cu toate acestea icircn cazul folosirii lor la turnarea oţelului se constată o tendinţă mai mică de formare a excrescenţelor la suprafaţa pieselor turnate Explicaţia constă icircn aceea că prin descompunerea totală a lianţilor organici creşte substanţial volumul de pori ceea ce determină micşorarea dilatării (fig 66 a curba 3) şi a valorii tensiunilor (fig 66 b curba 2) icircn comparaţie cu formele din amestec cu argilă Ca urmare scade tendinţa de fisurare şi exfoliere Icircn amestecurile cu răşini se folosesc icircntăritori de tipul

16

acidului ortofosforic care la temperaturi ridicate conduce la formarea anhidridei fosforice P2O5 care nu se descompune ci joacă rol de liant

Fig 610 Dependenţa de formare a carbonului lucios icircn funcţie de temperatura suprafeţei de contact a formei

1 ndash răşină formaldehidică 2 ndash răşină fenolică 3 ndash fenantren 4 ndash răşină indencumaron 5 ndash antracen 6 ndash naftalină 7 ndash parafină 8 ndash stearină 9 ndash furfurol

Formele realizate din amestecuri pe bază de nisip cuarţos şi lianţi anorganici sintetici (silicat de sodiu ciment metalofosfaţi) sunt folosite pe scară largă la turnarea oţelului La icircncălzire icircn aceste forme au loc următoarele procese fizico-chimice mai importante

ndashdilatatrea granulelor de nisip cuarţos

17

ndashcontracţia peliculelor de liant datorită deshidratării şi datorită disocierii carbonaţilor rezultaţi la icircntărirea cu CO2

Curba rezultantă pentru amestecuri este de tipul celei prezentate icircn figura 611

a b

Fig 611 Curbele de dilatare şi contracţie a amestecurilor cu silicat

de sodiu icircn condiţiile icircncălzirii la diferite temperaturi

c

a ndash deformarea icircn condiţiile aplicării sarcinilor de 01 MPa (curba 1) şi de 04 MPa (curba 2) b ndash viteza de deformare la formele neuscate (curba 3) şi uscate (curba 4) c ndash dilatarea şi contracţia amestesurilor pe bază de cromomagnezită la 1350degC la presiuni de 01 MPa pentru fracţii de dimensiuni mari (curba 5) şi medii (curba 6) şi

fracţii mici (curba 7)

Rezultă că icircn final amestecurile se contractă similar amestecurilor cu argilă icircnsă icircntr-o mai mică măsură Odată cu mărirea presiunii metalostatice creşte dilatarea şi viteza de dilatare (fig 611 a şi b) Adaosurile de argilă micşorează dilatarea Ca urmare formele pe bază de silicat de sodiu prezintă o mare tendinţă de fisurare şi deci de formare a excrescenţelor metalice Procesul de deformare la aceste amestecuri este puternic influenţat de dimensiunile granulelor de nisip rezistenţa la deformare scade odată cu micşorarea fracţiilor mici (pulberi) (fig 611 c) ceea ce se explică prin creşterea volumului de

18

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 13: INTERACT MF cap6_19august.doc

Clasificarea şi structura lianţilor organiciClasa icircn funcţie de legă-

tura structu-

rală

Degajarea de substanţe organice

(de greut)

Produsele după disocierea completă

1100oC

Tendinţa de degajare a gazelor

Gaz mgmiddotatomg

Carbon mgmiddotatomg

Volum (la 1400oC) Vcm3g

Viteza relativă

W=VTmed

1 6 7 8 9 10

1

lt50062 0004 8500 3150064 0003 8800 326

lt30 0056 0005 7700 2025-8 0060 0048 8200 350

10-12 0065 0018 7600 252

1

1-2 0054 0 7400 4001 0058 0023 7900 3181 0056 0040 7700 220

1-10 - - 8000 300

2lt30 0055 0040 7500 180lt60 0026 0074 3600 72lt50 0039 0057 5350 114lt50 0042 0048 5800 116lt60 0040 0044 5500 110lt30 0037 0065 5100 102

3lt80 SiO2+C - - - -

- 0055 - 7600 7601polimeri heteroatomici şi cu lanţuri carbonice saturate 2polimeri cu lanţuri carbonice plane şi tridimensionale nesaturate 3combinaţii organo-metalice

La icircncălzire lianţii din clasa 1 se descompun prin volatilizare la temperaturi de 200 - 300oC procese icircnsoţite de creşterea temperaturii şi pierderea greutăţii (vezi curbele de variaţie a temperaturii şi greutăţii din fig 68 c d şi f) Pierderea de greutate poate ajunge pacircnă la 90 Vacircrfurile endoterme constatate la lianţi răşini uleo-aldehinice şi polivinilacetat se explică prin degajarea amoniacului şi a vaporilor de apă (icircn primul caz) şi a volatilizării grupelor acetilenice (icircn cazul al doilea) Cea mai mare parte din produsele cărbunoase posedă o structură poroasă şi se oxidează repede la icircncălzirea ulterioară a liantului

13

Fig 68 Variaţia temperaturii şi greutăţii icircnregistrate la icircncălzirea unor lianţi organici

a ndash răşină furanică b ndash răşină formaldehidică (bachelita pulbere) c ndash răşină d ndash nitrolac e ndash răşină ureo-formaldehidică f ndash polivinilacetat

Lianţii din clasa 2 la icircncălzire formează structuri -C-C noi tridimensionale ceea ce se reflectă pe curbele termice prin efecte exotermice la temperaturi de 200 ndash 400oC (fig 68 a b şi c) Cu creşterea temperaturii se formează compuşi carbonici cu tendinţă mare de oxidare (icircn cantitate de 50 din cea de liant) care se depun pe suprafaţă granulelor de cuarţ şi icircn porii formei

14

Schema proceselor de descompunere a lianţilor organici din clasa 1 şi 2 este următoarea

Lianţii din clasa 3 prezintă un proces de descompunere termică a radicalilor organici icircn intervalul de temperatură 300 ndash 500oC asiguracircnd icircnsă la temperaturi ridicate un liant de tip gel (structura oxidică) cu rezistenţă termică ridicată

La temperaturi ridicate ale formei (peste 1100oC cazul turnării oţelului) viteza de carbonizare este mai mare decacirct cea de degajare a volatilelor (fig 69) Rezultă o precipitare intensă de compuşi carbonici (cărbune lucios) Atomii de H şi de N din liant se degajă sub formă moleculară (H2 şi N2) iar O şi S sub formă de compuşi (CO şi SO2) Carbonul lucios se depune sub formă de pelicule pe granulele de cuarţ are o structură cristalină similară grafitului şi posedă o valoare ridicată a densităţii şi conductivităţii termice (ρ = 19 ndash 22 gcm3 λ pacircnă la 70 kcalmmiddothmiddotgrad faţă de ρ = 15 ndash 16 gcm3 λ = 08 ndash 2 kcalmhgrad pentru carbonul amorf) precum şi o rezistenţă de 3 - 5 ori mai mare la oxidare faţă de carbonul amorf

Lianţi organici-polimeri

Ruperea legăturilor intermoleculare

Formarea radicalilor cu multe

molecule (nevolatile)

Formarea radicalilor cu molecule puţine

(volatile)

Polimerizarea radicalilor cu formarea unor legături carbonice

carbonice noi

Deshidratarea cu precipitarea de compuşi solizi carbinici

Formarea şi degajarea de compuşi volatili icircn

zona de icircncălzire

15

Fig 69 Variaţia timpului icircn care se desfăşoară procesele de carbonizare şi volatilizare icircn zona de contact metal-formă icircn funcţie de temperatură

1 ndash carbonizare 2 ndash volatilizare

Temperatura de descompunere termică cu formare de carbon lucios depinde de natura liantului organic ea este mai mică pentru compuşii aromatici nesaturaţi şi cei furanici icircn comparaţie cu substanţele alifatice saturate (fig 610) Aşadar procesul de carbonizare nu depinde de cantitatea totală de gaze degajate la icircncălzire ci de conţinutul compuşilor cu structura nesaturată cu precădere aromatică Icircn condiţii de temperaturi ridicate aproape toţi lianţii degajă carbon lucios icircn proporţie apropiată de cea teoretică (fig 610)

Rezultă că formele cu răşini posedă o rezistenţă termică foarte scăzută icircn intervalul de temperatură 1200 - 1600oC Cu toate acestea icircn cazul folosirii lor la turnarea oţelului se constată o tendinţă mai mică de formare a excrescenţelor la suprafaţa pieselor turnate Explicaţia constă icircn aceea că prin descompunerea totală a lianţilor organici creşte substanţial volumul de pori ceea ce determină micşorarea dilatării (fig 66 a curba 3) şi a valorii tensiunilor (fig 66 b curba 2) icircn comparaţie cu formele din amestec cu argilă Ca urmare scade tendinţa de fisurare şi exfoliere Icircn amestecurile cu răşini se folosesc icircntăritori de tipul

16

acidului ortofosforic care la temperaturi ridicate conduce la formarea anhidridei fosforice P2O5 care nu se descompune ci joacă rol de liant

Fig 610 Dependenţa de formare a carbonului lucios icircn funcţie de temperatura suprafeţei de contact a formei

1 ndash răşină formaldehidică 2 ndash răşină fenolică 3 ndash fenantren 4 ndash răşină indencumaron 5 ndash antracen 6 ndash naftalină 7 ndash parafină 8 ndash stearină 9 ndash furfurol

Formele realizate din amestecuri pe bază de nisip cuarţos şi lianţi anorganici sintetici (silicat de sodiu ciment metalofosfaţi) sunt folosite pe scară largă la turnarea oţelului La icircncălzire icircn aceste forme au loc următoarele procese fizico-chimice mai importante

ndashdilatatrea granulelor de nisip cuarţos

17

ndashcontracţia peliculelor de liant datorită deshidratării şi datorită disocierii carbonaţilor rezultaţi la icircntărirea cu CO2

Curba rezultantă pentru amestecuri este de tipul celei prezentate icircn figura 611

a b

Fig 611 Curbele de dilatare şi contracţie a amestecurilor cu silicat

de sodiu icircn condiţiile icircncălzirii la diferite temperaturi

c

a ndash deformarea icircn condiţiile aplicării sarcinilor de 01 MPa (curba 1) şi de 04 MPa (curba 2) b ndash viteza de deformare la formele neuscate (curba 3) şi uscate (curba 4) c ndash dilatarea şi contracţia amestesurilor pe bază de cromomagnezită la 1350degC la presiuni de 01 MPa pentru fracţii de dimensiuni mari (curba 5) şi medii (curba 6) şi

fracţii mici (curba 7)

Rezultă că icircn final amestecurile se contractă similar amestecurilor cu argilă icircnsă icircntr-o mai mică măsură Odată cu mărirea presiunii metalostatice creşte dilatarea şi viteza de dilatare (fig 611 a şi b) Adaosurile de argilă micşorează dilatarea Ca urmare formele pe bază de silicat de sodiu prezintă o mare tendinţă de fisurare şi deci de formare a excrescenţelor metalice Procesul de deformare la aceste amestecuri este puternic influenţat de dimensiunile granulelor de nisip rezistenţa la deformare scade odată cu micşorarea fracţiilor mici (pulberi) (fig 611 c) ceea ce se explică prin creşterea volumului de

18

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 14: INTERACT MF cap6_19august.doc

Fig 68 Variaţia temperaturii şi greutăţii icircnregistrate la icircncălzirea unor lianţi organici

a ndash răşină furanică b ndash răşină formaldehidică (bachelita pulbere) c ndash răşină d ndash nitrolac e ndash răşină ureo-formaldehidică f ndash polivinilacetat

Lianţii din clasa 2 la icircncălzire formează structuri -C-C noi tridimensionale ceea ce se reflectă pe curbele termice prin efecte exotermice la temperaturi de 200 ndash 400oC (fig 68 a b şi c) Cu creşterea temperaturii se formează compuşi carbonici cu tendinţă mare de oxidare (icircn cantitate de 50 din cea de liant) care se depun pe suprafaţă granulelor de cuarţ şi icircn porii formei

14

Schema proceselor de descompunere a lianţilor organici din clasa 1 şi 2 este următoarea

Lianţii din clasa 3 prezintă un proces de descompunere termică a radicalilor organici icircn intervalul de temperatură 300 ndash 500oC asiguracircnd icircnsă la temperaturi ridicate un liant de tip gel (structura oxidică) cu rezistenţă termică ridicată

La temperaturi ridicate ale formei (peste 1100oC cazul turnării oţelului) viteza de carbonizare este mai mare decacirct cea de degajare a volatilelor (fig 69) Rezultă o precipitare intensă de compuşi carbonici (cărbune lucios) Atomii de H şi de N din liant se degajă sub formă moleculară (H2 şi N2) iar O şi S sub formă de compuşi (CO şi SO2) Carbonul lucios se depune sub formă de pelicule pe granulele de cuarţ are o structură cristalină similară grafitului şi posedă o valoare ridicată a densităţii şi conductivităţii termice (ρ = 19 ndash 22 gcm3 λ pacircnă la 70 kcalmmiddothmiddotgrad faţă de ρ = 15 ndash 16 gcm3 λ = 08 ndash 2 kcalmhgrad pentru carbonul amorf) precum şi o rezistenţă de 3 - 5 ori mai mare la oxidare faţă de carbonul amorf

Lianţi organici-polimeri

Ruperea legăturilor intermoleculare

Formarea radicalilor cu multe

molecule (nevolatile)

Formarea radicalilor cu molecule puţine

(volatile)

Polimerizarea radicalilor cu formarea unor legături carbonice

carbonice noi

Deshidratarea cu precipitarea de compuşi solizi carbinici

Formarea şi degajarea de compuşi volatili icircn

zona de icircncălzire

15

Fig 69 Variaţia timpului icircn care se desfăşoară procesele de carbonizare şi volatilizare icircn zona de contact metal-formă icircn funcţie de temperatură

1 ndash carbonizare 2 ndash volatilizare

Temperatura de descompunere termică cu formare de carbon lucios depinde de natura liantului organic ea este mai mică pentru compuşii aromatici nesaturaţi şi cei furanici icircn comparaţie cu substanţele alifatice saturate (fig 610) Aşadar procesul de carbonizare nu depinde de cantitatea totală de gaze degajate la icircncălzire ci de conţinutul compuşilor cu structura nesaturată cu precădere aromatică Icircn condiţii de temperaturi ridicate aproape toţi lianţii degajă carbon lucios icircn proporţie apropiată de cea teoretică (fig 610)

Rezultă că formele cu răşini posedă o rezistenţă termică foarte scăzută icircn intervalul de temperatură 1200 - 1600oC Cu toate acestea icircn cazul folosirii lor la turnarea oţelului se constată o tendinţă mai mică de formare a excrescenţelor la suprafaţa pieselor turnate Explicaţia constă icircn aceea că prin descompunerea totală a lianţilor organici creşte substanţial volumul de pori ceea ce determină micşorarea dilatării (fig 66 a curba 3) şi a valorii tensiunilor (fig 66 b curba 2) icircn comparaţie cu formele din amestec cu argilă Ca urmare scade tendinţa de fisurare şi exfoliere Icircn amestecurile cu răşini se folosesc icircntăritori de tipul

16

acidului ortofosforic care la temperaturi ridicate conduce la formarea anhidridei fosforice P2O5 care nu se descompune ci joacă rol de liant

Fig 610 Dependenţa de formare a carbonului lucios icircn funcţie de temperatura suprafeţei de contact a formei

1 ndash răşină formaldehidică 2 ndash răşină fenolică 3 ndash fenantren 4 ndash răşină indencumaron 5 ndash antracen 6 ndash naftalină 7 ndash parafină 8 ndash stearină 9 ndash furfurol

Formele realizate din amestecuri pe bază de nisip cuarţos şi lianţi anorganici sintetici (silicat de sodiu ciment metalofosfaţi) sunt folosite pe scară largă la turnarea oţelului La icircncălzire icircn aceste forme au loc următoarele procese fizico-chimice mai importante

ndashdilatatrea granulelor de nisip cuarţos

17

ndashcontracţia peliculelor de liant datorită deshidratării şi datorită disocierii carbonaţilor rezultaţi la icircntărirea cu CO2

Curba rezultantă pentru amestecuri este de tipul celei prezentate icircn figura 611

a b

Fig 611 Curbele de dilatare şi contracţie a amestecurilor cu silicat

de sodiu icircn condiţiile icircncălzirii la diferite temperaturi

c

a ndash deformarea icircn condiţiile aplicării sarcinilor de 01 MPa (curba 1) şi de 04 MPa (curba 2) b ndash viteza de deformare la formele neuscate (curba 3) şi uscate (curba 4) c ndash dilatarea şi contracţia amestesurilor pe bază de cromomagnezită la 1350degC la presiuni de 01 MPa pentru fracţii de dimensiuni mari (curba 5) şi medii (curba 6) şi

fracţii mici (curba 7)

Rezultă că icircn final amestecurile se contractă similar amestecurilor cu argilă icircnsă icircntr-o mai mică măsură Odată cu mărirea presiunii metalostatice creşte dilatarea şi viteza de dilatare (fig 611 a şi b) Adaosurile de argilă micşorează dilatarea Ca urmare formele pe bază de silicat de sodiu prezintă o mare tendinţă de fisurare şi deci de formare a excrescenţelor metalice Procesul de deformare la aceste amestecuri este puternic influenţat de dimensiunile granulelor de nisip rezistenţa la deformare scade odată cu micşorarea fracţiilor mici (pulberi) (fig 611 c) ceea ce se explică prin creşterea volumului de

18

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 15: INTERACT MF cap6_19august.doc

Schema proceselor de descompunere a lianţilor organici din clasa 1 şi 2 este următoarea

Lianţii din clasa 3 prezintă un proces de descompunere termică a radicalilor organici icircn intervalul de temperatură 300 ndash 500oC asiguracircnd icircnsă la temperaturi ridicate un liant de tip gel (structura oxidică) cu rezistenţă termică ridicată

La temperaturi ridicate ale formei (peste 1100oC cazul turnării oţelului) viteza de carbonizare este mai mare decacirct cea de degajare a volatilelor (fig 69) Rezultă o precipitare intensă de compuşi carbonici (cărbune lucios) Atomii de H şi de N din liant se degajă sub formă moleculară (H2 şi N2) iar O şi S sub formă de compuşi (CO şi SO2) Carbonul lucios se depune sub formă de pelicule pe granulele de cuarţ are o structură cristalină similară grafitului şi posedă o valoare ridicată a densităţii şi conductivităţii termice (ρ = 19 ndash 22 gcm3 λ pacircnă la 70 kcalmmiddothmiddotgrad faţă de ρ = 15 ndash 16 gcm3 λ = 08 ndash 2 kcalmhgrad pentru carbonul amorf) precum şi o rezistenţă de 3 - 5 ori mai mare la oxidare faţă de carbonul amorf

Lianţi organici-polimeri

Ruperea legăturilor intermoleculare

Formarea radicalilor cu multe

molecule (nevolatile)

Formarea radicalilor cu molecule puţine

(volatile)

Polimerizarea radicalilor cu formarea unor legături carbonice

carbonice noi

Deshidratarea cu precipitarea de compuşi solizi carbinici

Formarea şi degajarea de compuşi volatili icircn

zona de icircncălzire

15

Fig 69 Variaţia timpului icircn care se desfăşoară procesele de carbonizare şi volatilizare icircn zona de contact metal-formă icircn funcţie de temperatură

1 ndash carbonizare 2 ndash volatilizare

Temperatura de descompunere termică cu formare de carbon lucios depinde de natura liantului organic ea este mai mică pentru compuşii aromatici nesaturaţi şi cei furanici icircn comparaţie cu substanţele alifatice saturate (fig 610) Aşadar procesul de carbonizare nu depinde de cantitatea totală de gaze degajate la icircncălzire ci de conţinutul compuşilor cu structura nesaturată cu precădere aromatică Icircn condiţii de temperaturi ridicate aproape toţi lianţii degajă carbon lucios icircn proporţie apropiată de cea teoretică (fig 610)

Rezultă că formele cu răşini posedă o rezistenţă termică foarte scăzută icircn intervalul de temperatură 1200 - 1600oC Cu toate acestea icircn cazul folosirii lor la turnarea oţelului se constată o tendinţă mai mică de formare a excrescenţelor la suprafaţa pieselor turnate Explicaţia constă icircn aceea că prin descompunerea totală a lianţilor organici creşte substanţial volumul de pori ceea ce determină micşorarea dilatării (fig 66 a curba 3) şi a valorii tensiunilor (fig 66 b curba 2) icircn comparaţie cu formele din amestec cu argilă Ca urmare scade tendinţa de fisurare şi exfoliere Icircn amestecurile cu răşini se folosesc icircntăritori de tipul

16

acidului ortofosforic care la temperaturi ridicate conduce la formarea anhidridei fosforice P2O5 care nu se descompune ci joacă rol de liant

Fig 610 Dependenţa de formare a carbonului lucios icircn funcţie de temperatura suprafeţei de contact a formei

1 ndash răşină formaldehidică 2 ndash răşină fenolică 3 ndash fenantren 4 ndash răşină indencumaron 5 ndash antracen 6 ndash naftalină 7 ndash parafină 8 ndash stearină 9 ndash furfurol

Formele realizate din amestecuri pe bază de nisip cuarţos şi lianţi anorganici sintetici (silicat de sodiu ciment metalofosfaţi) sunt folosite pe scară largă la turnarea oţelului La icircncălzire icircn aceste forme au loc următoarele procese fizico-chimice mai importante

ndashdilatatrea granulelor de nisip cuarţos

17

ndashcontracţia peliculelor de liant datorită deshidratării şi datorită disocierii carbonaţilor rezultaţi la icircntărirea cu CO2

Curba rezultantă pentru amestecuri este de tipul celei prezentate icircn figura 611

a b

Fig 611 Curbele de dilatare şi contracţie a amestecurilor cu silicat

de sodiu icircn condiţiile icircncălzirii la diferite temperaturi

c

a ndash deformarea icircn condiţiile aplicării sarcinilor de 01 MPa (curba 1) şi de 04 MPa (curba 2) b ndash viteza de deformare la formele neuscate (curba 3) şi uscate (curba 4) c ndash dilatarea şi contracţia amestesurilor pe bază de cromomagnezită la 1350degC la presiuni de 01 MPa pentru fracţii de dimensiuni mari (curba 5) şi medii (curba 6) şi

fracţii mici (curba 7)

Rezultă că icircn final amestecurile se contractă similar amestecurilor cu argilă icircnsă icircntr-o mai mică măsură Odată cu mărirea presiunii metalostatice creşte dilatarea şi viteza de dilatare (fig 611 a şi b) Adaosurile de argilă micşorează dilatarea Ca urmare formele pe bază de silicat de sodiu prezintă o mare tendinţă de fisurare şi deci de formare a excrescenţelor metalice Procesul de deformare la aceste amestecuri este puternic influenţat de dimensiunile granulelor de nisip rezistenţa la deformare scade odată cu micşorarea fracţiilor mici (pulberi) (fig 611 c) ceea ce se explică prin creşterea volumului de

18

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 16: INTERACT MF cap6_19august.doc

Fig 69 Variaţia timpului icircn care se desfăşoară procesele de carbonizare şi volatilizare icircn zona de contact metal-formă icircn funcţie de temperatură

1 ndash carbonizare 2 ndash volatilizare

Temperatura de descompunere termică cu formare de carbon lucios depinde de natura liantului organic ea este mai mică pentru compuşii aromatici nesaturaţi şi cei furanici icircn comparaţie cu substanţele alifatice saturate (fig 610) Aşadar procesul de carbonizare nu depinde de cantitatea totală de gaze degajate la icircncălzire ci de conţinutul compuşilor cu structura nesaturată cu precădere aromatică Icircn condiţii de temperaturi ridicate aproape toţi lianţii degajă carbon lucios icircn proporţie apropiată de cea teoretică (fig 610)

Rezultă că formele cu răşini posedă o rezistenţă termică foarte scăzută icircn intervalul de temperatură 1200 - 1600oC Cu toate acestea icircn cazul folosirii lor la turnarea oţelului se constată o tendinţă mai mică de formare a excrescenţelor la suprafaţa pieselor turnate Explicaţia constă icircn aceea că prin descompunerea totală a lianţilor organici creşte substanţial volumul de pori ceea ce determină micşorarea dilatării (fig 66 a curba 3) şi a valorii tensiunilor (fig 66 b curba 2) icircn comparaţie cu formele din amestec cu argilă Ca urmare scade tendinţa de fisurare şi exfoliere Icircn amestecurile cu răşini se folosesc icircntăritori de tipul

16

acidului ortofosforic care la temperaturi ridicate conduce la formarea anhidridei fosforice P2O5 care nu se descompune ci joacă rol de liant

Fig 610 Dependenţa de formare a carbonului lucios icircn funcţie de temperatura suprafeţei de contact a formei

1 ndash răşină formaldehidică 2 ndash răşină fenolică 3 ndash fenantren 4 ndash răşină indencumaron 5 ndash antracen 6 ndash naftalină 7 ndash parafină 8 ndash stearină 9 ndash furfurol

Formele realizate din amestecuri pe bază de nisip cuarţos şi lianţi anorganici sintetici (silicat de sodiu ciment metalofosfaţi) sunt folosite pe scară largă la turnarea oţelului La icircncălzire icircn aceste forme au loc următoarele procese fizico-chimice mai importante

ndashdilatatrea granulelor de nisip cuarţos

17

ndashcontracţia peliculelor de liant datorită deshidratării şi datorită disocierii carbonaţilor rezultaţi la icircntărirea cu CO2

Curba rezultantă pentru amestecuri este de tipul celei prezentate icircn figura 611

a b

Fig 611 Curbele de dilatare şi contracţie a amestecurilor cu silicat

de sodiu icircn condiţiile icircncălzirii la diferite temperaturi

c

a ndash deformarea icircn condiţiile aplicării sarcinilor de 01 MPa (curba 1) şi de 04 MPa (curba 2) b ndash viteza de deformare la formele neuscate (curba 3) şi uscate (curba 4) c ndash dilatarea şi contracţia amestesurilor pe bază de cromomagnezită la 1350degC la presiuni de 01 MPa pentru fracţii de dimensiuni mari (curba 5) şi medii (curba 6) şi

fracţii mici (curba 7)

Rezultă că icircn final amestecurile se contractă similar amestecurilor cu argilă icircnsă icircntr-o mai mică măsură Odată cu mărirea presiunii metalostatice creşte dilatarea şi viteza de dilatare (fig 611 a şi b) Adaosurile de argilă micşorează dilatarea Ca urmare formele pe bază de silicat de sodiu prezintă o mare tendinţă de fisurare şi deci de formare a excrescenţelor metalice Procesul de deformare la aceste amestecuri este puternic influenţat de dimensiunile granulelor de nisip rezistenţa la deformare scade odată cu micşorarea fracţiilor mici (pulberi) (fig 611 c) ceea ce se explică prin creşterea volumului de

18

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 17: INTERACT MF cap6_19august.doc

acidului ortofosforic care la temperaturi ridicate conduce la formarea anhidridei fosforice P2O5 care nu se descompune ci joacă rol de liant

Fig 610 Dependenţa de formare a carbonului lucios icircn funcţie de temperatura suprafeţei de contact a formei

1 ndash răşină formaldehidică 2 ndash răşină fenolică 3 ndash fenantren 4 ndash răşină indencumaron 5 ndash antracen 6 ndash naftalină 7 ndash parafină 8 ndash stearină 9 ndash furfurol

Formele realizate din amestecuri pe bază de nisip cuarţos şi lianţi anorganici sintetici (silicat de sodiu ciment metalofosfaţi) sunt folosite pe scară largă la turnarea oţelului La icircncălzire icircn aceste forme au loc următoarele procese fizico-chimice mai importante

ndashdilatatrea granulelor de nisip cuarţos

17

ndashcontracţia peliculelor de liant datorită deshidratării şi datorită disocierii carbonaţilor rezultaţi la icircntărirea cu CO2

Curba rezultantă pentru amestecuri este de tipul celei prezentate icircn figura 611

a b

Fig 611 Curbele de dilatare şi contracţie a amestecurilor cu silicat

de sodiu icircn condiţiile icircncălzirii la diferite temperaturi

c

a ndash deformarea icircn condiţiile aplicării sarcinilor de 01 MPa (curba 1) şi de 04 MPa (curba 2) b ndash viteza de deformare la formele neuscate (curba 3) şi uscate (curba 4) c ndash dilatarea şi contracţia amestesurilor pe bază de cromomagnezită la 1350degC la presiuni de 01 MPa pentru fracţii de dimensiuni mari (curba 5) şi medii (curba 6) şi

fracţii mici (curba 7)

Rezultă că icircn final amestecurile se contractă similar amestecurilor cu argilă icircnsă icircntr-o mai mică măsură Odată cu mărirea presiunii metalostatice creşte dilatarea şi viteza de dilatare (fig 611 a şi b) Adaosurile de argilă micşorează dilatarea Ca urmare formele pe bază de silicat de sodiu prezintă o mare tendinţă de fisurare şi deci de formare a excrescenţelor metalice Procesul de deformare la aceste amestecuri este puternic influenţat de dimensiunile granulelor de nisip rezistenţa la deformare scade odată cu micşorarea fracţiilor mici (pulberi) (fig 611 c) ceea ce se explică prin creşterea volumului de

18

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 18: INTERACT MF cap6_19august.doc

ndashcontracţia peliculelor de liant datorită deshidratării şi datorită disocierii carbonaţilor rezultaţi la icircntărirea cu CO2

Curba rezultantă pentru amestecuri este de tipul celei prezentate icircn figura 611

a b

Fig 611 Curbele de dilatare şi contracţie a amestecurilor cu silicat

de sodiu icircn condiţiile icircncălzirii la diferite temperaturi

c

a ndash deformarea icircn condiţiile aplicării sarcinilor de 01 MPa (curba 1) şi de 04 MPa (curba 2) b ndash viteza de deformare la formele neuscate (curba 3) şi uscate (curba 4) c ndash dilatarea şi contracţia amestesurilor pe bază de cromomagnezită la 1350degC la presiuni de 01 MPa pentru fracţii de dimensiuni mari (curba 5) şi medii (curba 6) şi

fracţii mici (curba 7)

Rezultă că icircn final amestecurile se contractă similar amestecurilor cu argilă icircnsă icircntr-o mai mică măsură Odată cu mărirea presiunii metalostatice creşte dilatarea şi viteza de dilatare (fig 611 a şi b) Adaosurile de argilă micşorează dilatarea Ca urmare formele pe bază de silicat de sodiu prezintă o mare tendinţă de fisurare şi deci de formare a excrescenţelor metalice Procesul de deformare la aceste amestecuri este puternic influenţat de dimensiunile granulelor de nisip rezistenţa la deformare scade odată cu micşorarea fracţiilor mici (pulberi) (fig 611 c) ceea ce se explică prin creşterea volumului de

18

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 19: INTERACT MF cap6_19august.doc

pori La icircncălzirea amestecului din cuarţ amorf şi silicat de sodiu (Na2SiO26H2O) icircn intervalul 20 ndash 230oC cristalele de hidrosilicaţi se topesc

Fig 612 Curba termodiferenţială (a) şi cea de icircntărire dinamică (b) a amestecului de silicat de sodiu şi silice amorfă

Topirea este icircnsoţită de deshidratare şi expandarea masei datorită căreia volumul porilor icircn pelicule de liant creşte de 10 - 15 ori (vezi efectul endoterm pe curba termodiferenţială la temperatura de 140oC fig 612) Icircn acest interval de temperatură se icircndepărtează cca 80 din apa de cristalizare

La temperaturi de pacircnă la 400oC procesul de deshidratare se micşorează La 400oC pierderea de greutate a probei este de 30 Ca urmare a formării structurii poroase rezistenţa amestecului scade brusc (fig 613)

19

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 20: INTERACT MF cap6_19august.doc

Fig 613 Variaţia rezistenţei amestecului de silicat de sodiu icircn funcţie de temperatură

1 ndash amestecuri icircntărite cu CO2 2 ndash amestecuri icircintărite prin uscare la 200degC

Celelalte reacţiindashicircn intervalul de temperatură 480 ndash 550oC apariţia

dimetasilicatului de sodiu β ndash Na2Si2O5 cu structura cristalină proces icircnsoţit de contracţie şi efect exoterm

ndashla temperaturi de 670oC icircncepe procesul invers de transformare β - Na2Si2O5 rarr α - Na2Si2O5 cu efect exoterm

ndashicircn intervalul 750 ndash 850oC are loc procesul endoterm de topire a fazei cristaline se formează faza sticloasă şi cristalite de α - Na2Si2O5

(fig 614 zona haşurată) ca urmare rezistenţa amestecului creştendashla temperaturi de peste 1000oC se micşorează vacircscozitatea

topiturii de silicati are loc procesul de absorbţie capilară icircn porii formei şi repartizarea neuniformă a liantului ca urmare rezistenţa formei se micşorează (fig 613)

20

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 21: INTERACT MF cap6_19august.doc

Aşadar schematic structura peliculei de liant icircntarită la aer (fără folosirea CO2) constă din Na2SiO3 6H2O + SiO2 amorf

Fig 614 Diagrama Na2O - SiO2

La icircncălzire au loc transformările

21

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 22: INTERACT MF cap6_19august.doc

(66)

Posibilităţi de mărire a rezistenţei termice a formelor sunt multiple Icircn vederea micşorării tendinţei de formare a excrescenţelor metalice se impune reducerea valorilor tensiunilor σ şi creşterea rezistenţei termice a amestecului Rt icircn condiţiile icircn care σ lt Rt formarea excrescenţelor este eliminată Principalele măsuri sunt următoarele

ndashfolosirea nisipurilor refractare cu coeficient de dilatare cu valoare mai mică şi coeficient mai mare de acumulare a căldurii (de exemplu nisipul de zirconiu cromitul distensilimonitul corindonul etc)

ndashfolosirea icircn cazul amestecurilor cu argilă a activatorilor chimici (de exemplu 5 tripolifosfat de sodiu) a bentonitei activate (icircn raport 11 cu argilă) şi a argilelor sub formă de suspensie

ndashcreşterea temperaturii de topire a compuşilor din sistemul Na2O ndash SiO2 icircn cazul amestecurilor cu silicat de sodiu prin introducerea adaosurilor de acizi organici (H2SO4 HCl H3PO4) se formează astfel săruri Na2SO4 NaCl Na3PO4 cu temperaturi de topire mai ridicate 890 ndash 900oC şi repectiv 1340oC faţă de 700oC de asemenea acizii favorizează transformarea cuarţului α icircn cristobalit la temperaturi mai joase

ndasheliminarea zonei de condensare icircn formele crude prin vidarea lor

ndashicircmpregnarea suprafeţei active a formelor şi miezurilor pe o adacircncime de 5 ndash 10 mm cu vopsele penetrante pe bază de lianţi anorganici soluţii de silice coloidală soluţii de metalofosfaţi sau de combinaţii organo-metalice care conduc la obţinerea de rezistenţe ridicate la temperaturi icircnalte astfel de exemplu icircn cazul icircmpregnării suprafeţelor cu sulfat de aluminiu Al2(SO4)3middot18H2O Al2(SO4)3+18H2O apa se icircndepărtează icircn intervalul de temperatură 250 - 400oC

Al2(SO4)3 rarr Al2O3 + SO3 (67)(reacţia icircncepe la 708oC şi se sfacircrşeşte la 750oC)

22

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 23: INTERACT MF cap6_19august.doc

efectul icircmpregnării cu monofosfat de aluminiu Al2(H2PO4)3 se bazează pe formare trialuminofosfatului Al2(PO4)3

ndashfolosirea vopselelor refractare pe bază de ZrO2 Al2O3 MgO SiO2 topit grafit care posedă un raport TsintTtop asymp 04 faţă de TsintTtop = 025 la SiO2 (Tsint = temperatura de sinterizare Ttop = temperatura de topire) icircn cazul folosirii vopselelor poate să apară o zonă de condensare suplimentară fie icircn timpul arderii alcoolului (de exemplu izopropanolul sau metanolul icircn vopselele pentru formele cu silicat de sodiu care conţin puţină apă) fie icircn timpul uscării formelor şi miezurilor vopsite

ndashintroducerea icircn amestecurile de răşină a adaosurilor de Fe2O3

icircn cantităţi de 1 ndash 2 care micşorează dilatarea (fig 5 c) şi măresc temperatura de descompunere a răşinilor (de exemplu la raşinile carbonidofuranice de la 600 la 850oC) explicaţia constă icircn faptul că particulele de Fe2O3 cu dimensiuni de 1 ndash 3 μm care se repartizează la suprafaţa granulelor de nisip şi prin aceasta intensifică procesele fizico-chimice faţă de lianţi

Componentele refractare din vopsele MgO Al2O3 ZrO2 grafitul au o temperatură de topire mult mai ridicată decacirct cuarţul icircn cazul utilizarii talcului (4MgO5SiO2H2O) la temperatura de 950oC (icircn prezenţa impurităţilor 800 ndash 810oC) icircşi pierde apa de constituţie (efect endoterm fig 6 4) devine nestabil icircnsă la 1170 ndash 1200oC se transformă icircn protoenstatit (efect exoterm) care este stabil la temperaturi mai ridicate

Pirofilitul (Al2O34SiO2H2O) la temperaturi de 1000 ndash 1150oC se transformă icircn mullit (3Al2O32SiO2) cu o refractaritate ridicată icircntocmai ca şi icircn cazul caolinitului (fig 64)

Alte soluţii de mărire a rezistenţei termicendashsinterizarea sau topirea suprafeţei formei (eliminarea porilor)ndashpulverizarea icircn porii formei a materialelor refractare care

determină la icircncălzire sinterizarea suprafeţei ndashacoperirea suprafeţei formei cu ţeşătură refractarăndashacoperirea suprafeţei formei cu metal (metalizarea)ndasharmarea suprafeţei formei (cu cuie plasă refractară etc)ndashfolosirea lianţilor cu temperatură ridicată de distribuţie (de

exemplu răşinile cu structură ciclică fosfaţii şi sulfaţii care datorită policondensării şi polimerizării la icircncălzire formează o structură rezistentă)

23

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 24: INTERACT MF cap6_19august.doc

Ca exemplu poate fi dat de asemenea silicatul de etil a cărui rezistenţă termică poate fi explicată prin formarea scheletului din sistemul Si-O Piesele turnate din oţel icircn forme cu răşini prezintă adesea defecte de suprafaţă sub formă de cute Acest defect se formează mai ales icircn cazul formelor coji (cu novolac) ca urmare a deformărilor pereţilor formei cauzate de dilatarea granulelor de cuarţ care nu este compensată ca icircn cazul silicatului de sodiu Pentru eliminarea defectului icircn amestec se introduce 2 ndash 5 argilă caolinitică icircn care caz icircnsă trebuie mărit şi conţinutul de răşină

6122 Influenţa naturii oţelului

Tendinţa de formare a excrescenţelor este influenţată de tl ndash temperatura lichidus şi deci temperatura de turnare proprietăţile termofizice căldură specifică conductivitate termică coeficient de acumulare a căldurii interval de solidificare şi tendinţa de oxidare Din punct de vedere al interacţiunii metal-formă oţelurile utilizate icircn turnătorii pot fi icircmpărţite icircn următoarele grupe oţeluri carbon slab şi mediu aliate oţeluri icircnalt aliate cu Cr Ni W şi oţeluri icircnalt aliate cu mangan

Tabelul 65 Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor

C Si Mn Cr Ni Mo V037 028 04 049 14 025 -026 031 047 165 019 063 028015 034 033 147 415 - -035 037 77 117 81 122 132032 049 07 190 896 138 -012 069 077 153 134 23 -009 038 10 149 367 - -

Tabelul 65 (continuare) Compoziţia chimică şi intervalul de cristalizare pentru oţelurile slab şi

mediu aliateConţinutul elementelor ts t1 tk

Cu Ti W Nb oC

24

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 25: INTERACT MF cap6_19august.doc

- - - - 1525 1480 45013 - - - 1525 1485 40014 - 095 - 1525 1485 40

- - - 038 1475 1350 125042 - 138 04 1500 1375 125004 - - 124 1425 1365 6013 - 328 - 1470 1370 100

Temperaturile solidus şi lichidus intervalele de solidificare precum şi temperaturile de turnare ale unor oţeluri de turnătorie sunt date icircn tabelele 65 şi 66 Rezultă că temperaturile de turnare (Tt) variază icircntre 1470 ndash 1620oC iar intervalul de cristalizare (Δtk) ndash icircntre 45 şi 150oC

Tabelul 66Intervalul de solidififcare şi temperaturile de turnare ale oţelurilor icircnalt

aliate

Marca oţeluluitl ts Δtk tt

oCCr 15 Ni 25V5Ti Al2 1380 1270 110 1600-162020Cr 25 Ni 20Si2 1390 1340 50 1600-1620110 Mn 13 1370 1220 150 1470-14900 Cr 12Ni Cu 1480 1430 80 1580-1600As Cr 18Ni9Ti 1450 1370 80 1580-1600

Influenţa naturii oţelului constă icircn următoarele (v tab 67)ndashmărirea temperaturii de turnare determină creşterea

temperaturii de contact (tc) aşa cum rezultă din figura 615 (măreşte TFE)

ndashtemperatura de contact este influenţată de temperatura de turnare astfel

(68)

Tabelul 67 Influenţa naturii aliajelor asupra TFE

Factor tt tk bm ρ TO l θ σ F

25

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 26: INTERACT MF cap6_19august.doc

TFE + - + + - + - - +

ndashmărirea intervalului de solidificare determină micsorarea tc (fig 615) deci micşorează TFE ceea ce se explică prin micşorarea duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă creşterea coeficientului de cedare a căldurii bm măreşte TFE

Fig 615 Dependenţa temperaturii suprafeţei formei icircn funcţie de temperatura de turnare şi intervalul de solidificare a oţelurilor (Δtk degC)

1 ndash 20 2 ndash 50 3 ndash 100 bf = 1540 Ws12 m2 degC

ndashcreşterea valorii bm determină mărirea tc şi intensificarea TFEndashmărirea valorii căldurii latente de cristalizare (L) determină

creşterea tc şi deci a TFEndashmărirea densităţii determină creşterea presiunii metalostatice şi

deci a TFE

26

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 27: INTERACT MF cap6_19august.doc

ndashmărirea unghiului de umectare (θ) şi a tensiunii superficiale (σ) determină micşorarea procesului de penetrare a oţelului lichid icircn porii formei şi deci reducerea TFE

ndashmărirea tendinţei de oxidare (To) a oţelurilor icircn timpul curgerii icircn cavitatea tehnologică a formelor determină micşorarea cantităţii de căldură transmisă prin radiaţie şi deci TFE (cazul oţelurilor aliate cu Ti Al Cr)

ndashcreşterea fluidităţii (F) a oţelurilor intesifică procesul de penetrare a lor icircn porii formei şi deci TFE (cazul oţelurilor icircnalt aliate cu mangan)

6123 Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare

Influenţa geometriei piesei şi a condiţiilor de turnare se realizează prin următorii factori ( v tab 68 icircn sensul creşterii valorilor acestora)

Tabelul 68Influenţa factorilor tehnologici privind geometria piesei şi condiţiile de

turnare asupra tendinţei de formare a excrescenţelor metalice (TFE)

Factor R (Rech) α H LR dp VT

TFE + - + + + +

ndashgrosimea pereţilor piesei (R) sau grosimea echivalentă (Rech) măreşte TFE creşte durata de răcire a oţelurilor icircn stare lichidă şi tc

ndashunghiul de racordare (α) la icircmbinarea icircntre pereţii piesei micşorează TFE deoarece scade Tc

ndashfrecvent sunt icircntacirclnite trei tipuri de suprafeţe şi de racorduri convexe concave şi plane (fig 616) suprafeţele concave determină un flux convergent şi din acest motiv măresc TFE la celelalte tipuri de suprafeţe fluxurile de căldură sunt divergente sau paralele Suprafaţa semiformelor superioare este solicitată termic icircntr-o măsură mai mare (suprafaţa expusă radiaţiei este mai mare)

ndashdistanţa peretelui piesei faţă de alimentatori micşorează TFE ca urmare a scăderii temperaturii oţelului lichid şi deci a tc

27

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 28: INTERACT MF cap6_19august.doc

ndashicircnălţimea piesei (H) măreşte TFE deoarece creşte presiunea metalostatică icircn mod similar influenţează şi icircnălţimea jetului de oţel (distanţa dintre oala de turnare şi formă)

Fig 616 Tipuri de suprafeţe la piesele turnate a ndash convexe b ndash plane c ndash concave

ndashdistanţa dintre piese icircn formă (dp) măreşte TFE creşte tcndashlungimea reţelei de turnare (LR) micşorează TFE scade tcndashviteza de turnare (VT) măreşte TFE creşte tc cu cacirct durata de

turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea stratului superficial al formei icircncălzit pacircnă la temperaturi ridicate este mai mare (fig 617) rezultă că icircn cazul pieselor mari şi a oţelurilor cu carbon mai scăzut (tt mai mare) tendinţa de formare a excrescenţelor metalice va fi mai pronunţată

ndashraportul dintre grosimea piesei (Rp) şi cea a miezului (Rm) măreşte temperatura de contact şi pe secţiunea miezului la raporturi de RpRm = 4 miezurile pe icircntreaga secţiune sunt supraicircncălzite la temperaturi maxime (fig 618) astfel creşte TFE

ndashraportul dintre grosimea peretelui piesei (Rp) şi a formei (Rf) măreşte TFE Acest raport poate fi exprimat mai uşor prin consumul de amestec care poate varia icircntre 35 şi 175 ttona de piese bune din oţel

28

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 29: INTERACT MF cap6_19august.doc

Fig 617 Dependenţa grosimii stratului superficial al formei icircncălzit

pacircnă la temperatura solidus a oţelului icircn funcţie de durata de turnare 1 ndash oţel CrNi25V5TiAl2 2 ndash oţel

Cr15Ni25V6B 3 ndash fontă Fc 200 (pentru comparaţie) 4 ndash oţel Cr12Ni 5 ndash

6 ndash OT 50

Fig 618 Influenţa RpRm asupra temperaturii maxime icircn miezuri 1 ndash substratul de vopsea 2 ndash la distanţa de 05Rm 3 ndash icircn centrul miezului

a ndash oţel OT 500 cu tt = 1550degC b ndash fontă cu tt = 1300degC

Bavurile reprezintă excrescenţe (surplusuri) metalice cauzate de pătrunderile oţelului lichid icircn intersecţiile din forme precum şi din semiforme şi miezuri (dintre mărcile acestora)

29

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 30: INTERACT MF cap6_19august.doc

62 Tendinţa de formare a aderenţelor

621 Structura şi mecanismul formării aderenţelor

Aderenţele reprezintă surplusuri metaloceramice la suprafaţa pieselor turnate rezultate icircn urma unor procese fizice chimice şi mecanice care au loc la interfaţa oţel lichid şi formă (miez) Grosimea aderenţelor poate să ajungă pacircnă la 100 mm Structura aderenţelor poate fi de patru tipuri (v fig 619)

Fig 619 Principalele tipuri de structură a aderenţelor 1 ndash granula de nisip 2 ndash pelicula de liant 3 ndash strat de silicaţi 4 ndash schelet metalic (oţel)

5 ndash punţi de silice 6 ndash punţi (pelicule metalice)

a Structura aderenţelor de tip I este constituită din granule de cuarţ (sau alte tipuri de nisip) pelicule de liant straturi din silicaţi (faialită) şi schelet de oţel Această structură se formează icircn cele mai multe cazuri chiar la interfaţa metal-formă icircn acele zone ale peretelui formei icircn care temperatura maximă icircn momentul turnării oţelului este mai mare decacirct temperatura lichidus (tf gt t1 fig 620 distanţa a-b)

Icircn figura 621 se prezintă microstructura tipului I de aderenţe care indică prezenţa celor patru componenţi (trei nemetalici şi unul metalic) Mecanismul formării structurii de tip I are la bază desfăşurarea următoarelor procese

ndashoxidarea suprafeţei coloanei de oţel lichid creşterea [FeO] pe seama oxigenului din aerul din cavitatea formei şi din cel care filtrează prin porii formei precum şi pe baza oxigenului din gazele rezultate la icircncălzirea formei (H2O CO2 O2)

30

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 31: INTERACT MF cap6_19august.doc

Fig 620 Zonele de repartiţie ale diferitelor structuri ale aderenţelor a ndash b ndash tip I a ndash c tip I + tip II a ndash d ndash tip I + II + III a ndash e ndash tip I + II + III + IV

1 ndash temperatura lichidus 2 ndash temperatura de icircnceput de topire a componentelor uşor fuzibile din amestec 4 ndash temperatura de condensare a vaporilor metalici

5 ndash temperatura de evaporare a apei

Fig 621 Microstructura aderenţei de tip I

31

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 32: INTERACT MF cap6_19august.doc

ndashreacţia dintre [FeO] şi SiO2 din peliculele de liant (argilă silicat de sodiu) şi din granulele de nisip cu care oţelul lichid oxidat vine icircn contact

ndashformarea silicaţilor (zgurelor) uşor fuzibili de tip faialită sau a compoziţiei eutectice (t = 1220oC şi t = 1130oC) conform diagramei binare FeO-SiO2 (v fig 622) care la temperaturile de turnare ale oţelului de găsesc icircn stare de supraicircncălzire puternică posedacircnd o fluiditate foarte ridicată (temperatura de topire a faialitei ndash 1199oC)

Fig 622 Diagrama binară SiO2 ndash FeO

ndashpenetrarea silicaţilor lichizi icircn porii formei sub acţiunea forţelor capilare ţinacircnd seama că porii din formă (cu un volum de 15 ndash 40 din cel al formei) reprezintă canale capilare şi că tensiunea superficială a silicaţilor este scăzută (σ = 300 ndash 600 ergcm2) iar unghiul de umectare θ foarte mic (θ = 0 ndash 20o) cacircnd θ este sub 90o 0 lt cosθ lt +1 forţele capilare pot ajunge la valori ridicate (v fig 623) conform formulei

(69)

32

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 33: INTERACT MF cap6_19august.doc

icircn acest mod silicaţii pot penetra icircn zone adacircnci ale pereţilor formei formacircnd după solidificare un schelet cu rezistenţă ridicată

ndashpătrunderea icircn porii formei a unor porţiuni de oţel lichid odată cu silicaţii lichizi datorită forţelor capilare şi a celor mecanice Oţelurile umectează prin suprafaţa granulelor de nisip (cuarţ zircon cromit etc) unghiul θ fiind mai mare de 90o (frecvent θ = 120 ndash 160o) Icircn contact cu silicaţii θ devine mai mic de 90o ceea ce determină ca forţele capilare să aibă acelaşi rol (de aspiraţie) ca şi icircn cazul silicaţilor lichizi

Fig 623 Variaţia forţelor capilare (Pc) icircn funcţie de unghiul de umectare a ndash domeniul simbolizat bdquo+rdquo forţe capilare de aspiraţie bdquondashbdquo forţe de refulare b ndash unghiul de umectare 1 ndash faialită-cuarţ solid 2 ndash oţel lichid ndash cuarţ oţel lichid ndash faialită lichidă

ndashcreşterea volumului de pori datorită interacţiunii dintre silicaţi şi granulele de nisip cuarţos şi peliculele de bentonită care determină micşorarea diametrului granulelor şi chiar consumarea lor de asemenea dizolvarea peliculelor de argilă şi bentonită

33

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 34: INTERACT MF cap6_19august.doc

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn porii cu diametre mari sub acţiunea metalostatică (penetrarea mecanică ca şi icircn cazul formării bavurilor)

ndashpenetrarea oţelului lichid icircn cavitatea formelor prin exfolierea unor porţiuni din peretele formei datorită tensiunilor termice mari (ca şi icircn cazul formării excrescenţelor) precum şi icircn cavităţile formelor icircn anumite microvolume ale formei datorită exploziilor vaporilor de apă (forme cu grad mare de icircndesare conţinut ridicat de apă conţinut mare de substanţe volatile icircn amestecuri piese cu pereţi subţiri viteza mare de turnare etc (v fig 624)

Fig 624 Modul de formare a aderenţelor provocate de explozii icircn microvolumele pereţilor formei

a ndash pori b ndash sufluri de vapori de apă c ndash schelet de oţel

b Structura aderenţelor de tip II este constituită din granule de nisip acoperite parţial cu pelicule de liant şi punţi de legătură tot de silice cauzate de procesele de sinterizare (fig 619) Difuzia atomilor de Si şi O are loc la suprafaţa de contact dintre granule situate la distanţe mici atomi care se găsesc icircn afara acţiunii forţelor moleculare

34

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 35: INTERACT MF cap6_19august.doc

procesele de sinterizare au loc la temperaturi ridicate din zona a-c din figura 620 şi sunt accelerate de acţiunea presiunii metalostatice (cazul pieselor mari turnate din oţel) şi de prezenţa impurităţilor uşor fuzibile din nisip Apariţia fazei lichide determină micşorarea distanţei dintre granule şi intensifică procesul de sinterizare la sinterizare diametrele granulelor de cuarţ se micşorează Temperatura de icircnceput de sinterizare a granulelor de zircon şi cromită cca 1500oC

c Structura aderenţelor de tip III este constituită din granule de nisip pelicule de liant şi straturi pe bază de silicaţi (de exemplu din sistemul Na2O-SiO2 K2O-SiO2 la amestecurile cu silicat de sodiu) care se topesc la temperaturi scăzute (de 700 ndash 800oC) icircn zona de influenţă termică a-d din peretele formei (v fig 620)

d Structura aderenţelor de tip IV constă din granule de nisip pelicule de liant sau produse de descompunere termică ale acestora şi punţi metalice (fier mangan) Se consideră că icircn anumite condiţii se poate desfăşura reacţia

A(s) + B(g) = AB(g) (610)

icircn cazul oţelului lichid icircn prezenţa CO la interfaţa cu forma

Fe+ 5CO = Fe(CO)5 (611)

Compusul pentacarbonilul de fier icircncepacircnd cu temperatura de 306oC se găseşte icircn stare gazoasă Vaporii pătrund icircn porii din pereţii formei pacircnă la adacircncimi mari (zona a-e fig 620) Icircn zonele cu temperaturi mai scăzute carbonilul de fier se descompune formacircndu-se astfel punţile de Fe sau (FeO2) Icircn acelaşi mod se formează şi punţile de mangan şi (MnO2) manganul avacircnd o tendinţă de peste 1000 de ori mai mare de vaporizare icircn comparaţie cu fierul Rezultă că formarea aderenţelor la suprafaţa pieselor turnate este cauzată de regulă de unele procese complexe (fizice ndash rolul forţelor capilare chimice ndash rolul silicaţilor mecanice ndash presiunea metalostatică) şi deci aderenţele cu greu pot fi icircmpărţite icircn fizice (termice) chimice şi mecanice

622 Influenţa factorilor tehnologici

35

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 36: INTERACT MF cap6_19august.doc

6221 Influenţa naturii oţelului

Influenţa naturii oţelului este legată de tensiunea superficială (σ) şi de unghiul de umectare (θ) faţă de materialele refractare din amestecuri Cu cacirct valorile tensiunilor superficiale şi ale unghiului de umectare sunt mai mari cu atacirct posibilitatea formării aderenţelor este mai mică Compoziţia chimică a oţelurilor este principalul factor de influenţă asupra lui σ şi θ unele elemente de bază şi de aliere măresc σ (Ti Ni W Mg) iar altele o micşorează (Cr Mn Si C) - figura 625 Ca urmare oţelurile aliate cu Cr Mn Si C prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor deoarece valoarea forţelor de adeziune faţă de granulele de nisip este mai mare (v fig 626) O influenţă deosebit de mare asupra σ o au elementele S O (activ superficiale) şi P care icirci micşorează substantial valoarea (v fig 627 a şi b) Explicaţia constă icircn faptul că stratul superficial conţine FeO şi FeS icircn cantitate mare şi deci din punct de vedere structural şi al polarităţii se deosebeşte mai puţin de faza oxidică (Al2O3 şi SiO2) icircn comparaţie cu fierul ceea ce intensifică tendinţa de umectare şi formare a aderenţelor forţele de coeziune (Wk) se micşorează

Celelalte elemente sunt concentrate la interfaţa metal-suport de SiO2 şi de Al2O3 datorită sarcinilor electrice mai negative icircn comparaţie cu Fe şi a stabilirii unor legături mai stracircnse cu norul de electroni astfel icircncacirct ionii de oxigen de Al2O3 determină icircntr-o oarecare măsură creşterea forţelor de adeziune Rezultă că majoritatea elementelor din oţelurile aliate micşorează forţele de legătură dintre atomii de fier şi măresc forţele de adeziune faţă de oxizi Icircn acest mod elementele menţionate măresc tendinţa de umectare a oţelurilor faţă de granulele de nisip icircntrucacirct

(612)

Nichelul şi molibdenul nu influenţează practic unghiul θ Elementele care micşorează θ pot fi repartizate icircn următoarea succesiune (icircn sensul creşterii efectului) C W P Cr Si V Mn Ti S

36

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 37: INTERACT MF cap6_19august.doc

O Efectul maxim icircl are oxigenul pentru conţinutul de 007 oxigen icircn fier θ este de 90o

a

b

Fig 625 Influenţa unor elemente de aliere asupra valorii tensiunii superficiale a fierului

a ndash influenţă exprimată prin creşterea Δσ valoarea lui σ determinată de element σt = σ0 - 025middot10-3(t-1550) unde σ0 ndash tensiunea superficială a fierului pur

σt = tensiunea superficială a fierului icircn funcţie de temperatură b ndash influenţă exprimată icircn valoare absolută

37

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 38: INTERACT MF cap6_19august.doc

Fig 626 Elementele de adeziune ale aliajelor binare ale fierului faţă de suporţi de Al2O3

Valoarea θ gt π2 denotă că majoritatea oţelurilor nu posedă tendinţa de formare a aderenţelor mecanice (forţe de adeziune mici faţă de nisip) Icircntradevăr dacă se consideră că adeziunea

WA = σA = σT+ σL ndash σTL (613) şi că coeziunea

Wk = 2 σL (614)

atunci

(615)

şi deci

cacircnd (616)

(617)

38

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 39: INTERACT MF cap6_19august.doc

Fig 627 Influenţa unor elemente (S O P N)

asupra σ Δσ WA Wk icircn sistemul fier lichid ndash suporţi

de Al2 O3a ndash Δσ b ndash WA şi Wk

a

b

Elementele C Si Mn P Cr V micşorează icircntr-o mică măsură forţele de coeziune şi icircntr-o măsură mai mare forţele de adeziune Elementele O şi S micşorează substanţial forţele de coeziune şi le

39

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 40: INTERACT MF cap6_19august.doc

măresc pe cele de adeziune Pentru exemplificare icircn tabelul 69 se prezintă influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei Valorile θ variază icircntre 90 şi 141deg Oţelul cu 035C are Wk=3000 ergcm2 Wa = 535 ergcm2 θ = 130o

Tabelul 69Influenţa elementelor de bază şi de aliere asupra valorilor σ θ ρ şi a

icircnălţimii critice a coloanei de metal necesară pentru penetrarea icircn porii formei

Component de adăugat

Concentra-ţia

Tensiunea superficială

ergcm2

Densitatea gcm3

Unghiul marginal

grad

Icircnălţimea stratului de

metal Hk cmCarbon 004 1710 713 141 382

02 1675 710 140 36710 1665 705 138 35441 1620 685 132 324

Siliciu 057 1660 703 136 34751 1615 663 124 278

Mangan 125 1670 713 130 330710 1440 712 108 128

1180 1305 711 100 63Nichel 10 1715 713 140 375

77 1780 718 140 387200 1790 723 140 389

Crom 11 1640 712 143 37240 1600 711 143 366

267 1350 694 146 330Fosfor 017 1710 713 142 387

113 1665 708 136 344Sulf 0015 1580 713 136 323

034 1120 713 117 147091 810 713 102 48

Oxigen 0004 1710 713 141 3820012 1505 713 124 2410076 1235 713 90 0

La oţelurile puternic oxidate θ poate să scadă de la 120 ndash 160o

la 45 ndash 35o Rezultă importanţa deosebit de mare pe care o are operaţia

40

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 41: INTERACT MF cap6_19august.doc

de dezoxidare la elaborarea oţelului odată cu micşorarea conţinutului de oxigen se micşorează tendinţa de formare a aderenţelor Oţelurile manganoase prezintă o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor icircn comparaţie cu celelalte tipuri de oţeluri pentru piese turnate determinate de

ndashmicşorarea substanţială a valorii unghiului de umectare θ (v tab 69)

ndashformarea compuşilor chimici cu SiO2 din amestec de tipul MnOSiO2 (rodonit) şi 2MnOSiO2 (ortosilicat de mangan) zgure foarte fluide cu temperatura joasă de topire (cu 100 ndash 250oC mai mică decacirct a oţelurilor) capabilă să pătrundă uşor icircn porii formei

ndashformarea vaporilor de manganndashfluiditatea ridicată a oţelurilor (interval mic de solidificare

valoare scăzută bm) La menţinerea oţelurilor icircn oală şi la turnarea lui icircn cavitatea

tehnologică a formei au loc procese de oxidare secundară icircn acest mod intensificacircndu-se procesul de formare a aderenţelor fizice cauzate de forţele capilare Icircn tabelul 610 se prezintă influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a aderenţelor (icircn sensul creşterii valorii factorului)

Tabelul 610Influenţa calitativă a naturii oţelului asupra tendinţei de formare a

aderenţelor (TA)Factori σ θ λ 1L 1c r bf ΔV PO CO Hm tt Vt

TA - - - - - + + - + + +

Observaţie L ndash căldura de cristalizare c ndash căldura specifică PO ndash puterea oxidantă CO ndash conţinut de CO icircn gaze Hm ndash presiunea metalostatică Vt ndash viteza de turnare

6222 Influenţa naturii formei

Influenţa naturii formei se manifestă prin variaţia valorilor proprietăţilor termofizice (r ndash raza porilor bf ndash coeficientul de acumulare a căldurii Rt ndash rezistenţa termică ΔV ndash transformări volumetrice la icircncălzire) şi prin variaţia proprietăţilor fizico-chimice (Pg ndash presiunea gazelor icircn interfaţa metal-formă şi compoziţia chimică a gazelor şi a materialelor din formă) Pe baza analizei mecanismului de formare a

41

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 42: INTERACT MF cap6_19august.doc

aderenţelor rezultă următoarea influenţă a naturii formei (icircn sensul creşterii valorii factorilor)

ndashraza porilor (r) micşorează valoarea forţelor capilare (

) şi deci procesele de penetrare a silicaţilor lichizi şi a

oţelului lichid icircn pereţii formei sunt atenuate ndashtendinţa de formare a aderenţelor se micşorează (v tab 610)

pentru micşorarea razei porilor şi a volumului de pori icircn formă se folosesc cu precădere vopsele de acoperire şi de impregnare Pentru vopsele se folosesc componente refractare sub formă de pulberi cu dimensiuni sub 20 μm deci cu suprafeţe specifice (Ss) foarte mari de exemplu la electrocorindon 1900 ndash 11000 cm2g grafit (argintiu şi negru) 2440 ndash 8450 cm2g talc 3000 cm2g marşalită 1950 cm2g zircon 3500 cm2g Icircn acest mod se realizează o micşorare a volumului porilor (de la 30 ndash 40 la 15 ndash 20) Efectul maxim se obţine mai ales icircn cazul folosirii vopselelor de impregnare care pot realiza icircn mai mare măsură atacirct reducerea volumui de pori cacirct şi a razei acestora pe o adacircncime mai mare (pacircnă la 70 mm) a suprafeţei active a formelor (miezurilor) icircn comparaţie cu vopselele de acoperire (pacircnă la 05 mm) Vopselele cu vacircscozitate scăzută şi care conţin grafit dispers (particule de 2 ndash 5 μm icircn loc de 75 μm) pot penetra icircn porii formei şi prin aceasta determină reducerea tendinţei de formare a aderenţelor Pentru impregnare se tinde să se folosească substanţe newtoniene Este vorba de substanţe (vopsele) tixotrope soluţii apoase caracterizate printr-un conţinut de material refractar mare pe unitatea de suprafaţă a formei Grosimea straturilor de vopsea de acoperire variază icircntre 200 şi 500 μm iar adacircncimea de penetrare icircn peretele formei variază icircntre 200 şi 900 μm icircn funcţie de densitatea vopselei Cu creşterea acesteia se micşorează adacircncimea de penetrare şi creşte grosimea stratului depus pe suprafaţa exterioară Se micşorează astfel rezistenţa de adeziune icircntre stratul de vopsea şi formă Cu cacirct creşte durata de contact icircntre oţelul lichid şi formă la vopselele cu grafit şi lianţi organici se intensifică procesul de distrucţie grafitul dizolvacircndu-se icircn oţel La turnarea oţelurilor icircnalt aliate cu mangan sunt folosite vopsele pe bază de magnezită şi nu de zircon icircn vederea preicircntacircmpinării reacţiilor icircntre Mn şi SiO2 Volumul de pori (Vp) şi raza efectivă (r) a porilor poate fi variată şi prin alegerea componentelor formei valorile minime se obţin la

42

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 43: INTERACT MF cap6_19august.doc

formele cromomagnezitice (Vp = 25 r = 16 μm) iar cele maxime la amestecurile din nisip cuarţos şi răşini (Vp = 44 r = 61 μm tab 611)

Tabelul 611Volumul de pori şi raza efectivă a porilor

Compoziţia amesteculuiVolumul total al

porilor

Volumul porilor ocupat de mercur

Raza efectivă a porilor

μmNisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu

37 235 40

Nisip de cromomagnezit cu 6 silicat de sodiu

25 143 16

Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 221 36Nisip cuarţos cu 2 răşină fenolică OF-1+12 acid benzosulfonicndashfară icircndesarendashcu icircndesare

44 265 6136 231 38

La amestecurile din nisip cuarţos raportul dintre diametrul porilor şi dimensiunea medie a granulei variază icircntre 01 şi 015

Micşorarea volumului şi razei porilor icircn formă se realizează de asemenea prin creşterea gradului de icircndesare a amestecului la operaţia de formare folosirea marşalitei (pacircnă la 50) (v tab 612) folosirea adaosurilor organice (făina de lemn carbonice)

Tabelul 612Volumul de pori şi raza efectivă a porilor la amestecurile de marşalită

Conţinutul de marşalită

Volumul total al porilor

Raza efectivă a porilorμm

0 370 4010 350 3520 310 2830 260 15

Un alt factor de influenţă legat de natura formei icircl reprezintă capacitatea de sinterizare şi de obturare a porilor din perete cu cacirct se micşorează raza capilarelor cu atacirct posibilitatea de penetrarea a oţelului

43

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 44: INTERACT MF cap6_19august.doc

este mai mică Aşa se explică calitatea superioară a suprafeţei pieselor mari turnate din oţel icircn formele de nisip cu cromit icircn ciuda faprului că θ este doar 84o La aceste forme are loc un proces de sinterizare a granulelor de nisip cu cromit icircn intervalul de temperatură 1050 şi 1300oC pus icircn evidenţă prin creşterea rezistenţei Deşi nisipul de cromit (spinel FeOCr2O3 cu 32 FeO şi 68 Cr2O3) are temperatură foarte ridicată de topire 2200oC la nisipul pur şi 1900oC la nisipul cu impurităţi Al2O3 + MgO SiO2 CaO etc Totuşi se constată procesul de sinterizare menţionat La temperaturi de peste 600oC cromitul icircncepe să se descompună icircn FeO şi Cr2O3 surpulusul de FeO se topeşte şi penetrează icircn porii formei Procesul de migraţie este favorizat de reacţiile suplimentare de oxidare a FeO la Fe2O3 care formează cu Cr2O3 o soluţie cu temperatură de topire foarte joasă (cca 850oC) Rolul oxizilor de fier la amestecurile pe bază de cromit este pus icircn evidenţă prin curbele de variaţie a compoziţiei chimice icircn spaţiile intergranulare caracterizate printr-un conţinut scăzut de Cr icircn schimb printr-un conţinut ridicat de Si aşadar fazele care participă la sinterizare sunt FeO SiO2 Al2O3 CaO Icircn acest mod are loc obturarea porilor micşorarea razei icircn care condiţii forţele capilare de respingere faţă de oţel cresc foarte mult Aceste procese duc la o creştere de volum a granulelor de cca 108 (din volum) Acest fenomen de mărire a volumului (de umplere) a amestecului pe bază de nisip de cromit este cunoscut sub denumirea de bdquoChromite ndash sealing ndash bloating ndash phenomenonrdquo (fenomen de obturare prin umplere) Aşadar reacţia FeO (provenit din descompunerea cromitului) cu impurităţile din nisip duce la apariţia unor faze icircnsoţită de mărirea de volum Icircn condiţiile atmosferei reducătoare FeO este redus pacircnă la fier şi astfel la suprafaţa formei pot să apară picăturile de Fe care conduc la creşterea tendiţei de umectare şi deci la icircnrăutăţirea calităţii suprafeţei pieselor turnate Micşorarea volumului şi dimensiunilor porilor icircn forme poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care formează cu cuarţul la icircncălzire zgure uşor fuzibile cu vacircscozitate ridicată (ca de exemplu 006 CaCl2 şi 006 NaOH) Icircn acest mod se micşorează temperatura de sinterizare a cuarţului de la 1300oC la 1100oC zgurile uşor fuzibile fac parte din sistemele CaONa2O ndash SiO2 Introducerea icircn amestecuri a adaosurilor care la icircncălzire pun icircn libertate oxigenul (de exemplu minereul de fier-hematită rutilul permanganatul de sodiu) determină intensificarea procesului de oxidare a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei atacirct icircn stare

44

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 45: INTERACT MF cap6_19august.doc

lichidă cacirct şi după solidificare Se intensifică astfel reacţiile de formare a silicaţilor din sistemul FeO-SiO2 de tip faialită şi deci procesul de formare a aderenţelor La conţinuturi ridicate de FeO şi la grosimi mari ale stratului de oxizi acestea au icircnsă o structură poroasă şi deci o rezistenţă scăzută aderenţele pot fi icircndepărtate uşor Hematita (sub formă de particule de 1 ndash 3 μmm suprafaţă specifică Ss peste 10 m2g) se introduce icircn cantitate de 2 ndash 4 din masa amestecului de formare Topiturile eutectice din sistemul FeO-SiO2 obţinute icircn cantitate mare cu ajutorul adaosurilor de hematită joacă deci următorul rol

ndashobturarea porilor din formă direct şi prin intermediul topiturilor de silicaţi şi ca urmare micşorează tendinţa de penetrare icircn aceştia a oţelului lichid şi a vaporilor de Fe(CO)5

ndashmăreşte plasticitatea formei şi deci micşorează tendinţa de fisurare a formei la icircncălzire

ndashmicşorează temperatura de contact şi deci măreşte bf datorită proceselor endoterme care au loc

ndashmăreşte rezistenţa termică a amestecurilorndashcoeficientul de acumulare a căldurii (bf) măreşte viteza de

răcire a oţelului icircn stare lichidă accelerează procesul lui de solidificare şi deci micşorează tendinţa de formare a aderenţelor

S-a arătat că valorile bf la formele frecvent utilizate variază icircntre 1400 şi 3850 ws12m2oC Mărirea valorii bf poate fi realizată prin introducerea de adaosuri care se descompun la icircncălzire cu efect endoterm (CaCO3 Fe2O3) sau prin introducerea de marşalită Aşa se explică de ce la fabricarea unor piese mari din oţel se utilizează icircn amestecuri pacircnă la 50 marşalită Cu cacirct este mai mare valoarea coeficientului de acumulare a căldurii cu atacirct mai mică este durata de menţinere a oţelului icircn stare lichidă şi deci posibilitatea de formare a aderenţelor este mai mică (de exemplu pentru un oţel OT 500 temperatura de turnare 1600oC valoarea bf a variat icircntre 1182 şi 2080 ws12m2oC prin schimbarea conţinului de faină de lemn icircn amenstecul cu 6 silicat de sodiu caracteristicele oţelului tlichidus ndash 1510oC tsolidus ndash 1460oC ρ ndash 7500 kgm3 c ndash 8377 Jkggrad tformei ndash 20oC căldura latentă de cristalizare ndash 251middot103 JKg probele tip placă 013x022 m grosimea pereţilor de la 001 la 004 m) Coeficientul minim de acumulare a căldurii bf care asigură solidificarea imediată a oţelului şi deci preicircntacircmpină formarea aderenţelor este

45

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 46: INTERACT MF cap6_19august.doc

(618)

icircn care bf bm sunt coeficienţii de acumulare a căldurii pentru formă şi oţel ws12m2oC βm ndash dilatarea volumică iniţială a oţelului νm ndash vacircscozitatea cinematică a oţelului m2s am ndash conductivitatea termică m2s lo ndash grosimea peretelui piesei

De menţionat că bf determină direct valoarea temperaturii de contact iar af ndash temperatura pe secţiunea peretelui formei cu cacirct este mai mare af cu atacirct forma se icircncălzeşte mai mult

( ) (619)

ndashtransformările volumetrice la icircncălzire măresc tendinţa de fisurare a pereţilor formelor şi a straturilor de vopsea de acoperire şi deci tendinţa de formare a aderenţelor Procesele de dilatare şi de contracţie depind de natura componentelor temperatură granulaţie

ndashpresiunea gazelor icircn formă la interfaţa metal formă (Pg) micşorează tendinţa de formare a aderenţelor icircntrucacirct acţionează icircn sens invers forţele capilare de absorbţie tendinţa de penetrare a fazei lichide de silicaţi icircn porii formei va fi mai mică Presiunea gazelor icircn cavitatea tehnologică a formei (Pf) nu joacă un rol important icircntrucacirct prezenţa răsuflătoarelor şi a maselotelor deschise face ca aceasta să fie egală cu zero şi deci relaţia corespunzătoare procesului de penetrare a oţelului icircn peretele formei

(620)

să nu aibă locIcircn cazul obţinerii pieselor mari valoarea Pg nu atinge valori

importante de exemplu la amestecuri din nisip şi bachelită (3 ndash 8)10-3

MPa Din acest motiv condiţia de penetrare a oţelului lichid icircn pereţii formei este dată de relaţia

46

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 47: INTERACT MF cap6_19august.doc

(621)

ndashproprietăţile chimice ale formei sunt determinate de natura componentelor formei şi a gazelor degajate Compoziţia componentelor formei influenţează icircn principal unghiul de umectare şi reacţiile chimice ale oţelului lichid faţă de granula de nisip acoperită parţial de pelicule de liant (icircn cazul lianţilor anorganici) sau de straturile carbonice (icircn cazul lianţilor organici) Unghiul de umectare depinde mai puţin de natura oţelului şi mai mult de natura formei (miezului) Nisipul cuarţos ca şi alte materiale refractare (şamotă cromomagnezită) MgO faţă de oţel prezintă unghiuri de umectare de 120 ndash 170oC şi tensiuni interfaciale de 800 ndash 850 ergcm2 Icircn schimb faţă de topiturile din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 şi FeO-MnO-SiO2 are o capacitate de umectare totală icircntrucacirct θ=0 (v tab 613) Aceasta este icircn principal cauza principală a formării aderenţelor Icircn acelaşi timp oţelurile prezintă o capacitate mare de umectare a oxizilor de fier şi a topiturilor de tip zgură icircn general inclusiv cele din sistemul FeO-SiO2-Fe2O3 (de tipul faialită) Din tabelul 613 rezultă că tensiunea interfacială fierndashoţel lichid posedă o tensiune interfacială ndash σ12 (topitura metalicăndashoxizi topitura metalicăndashzgure) foarte scăzută (σ12 = 260 ergcm2) ceea ce explică penetrarea oţelului icircn porii formei conform mecanismului analizat la structura aderenţelor de tip I

Lianţii anorganici naturali (bentonite şi argile) care conţin SiO2

icircn proporţie ridicată reactionează cu FeO din oţelul lichid şi deci intensifică procesul de formare a faialitei şi a aderenţelor motiv pentru care la prepararea amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare se utilizează materiale carbonice (v tab 614)

Observaţie Valorile sunt date pentru suporţi din magneziu cuarţ corindon şi cromomagnezit

Tabelul 613Unghiurile de umectare prin diferite sisteme

Topitura σ ergcm2 ρ gcm3 θ gradeFeO (cu 6-15 Fe2O3) 500-590 49 0FeO-SiO2-Fe2O3 (10-30 SiO2

5-10 Fe2O3

410-440 432 0

47

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 48: INTERACT MF cap6_19august.doc

65-80 FeO)FeO-MnO-SiO2 (20 SiO2 65 Mn 15 FeO)

500 40 0

Zgură de cuptor Martin (33 CaO 20 SiO2 11 FeO 17 MgO şi alti componenţi)

450 32 0

Zgură de furnal (40 CaO 44 SiO2 16 Al2O3)

480 32 0

Fier tehnic (dezoxidat) 1220 72 110-120Oţel cu carbon ridicat (058-10 C 018-025 Mn)

800-850 72 130-170

Oţel cu carbon scăzut (008 C) 1000 72 150

Tabelul 614Compoziţia unor materiale cărbunoase utilizate la prepararea

amestecurilor de formare şi a unor vopsele refractare

AdaosuriCompoziţia

Volatile Minerale Cocs Cărbune luciosPraf de antracit 33 7 80 10Praf de antracit sintetic 38 15 47 13Smoala 53 23 447 393Ulei 91 003 90 44

Lianţii anorganici sintetici care conţin de asemenea SiO2 icircn proporţie mare favorizează formarea aderenţelor Astfel icircn cazul formelor cu silicat de sodiu au loc reacţiile

(622)

(623)

48

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 49: INTERACT MF cap6_19august.doc

(624)

Zgurile rezultate umectează granulele de cuarţ Icircn figura 628 se arată variaţia unghiului θ la contactul dintre oţelul cu 032 C şi formele executate din nisip cuarţos de zircon de cromit (A B C) cu răşină (13 ndash 25) şi icircntăritor (033 ndash 063)

Fig 628 Variaţia lui θ la menţinerea izotermă a oţelului 1 ndash nisip de zircon 2 ndash nisip de cromit 3 ndash nisip cu răşină şi icircntăritor

Rezultă pentru nisipul cuarţos θ = 116o la cel de zircon θ = 122o iar la cel de cromit θ = 84o (după zece minute de menţinere) La formele executate din nisip de cromit ar trebui să se constate o tendinţă mai mare de formare a aderenţelor decacirct la celelalte tipuri de forme ceea ce nu corespunde realităţii Icircn toate cazurile oţelul nu umectează pereţii formei ca urmare a faptului că forţele capilare au sensul negativ sunt de refulare şi joacă rol de barieră Penetrarea oţelului icircn primul

49

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 50: INTERACT MF cap6_19august.doc

moment de contact cu forma este fracircnată tocmai de forţele capilare Icircn continuare are loc procedul de oxidare a oţelului (aerul din cavitatea formei aerul injectat icircn timpul turnării aerul penetrat prin porii formei) icircn urma căruia se desfăşoară reacţiile dintre FeO-SiO2 care conduc la două rezultate

ndashformarea zgurei lichide eutectice cu temperatura joasă de topire foarte fluidă şi unghiul de umectare mic faţă de peretele formei care este puternic absorbită icircn porii formei (forţele capilare joacă rol de absorbţie)

ndashformarea porilor (canale capilare) mai mari datorită topirii superficiale a granulelor de cuarţ icircn porii cu dimensiuni mai mari poate penetra datorită presiunii metalostatice a oţelului lichid

Condiţia penetrării oţelului lichid icircn porii formei este ca temperatura superficială a formei să fie mai mare sau cel puţin egală cu temperatura lichidus a oţelului Viteza de deplasare icircn peretele formei a izotermei lichidus este mult mai mică decacirct viteza de deplasare a oţelului datorită forţelor capilare

Fig 629 Dependenţa adacircncimii de icircncălzire a amestecului pacircnă la temperatura solidus de coeficientul de difuzivitate termică (af) temperatura de

turnare şi durata de contact (cifrele de pe curbe 1 5 10 min)

50

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 51: INTERACT MF cap6_19august.doc

a ndash oţel carbon b ndash oţel icircnalt aliat cu crom şi nichel

Adacircncimea de preicircncălzire a formei creşte cu bf respectiv af (v fig 629) şi depinde de natura oţelului adică de temperatura de turnare Cu cacirct temperarura de turnare este mai mare cu atacirct adacircncimea de icircncălzire este mai mare

Fig 630 Efectul obţinut la introducerea icircn amestecuri a diferitelor substanţe carbonice

De menţionat că viteza medie de curgere a fontei cenuşii icircn porii formei datorită forţelor capilare este de (2 ndash 10)10-4 ms Deci viteza de icircncălzire a formei este mult mai mică decacirct viteza de curgere a aliajului icircn porii formei Materialele carbonice (grafitul) asigură valori foarte ridicate pentru unghiul θ (θ peste 130o) şi icircn acest mod formarea aderenţei este exclusă topiturile de silicaţi se comportă similar oţelurilor icircn ceea ce priveşte tendinţa de umectare faţă de materialul refractar Introducrea substanţelor carbonice icircn amestecurile de formare (tab 614) precum şi folosirea lianţilor organici (de exemplu răşini)

51

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 52: INTERACT MF cap6_19august.doc

determină depunerea (prin descompunere a produselor gazoase a carbonului) pe suprafaţa garnulelor de nisip şi a peliculelor de lianţi organici a unor filme de carbon lucios (cu grosimea de 10-1 μm) precum şi formarea punţilor de cocs (v fig 630) Carbonul lucios posedă o stabilitate termică ridicată (se oxidează mai greu icircn comparaţie cu grafitul)

Prezenţa filmelor de carbon lucios pe suprafaţa granulelor de cuarţ determină

ndashmărirea unghiului de umectare deci micşorarea tendinţei de formare a aderenţelor Astfel de exemplu unghiul de umectare la interfaţa topitura de zgură (50 Fe2O3 + 50 Na2O2SiO2) creşte substanţial icircn cazul cacircnd plăcuţa de cuarţ este acoperită cu o peliculă de grafit (v fig 631) După alte date pentru topituri oxidice θ creşte de la 0 ndash 20o la 125o

Fig 631 Variaţia unghiului de umectare la contactul cu topitura de zgură ndash plăcuţă de cuarţ

1 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de grafit 2 ndash plăcuţă de cuarţ 3 ndash plăcuţă de cuarţ acoperită cu o peliculă de ţunder

Din formula

(625)

icircn care

52

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 53: INTERACT MF cap6_19august.doc

θ este unghiul de unmectare σGS σLS şi σLG ndash tensiunile superficiale icircntre gaz-solid lichid-solid şi lichid-gaz

rezultă influenţa atmosferei la interfaţa metal-formă Din figura 631 rezultă variaţia unghiului de umectare la interfaţa oţel-amestec cu 7 adaos carbonic (curba 1) Odată cu mărirea duratei de menţinere izotermă are loc micşorarea valorii unghiului θ datorită procesului de oxidare (icircn figură curbele 5 şi 6 ndash amestecuri cu adaos de calcar şi zgură de ferocrom curbele 1 ndash 3 ndash amestecuri fără adaos)

ndashformarea unei atmosfere reducătoare bogate icircn CO şi H2

(reacţiile C + 12O2 şi C + H2O)ndashobturarea parţială a peretelui formeiAdaosurile carbonice se folosesc la obţinerea pieselor turnate

din oţel cu pereţi subţiri (R = 8 ndash 12 mm) icircntrucacirct procesul de carburare este neicircnsemnat Pentru piesele cu pereţi groşi (R peste 35 mm) se folosesc din contră adaosuri de minereu de fier icircn vederea obţinerii unor aderenţe cu rezistenţă mică uşor de icircndepărtat Dacă Qs

(cantintatea de silicaţi formaţi) este mai mare decacirct Qa (cantitatea de silicaţi penetraţi icircn peretele formei) aderenţa se icircndepărtează greu Dacă Qs lt Qa ndash aderenţa se icircndepărtează uşor Capacitatea de oxidare a formei trebuie astfel dirijată icircncacirct filamentele de oţel lichid şi solidificate penetrate icircn porii formei să fie oxidate ca straturile de aderenţă să poată fi uşor icircndepărtate Capacitatea de oxidare este exprimată prin potenţialul de oxigen al fazei gazoase (PO) şi prin concentraţia de anioni de fier din spaţiile intergranulare Potenţialul de oxigen (PO) reprezintă conţinutul (icircn procente) de oxigen şi se determină cu relaţia

(626)

icircn care ΔF1 ΔF2 şi ΔF3 sunt valori ale variatiei energiei libere a reacţiei de oxidare a fierului de către O2 CO2 H2O (icircn kcalmol)

(627)

53

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 54: INTERACT MF cap6_19august.doc

(628)

(629)

PO (potenţialul de oxigen) al fazei gazoase icircn formele obişnuite cu silicat de sodiu variază icircntre 05 şi 95 la adaosuri carbonice scade pacircnă la 0 ndash 44 la adaosuri de ingredienţi oxidanţi creşte pacircnă la 20 şi peste Silicaţii astfel formaţi la suprafaţa granulelor de cuarţ posedă proprietăţi oxidante care se măresc odată cu creşterea PO a fazei gazoase Capacitatea de oxidare a silicaţilor poate fi caracterizată prin concentraţia de anioni (FeO2)- De exemplu la amestecurile din nisip cuarţos + marşalită şi silicat de sodiu şi bentonită concentraţia de anioni icircn silicaţii lichizi (FeO2)- este de 144 iar icircn cazul folosirii adaosurilor oxidante (minereu de fier sau mangan) ndash 746 Conţinutul mai ridicat de anioni (FeO2)- icircn amestecuri determină creşterea capacităţii oxidante a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei Icircn acest mod la interfaţa metal-formă (cu silicat de sodiu ca liant) apar mai multe zone de transfer de masă ionică (v fig 632)

54

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 55: INTERACT MF cap6_19august.doc

Fig 632 Reprezentarea schematică a transferului de ioni la interfaţa oţel-formă

A ndash stadiul iniţial B ndash stadiul final a ndash oţel b ndash silicat (faialită) c ndash cuarţd ndash fază gazoasă 1 2 3 4 5 ndash fazele corespunzătoare

Icircn figură mai sunt prezentate 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă 2 ndash interfaţă silicat şi faza gazoasă 3 ndash oţel lichid şi silicat lichid 4 ndash silicat lichid şi granula de cuarţ 5 ndash topitură silicat şi oţel solidificat

Zona 1 ndash interfaţă oţel şi faza gazoasă

(630)

(631)

55

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 56: INTERACT MF cap6_19august.doc

(632)

Anionul de (FeO2)- care se formează oxidează filamentele de oţel lichid care penetrează icircn porii formei Procesul de oxidare este intensificat de creşterea proporţiei de oxigen (anioni de oxigen liber)

Zona 2 ndash interfaţă silicat şi fază gazoasă

(633)

Ca rezultat are loc mărirea anionilor complecşiZona 3 ndash interfaţă oţel lichid şi silicat lichid Reacţiile icircn această

zonă pot fi icircmpărţite icircn două categoriindashreacţii care se desfăşoară icircn atmosferă de gaz cu capacitate

oxidantă slabă

(634)

(635)

Reacţia are loc icircn mod obişnuit icircn cazul formelor cu silicat de sodiu filamentul de oţel lichid nu se oxidează

ndashreacţii care se desfăşoară icircn prezenţa unei atmosfere oxidente

(636)

(637)

(638)

56

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 57: INTERACT MF cap6_19august.doc

(639)

Aceste reacţii sunt caracteristice pentru amestecuri care conţin adaosuri oxidante (hematită de fier sau minereu mangan-pirolizită) Conţinutul mare de anioni (FeO2)- şi (MnO2)- icircn faza lichidă de silicaţi intensifică procesul de oxidare a filamentelor de oţel lichid

Zona 4 ndash la interfaţa silicat lichid-granula de cuarţ

(640)

(641)

Are loc dizolvarea parţială a granulei de cuarţ icircn topitura de silicaţi

Zona 5 ndash la interfaţa topiturii de silicat nou formată şi oţel solidificat (piesa propriu-zisă)

(642)

(643)

(644)

Pe baza intensificării proceselor de oxidare se ajunge la oxidarea totală a filamentelor de oţel penetrate icircn porii formei şi micşorarea bruscă a rezistenţei crustei de aderenţă Oxizii de fier care rezultă se dizolvă icircn topitura de silicaţi măresc tensiunea superficială a acestora şi micşorează tendinţa de umectare a piesei de către silicaţi (micşorează forţele de adeziune a fazelor care vin icircn contact) Astfel la amestecurile cu silicat de sodiu fără adaosuri viteza de oxidare a filamentelor de oţel este de 001 ndash 0012 mmh la aceleaşi amestecuri cu adaosuri de minereu 005 ndash 010 mmh Icircn acest mod piesele din oţel se obţin cu

57

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 58: INTERACT MF cap6_19august.doc

suprafaţă curată Icircn cazul folosirii adaosurilor oxidice stratul de silicaţi oxizi din aderenţe se obţine cu grosimea de 10 ndash 20 ori mai mare (pacircnă la 200 μm) icircn comparaţie cu formele obişnuite fără prezenţa scheletului din oţel (v fig 633)

Fig 633 Schema formării aderenţelor a ndash uşor icircndepărtabile b ndash greu de icircndepărtat c ndash trecerea de la stratul de oxizi la

granula de cuarţ

Pentru mărirea PO pot fi folosite adaosurile icircn cantitate de 01 la V2O5 şi Na2SO4 Icircn acest caz au loc reacţiile

(645)

(646)

(647)

(648)

(649)

(650)

58

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 59: INTERACT MF cap6_19august.doc

(651)

Exemplu de amestec nisip ndash 100 silicat de sodiu 8 (M = 22 ndash25) ρ = 148 ndash 152 argilă ndash 3 ndash 4 V2O5 ndash 01 Na2SO4 ndash 01

6223 Influenţa geometriei piesei turnate şi a condiţiilor de turnare

Cu creşterea temperaturii de turnare se intesnsifică tendinţa de formare a aderenţelor ca urmare a creşterii duratei de contact icircntre oţelul lichid şi formă precum şi a duratei de solidificare Icircn acelaşi mod influenţează grosimea peretelui pieselor viteza de turnare micşorarea distanţei icircntre piesă şi formă precum şi presiunea metalostatică şi cea exterioară presiunea dezvoltată icircn maselotele oarbe cu cartuşe din carbonaţi (maselote cu presiune ridicată v tab 610)

63 Tendinţa de formare a rugozităţii

631 Influenţa rugozităţii asupra caracteristicilor mecanice

Rugozitatea reprezintă surplusuri metalice la suprafaţa pieselor turnate din oţel sub formă de riduri cu adacircncimea pacircnă la 1000 μm Cauza principală a apariţiei rugozităţii o constituie penetrarea oţelului lichid icircn porii formei sub acţiunea numai a presiunii metalostatice icircn condiţiile icircn care aderenţele nu pot să se formeze şi anume Prin urmare rugozitatea reprezintă un anumit tip de aderenţă mecanică nedezvoltată Rugozitatea influenţează la racircndul ei proprietăţile mecanice ale oţelurilor rezistenţa la tracţiune (v fig 634) rezistenţa la oboseală (v tab 615) şi rezistenţa la coroziune (fig 634 b) Rugozitatea Rz pentru granulaţii mici asigurate de amestecuri ca de exemplu făină de zircon marşalită electrocorindon rugozităţi Rz de sub de sub 100 μm (fig 634 d profilogramele de jos)

59

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 60: INTERACT MF cap6_19august.doc

Fig 634 Variaţia rezistenţei la tracţiune (a) şi a rezistenţei la coroziune a oţelurilor (b) icircn funcţie de rugozitate prin adaosuri de făină de zircon (1 ndash fără adaosuri 2 ndash 2 3 ndash 4 4 ndash 8 ) c ndash rugozitatea pentru granulaţii mari

ale nisipului d ndash rugozitatea pentru granulaţii mici ale nisipului

Tabelul 615Influenţa rugozităţii suprafeţelor asupra rezistenţei la oboseală

Procedeul de obţinere a pieselor

Rugozitatea suprafeţei Rz

μm

Numărul de cicluri pacircnă la ruperea epruvetelor din

oţel cu 035CForme obtinuţe cu modele fuzibile

42-56 1800038000

Forme din amestec cu silicat de sodiu

80-110 2050041000

Forme din amestecuri cu bentonită crude

90-180 1400026000

Forme din amestec cu răşini cu icircntărire la rece

250-300 1200020000

Forme din amestecuri cu argilă şi dextrină

430-500 950015000

632 Factori de influenţă

Factorul tehnologic care influenţează hotăracirctor rugozitatea (Rz) este dimensiunea (granulaţia) nisipului şi gradul de icircndesare cum rezultă din tabelul 616 Rugozitatea poate fi micşorată prin introducerea icircn amestecurile de fornare a unor adaosuri cărbunoase carbonul lucios rezultat este de natură să micşoreze tendinţa de formare a aderenţelor

60

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 61: INTERACT MF cap6_19august.doc

mecanice şi deci şi a rugozităţii Prin alegerea componenţilor amestecurilor de formare volumul de pori din forme poate varia icircn limite largi 27 ndash 46 Icircn funcţie de raza efectivă a porilor (ref) se poate stabili icircnălţimea critică a coloanei de oţel minimă care poate determina penetrarea lui icircn porii formei (v tab 617 şi tab 618)

Tabelul 616Porozitatea formelor din diferite amestecuri

Tipul amesteculuiRaza efectivă a

porilor μmPorozitatea

Nisip cuarţos şi răşină cu grade diferite de icircndesare

36-64 38-46

Nisip disten-silimanit şi răşină 30-33 33Nisip de zircon şi răşină 30-32 304Nisip de cromomagnezită şi răşină 23-25 293Nisip de magnezită cromit şi silicat de sodiu

18-20 270

Amestecuri fluide (nisip cuarţos + silicat de sodiu + zgură de feromangan şi detergent)

72-76 420

Nisip cuarţos şi silicat de sodiu 35-37 350Nisip cuarţos + marşalită (10 - 30) 35-15

Tabelul 617Influenţa compoziţiei amestecurilor asupra icircnălţimii critice de penetrare

(Hk)Tipul amestecului Raza efectivă Icircnălţimea critică

Nisip cuarţos cu 6 silicat de sodiu 40 360Nisip cuarţos cu 10 marşalită 372 372Nisip cuarţos cu 20 marşalită 790 790Nisip cuarţos cu 30 marşalită 15 1092Nisip cuarţos cu 10 argilă 36 259Nisip cromomagnezită + 6 silicat de sodiu

16 792

Amestec fluid cu ρ = 13 -135 gcm3 (cu silicat de sodiu)

75 190 - 230

Amestec cu nisip cuarţos cu răşină 36 309Amestec cu distensilimanit 34 398Amestec cu metil 28 1440Amestec cu zircon 31 1175

61

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 62: INTERACT MF cap6_19august.doc

Tabelul 618Influenţa granulaţiei nisipului asupra icircnălţimii critice de penetrare (Hk)

Amestec AliajIcircnălţimea critică pentru dimensiunea medie a

granulelor de nisip mm052 036 026 018 013 008

Nisip cuarţos cu silicat de sodiu

Oţel 03 C

Fontă

123 178 247 278 358 383

148 215 299 336 433 -Nisip cu argilă 10

Oţel 03 CFontă

159 203 306 367 478 -

192 245 369 443 577 -

Natura oţelului influenţează prin proprietăţile lui de suprafaţă (σ θ) termofizice (bm am) şi chimice (ΔTk) ca şi icircn cazul proceselor de formare a aderenţelor Mărirea tendinţei de oxidare (formarea oxizilor de TiO2 Al2O3 Cr2O3) a oţelului micşorează rugozitatea Temperatura de turnare şi presiunea metalostatică măresc tendinţa de formare a aderenţelor Icircmbunătăţirea calităţii suprafeţei turnate obţinute icircn forme ceramice este o soluţie de ridicare a calităţii pieselor turnate Porozitatea suprafeţei formelor care variază icircn mod obişnuit icircn limitele 25 ndash 55 influenţează icircntr-o mare măsură calitatea suprafeţei pieselor turnate şi anume valorile rugozităţii aderenţelor suflurilor exogene etc Porii din peretele formelor pot fi deschişi sub formă de canale care comunică icircntre ele sau fisuri Pot fi folosite trei tehnologii icircn vederea reducerii volumului de pori de la suprafaţa peretelui formei (icircn vederea realizării straturilor barieră cu ajutorul cărora se poate dirija intensitatea proceselor de interacţiune metal-formă)

ndashfolosirea icircmpregnării pereţilor formeindashfolosirea vopselelor de proţectiendashfolosirea formelor (a straturilor superficiale) ceramice (forme

compound)Icircn aceste cazuri straturile superficiale ale formei de barieră pot

avea o porozitate de numai 10 ndash 25 Astfel de exemplu formele ceramice pot asigura o rugozitate a pieselor din oţel de Ra = 18 ndash 25 microni Utilizate mai mult sunt formele ceramice realizate din suspensii

62

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 63: INTERACT MF cap6_19august.doc

geleificabile constituite din 70 marşalită 30 silicat de etil hidrolizat 25 ndash 30 icircntăritor ndash 25 soluţie apoasă de amoniac care după calcinare posedă fisuri locale icircnchise (porozitate localizată) Aceste fisuri localizate măresc icircnsă tendinţa de formare a suflurilor exogene şi prin aceasta tendinţa de creştere a rugozităţii ţinacircnd seama de

(652)

icircn care h este icircnălţimea rugozităţii RM ndash raza meniscului coloanei de aliaj penetrate icircn porii formeiRN ndash raza granulei de nisip Pg ndash presiunea gazelor Pm ndash presiunea metalostatică r ndash raza capilarului

Fig 635 Nomograma pentru determinarea rugozităţii la piesele din oţel obţinute icircn forme ceramice

a ndash constantă capilară θ ndash unghiul meniscului

63

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64

Page 64: INTERACT MF cap6_19august.doc

Alt factor cu influenţă majoră asupra rugozităţii pieselor turnate este tensiunea superficială a aliajului Interdependenţa dintre principalii parametri este dată de monograma prezentată icircn figura 635 Rezultă că prezintă importanţă atacirct volumul de pori cacirct şi structura lor (continuitatea lor) Icircn cazul formelor ceramice pe bază de silicat de etil apar fisuri icircn două etape

ndashicircnainte de calcinarea formelor datorită segregării gravitaţioanale icircn anumite zone a alcoolului etilic şi evaporării lui

ndashicircn timpul calcinării formelor datorită icircndepărtării componentelor lichide şi gazoase

Folosirea formelor ceramice de sliker (cuarţ topit + apă) asigură după calcinare un volum de pori de 6 ndash 12 fără apariţia fisurilor localizate icircnchise Calcinarea la temperaturi de 1150 ndash 1200oC asigură sinterizarea granulelor de cuarţ şi rugozitatea minimă a suprafeţei piesei (Ra = 18 ndash 25 microni) Un volum mic de pori (de exemplu 2) poate fi obţinut şi prin topirea la temperaturi ridicate (1800 ndash 3000oC) a suprafeţei formei constituită din nisip şi silicat de sodiu Se obţine astfel o fază sticloasă lichidă care astupă porii de la suprafaţa formei (v fig 635)

64