Stadiul actual privind - USV · este reprezentat de faptul că structura straturilor de material...

UNIVERSITATEA ―ȘTEFAN CEL MARE‖ DIN SUCEAVA

Stadiul actual privind

cercetările și realizările

referitoare la materialele

magneto-abrazive Referat

Conducător: Doctorand:

Prof.univ.dr.ing. Gheorghe GUTT Ing. Marius-Daniel BĂEŞU

Suceava, 2012

Stadiul actual privind cercetările și realizările referitoare la materialele magneto-abrazive

1

Cuprins 1.1. INTRODUCERE.....................................................................................................................2

1.2. BAZE TEORETICE ALE FINISĂRII ŞI SUPERFINISĂRII ÎN CÂMP MAGNETIC CU

DIFERITE MEDII ..............................................................................................................................4

1.2.1. Locul finisării magneto-abrazive între procedeele clasice şi neconvenţionale de finisare

cu abrazivi. .....................................................................................................................................4

1.2.2 Definirea si particularităţile procedeului de finisare magneto-abrazivă ....................................7

1.2.3. Medii abrazive..................................................................................................................... 11

2.1. Materiale utilizate pentru constituirea mediilor de lucru la finisarea magneto-abrazivă ........... 15

2.2. Obținerea materialelor utilizate ca medii de lucru în finisarea magneto-abrazivă .................... 21

2.2.1. Obținerea pulberilor prin metode mecanice .......................................................................... 22

2.2.1. 1. Măcinarea .................................................................................................................... 22

2.2.1.2. Pulverizarea .................................................................................................................. 28

2.2.2. Obținerea pulberilor prin metode fizico-chimice .................................................................. 31

2.2.2.1. Reducerea ..................................................................................................................... 31

2.2.3. Obținerea pulberilor magneto-abrazive ................................................................................ 35

2.2.4. Obținerea lichidelor magnetice (ferofluidelor) ..................................................................... 36

2.2.4.1. Metode de preparare a lichidelor magnetice .................................................................. 36

2.2.4.2. Metode de stabilizare a lichidelor magnetice [Gr, '03] ................................................... 41

3.1. Concluzii ............................................................................................................................... 44

3.2. Direcţii de cercetare............................................................................................................... 44


2

1. STADIUL ACTUAL AL PRELUCRĂRILOR CU MEDII

ABRAZIVE

1.1. INTRODUCERE

Calitatea şi fiabilitatea pieselor de margini depind, într-o mare măsură, de tehnologia de

prelucrare şi, în mod deosebit, de cea de finisare sau superfinisare în timpul căreia se

definitivează calitatea (microduritatea, rugozitatea etc.) şi precizia dimensională a suprafeţelor

prelucrate .

Perfecţionarea permanentă a proceselor tehnologice de prelucrare , având ca scop

îmbunătățirea calității, productivităţii şi economicităţii este determinată de exigenţele

crescânde impuse de funcţionarea corectă a maşinilor şi utilajelor, precum şi creşterea

gradului lor de complexitate.

A fost şi este necesară perfecţionarea procedeelor cunoscute de finisare şi

superfinisare, precum şi abordarea unor tehnologii specifice noi. În contextul acestor cerinţe

se înscrie finisarea magneto-abrazivă, un procedeu de finisare relativ nou, căruia i-au fost

totuşi consacrate multe cercetări teoretice şi experimentale ce au demonstrat eficienţa acestuia

şi largile posibilităţi de aplicare în industria constructoare de maşini, mecanică fină, aparatură

medicală, industria aeronautică și aerospațială etc., unde se cere o precizie ridicată.

Eroziunea cu fluide şi suspensii abrazive face parte din categoria procedeelor de

prelucrare utilizate, în general, pentru finisarea pieselor, scopul urmărit fiind acela de a se

asigura o înaltă precizie dimensională, de formă şi de poziţie a suprafeţelor supuse acţiunii

agenţilor de lucru. Importantă este, de asemenea, calitatea suprafeţelor obţinute, in cazul

anumitor procedee de lucru, rugozitatea rezultată fiind de ordinul al 10-10

.Un interes deosebit

este reprezentat de faptul că structura straturilor de material prelucrate sau a celor aflate în

imediata vecinătate a zonelor de lucru este foarte puţin sau uneori chiar deloc afectată de

acţiunea agentului eroziv aplicat.

În scopul asigurării formei geometrice, dimensiunilor, poziţiei relative şi calităţii impuse

suprafeţelor piesei prelucrate, se utilizează variante ale procedeului de prelucrare prin aşchiere

cu particule abrazive, denumit abrazare [Gr, ‘01], [Op, ‘81].

În acest caz prelucrarea are loc sub acţiunea unei mulţimi de granule abrazive, legate

sau libere, a căror muchii şi vârfuri ascuţite au orientări şi forme aleatoare, de unde şi

denumirea de scule cu tăişuri geometrice nedefinite, atribuită corpurilor abrazive. Granulele

abrazive pot fi compactate cu ajutorul lianţilor in corpuri abrazive cu forme macroscopice

bine precizate, ca în cazul rectificării, de exemplu, constituind astfel un mediu abraziv clasic.


3

Modul de lucru al unui corp abraziv astfel constituit este similar cu cel al unei freze, care are

un număr foarte mare de dinţi, granulele abrazive fiind încastrate în masa de liant. Condiţiile

de lucru ale sculei abrazive diferă de cele ale unei scule aşchietoare metalice cu tăişuri

definite prin următoarele:

- geometria granulelor abrazive este variabilă şi diferită de la granulă la granulă, fiind

posibile unghiuri de degajare atât pozitive cât şi negative (fig.1.1), într-un câmp foarte larg,

respectiv γ = -50...+45°;

Figura 1.1 – Geometria unei granule abrazive

- tăişurile granulelor abrazive aflate pe periferia sculei sau mai exact în zona de

aşchiere, au o dispunere neregulată şi nu sunt înscrise, în general, în aceeaşi suprafaţă iniţială;

- pe linia de contact dintre sculă şi obiectul supus prelucrării se află foarte multe

granule, care au o duritate ridicată şi care îndepărtează fiecare un volum de materiale de

aproximativ 40.000 ori mai mic decât oricare dinte aşchietor al unei scule aşchietoare cu tăiş

definit (de exemplu, o freză cu foarte mulţi dinţi);

- procesul de aşchiere prin abrazare se desfăşoară la viteze ridicate (v = 30...80 m/s) şi

ca urmare procesele specifice aşchierii pe fiecare granulă abrazivă se succed cu frecvenţă

ridicată. Timpul cât aşchiază o granulă este de ordinul 10-4

... 5∙10-5

sec., ceea ce înseamnă

transformarea practic instantanee în aşchii a adaosului de prelucrare local;

- vitezele mari de aşchiere şi geometria neadecvată pentru unele dintre granulele

abrazive conduc la dezvoltarea unei temperaturi ridicate în zona de aşchiere (1000÷15000

C), ceea ce pot determina oxidarea superficială a suprafeţei prelucrate;

- dirijarea procesului de abrazare se poate realiza numai pe baza modificării regimului

de aşchiere şi a mediului de aşchiere, deoarece modificarea geometriei granulei abrazive este

practic imposibilă [Gr, ‘01], [Op, ‘81].

Dezvoltarea tehnologiilor de prelucrare prin abrazare a condus la realizarea unor noi

medii abrazive, mediile abrazive în câmp magnetic, care sunt medii adaptabile funcţional şi

geometric, în contul mobilităţii relative a granulelor abrazive, care nu mai sunt compactizate


4

„rigid” în forme prestabilite, ci sunt compactizate „elastic”, în anumite condiţii de timp şi

spaţiu [An, ‗91], [Gr, ‘91], [Gr, ‘00], [Gr, ‘01].

1.2. BAZE TEORETICE ALE FINISĂRII ŞI SUPERFINISĂRII ÎN

CÂMP MAGNETIC CU DIFERITE MEDII

1.2.1. Locul finisării magneto-abrazive între procedeele clasice şi

neconvenţionale de finisare cu abrazivi.

Aşa cum este cunoscut, numeroase piese utilizate în construcţia de maşini, mecanică

fină, aparatură medicală și tehnică militară trebuie executate în clase de precizie ridicată şi cu

un înalt grad de netezime a suprafeţelor. Obţinerea gradului de netezime dorit şi a preciziei

necesare depind de procedeul de finisare, de abrazivul utilizat, de modul de folosire a

acestuia, de construcţia şi rigiditatea instalaţiilor de finisare, de regimurile de lucru folosite

etc.

În cele ce urmează, se urmăreşte încadrarea finisării magneto-abrazive, între procedeele

clasice şi neconvenţionale, de finisare cu abrazivi.

Finisările cu abrazivi intră în denumirea generică de "abrazare" care este de fapt

prelucrarea cu detaşare de aşchii sau microaşchii, cu granule libere sau încorporate în corpuri

abrazive de diverse forme: discuri, pare, benzi etc.

Este cunoscut faptul că abrazarea este caracterizată de următoarele proprietăţi

importante [Co, '76], [Se, '85]:

a) Prin abrazare se pot prelucra suprafeţe cu durităţi mari;

b) Funcţie de fineţea granulaţiei materialului abraziv şi de modul de efectuare a

procesului de abrazare se pot obţine suprafeţe cu precizie dimensională, precizia

formelor geometrice şi cu un grad de netezime ce nu pot fi atinse "de aşchierea cu

scule metalice;

c) Ca urmare a suprafeţelor mari de contact ce se pot realiza între scula abrazivă şi piesă,

şi ca urmare a vitezelor de lucru şi de avans mari, operaţiile de abrazare au în general

o productivitate ridicată;

d) Cantităţile de căldura degajate prin aşchiere sunt în general relativ mari.

Granulele abrazive realizează detaşarea aşchiilor prin zgârierea suprafeţei prelucrate.

În acest scop granulele trebuie să aibă în primul rând o durabilitate mai mare decât

materialul prelucrat şi apoi între piesa şi granula abrazivă trebuie sa aibă loc o mişcare relativă

oarecare.


5

Variantele procesului de abrazare se pot diferenţia din punct de vedere al scopului

tehnologic distingându-se variantele prezentate în figura 1.2 şi în tabelul 1.1, tabel în care

sunt prezentate principalele caracteristici ale acestor procedee de finisare şi superfinisare cu

abrazivi.

Figura 1.2 - Clasificarea procedeelor de finisare cu abrazivi [Ci, ‗99]

Din figura 1.2. reiese că finisarea magneto-abrazivă poate fi inclusă fie în categoria

procedeelor de finisare ce folosesc abraziv liber, liantul constituindu-1 câmpul magnetic, fie

în categoria procedeelor neconvenţionale de finisare cu corpuri abrazive.

Se poate aprecia că o caracteristică comună a procedeelor de finisare şi superfinisare

prezentate o constituie folosirea abrazivilor cu granulaţie fină şi foarte fină.

Condiţia de baza pentru obţinerea unei rugozităţi şi precizii ridicate a suprafeţelor

netezite o constituie acoperirea deasă a suprafeţei prelucrate cu un număr mare de urme

orientate în mod diferit, fapt ce impune ca tăişurile granulelor abrazive să nu revină asupra

urmelor descrise anterior. Problema netezirii de calitate se rezolva mai uşor şi mai bine dacă

maşina-unealta imprimă "sculei" mişcări mai complicate .

PROCEDEE DE FINISARE CU ABRAZIVI

CLASICE NECONVENŢIONALE

Cu abraziv liber

Lep

uir

ea

Rod

area

Fin

isar

ea c

u a

bra

ziv

lib

er a

glo

mer

at

Fin

isarea m

ag

neto

-ab

raziv

ă

Cu corpuri, bare sau

pânze abrazive

Rec

tifi

care

a fi

nă

Ho

nu

irea

Vib

ron

etez

irea

Lu

stru

ire

cu b

andă

adez

ivă

Asc

uţi

rea

alec

tro

chim

ică

Fin

isarea m

ag

neto

-ab

raziv

ă

Ho

nu

irea

ele

ctro

chim

ică


6

Tabel 1.1 Principalele caracteristici ale unor variante de prelucrare cu abrazivi

Nr. Crt.

Procedeu de finisare

Schema de principiu a procedeului

Adaosul pe

diametru [mm]

Caracte - risticile sculei

Regim de

finisare

P [kPa]

Caracteristicile finisării

∆Φ [mm] Ra [𝛍m] h

[mm]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1

RE

CT

IFIC

AR

E F

INĂ

0,0

4’

0,1

Corp

abra

ziv

- gra

nula

ţie

abra

ziv

12-1

4M

- gra

nula

ţie

dia

man

t

40/2

8-5

/3

t = 0,005-0,025

mm vd=10/40 m/s

vp=10/50 m/min s=0,005

-0,01 mm/min

-

0,03-0,05 0,005-0,01

0,01-0,015 0,002-0,005

Ra 0,32-0,06

Ra 1,25-

0,32

Ra 0,16-0,04

0,0

05

-0,0

03

2

HO

NU

IRE

0,2

’0,0

30

0,0

2’

0,0

05

Bar

e gra

nule

abra

ziv

e 16-6

5-M

5

Gra

nule

dia

man

tate

250/2

00-6

3/5

0

80/6

3-2

0/1

4

V = 20-80

m/min

Vosc = 3-22

m/min S=0,4’3

m/cd

400-800

800-1500

200-400

0,05-0,09

0,03-0,004

0,03-0,05 0,002 (după 2

treceri)

0,006-0,015 0,001-0,003

(după 3 treceri)

Rz 40-10 Ra 1,25-0,63 Ra 1,25-0,32

Ra 0,32-0,08 Ra 2,5-0,63 Ra 00,32-0,08

0,0

05

-0,0

02

3

VIB

RO

-NE

TE

ZIR

E

0,0

1’

0,0

25

0,0

03 /

0,0

08

0,0

01’

0,0

25

0,0

03’

0,0

08

Bar

e gra

nule

abra

zive

8-5

M40

-

M5

Gra

nule

dia

man

tate

100/6

3-2

0/1

4

400-3000

oscilaţii/m

A = 2’5 mm

V = 10-150

m/min

100-500

0,003-0,005

0,0005-0,001

Rz 20-10 Ra 1,25-0,63 Ra 2,5-0,32 Ra 0,16-0,008

Ra 0,32-0,08 Ra 0,08-

0,02

0,0

05

-0,0

002

4

LE

PU

IRE

0,0

01’

0,0

5

Gra

nule

abra

zive

(dia

man

tate

)

Ele

ctro

cori

ndon,

carb

ură

de

sili

ciu,

carb

ură

de

var

V = 0,08’6

m/s

20-400

0,0002-0,005 Ra 0,32-

0,04

0,0

05

-0,0

02

5

RO

DA

RE

0.0

005’

0,0

05

Gra

nula

ţie

abra

ziv

M7

-M1

V = 0,08’7

m/s

100-200

0,0001-0,001

De la Ra 0,08-0,02

până la Ra 0,04-0,0025

0,0

03

-0,0

1

Se poate considera că finisarea magneto-abrazivă se încadrează în categoria procedeelor

de superfinisare din punct de vedere al mărimi adaosului de prelucrare, a rugozităţi de

suprafaţă, a preciziei dimensionale cât şi a cinematicii de aşchiere.


7

Se constată, de asemenea, că finisarea magneto-abrazivă are performanţe apropiate sau

chiar mai bune, comparativ cu lepuirea şi vibronetezirea, dar uneori limitele sale de aplicare

sunt determinate de posibilităţile şi de capacitatea câmpului magnetic precum şi de

dimensiunile şi materialul presei de finisat.

Evaluarea globală a performantelor procedeului, evidenţierea avantajelor şi

dezavantajelor, a limitelor concrete de aplicare ale finisării magneto-abrazive, necesită

cercetări multiple şi complexe şi eventual implementarea în producţie în domenii adecvate.

1.2.2 Definirea si particularităţile procedeului de finisare magneto-abrazivă

Finisarea magneto-abrazivă are la bază capacitatea câmpului magnetic de a ridica şi

transporta particule, cu granulaţie mică, ce trebuie să posede proprietăţi magnetice şi abrazive,

între polii unui sistem magnetic şi piesa de finisat formându-se o așa numită "perie magneto-

abrazivă" [Ba, '86], (figura 1.3), determinată de orientarea particulelor de-a lungul liniilor de

forţă magnetică.

Figura 1.3 – Tipuri de perii magneto-abrazive [Mo, ‘03], [ Ya, ‚‘99]

Finisarea magneto-abrazivă poate fi considerată o submulţime a metodelor tehnologice

de prelucrare dimensională cu modificare de masă la care se îndepărtează surplusul de

material sub formă de aşchii sau microaşchii [Shi,'90].

Prelucrarea dimensională, cu îndepărtare de material se desfăşoară prin introducerea din

exterior a unei cantităţi de energie în zona de prelucrare, în acest caz energia introdusă este de

natură magnetică şi joacă rol de liant al particulelor magneto-abrazive exercitând, în acelaşi

timp şi o presiune asupra acestora [Shi,'84], [Shi,'85a].

Deoarece gradul de elasticitate al liantului se reglează uşor, prin schimbarea intensităţii

câmpului magnetic, se apreciază că finisarea magneto-abrazivă se apropie de finisările cu

abraziv neîncorporat în corpuri, bare sau pânze.

Acest fapt minimizează posibilitatea de a apariție a microfisurilor pe suprafaţa piesei de

prelucrat, în special în cazul materialelor casante, datorită forţelor controlate care acţionează

asupra particulelor abrazive [Ja,'01], [Ja,'02]. Acest proces este capabil să atingă rugozități

ale suprafeței prelucrate de ordinul nanometrilor [Ko,'02], atât în cazul prelucrării

suprafețelor plane [Shi,'85b], al suprafeţelor cilindrice interioare [Um,'95b], [Um,'95c] şi


8

exterioare [Um,'95a], cât și în cazul suprafețelor profilate [An,'91]. Acesta poate fi utilizat și

la finisarea internă a pieselor nerotative, cum ar fi țevile cu coturi. De asemenea, este utilizat

și la rectificarea sculelor așchietoare [Ba,'86], [Ka,'09].

Ideea folosirii energiei câmpului magnetic pentru prelucrarea mecanică aparţine lui

Harry P. Coats care, în anul 1938, a patentat o tehnologie neconvenţională pentru finisarea

suprafeţelor interioare ale ţevilor cu ajutorul unor pulberi care să posede proprietăţi magnetice

şi abrazive.

Începând cu anii 1950, s-au înregistrat patente în S.U.A., Rusia, Franţa, India, China

Japonia, Bulgaria, precum și în România [Ci,‘88][Ci,‘89a][Ci,‘89b]. În aceste instalaţii piesa

rămâne fixă sau efectuează mişcări simple, de rotaţie şi/sau translaţie şi mişcări de oscilaţie,

de amplitudine mică, iar câmpul magnetic schimbă densitatea masei abrazive, iar uneori

produce deplasarea acesteia.

Asupra obiectului de prelucrat (O.P.) (figura 1.4) se exercită o forţă sau o presiune

determinată de obiectul de transfer de energie (O.T.) realizându-se îndepărtarea de micro-

aşchii. Toată prelucrarea se efectuează în mediul de lucru (M.L.), mediu ce poate fi constituit

din pulbere magneto-abrazivă, compusă din particule feromagnetice și abrazive. Particulele

magneto-abrazive pot fi utilizate atât în stare liberă, cât și sub formă agregată. Particulele

agregate sunt obținute prin sinterizare, pe când cele în stare liberă sunt o mixtură mecanică de

particule feromagnetice, pulbere abrazivă și lubrifiant, ce are rolul de a asigura o legătură

între componentele particulelor magneto-abrazive [Bă,'11], [Ch,'02], [Shi,'86], [Ja,'05].

Figura 1.4 – Schematizarea unui proces de finisare magneto-abrazivă

Energia introdusă în zona de prelucrare determină procese elementare cu caracter

continuu, cumulativ şi progresiv. Ea produce în acelaşi timp modificări de stare ale

semifabricatului, ale mediului de lucru şi chiar ale obiectului de transfer de energie

(suprafeţele pieselor polare ce vin în contact cu piesa de prelucrat).

Pentru prelucrare este necesară cel puţin o mişcare de lucru, mişcările fiind efectuate fie

de obiectul de transfer, fie de piesa de prelucrat, fie de ambele.


9

Mişcările imprimate piesei sau sistemelor magnetice, caracteristicile câmpului

magnetic, forţele create de acesta determină, pentru granulă, o traiectorie complexă.

Mişcările necesare pentru finisarea suprafeţelor simple sunt reprezentate în figurile 1.5,

1.6, 1.7 [Ci,'99].

Figura 1.5 - Finisarea suprafeţelor plane I –

Mişcarea principală de rotaţie II – Mişcarea de

avans a mesei III – Mişcarea de oscilaţie 1 –

inductor magnetic 2 – Pulbere magneto-abrazivă 3

– Piesa de prelucrat 4 – Masa maşinii 5 – Bobine

Figura 1.6 - Finisarea suprafeţelor de revoluţie

interioare I – Mişcarea principală de rotaţie (a

piesei) II – Mişcarea de oscilaţie 1 – piesă

polară 2 – Lichid magnetic + abraziv 3 – Piesa de

prelucrat 4 – Masa maşinii 5 – Bobine 6 – Cuvă

Figura 1.7 - Finisarea suprafeţelor de revoluţie exterioare I –

Mişcarea principală de rotaţie (a piesei) II – Mişcarea de oscilaţie

1 – piesă polară 2 – Pulbere magneto-abrazivă 3 – Piesa de

prelucrat 4 – Bobine

Particula feromagnetică (fero-abrazivă) sau magneto-abrazivă, aflate în spaţiul de lucru

(întrefierul de lucru) devine dipol magnetic din momentul în care asupra ei acţionează câmpul

magnetic exterior.

Posibilitățile de mișcare sunt condiționate în mod deosebit de forma, dimensiunile și

greutatea piesei de prelucrat. Astfel, după mişcările necesare prelucrării se întâlnesc trei

posibilități de prelucrare (figura 1.8), cea cu O.P. mobil – O.T. fix; O.P. fix – O.T. mobil; O.P.

– O.T. mobile.


10

Figura 1.8 – Posibilități de prelucrare după modul de efectuare al mișcărilor

Micro-aşchierea este însoţită şi de alte fenomene respectiv: acţiunea microcurenţilor

induşi, acţiunea curenţilor turbionari, fenomene electrochimice, microdeformare plastică,

efect microcapilar, datorat lichidelor de răcire-ungere, fenomene de adeziune şi fenomene de

magnetostricţiune.

Finisării magneto-abrazive îi mai sunt specifice următoarele particularităţi care

constituie în acelaşi timp şi avantaje ale acestui procedeu:

- spre piesa de finisat se orientează muchiile cele mai ascuţite ale granulelor

(particulelor ferofluidului);

- presiunea exercitata de particule este constantă.

- muchiile uzate se reorientează continuu;

- duritatea şi rigiditatea "periei magneto-abrazive" se modifică uşor;

- nu apare fenomenul de "îmbâcsire" specific corpurilor abrazive, deci se pot finisa atât

materiale magnetice cât şi nemagnetice;

- posibilitatea de acces a particulelor la finisarea suprafeţelor interioare de dimensiuni

foarte mici;

- scade conţinutul de austenită reziduală în piesa finisată;

- scad simţitor tensiunile remanente etc.

Apar şi o serie de deficienţe:

- tehnologie complexă de obţinere a particulelor;

- apare câmp magnetic remanent în piesa finisată;

După modul de efectuare a mișcărilor

Câmp fix

Piesă mobilă

Câmp mobil Piesă fixă

Câmp mobil

Piesă mobilă


11

- aplicarea procedeului e limitată de dimensiunile piesei şi posibilităţile câmpului

magnetic;

- confecţionarea instalaţiilor necesită folosirea unor materiale deficitare (cupru,

aluminiu).

Cu toate acestea se poate aprecia că finisarea magneto-abrazivă constituie un procedeu

eficient cu multiple posibilităţi de aplicare.

1.2.3. Medii abrazive

Îndepărtarea adaosului de prelucrare de pe suprafaţa pieselor implică supunerea sculelor

la solicitări mecanice şi termice deosebite. Din acest motiv, materialele din care acestea sunt

executate cumulează o serie de proprietăţi, cum ar fi:

Duritate mare;

Rezistenţă la uzare;

Rezistenţă mecanică ridicată;

Termostabilitate;

Tenacitate crescută;

Un cost cât mai mic etc.

Principalele categorii de materiale care întrunesc total sau parţial caracteristicile mai sus

precizate sunt oţelurile carbon pentru scule, oţelurile aliate pentru scule (oţelurile rapide),

carburi metalice, materiale mineralo-ceramice şi cele abrazive.

Prelucrările prin aşchiere cu ajutorul granulelor abrazive sunt dezvoltate în mai multe

procedee tehnologice: rectificare, honuire, vibronetezire, rodare, lepuire, şlefuire, lustruire

etc [Co, ‘76], [Gr, ‘01].

Caracteristica generală, comună acestor procedee, este utilizarea materialelor abrazive

(pulberi sau granule) dispuse într-un anumit mediu purtător. Se pot realiza astfel, diferite

medii abrazive, care, în funcţie de modul în care sunt constituite, diferenţiază procesele de

abrazare în procedeele tehnologice mai sus amintite.

Granulele abrazive pot fi dispuse într-un liant şi compactizate în corpuri abrazive cu

forme bine precizate, utilizate la operaţiile de rectificare. Se realizează astfel mediul abraziv

clasic, cu cea mai răspândită utilizare.

Materialele abrazive se prezintă sub forma unor granule foarte dure, cu muchii şi vârfuri

ascuţite, care au proprietatea de a desprinde de pe suprafeţele de prelucrat aşchii de

dimensiuni foarte mici [Co, ‘76].

În scopul detaşării aşchiilor, granulele abrazive sunt antrenate într-o mişcare relativă

faţă de piesă, fiind înglobate într-un corp solid (pietre de rectificat de polizor), într-un lichid


12

(suspensii, paste), într-un jet de abur sau într-un câmp magnetic. Scula aşchietoare astfel

formată va conţine un număr mare de granule abrazive, dispuse aleatoriu şi care au muchii

tăietoare cu unghiurile de aşezare şi de degajare frecvent negative.

Un material abraziv este caracterizat de câteva proprietăţi importante:

DURITATE - capacitatea unui material de a opune rezistenţă la o acţiune

menită sa-l distrugă. Cu cât rezistenţa opusă distrugerii sale este mai mare, cu atât

materialul este considerat mai dur.

TENACITATEA ABRAZIVILOR - proprietatea care caracterizează

fiabilitatea materialelor abrazive, adică acea însuşire a granulelor de a se sfărâma sub

acţiunea unor sarcini aplicate prin şoc. Tenacitatea este exprimată în procente şi scoate

în evidenţă cantitatea de material abraziv care a rezistat operaţiei de sfărâmare.

GRANULAŢIA ABRAZIVILOR. Granulele abrazive se definesc ca fiind

acele particule ale căror mărimi maxime nu depăşesc 5mm şi care au raportul dintre

dimensiunea maximă şi cea minimă mai mic de 3. Granulaţia abrazivilor este o mărime

care are rolul de a exprima cantitativ dimensiunile particulelor.

CAPACITATEA ABRAZIVĂ - exprimă cantitatea de material evacuată în

timp de către un material abraziv, raportată la cea îndepărtată de diamant. În tabelul 1.2

sunt arătate câteva valori ale capacităţilor abrazive ale unor materiale:

Tabelul 1.2 - Capacitatea abrazivă a materialelor abrazive

În alte cazuri, cum ar fi lepuirea sau rodarea, se folosesc abrazivi în suspensii, care, cel

puţin în parte, se impregnează pe suprafaţa de lucru a unor scule realizate din materiale solide

relativ moi [Gr, ‘91], [Gr, ‘00], [Gr, ‘01].

Materialele recomandate pentru constituirea mediilor de lucru la prelucrarea magneto-

abrazivă se împart în mai multe categorii:

- granulele feromagnetice

- granulele compozite

- suspensii abrazive

Granulele feromagnetice sunt obţinute din materiale cu proprietăţi concomitent abrazive

şi magnetice. Cele mai des utilizate materiale de acest tip sunt feroborul, ferowolframul şi

Material

abraziv Cuarţ Electrocorindon

Carbură de siliciu

Carbură de bohr

Nitrură cubică de bohr

Diamant

Capacitate

abrazivă 0,02…0,03 0,15…0,025 0,25…0,45 0,5…0,6 0,5…0,8 1


13

fonta dură etc. (tabelul 1.3).

Granulele compozite sunt alcătuite dintr-o matrice cu proprietăţi feromagnetice care

înglobează mai multe particule abrazive (tabelul 1.3). Dimensiunile granulelor compozite sunt

de ordinul D = 100...200 μm, iar cele ale particulelor abrazive: d = 5...40 μm. Amestecurile

mecanice de pulberi de fier şi materiale abrazive, de exemplu cu electrocorindon sau aliaje de

nichel-cobalt sunt ineficiente, caracteristicile lor abrazive fiind reduse.

Ca parte magnetică se foloseşte fierul sau aliajul fier-cobalt iar ca parte abrazivă se pot

folosi diverşi oxizi, diamant sintetic şi unii compuşi greu fuzibili. Folosirea unuia sau altuia

dintre componenţi trebuie să ia în considerare şi costul acestora.

Suspensiile abrazive sunt lichide la care granulele sunt imersate într-un ferofluid.

Utilizarea ferofluidelor este recomandată la finisarea suprafeţelor interioare de mici

dimensiuni sau a celor greu accesibile, datorită proprietăţii acestor lichide de a uda toate

suprafeţele şi de a fi poziţionate şi menţinute exact când şi unde este necesar, prin crearea, din

exterior, a unui câmp magnetic.

O largă răspândire a căpătat, în ultima vreme, folosirea mediilor magnetoreologice

(ferofluide sau lichide magnetice) la finisarea în câmp magnetic a diverselor materiale.

O variantă a acestei metode o constituie folosirea ferofluidelor în amestec cu granule

abrazive (electrocorindon, carbură de siliciu, diamante industriale) care se bazează pe

proprietatea de levitaţie de speţa a I-a a ferofluidelor şi pe principiul separatoarelor cu

ferofluide.

Tabel 1.3 - Medii de lucru la finisarea magneto-abrazivă [Ci,'99]

Nr. crt Tip Compoziţie

1. Feromagnetice Ferobor; Ferowolfram; Fontă dură.

2. Matrice feromagnetică + abrazivi

Fe + TiC (15%)

Fe + WC (20%)

Fe + ZrC (10-20%)

Fe + Al2O3 (10-20%)

Fe + Cr3C2 (20-30%)

Fe + W2B5 (10-30%)

3. Matrice feromagnetică + granule diamantate

D = 100 ⋯ 250 μm d = 5 ⋯ 40 μm

4. Ferofluide + abrazivi Ferofluid: mediu de dispersie, fază dispersă, agent

stabilizant.

Abrazivi: Al2O3; TiC; Cr3C2.

5. Lichid magneto-reologic + abrazivi

Suspensii de particule magnetizabile (particule de fier

carbonil – CIP)

Lichid de bază nemagnetic (ulei natural, ulei mineral, apă

sau glicol)


14

Stabilirea performanţelor maxime ale acestor medii de lucru şi îmbunătăţirea calităţii

suprafeţelor la prelucrarea cu ajutorul lor presupune o cercetare interdisciplinară şi o

colaborare între metalurgi (metalurgia pulberilor) şi tehnologi (specialişti prelucrători prin

aşchiere).


15

2. Materiale utilizate la finisarea magneto-abrazivă și

metode de obținere a acestora

2.1. Materiale utilizate pentru constituirea mediilor de lucru la finisarea

magneto-abrazivă

În cazul prelucrării magneto-abrazive, mediul de lucru este constituit, conform tabelului

2.2, din pulberi magneto-abrazive (particule feri sau feromagnetice de tipul feritelor sau

pulberi compozite), ori din suspensii, mai exact ferofluide sau lichide magneto-reologice.

Materialele abrazive sunt substanţe cristaline naturale sau sintetice, cu duritate mare,

utilizate la şlefuirea sau la polizarea materialelor (metale, sticlă, lemn, minerale, pietre

preţioase). Abraziunea este un proces reciproc, în sensul că şi colţurile abrazivului se tocesc.

Din acest motiv abrazivul trebuie să fie sfărâmicios pentru a permite granulelor tocite să fie

distruse sub presiunea de şlefuire şi pentru a favoriza regenerarea noilor muchii. Abrazivii

trebuie să aibă temperaturi de topire ridicate, întrucât în timpul frecării se degajă o cantitate

mare de căldură şi trebuie să fie rezistenţi la acţiunea agenţilor chimici.

În Tabelul 2.1 sunt prezentate principalele tipuri de materiale abrazive:

Tabel 2.1 – Principalele tipuri de materiale abrazive

Abraziv Compoziţie Impurităţi Duritate [Mohs]

Densitate [g/cm

3]

Culoare

Diamant carbon

SiO2, MgO,

CaO, FeO,

Fe2O3, TiO2,

Al2O3

10 3,48..3,56 incolor, gri, maro.

galben

Corindon α-Al203

60 - 90 % Cr2O3, FeO, TiO3, Fe2O3

9 3,95.. .4,10 transparent cu

diferite nuanţe de

culoare

Şmirghel α-Al203

60% Fe3O4, Fe2O3,

SiO2 8-9 - gri închis, negru

Cuart SiO2 CO2, H2O,

NaCl, CaCO3 7 2,65

făra culoare,

transparent

Cremene SiO2

86 - 98,2% Al2O3, Fe2O3,

CaO, MgO 7 2,47...2,70 gri, maro

Materialele sintetice sunt cel mai des utilizate în construcţia sculelor abrazive datorită

durităţii lor mai mari decât cea a materialelor naturale, precum şi din cauza posibilităţii

obţinerii unei uniformităţi a dimensiunilor granulelor. Principalele materiale sintetice

cunoscute sunt corindonul sintetic (electrocorindonul), carbura de siliciu (carborundul),


16

carbura de bor, nitrura cubică de bor şi diamantul sintetic.

Tabelul 2.2 – Utilizarea materialelor abrazive sintetice

Abraziv Formula

chimica

Duritatea Knoop

[GPa] Utilizare

Diamant C 86 - 100 rectificarea materialelor toarte dure şi

casante (sticlă, ceramică, piatră etc)

Nitrura cubică de

bor CBN 78 - 100

rectificarea oţelurilor rapide, a celor înalt

aliate etc

Carbura de bor B4C 37 - 50 lepuirea materialelor dure şi casante

Carbura de siliciu SC 33 - 36 rectificarea materialelor dure şi casante

Oxidul de

aluminiu Al2O3 20 - 26 rectificarea materialelor mai puţin dure

Materialele feromagnetice au o structură fizică aparte: atunci când intervine un câmp

magnetic exterior, aceste materiale au tendința de a se transforma în magneți. Materialele

feromagnetice care își păstrează proprietatea de magnet după eliminarea câmpului exterior

(remanentă), formează categoria materialelor feromagnetice dure, sau așa numiții magneți

permanenți, în timp ce materialele feromagnetice care revin aproape la starea inițială, după

suprimarea câmpului magnetic exterior se numesc materiale feromagnetice moi. În cazul

finisării magneto-abrazive, materialele feromagnetice utilizate cu precădere sunt feroborul,

ferowolframul şi fonta dură [Bă, ‘11], [Ci ‘91].

Pulberea magneto-abrazivă alcătuită din matrice feromagnetică și abrazivi prezintă

două variante de utilizare: cea cu abrazivi liberi [Ch, '02], [Ur, '11], [Yo, '07] și cea cu

abrazivi încorporați [Bo, '11], [Fe, '98], [Ha,'98], [Kr, '03], [Ma,'89].

Tabelul 2.3 [Ba ,'86], prezintă aspecte structurale, particularități, avantaje și deficiențe

ale unor tipuri de granule folosite la finisarea magneto-abrazivă. Granulele folosite trebuie să

aibă, așa cum s-a mai precizat, proprietăți magnetice și abrazive, dar și un înalt punct Curie

pentru a-și păstra particularitățile magnetice la temperaturile ce apar în desfășurarea

procesului de finisare [Ci, '99].

De mare importanță pentru pulberile magneto-abrazive este rezistența legăturii ce se

stabilește între granulele componente. De aceasta depinde și rezistența lor în timp, respectiv

durabilitatea lor.

Interesează, de asemenea, compoziția și concentrația componenților, precum și alegerea

lor funcție de materialul prelucrat și rugozitatea inițială a suprafeței finale.

Folosirea materialelor omogene (indiferent de forma granulelor) nu asigură

caracteristici abrazive ridicate, iar magnetizarea este redusă în unele cazuri, duritatea lor este


17

insuficientă și sunt foarte fragile [Ci,'99].

Amestecurile mecanice de pulberi de fier şi materiale abrazive, de exemplu cu

electrocorindon sau aliaje de nichel-cobalt sunt ineficiente, caracteristicile lor abrazive fiind

reduse.

Ca parte magnetică se foloseşte fierul sau aliajul fier-cobalt iar ca parte abrazivă se pot

folosi diverşi oxizi, diamant sintetic şi unii compuşi greu fuzibili. Folosirea unuia sau altuia

dintre componenţi trebuie să ia în considerare şi costul acestora.

Tabel 2.4 – Tipuri de granule folosite la finisarea magneto-abrazivă

Aspecte structurale.

Particularităţi Avantaje Deficienţă

Material granulos omogen

(aliaj sau compus chimic).

- Compoziţie variabilă în limite largi. - Forma grăuntelui e variabilă, iar rezistenţa lui e ridicată.

- Absenţa muchiilor aşchietoare;

- Imposibilitatea asigurării unor caracteristici magnetice superioare;

- Capacitatea de aşchiere redusă

Grăunte cu dispoziţie radială relativ simetrică a părţii abrazive.

- Capacitatea înaltă de aşchiere; - Caracteristici magnetice bune; - Este posibilă

autoascuţirea grăuntelui.

- Capacitatea de aşchiere e limitată de temperatura de topire a materialului şi deci apare o rezistentă scăzută a grăuntelui;

- Are loc şi o scădere a caracteristicilor magnetice din cauza compuşilor abrazivi din grăunte.

Component ascuţit abraziv care este constituit dintr-o carcasă în care este materialul

tip compozit.

- Dispersie superioară a

abrazivului; - Rezistenţă ridicată a particulelor; - Capacitate bună de şlefuire ca urmare a dispersiei bune.

Compus feromagnetic de tip monostrat cu abraziv înglobat în suprafaţă.

- Cresc caracteristicile magnetice ale grăuntelui; - Creşte sensibil capacitatea de aşchiere.

- Viteza de distrugere a stratului abraziv este ridicată;

- Rezistenţa pulberii este redusă.

Compus feromagnetic

monostrat cu abraziv în profunzime.

- Caracteristici magnetice superioare; - Rezistenţă

ridicată.

- Scad caracteristicile magnetice ale pulberii

Material feromagnetic acoperit de o peliculă abrazivă dură.

- Caracteristici magnetice

superioare; - Lipsa contactului fierului cu suprafaţa prelucrată.

- Ca urmare a lipsei muchiilor aşchietoare, capacitatea de aşchiere este redusă.


18

Ferofluidele, componente de bază a procesului de finisare magneto-abrazivă.

Lichidele magnetice (ferofluidele) sunt dispersii de particule magnetice subdomenice

(∼10 nm) într-un lichid de bază. Numărul acestor particule este foarte mare, o valoare de

referinţă fiind 1023

particule pe metru cub. Aceste lichide magnetice au proprietăţile uzuale

ale lichidelor, dar în plus se comportă ca un material puternic magnetizabil.

Lichidele obişnuite nu au proprietăţi magnetice adecvate pentru a fi manevrate uşor prin

acţiunea unui câmp magnetic. Un mediu lichid cu asemenea proprietăţi prezintă interes practic

deosebit, motiv pentru care, în anii 60 la NASA [Pa, '65], pentru a pune la punct un sistem de

curgere controlată a combustibililor fluizi în condiţii de imponderabilitate, au fost sintetizate

primele lichide magnetice, suspensii coloidale ultrastabile de particule magnetice, care, într-o

primă aproximaţie, se comportă ca un lichid cvasiomogen cu susceptibilitate magnetică relativ

ridicată.

Sintetizarea şi studiul sistematic al proprietăţilor lichidelor magnetice a fost început în

grupul de cercetare al lui R.E.Rosensweig din SUA. Termenul de ferofluid propus de

Rosensweig s-a încetăţenit şi în literatura de specialitate [Ve,'07].

Studiul asupra lichidelor magnetice a evidenţiat o serie de fenomene senzaţionale, care

fac posibile noi soluţionări ale problemelor din ştiinţă şi tehnologie.

Începând din 1970 au fost impulsionate cercetările legate de obţinerea, microstructura,

proprietăţile, magnetohidrodinamica şi aplicaţiile lichidelor magnetice, ele fiind azi folosite în

numeroase dispozitive şi tehnologii: în tehnica spaţială, energetica nucleară, electrotehnică,

geofizică, medicină, prelucrarea minereurilor neferoase.

Ca urmare a proprietăţilor lor remarcabile, după 1970 lichidele magnetice au captat şi

interesul unor grupuri de cercetători români, dintre care trebuie amintiți cei din Iaşi, şi nu în

ultimul rând, cei din Timişoara [Gr, ‘03], [Ve,'07].

Lichidele magnetice (ferofluidele) [Gr, ‘03], [Bi, ‘02], [Rs, ‘81] sunt dispersii de

particule magnetice subdomenice într-un lichid de bază. Fiecare particulă coloidală dintr-un

fluid magnetic este un mic magnet permanent care tinde să se alinieze în direcţia câmpului

magnetic. Presupunând că particulele sunt mici (~100Å), agitaţia termică preîntâmpină

sedimentarea lor. În plus, particulele sunt învelite pentru a preveni interacţiunea lor

magnetică. În acest fel rezultă un amestec complex care se comportă ca un lichid omogen

chiar în prezenţa unui câmp magnetic aplicat din exterior .

Realizându-se iniţial din hidrocarburi ca lichid de bază, lichidele magnetice sunt

produse în prezent în diferite lichide, având proprietăţi fizice şi chimice care variază într-un

domeniu foarte larg. Ferofluidele comerciale sunt produse în apă, silicon, fluorocarburi, esteri,

diesteri şi alţi solvenţi. Ele au gamă largă de vâscozitate, umiditate, densitate, miscibilitate,


19

tensiune superficială şi alte proprietăţi. Prin controlul densităţii numerice a particulelor

magnetice în suspensie se poate varia în limite largi magnetizaţia de saturaţie şi

permeabilitatea magnetică relativă a lichidelor magnetice [Că, ‘74], .

Lichidele magnetice sau ferofluidele ( denumite şi fluide magnetice) au trei componente

principale: lichid de bază ( în principiu orice lichid, mai numit și fluid transportor), particule

magnetice ultrafine ( de regulă, Fe3O4, Fe sau Co) şi stabilizant ( un material anticoagulant, o

substanţă tensioactivă cu lanţ lung, cu rol de a împiedica fixarea particulelor), ce acoperă

fiecare particulă cu un strat monomolecular (figura 2.1) [Gr, ‘03], [Ur, ‘11].

Figura 2.1- Reprezentarea schematică a unui fluid magnetic pe trei scări de mărime specifice [Ur, ‘11]:

a) La scară macroscopică, lichidul magnetic se aseamănă cu un lichid obişnuit.

b) La scara dimensiunilor coloidale, lichidul magnetic e format din mici particule solide dispersate într-un

solvent.

c) Fiecare particulă este formată dintr-un miez din material cu proprietăţi magnetice având suprafaţa acoperită

cu lanţuri moleculare de stabilizant.

Se întâlnesc trei tipuri de fluid transportor bazaţi pe:

- uleiuri hidrocarbonate;

- uleiuri siliconice;

- apă.

Lichidul de bază se caracterizează prin compoziţie chimică şi proprietăţi fizice.

Compoziţia chimică a fluidului include apă şi fluide neapoase ca hidrocarburile şi alcoolurile.

Ca exemplu, se poate modifica PH-ul fluidului prin adăugarea unor acizi sau baze la acesta.

De asemenea acestuia se pot adăuga inhibitori pentru a controla reacţiile chimice sau

aditivi tensioreactivi.

Proprietăţile fizice ale fluidului (vâscozitate, densitate, conductivitate termică) afectează

atât dinamica fluidului cât şi transportul materialului în timpul prelucrării. Acestea depind de

presiune, temperatură, şi de eventualele modificări în compoziţia chimică a fluidului în timpul

prelucrării.

Particulele solide (sculele aşchietoare ale prelucrării) pot depinde de compoziţia

chimică, dimensiuni, formă şi concentraţie.


20

Compoziţia chimică poate fi extrem de variată de la diamante şi alte materiale inerte la

oxizi de aluminiu, siliciu, etc., la materiale formate din reţele ionice care îşi schimbă

proprietăţile la variaţii ale PH-ului.

Mărimea particulelor poate teoretic varia în limite destul de largi dar pot apare cazuri

când particulele se sparg în timpul prelucrării, modificându-şi dimensiunile și forma şi

influenţând procesul de prelucrare.

Forma poate avea o mare importanţă în prelucrare.

În general se folosesc particule cu caracteristici sferice, dar se mai folosesc şi particule

eliptice sub formă de blocuri sau ascuţite. Dacă particulele se sparg în timpul prelucrării,

particulele noi obţinute vor prezenta faţete mai ascuţite.

Concentraţia poate avea efecte foarte variate în prelucrare. Problema este de

necunoaşterea a câte particule (cât % din greutatea totală sau particule pe unitatea de volum)

sunt efectiv active în decursul procesului.

Stabilizantul (înfăşurarea de fluid) impune mişcarea relativă dintre particulele şi

suprafaţa de prelucrat şi afectează realizarea transportului particulelor putându-se obţine o

modelare a formei finale a suprafeţei de prelucrat.

Aceasta este influenţată de vâscozitatea fluidului, porozitatea materialului de prelucrat

şi mult mai important de rata de oboseală care determină forma suprafeţei şi textura

înfăşurării şi deci mecanismele de contact, filmele de fluid, distribuţia de temperatură.

Un ferofluid nu formează lanţuri. Mişcarea aleatoare a particulelor este mai mare decât

forţa ce le trage împreună. Vâscozitatea acestora nu se schimbă [Gu, ‗84a], dar le place să stea

(să se suspende) în câmpuri magnetice puternice.

Ferofluidele sunt stabile. Aceasta înseamnă că particulele solide nu se aglomerează ori

se separă (izolează) fazic, chiar şi în prezenţa unor câmpuri magnetice extrem de puternice.

Termenul de lichid magnetoreologic (LMR) se referă la lichide similare cu ferofluidele (FF),

care se solidifică, în prezenţa unui câmp magnetic. Fluidele magnetoreologice au particule la

scară magnetică micronică, ceea ce înseamnă că sunt cu 1-3 ordine de mărime mai mari decât

cele ale ferofluidelor. Efectul magnetoreologic începe de la dimensiuni ale particulelor mai

mari de 10 nanometri.

Fluidele magneto-reologice (FMR) sunt materiale compuse sau multifazice. Ele sunt de

obicei preparate cu unele faze feromagnetice dispersate într-un lichid nevolatil, inert din punct

de vedere chimic. Materialele tipice includ pulberi de fier si minerale, silicon sau uleiuri

sintetice. Fluidele magneto-reologice au capacitatea de a-şi schimba proprietăţile reologice.

Atunci când este aplicat un câmp magnetic, fluidul magneto-reologic se poate schimba dintr-

un fluid într-un solid într-un mod reversibil – cu un timp relativ rapid de răspuns (~ 10


21

milisecunde). Proprietăţile reologice sunt controlate de intensitatea câmpului magnetic, ceea

ce face ca fluidele magneto-reologice să fie foarte promiţătoare pentru numeroase dispozitive

tehnologice, în special pentru cele din domeniul mecatronicii.

Efectul magneto-reologic creşte cu volumul fracţiunii de pulbere de fier, care constituie

faza activă. Cu toate acestea, una dintre provocările în elaborarea unui fluid magneto-reologic

bun este aceea de a păstra aşa-numita vâscozitate „pasivă‖ - vâscozitate fără prezenţa

câmpului magnetic – la un nivel cât mai scăzut posibil.

De asemenea, este bine-cunoscut faptul că amestecul de pulberi cu particule de

dimensiuni şi / sau de distribuţie diferită, poate fi avantajoasă. Procesele tehnologice din

ingineria alimentară şi cea chimică, industria de ceramică şi metalurgia pulberilor etc., au

folosit această abordare cu succes.

2.2. Obținerea materialelor utilizate ca medii de lucru în finisarea

magneto-abrazivă

Întrucât în cazul finisării magneto-abrazive se utilizează particule magnetice și abrazive,

aflate în câmp magnetic sau făcând parte din componența lichidului magnetic, se va urmări în

continuare modalitățile de obținere a pulberii magneto-abrazive, precum și a lichidelor

magnetice.

Materialele abrazive, în speţă cele naturale, se obţin prin sfărâmare sau măcinare. În

cazul materialelor abrazive sintetice, acestea se obţin prin diferite metode de sinteză:

Dintre abrazivii sintetici cei mai utilizaţi sunt:

Carbura de siliciu, CSi, numită şi carborund. Ea se obţine prin topirea nisipului

cuarţos, a cuarţului măcinat sau a deşeurilor din cuarţ, cu materiale carbonifere ca

antracitul sau cocsul de petrol. Se prezintă sub forma unor cristale cubice galbene în

lumină reflectată sau hexagonale incolore. Impurităţile îi pot conferi şi alte culori.

Materialul are punct de topire ridicat, 2700oC, nu reacţionează cu apa şi cu acizii

minerali cu excepţia HF. Materialul are densitate mică (d = 1,75 g/cm3) iar la

temperaturi de peste 1000oC poate reacţiona cu azotul, cu clorul, cu monoxidul de

carbon, cu oxizi metalici, cu metale topite ca Mg, Fe, Co, Ni, Cr, Pt. Zincul, plumbul şi

cuprul nu reacţionează cu CSi şi de aceea carbura de siliciu se recomandă în şlefuirea

acestor metale

Azotura (nitrura) de siliciu, Si3N4, se obţine prin sinteză la 1300 – 1500oC sau

în reacţia dintre SiO2 cu cărbune, în atmosferă de azot, sub formă de pulbere albă,


22

microcristalină, cu punct de topire de 2800oC Este rezistentă la acţiunea agenţilor

chimici. La temperaturi peste 400oC reacţionează cu topiturile alcaline şi cu unii oxizi

metalici.

Carbura de bor, B4C numită şi metalită, se obţine sub forma unor cristale

romboedrice, de culoare neagră, extrem de dure şi greu fuzibile (Tt = 2350oC), cu mare

inerţie chimică.

Azotura de bor, BN, este un compus polimeric cu structură hexagonală

stratificată, numită de aceea şi grafit alb; ea poate prezenta şi o formă polimorfă

similară cu a diamantului, de culoare cenuşie. Se obţine prin topirea boraxului

(Na2B4O7) cu clorură de amoniu (NH4Cl) la 1500 – 2000oC, la presiuni ridicate de

(5…9).10

4 atm.

Siliciura de bor, SiB3 şi SiB6, cu aspect metalic şi conductibilitate electrică se

obţine în cuptoare electrice prin sinteză din elemente (Si + B).

2.2.1. Obținerea pulberilor prin metode mecanice

Întrucât în cazul finisării magneto-abrazive se utilizează particule magnetice și abrazive,

aflate în câmp magnetic sau făcând parte din componența lichidului magnetic, se va urmări în

continuare modalitățile de obținere a pulberii magneto-abrazive, precum și a lichidelor

magnetice.

2.2.1. 1. Măcinarea

Procedeul de măcinare este cea mai veche metodă de obţinere a pulberilor ceramice,

metalice şi nemetalice. Utilizarea ei pentru dezintegrarea materialelor metalice este mai

limitată datorită plasticităţii acestora, excepţie făcând feroaliajele şi compuşii intermetalici

pentru care s-a dovedit că metoda este eficientă.

Fenomenele generale care produc dezintegrarea materialelor în stare solidă sunt: apariţia

unor nuclee de generare a fisurilor, propagarea fisurilor şi ruperea, în urma căreia se formează

noi particule de dimensiuni mai mici. O scădere ulterioară a mărimii particulelor se produce

numai când procesele evidenţiate mai sus se reproduc. Mărimea particulelor de pulbere

depinde de material şi de parametrii de lucru. Cu cât particulele sunt mai mici cu atât este mai

dificilă măcinarea lor datorită răspunsului elastic şi elasto-plastic al particulelor la solicitările

mecanice externe [Am, ‘97], [Co, ‘97], [Do, ‘66].

Măcinarea în mori cu bile

Metalurgia pulberilor foloseşte morile cu bile clasice în procesul de măcinare a unui

număr relativ restrâns de pulberi, cum sunt pulberile de feroaliaje, de metale dure, de prealiaje


23

casante, la măcinarea catozilor fragili, obţinuţi prin electroliză, la măcinarea aşchiilor de fontă

şi de oţel .şi altele.

Dezavantajul principal al măcinării în morile clasice cu bile este faptul că metoda poate

fi, în general, aplicată numai în cazul metalelor şi aliajelor casante. Alt dezavantaj este

impurificarea pulberii măcinate cu materialul bilelor şi al căptuşelii morii. Morile cu bile

clasice sunt folosite în schimb cu succes la măcinarea oxizilor metalici necesari la procedeele

de fabricaţie prin reducere [Do, ‘66].

În figura 2.2 se prezintă schema de principiu a funcţionării morilor cu bile, schemă care

este valabilă atât pentru instalaţiile industriale cât şi de laborator.

Elementul principal al morii este tamburul de măcinare.

Diametrul tamburului este cuprins între 200 şi 1600 mm. El

este prevăzut cu o căptuşeală rezistentă la uzură, executată din

ceramică, din oţel manganos sau din aliaj dur sinterizat. Bilele

sunt executate din aceleaşi materiale dure sau foarte dure.

Gradul de umplere al tamburului de măcinare, incluzând

bilele şi materialul de măcinat este cuprins între 40-60%.

Viteza de rotaţie este principalul parametru de lucru al

procesului.

La o viteză optimă bilele sunt situate în partea de sus a

tamburului de unde cad asupra materialului. O viteză mică va

menţine bilele în partea inferioară a tamburului şi astfel nu se

va produce impactul dintre ele şi material. O viteză de rotaţie prea mare va crea forţe

centrifuge mari la nivelul particulelor care astfel vor fi împiedicate să ia contact cu materialul.

În general viteza optimă de măcinare variază proporţional cu inversul rădăcinii pătrate a

diametrului tamburului.

Regimul de funcţionare al morilor cu bile este determinat de viteza de rotaţie a morii, în

strânsă corelaţie cu gradul de încărcare al acesteia şi valoarea coeficientului de frecare dintre

încărcătură şi peretele interior al morii. Pentru un anumit grad de încărcare al morii şi o

anumită valoare a coeficientului de frecare, modificarea vitezei de rotaţie a corpului morii

(turaţiei) va implica o schimbare a regimului de funcţionare. Morile cu bile funcţionează

eficient în cazul în care turaţia lor se menţine în limitele (0,60 - 0,80) din turaţia critică

(valoarea limită a turaţiei, de la care se produce antrenarea totală a încărcăturii în mişcarea de

rotaţie a morii).

Un anumit grad de încărcare al morii, asociat cu o valoare determinată a forţelor de

frecare ce se manifestă între încărcătură şi pereţi, determină, la variaţia turaţiei, modificarea

Fig. 2.2 - Schema unei instalaţii de măcinare cu bile:

1. carcasă; 2. tambur; 3. uşa de

închidere; 4. bile şi material; 5.

roata dinţată de antrenare; 6.

burduf; 7. container de transport;

8. cărucior; 9. şină


24

regimului de funcţionare al morii. Astfel, pentru n < ncritic regimurile de funcţionare eficientă a

morilor cu bile sunt:

a) regimul de rostogolire, caracterizat prin: n ≈ 0,6 ncritic

b) regimul de cădere liberă, la care: n ≈ (0,75 ... 0,80) ncritic

Se observă că turaţia critică (ncritic) reprezintă elementul principal cu care pot fi

delimitate diferitele regimuri de funcţionare. Expresia ei poate fi determinată pornind de la

condiţia de echilibru impusă corpului de măcinat (asimilat cu o sferă), aflat în mişcare de

rotaţie în momentul trecerii acestuia prin punctul de zenit (fig. 2.2).

Pentru α = 90° (coordonata punctului de zenit), deci

sinα = sin 90° = 1, se obţine expresia condiţiei de echilibru:

2

criticp vP

g R

(2.1)

Corpul de măcinat rămâne în echilibru pe peretele morii, la trecerea prin

punctul de zenit (α = 90°), dacă forţa centrifugală de inerţie P este egală

cu componenta forţei de greutate (P ·sin α) care acţionează în sens contrar

(nu s-a luat în discuţie frecarea dintre corpul de măcinat şi peretele morii).

Din condiţia de echilibru rezultă că viteza critică a

morii vcritic, reprezentând valoarea vitezei care permite menţinerea corpului de măcinat în

echilibru pe peretele morii, la punctul de zenit, are valoarea:

criticv g R sau 2,21criticv D

(2.2)

Ţinând cont de corelaţia dintre viteza de rotaţie şi turaţie,

2,2160

critic

D nv D

(2.3)

Atunci:

60 2,21 42,2

critic

Dn

D D

(2.4)

În realitate, vitezele de rotaţie (turaţiile), care teoretic ar trebui să permită antrenarea

corpurilor de măcinat în mişcarea de rotaţie a morilor, nu asigură acest lucru, pe de-o parte

datorită alunecării pe peretele morii şi pe de altă parte datorită deplasării relative a straturilor

între ele. Legat de aceasta, valoarea teoretic calculată pentru turaţia critică trebuie acceptată ca

valoare condiţională.

În funcţie de turaţia morii, deci de regimul de funcţionare al acesteia (figura 2.3),

eficienţa procesului de măcinare variază substanţial.

Figura 2.2 [Co, ‘97]. - Schema de

calcul a vitezei critice de rotaţie a

tamburului morii cu bile.


25

Figura 2.3 [Co, ‘97]- Schema mişcării bilelor în tamburul morilor a

- regim de alunecare; b - regim de rostogolire; c - regim de cădere

liberă; d - regim de antrenare totală a corpurilor de măcinat în

mişcarea de rotaţie a morii.

1. Regimul de măcinare prin alunecare (n << ncritic) [Co, ‘97]

În cazul morilor cu suprafeţe interioare netede ale tamburelor, pentru valori reduse ale

încărcării cu bile, corpurile de măcinat nu efectuează mişcări de rotaţie în timpul funcţionării

morii. Întreaga masă a corpurilor de măcinat va aluneca pe suprafaţa tamburului rotitor,

deplasarea reciprocă a bilelor în acest caz lipsind aproape în totalitate. Fragmentarea

materialului în cazul acestei variante este puţin eficientă şi se realizează prin frecarea acestuia

între peretele tamburului şi suprafaţa corpurilor de măcinat de formă sferică.

2. Regimul de măcinare prin rostogolire (nmax ~ 0,6 ncritic) [Co, ‘97]

Obţinerea unor pulberi ultrafine, cu dimensiuni de ordinul 1 µm, utilizând regimul de

cădere liberă a corpurilor de măcinat, este foarte ineficientă. în aceste cazuri (de exemplu: la

producerea pulberii de grafit necesară execuţiei minelor de creioane sau în pregătirea unor

pulberi ceramice) se utilizează regimul de măcinare prin rostogolire a corpurilor de măcinat,

regim în care bilele ridicate prin rotaţia efectuată de tamburul morii se rostogolesc pe planul

înclinat creat de volumul total al lor. Fragmentarea materialului, în acest caz, are loc în

principal datorită frecării sale între bile, prin rostogolirea acestora pe planul înclinat creat. Un

asemenea regim de fragmentare se poate instala atunci când turaţia tamburului morii nu

depăşeşte 60% din valoarea critică.

Modificarea regimului măcinării, din varianta prin alunecare în varianta prin rostogolire

sau invers, devine posibilă în morile cu bile, prin varierea gradului de încărcare cu corpuri de

măcinat al tamburului morii: la valori ridicate ale gradului de încărcare, preponderent

măcinarea se realizează prin rostogolire, la valori scăzute - prin alunecare. Pentru dirijarea

procesului de fragmentare este necesară cunoaşterea condiţiilor în care se realizează trecerea

regimului de alunecare în regim de rostogolire şi invers.

Pentru a evidenţia condiţiile limită de modificare ale regimului fragmentării, se ia în

analiză comportarea bilelor în moară, considerând iniţial instalat regimul de funcţionare prin

alunecare. în momentul iniţial deci, bilele ocupă poziţia de jos a tamburului. Pentru

simplificarea calculelor se va considera că volumul ocupat de bile este limitat de o suprafaţă


26

plană. în acest caz, la o viteză constantă şi suficient de redusă a tamburului, bilele vor ocupa o

poziţie uşor înclinată (fig.2.4) [Co, ‘97].

Unghiul de înclinare al încărcăturii (β) se poate

determina din egalitatea momentelor a două forţe:

• forţa de frecare, care apare la deplasarea bilelor din

poziţia iniţială (repaus) în direcţia rotaţiei tamburului;

• componenta forţei de greutate, care frânează ridicarea

bilelor o dată cu peretele morii.

1M f P R , 2 1M P l

(2.5)

unde: M1 - momentul de rotaţie al forţei de frecare;

f - coeficient de frecare; P - greutatea bilelor; R - raza

interioară a tamburului; M2 - momentul componentei forţei

de greutate; P1 - componentă a forţei de greutate; l OA braţul forţei.

Prin alunecare, deplasarea reciprocă a bilelor lipseşte, deci încărcătura de bile poate fi

privită ca un tot unitar.

Pe măsura creşterii gradului de înclinare al încărcăturii, creşte valoarea componentei

forţei de greutate, care se opune rotaţiei bilelor o dată cu tamburul morii. înclinarea va creşte

până în momentul în care nu se mai asigură egalitatea momentului forţelor care se opun

deplasării, cu momentul forţelor de frecare, înclinarea încărcăturii de bile, determinată de

egalitatea momentelor celor două forţe, va rămâne constantă în cazul în care mişcarea de

rotaţie a morii este continuă şi cu aceeaşi viteză. Egalitatea celor două momente poate fi

exprimată:

1f P R P l

(2.6)

dar:

1 sin , cosP P l R

(2.7)

Rezultă că

sin cosf P R P R (2.8)

Deci,

1

sincos

f

(2.9)

În concluzie, înclinarea încărcăturii de bile în moară este dependentă de două mărimi:

valoarea coeficientului de frecare (f) şi unghiul α, care depinde la rândul său numai de

mărimea încărcăturii de bile a tamburului morii. Astfel, la creşterea valorii încărcăturii de

Figura 2.4 - Orientarea forţei de

greutate şi a componentelor

acesteia, prin înclinarea

încărcăturii cu bile la rotirea

tamburului morii;O- centrul de

greutate al încărcăturii.


27

bile, α creşte de la 0° la 90°, sin β şi respectiv β cresc, deci creşte unghiul de înclinare al masei

corpurilor de măcinat.

Deoarece sin β < 1, rezultă că unghiul α poate fi determinat în funcţie de valoarea

coeficientului de frecare f din condiţia:

1

1cos

f

(2.10)

Practic, unghiul de înclinare al suprafeţei corpurilor de măcinat nu poate creşte

nelimitat. La o anumită valoare a sa, bilele se vor rostogoli.

Astfel, în cazul în care unghiul corespunzător echilibrului momentelor forţelor de

frecare şi greutate este mai mic decât unghiul natural de pantă, fragmentarea are loc

preponderent prin mecanism de alunecare, iar în cazul contrar, caz în care echilibrul

momentelor nu se poate realiza datorită rostogolirii corpurilor de măcinat, preponderent prin

rostogolire.

Rezultatele comparative vizând intensitatea fragmentării prin cele două variante de

regim indică faptul că regimul de fragmentare prin rostogolire este mult mai eficient decât cel

de alunecare.

c) Regimul de măcinare prin cădere liberă, n ~ (0,75 - 0,80) ncritic

Este utilizat pentru fragmentarea materialelor dure fragile. Fragmentarea are loc în

principal datorită energiei eliberate la impactul corpurilor de măcinat cu materia primă.

d) Regimul de antrenare totală a încărcăturii. n > ncritic - nu prezintă interes practic.

Pulberile obţinute prin măcinare sunt neregulate ca formă, ecruisate şi au proprietăţi

scăzute de presare şi sinterizare.

La utilizarea morilor clasice cu bile pulberea se impurifică cu materiale desprinse din

corpurile de măcinare şi căptuşeala morii. În timpul funcţionării morii datorită căldurii ce se

degajă, există pericolul aprinderii pulberilor din materiale cu afinitate mare faţă de O2. Pentru

evitarea exploziilor şi reducerea încălzirii excesive a morii se poate trece prin tambur un

curent de atmosferă protectoare (N2, Ar, etc.) sau toba rotativă este stropită în permanenţă cu

apă.

În ultimul timp, s-au răspândit morile vibratoare cu bile, în special la fabricarea

pulberilor fine şi foarte fine, unde productivitatea lor poate fi chiar de 6 —8 ori mai mare faţă

de morile cu bile obişnuite. în metalurgia pulberilor, morile vibratoare sunt folosite în primul

rând la fabricarea pulberilor de aluminiu, precum şi în procesul tehnologic de fabricaţie a

pulberilor din carbură de wolfram şi de titan, a pulberii fine de grafit, etc.

Principalele caracteristici ale morilor vibratoare sunt :

capacitatea până la 1 000 1;


28

frecvenţa oscilaţiilor 900—3 000 min-1

;

amplitudinea oscilaţiilor 1—4 mm;

mărimea bilelor Ø 8 —20 mm;

gradul de umplere a volumului util al morii 75—85%.

Măcinarea în mori planetare cu bile se foloseşte pentru obţinerea unor cantităţi mai mici

de pulbere, la scară experimentală. În figura 2.5 se prezintă o astfel de moară. Diferenţa dintre

măcinarea în mori clasice şi măcinarea în mori planetare constă în utilizarea suplimentară a

unui suport pe care sunt prinşi un număr de tamburii de măcinare. Suportul împreună cu

tamburii execută o mişcare de principală de rotaţie iar tamburii au o mişcare suplimentară de

rotaţie în jurul axelor lor.

În felul acesta bilele primesc o mişcare accelerată care este de

10...20 ori mai mare decât acceleraţia gravitaţională. Bilele pot fi

executate din agat, nitrură de siliciu, corindon sinterizat, oxid de

zirconiu, carbură de wolfram, oţel inoxidabil.

Particulele măcinate pot ajunge până la 1 μm.

2.2.1.2. Pulverizarea

Pulverizarea este o metodă mecanică de obţinere a pulberilor metalice care constă în

dezintegrarea unei vane de metal lichid sub acţiunea unei surse de energie înaltă. În general,

sursa de energie poate să fie produsă de jeturi sau aburi de lichid sau gaz, de o forţă centrifugă

sau capilară sau de ultrasunete [Pă, ‘10].

Pulverizarea se desfăşoară în două etape. În prima etapă, pulberea se obţine prin

topire, pulverizare şi solidificare-răcire. În cea de-a doua etapă, pulberea este uscată

(eventual), tratată termic, cernută şi preparată pentru a corespunde cerinţelor producătorului

de piese sinterizate.

Materiile prime necesare producerii pulberilor prin pulverizare sunt deşeurile metalice

sau nemetalice. De exemplu, pentru obţinerea pulberilor de fier se recomandă deşeurile de

oţel cu conţinut scăzut de carbon şi cu nivele cât mai reduse de Ni, Cu, Sn, W, Mo, Cr şi P.

Manganul este permis până la 0,4- 0,5% şi este în mod obişnuit redus prin topirea aliajului.

Tot prin topire se reduc Al şi Si care sunt elemente ce afectează calitatea pulberii. Deşeurile

trebuie să fie uscate şi pe cât posibil să nu fie acoperite cu ulei.

Pulverizarea cu apă [Pă, ‘10]

Pulverizarea cu apă este la ora actuală cea mai importantă metodă de fabricare a

pulberilor metalice, în special a celor pe bază de fier.

Figura 2.5- Instalaţie

de măcinat planetară

(Fritch, Germania)


29

Materia primă este selectată în vederea topirii.

Topirea se poate realiza în cuptoare cu arc electric,

prin inducţie, cu plasmă sau cu laser.

După elaborare cuptorul este basculat iar

materialul lichid este deşarjat în pâlnia de turnare de

unde prin orificiul calibrat al unei duze ceramice curge

în duza de pulverizare (figura 2.6).

Duza de atomizare are rolul de a forma un con

de apă sub presiune (până la 300 bari în vârful

conului), care la impactul cu vâna de metal lichid

produce dezintegrarea acestuia.

După pulverizare apa este reciclată şi introdusă înapoi în proces. Pulberea este extrasă

cu o pompă din turnul de atomizare şi după ce a trecut printr-o sită este trimisă la instalaţia de

deshidratare.

Pulberea deshidratată cade pe un transportor cu bandă care o dirijează la instalaţia de

uscare.

După uscare se face o primă cernere pentru separarea pulberii grosiere de cea fină.

Pulberea grosieră este omogenizată şi este supusă apoi unui tratament termochimic. După

acest tratament pulberea este concasată, cernută şi stocată. Aceste etape sunt valabile şi pentru

fracţiunea de pulbere fină.

Reacţia metalului pulverizat cu apa este factorul limitativ . Pulverizarea cu apă este de

aceea aplicată la metalele si aliajele cu afinitate scăzută faţă de oxigen. Conţinutul rezidual de

oxigen este dependent de elementul de aliere şi se recomandă să fie cuprins între 0,08-0,15%.

Pulverizarea cu gaz [Pă, ‘10].

În cazul pulverizării cu gaz, vâna de metal lichid este dezintegrată sub formă de

particule cu ajutorul unui curent de gaz care poate fi: aer, azot, heliu sau argon.

În funcţie de temperatura de topire a materialului, procesul se poate desfăşura pe

direcţie orizontală sau verticală.

Pulverizarea cu gaz pe direcţie orizontală se recomandă pentru materialele la care

temperatura de topire este scăzută.

Pulverizarea pe verticală (figura 2.7) se recomandă pentru materialele cu puncte de

topire ridicate.

Figura 2.6 - Schema procesului de

pulverizare cu apă


30

Jetul vertical de metal topit este transformat în particule

de un curent de gaz puternic de presiune egală cu 12 MPa şi

a cărui viteză ajunge până la 2 Mach (720 m/s) în duza de

pulverizare. În majoritatea cazurilor unghiul sub care gazul

interacţionează cu metalul este de 400. Gazul este eliminat

din camera de pulverizare prin intermediul unui ciclon

unde totodată particulele fine se depun. Gazul este apoi

recirculat. Din cauza vitezei relativ mici de răcire a

particulelor, camerele de atomizare au dimensiuni mari, o

instalaţie completă de atomizare putând ajunge până la 20 m.

Eficienţa procesului este similară cu cea a pulverizării cu apă. Mărimea particulelor este

cuprinsă între 20-300 μm.

Particulele de pulbere obţinute au o formă sferică şi frecvent prezintă cavităţi ca

urmare a gazului produs în proces.

Pulverizarea cu aer a fost primul procedeu din gama procedeelor de atomizare

aplicat pentru obţinerea pulberilor de fier. Metalul topit utilizat pentru pulverizare conţine

fier şi până la 3,5% C. Vâna de metal topit este dezintegrată de o serie de jeturi laterale de

aer. Particulele fine cad într-o incintă în care se află apă şi se solidifică. Particulele au

suprafaţa oxidată şi pulberea conţine până la 6% O2. Pulberea este filtrată şi uscată pentru

procesarea ulterioară.

Particulele sunt dure şi pentru a le putea utiliza la formare trebuie să fie supuse

unui tratament de recoacere. Pentru acesta pulberea este introdusă într-un cuptor

cu vatră păşitoare şi este încălzită la 11000

C. Carbonul conţinut în pulbere reduce particulele

oxidate conform reacţiei:

3Fe3C + Fe3O4 → 12Fe + 2CO + CO2 (2.11)

Monoxidul de carbon care rezultă ca urmare a reacţiei dintre carbon şi oxigen

serveşte ca atmosferă de protecţie. Concomitent în cuptor se introduce şi un gaz protector

(hidrogen) pentru un mai bun control al procesului.

Pulverizarea cu aer este folosită de asemenea, pentru obţinerea pulberilor de

aluminiu şi a aliajelor de aluminiu, cupru, şi aliajelor de cupru, metale preţioase,

staniu şi plumb.

Pulverizarea cu gaz inert se aplică pentru obţinerea pulberilor din metale înalt

aliate cum ar fi oţelurile inoxidabile, oţelurile de scule, superaliajele pe bază de

nichel, cobalt ca şi din aliajele de aluminiu. Factorii limitativi ai procesului sunt

temperatura de topire a materialului şi legat de aceasta tipul creuzetului utilizat.

Figura 2.7- Schema procesului de

pulverizare cu gaz pe verticală


31

Procedeul Coldstream [Că, '76]

Procedeul Coldstream - impactarea cu răcire a granulelor pe un perete din oţel

manganos - este un procedeu de mare productivitate. Granulele de dimensiuni mai mari,

concasate, sunt proiectate cu ajutorul unui jet de aer având o presiune de 0,7 MPa la

temperatura ambiantă (figura 2.8).

La ieşirea din duză a jetului de cu particule

metalice, datorită scăderii bruşte a presiunii de la 0,7 la

0,1 MPa, are loc scăderea bruscă de temperatură la

aproximativ 20°C, ceea ce face ca materialul să devină

mai fragil şi să se sfărâme mai uşor. Prin recirculare se

ajunge la granulaţia dorită. Pulberile metalice fabricate

prin acest procedeu au următoarele caracteristici:

granulaţie neuniformă cu dispersie relativ mare,

care scade cu creşterea numărului de recirculări:

sunt compacte;

au forme variate, cu suprafeţe neregulate şi prezintă muchii ascuţite;

pot fi contaminate cu particule desprinse de pe peretele de impact

2.2.2. Obținerea pulberilor prin metode fizico-chimice

2.2.2.1. Reducerea

Principalele procedeele de fabricare chimice presupun reducerea compuşilor metalici

cum ar fi oxizi, carbonaţi, nitraţi cu gaze (în general hidrogen) sau cu elemente chimice solide

(carbonul sau metalele reactive). În majoritatea cazurilor compusul metalic care urmează să

fie redus se află în stare solidă. În cazul soluţiilor, de exemplu: de nichel sau cobalt, reducerea

are loc în prezenţa hidrogenului, prin procedeele hidro-metalurgice. Dacă reacţia are loc în

stare solidă sau ca urmare a interacţiunii solid-gaz nu mai este posibilă nici-o purificare a

materialului pulverulent. De aceea materia primă trebuie să fie suficient de pură. Pe de altă

parte compusul care urmează să fie redus trebuie să fie constituit din particule suficient de

mici pentru a favoriza reacţiile cinetice şi de a reduce astfel timpul total al procesului.

Procedeul Höganäs [Că, '76], [Do, '66], [Pă, '10]

Una dintre cele mai importante metode de obţinere pe scară industrială a pulberilor de

fier este reducerea directă a magnetitei (Fe3O4) cu carbon. Magnetita este un minereu

bogat în fier şi se găseşte în cantităţi suficiente în nordul Suediei. Metoda de transformarea a

acestui minereu în pulbere a fost dezvoltată în Suedia, începând cu anul 1910 de către firma

Figura 2.8 - Schema de principiu a obţinerii pulberilor metalice prin

procedeul Coldstream:

1 - perete de oţel; 2 - granule de

pulbere metalică; 3 - granule de

dimensiuni mari; 4 - duză; 5 - aer

comprimat.


32

Höganäs. Pulberea de fier spongioasă rezultată este unul din materialele de bază utilizat în

obţinerea pieselor sinterizate pentru construcţia de maşini şi mai mult de jumătate din

producţia anuală de pulberi se obţine prin această metodă.

Magnetita şi amestecul reducător sunt uscate în câte un cuptor rotativ (3), (figura 2.8).

Amestecul reducător este apoi separat magnetic iar magnetita este sfărâmată (4) şi cernută (5).

Cele două materiale sunt în

continuare deşarjate automat în

retortele ceramice (7). Retortele cu

învelişul din carbură de siliciu, au

un diametru interior de 40 cm şi

înălţimea de 50 cm şi la interior sunt

compuse din două tuburi concentrice.

În tubul exterior şi interior se toarnă

amestecul reducător (19). În spaţiul

dintre cele două tuburi se toarnă

magnetita (18).

Retortele suprapuse câte 4 şi

grupate în număr de 25, sunt dirijate cu

ajutorul unor vagoneţi în cuptorul

tunel de reducere care are o lungime

de 280 m şi unde temperatura creşte

treptat până la 1200oC.

Pe măsura creşterii temperaturii, cocsul începe să ardă formând CO, care la rândul lui

va reduce magnetita în fier şi se va transforma în CO2.

CO2 reacţionează cu cocsul rămas formând din nou CO, care va intra din nou în

reacţie.

Se pot scrie următoarele reacţii de reducere:

Fe3O4 + CO ↔ 3FeO + CO2

FeO + CO ↔ Fe + CO2 (2.12)

CO2 + C ↔ 2CO

Aceste reacţii continuă până când toată magnetita este redusă la fier şi cea mai mare

parte a cocsului arde.

În paralel cu recoacerea, carbonatul de calciu reacţionează cu sulful care rezultă din

arderea cocsului.

După reducere, retortele sunt răcite în cuptor până la 2500 C.

Fig. 2.8. Schema fluxului tehnologic de obţinere a pulberilor

prin procedeul Höganäs [Pă, ‘10]:

1. minereu de fier; 2. amestec reducător de cocs şi carbonat

de calciu; 3. uscare; 4. sfărâmare; 5. cernere; 6. separare

magnetică; 7. umplerea tuburilor ceramice; 8. reducerea amestecului în cuptoare tunel la 1200oC; 9. descărcare; 10.

sfărâmare primară; 11. depozitare; 12. sfărâmare; 13.

separare magnetică; 14. măcinare şi cernere; 15. recoacere

în cuptoare cu bandă la 800-900oC; 16. egalizare; 17.

împachetare; 18. minereu de fier; 19. amestecul reducător.


33

Un ciclu complet de reducere constă dintr-o preîncălzire (45 ore), o menţinere la

temperatura de 12000C (30 ore) şi o răcire (40 ore).

În final, în interiorul retortelor se va găsi un tub de fier spongios cu o porozitate de

75%, cocs nears şi sulf. Tuburile formate din fier sunt în mod automat extrase din retorte (9),

sunt sfărâmate şi măcinate în mai multe etape obţinându-se particule mai mici de 3 mm (10).

Retortele sunt curăţate şi sunt încărcate din nou pentru o nouă șarjă.

Pulberea grosieră este temporar depozitată (11). În continuare pulberea este separată

magnetic (12), măcinată (13) până la obţinerea unor particule mai mici de 150 μm şi cernută

(14).

Pulberea este recoaptă apoi într-un cuptor tunel (cu o lungime de 15 m) la o temperatură

de 800-1500oC în hidrogen. După reducere, pulberea aglomerată este măcinată fin şi

colectată în silozuri speciale (16) de unde este divizată în loturi de 60-120 tone. Loturile

urmează apoi să fie livrate pentru pregătire amestecurilor de formare.

Obţinerea pulberilor metalice prin metoda carbonil [Do, '66]

Obţinerea prin această metodă a pulberilor de Fe, Ni, Co, Cr, Mo, W etc. se bazează pe

formarea carbonilului prin acţiunea oxidului de carbon asupra metalului, urmată de

descompunerea carbonilului în CO şi pulbere fină de metal.

În figura 2.9 este dată schema instalaţiei

pentru fabricarea pulberii de nichel carbonil,

valabilă şi pentru cazul pulberii de fier. Prin

coloanele 4, înalte de 9—12 m, cu diametrul

între 0,7—1,0 m şi grosimea pereţilor de 100—

150mm, încălzite la circa 200°C, umplute cu

fier spongios sau aşchii de fier, trece oxidul de

carbon la presiunea de 150—200 at, timp de

4—5 zile. În acest interval, circa 70% din

încărcătură se transformă în Fe(CO)5. Lucrând

cu nişte adaosuri mici (sub 1%) de seleniu sau

de telur, creşte atât viteza de reacţie, cât şi

randamentul procesului. Gazele care părăsesc coloanele de sinteză conţin circa 6% carbonil de

fier, un lichid gălbui care fierbe la 102°C şi are la 20°C densitatea de 1,453 g/cm3. El se

separă de oxidul de carbon prin condensare în răcitorul 6. Oxidul de carbon rămas se

reciclează prin pompa de circulaţie 5.

Figura 2.9 - Schema fabricării pulberii de nichel

carbonil:

1 — gazometru cu CO; 2 — compresor; 3 — uscător; 4 — coloana de sinteză; 5 — pompă de

circulaţie; 6 — răcitor; 7 — rezervor de înaltă

presiune; 8 — rezervor ; 9 — coloană de rectificare

; 10 — evaporator'; 11 — reactor de obţinere a

pulberii prin descompunerea carbonilului de

nichel.


34

Formarea pulberii de fier are loc din faza gazoasă prin descompunerea termică a

pentacarbonilului de fier, în prealabil evaporat şi ajunge în coloanele de descompunere 11,

înalte de 2,5— 3m, cu diametru de 1 m, în care se menţine o temperatură de 240°C şi o

presiune egală cu cea atmosferică. Descompunerea are loc conform reacţiei

( ) 5Fe CO Fe CO€ (2.13)

Oxidul de carbon, care se formează, este refolosit la sinteza pentacarbonilului de fier. În

timpul descompunerii, la început apar germeni de cristalizare cu mărimea de 0,01µm pe care

se depun apoi concentric straturi succesive, formându-se granule sferice cu diametrul între 1

şi 10 µm şi cu structură stratificată.

Obţinerea pulberilor metalice prin electroliză [Că, '76], [Do, '66], [Pă, '10]

Electroliza permite obţinerea pulberilor metalice prin alegerea adecvată a parametrilor

procesului de electroliză, astfel încât metalul să se depună la catod sub formă de pulbere.

Electroliza se poate face din soluţii apoase ale sărurilor metalului respectiv (cupru, staniu,

fier, argint) sau din topitura sărurilor metalului (tantal, uraniu, niobiu, titan, zirconiu). Factorii

care influenţează forma sub care se depune pulberea sunt: concentraţia electrolitului,

temperatura, densitatea de curent, agitarea electrolitului, mişcarea sau vibrarea electrozilor.

S-au cercetat mai multe compoziţii pentru băile de depunere. Se recomandă electroliţi

pe bază de cloruri sau sulfaţi în mod analog cu depunerea fierului compact, electroliţi alcalini

cu suspensii de hidroxizi de fier în medii alcaline, existând recomandări pentru depunerea

stratelor compacte şi fragile care se pot transforma în pulbere prin măcinare ulterioară [Că,

'76].

La densităţi mici de curent se depune metal compact, dar fragil, şi acesta poate fi uşor

măcinat. La densităţi medii de curent se depune metal poros, iar la densităţi mari de curent se

depune pulbere. Granulele pulberilor electrolitice au formă dendritică (figura 2.10) cu

structură spongioasă. Se caracterizează printr-o mare puritate, presabilitate foarte bună şi

sinterabilitate bună.

Depunerea electrolitică a metalelor în formă dispersă este

aplicabilă aproape în cazul tuturor metalelor. Electroliza

permite, de asemenea, şi obţinerea pulberilor aliate, ca de

exemplu Fe—Ni, Fe—Mo, Ni—Mo, Fe—Cr, Fe—Ni—Mo etc. Avantajul principal al metodei este posibilitatea fabricării unor

pulberi de mare puritate, chiar în cazul unor materii prime mai

puţin pure; se poate, de asemenea, varia mărimea granulelor

până la un grad de fineţe coloidală.

Figura 2.10 – Pulbere obţinută

electrolitic [Că, '76]


35

Dezavantajul principal al metodei este preţul ridicat al pulberilor (de 3...4 ori mai

scumpe decât pulberile obţinute prin pulverizare), astfel încât ele sunt folosite numai la

fabricarea produselor speciale. Din acest motiv, cantitatea pulberilor electrolitice, raportată la

producţia globală de pulberi metalice, este mică. Cei mai importanţi parametri ai electrolizei sunt densitatea de curent şi polarizarea,

compoziţia chimică şi concentraţia electrolitului, temperatura băii, intensitatea agitării băii,

prezenţa unor agenţi de adaos, mărimea şi aşezarea electrozilor, mişcarea electrozilor şi altele. Parametrii electrolizei, influențând electrocristalizarea, permit obţinerea la catod de

depozite cu proprietăţi foarte variate. Prin alegerea convenabilă a parametrilor electrocristalizării, se pot varia dimensiunile şi

repartiţia granulometrică a pulberilor, mărimea suprafeţei specifice, densitatea de umplere şi

de scuturare, presabilitatea, activitatea chimică şi altele. Pentru obţinerea pulberii de fier, se lucrează în

următoarele condiţii (figura 2.11): electrolitul conţine

120—140 g/l, FeS04 40—50 g/l NaCl şi 0,20-0,28 g/l

H2S04, densitatea de curent variază între 4—5 A/dm2,

tensiunea băii este de 1,5 —1,7 V, temperatura

electrolitului 48—54°C. Stratul depus, cu grosimea

de 1,5—2 mm, se îndepărtează de pe catozi, se spală,

se sfărâmă în mori cu ciocane şi se finisează în mori

cu bile. Pulberea rezultată este dură, fragilă şi oxidată, astfel încât necesită o recoacere

reducătoare de 1—3 h, la 700—850°C [Do, ‗66].

2.2.3. Obținerea pulberilor magneto-abrazive

Pulberea magneto-abrazivă alcătuită din matrice feromagnetică și abrazivi prezintă două

variante de utilizare: cea cu abrazivi liberi [Ch, '02], [Ur, '11], [Yo, '07] și cea cu abrazivi

încorporați [Bo, '11], [Fe, '98], [Ha,'98], [Kr, '03], [Ma,'89].

În figura 2.12 este prezentată o metodă de obţinere a pulberii magneto-abrazive [Ci,

'99].

Figura 2.11 - Schema procesului de

electroliză[Pă, ‗10]


36

Figura 2.12 – Metodă de obţinere a pulberii magneto-abrazive [Ci, '99].

Cele mai cunoscute metode de producere a pulberilor magneto-abrazive includ

sinterizarea sau topirea (fuziunea) amestecurilor de grăunţi de Fe şi materiale abrazive. Aceste

metode sunt destul de complexe şi scumpe, întrucât necesită temperaturi ridicate, anumite

tipuri de furnale şi prese. Astfel, s-a constatat că este mult mai avantajos ca particulele de fier

şi cele abrazive să fie legate cu ajutorul unor adezivi [Fe, '98], [Ho, '87], [Ho, '08], [Kr, '03].

Procentajul ce se recomandă a fi folosit în cazul acestei metode este de 60-90%

componentă magnetică, 10-40% componentă abrazivă şi restul adeziv [Fe, '98].

2.2.4. Obținerea lichidelor magnetice (ferofluidelor)

2.2.4.1. Metode de preparare a lichidelor magnetice

Metodele de preparare a lichidelor magnetice, adică a unor soluţii coloidale liofilizate

de particule feri sau feromagnetice, care sunt stabile la aglomerare şi sedimetare, chiar


37

şi sub acţiunea unor forţe externe, trebuie să satisfacă următoarele cerinţe esenţiale, [Be,

‘96], [Ro, ‘10]:

• Materialul magnetic solid trebuie să se prezinte sub formă ultradispersă, adică sub

forma unor nanoparticule cu dimensiuni cuprinse între 3 şi 15 nm;

• Suprafaţa nanoparticulelor va fi acoperită de un strat adsorbit mono- sau

bimolecular adecvat, natura şi compoziţia acestuia fiind determinate de proprietăţile

fizico-chimice ale nanoparticulelor şi lichidului de bază.

În vederea preparării unor lichide magnetice performante, de-a lungul anilor au fost

experimentate şi dezvoltate numeroase procedee fizice şi fizico-chimice specifice din

domeniul coloizilor. Acest procedee se disting în funcţie de modul de obţinere a

nanoparticulelor magnetice: reducerea mecanică a dimensiunii unor materiale feri- sau

feromagnetice pulverulente grosiere (măcinare coloidală); descompunerea termică a

carbonililor de Fe sau Co; electrodepunere (electroliză); metode cu plasmă

(evaporare/electrocondensare); coprecipitare chimică, adică obţinerea nanocristalelor

magnetice prin condensare chimică.

Una din primele metode de obţinere a nanoparticulelor magnetice a fost metoda

mecanică de dispersare (măcinare coloidală). Papell [Pa, ‗65], a preparat pentru prima

dată prin metoda măcinării în mori cu bile (Metoda mecanică de dispersie) ferofluide pe

care le-a folosit drept carburanţi pentru vehicule spaţiale. Pentru aceasta el a utilizat diferite

pulberi magnetice de Fe, Co, Ni şi unii oxizi metalici feromagnetici. Cele mai bune

rezultate le-a dat magnetita (Fe3O4).

Metoda electrodepunerii este folosită pentru a se obține lichide magnetice cu mediul de

dispersie, mercurul. Într-un vas de sticla se introduce un amestec de Sulfat de Fier și Sulfat de

Nichel și o cantitate oarecare de apă. De asemenea, se mai introduce și o cantitate suficienta

de mercur, care joacă rolul electrodului negativ (catod) în timpul dispersiei, iar un alt electrod,

sub formă de disc ce nu se află în contact cu mercurul, joacă rol de electrod (+) (anod).

Este necesar ca pH-ul electrolitului să fie menținut la valoare constanta de 9,3-9,5. La

trecerea curentului electric are loc procesul de electroliză care formează particule fine de Fe-

Ni la electrodul negativ (Hg). Dimensiunile particulelor formate sunt dependente de valoarea

și stabilitatea curentului de alimentare.

După un timp suficient de mare, se obțin particule magnetice Fe-Ni într-o concentrație

suficientă pentru ca lichidul magnetic pe baza de Hg să răspundă la acțiunea unui câmp

magnetic.

Experienţa acumulată, în special în ultimul deceniu, a evidenţiat clar avantajele

deosebite ale procedeului bazat pe obţinerea nanoparticulelor ferimagnetice (Fe3O4,


38

CoFe2-O4, γ-Fe2O3 ş.a.) prin coprecipitarea chimică, aplicat astăzi pentru producerea

practic a tuturor fluidelor comercializate de firmele specializate.

Procedeele aplicate la obţinerea lichidelor magnetice nepolare şi polare cu excepţia apei,

sunt prezentate schematic în organigramele din figurile 2.13 şi 2.14, în care sunt redate

principalele faze ce implică obţinerea diferitelor tipuri de lichide magnetice .

Figura 2.13 - Procedeu aplicat la obţinerea lichidelor magnetice nepolare [Gr, ‗03]


39

Figura 2.14 - Procedeu aplicat la obţinerea lichidelor magnetice polare [Gr, ‗03]

Principalii factori care influenţează sintetizarea nanoparticulelor şi apoi a lichidului

magnetic sunt: concentraţia ionilor metalici în soluţie, natura agentului de coprecipitare,

valoarea pH-lui a mediului de reacţie, temperatura la care are loc reacţia de coprecipitare,

viteza de adăugare a agentului de coprecipitare, intensitatea agitării/ultrasonării.

Procesul de stabilizare/dispersare a nanoparticulelor magnetice subdomenice trebuie să

ţină cont de interacţiunile de tip dipol-dipol, Van der Waals, electrostatice şi sterice

dintre particulele învelite cu mono- sau dublu strat de stabilizant/stabilizanţi, în funcţie

de caracterul nepolar sau polar al lichidului de bază. În această privinţă este importantă

chemisorbţia eficientă a stratului primar de stabilizant, proces ce este influenţat, printre


40

altele, de caracterul eterogen al suprafeţei nanoparticulelor şi de încărcarea lor electrică, de

temperatura mediului de reacţie şi a surfactantului adăugat, de valoarea pH a mediului,

respectiv de concentraţia şi gradul de puritate chimică a surfactantului. Cel mai des

utilizat surfactant primar este acidul oleic. Chemisorbţia acestuia pe suprafaţa particulelor are

loc dacă ionul oleat este în stare monomoleculară şi nu micelară. Condiţiile de chemisorbţie,

în particular compoziţia, valoarea pH şi temperatura mediului de reacţie, au făcut

obiectul unor investigaţii sistematice pentru a determina valorile optime ale acestora,

respectiv pentru a asigura gradul ridicat de stabilitate al lichidului magnetic rezultat.

Gradul de stabilitate, respectiv existenţa sau absenţa aglomeratelor, influenţează în primul

rând proprietăţile magnetice şi de curgere, care intervin în majoritatea aplicaţiilor

lichidelor magnetice [Gr, '03].

În cazul lichidelor de bază slab polare şi polare, de exemplu diesteri sau alcooli,

alegerea potrivită a stabilizantului secundar adsorbit fizic la stratul primar, este de

importanţă deosebită pentru obţinerea lichidelor magnetice polare concentrate şi în acelaşi

timp foarte stabile inclusiv la diluţii avansate. O problemă specială constă în stabilirea

raportului optim al cantităţii de stabilizant secundar relativ la cantitatea de nanoparticule

acoperite cu stabilizant primar, ce urmează a fi dispersate într-un anumit lichid de bază polar.

Lichidul magnetic polar pe bază de apă implică procedee de obţinere speciale.

Metodele de preparare elaborate până în prezent utilizează fie stabilizarea electrostatică,

utilizată de Massart, [Ma, '86] fie stabilizarea sterică dublă, considerată pentru prima dată la

acest tip de lichid magnetic de către Shimoiizaka [Sh, '78]

Unul din procedeele elaborate în cadrul Laboratorului de lichide magnetice din

Timişoara, [Gr, '03], este redat schematic în fig.2.15.


41

Figura 2.15 - Procedeu aplicat în cadrul Laboratorului de lichide magnetice din Timişoara [Gr, ‗03]

2.2.4.2. Metode de stabilizare a lichidelor magnetice [Gr, '03]

Există trei metode de stabilizare pentru împiedicarea contactului dintre particule şi

reducerea interacţiunii dipol-dipol: stabilizarea sterică, stabilizarea electrostatică şi

stabilizarea mixtă.

Stabilizarea sterică (figura 2.16) presupune adsorbţia unor molecule lungi la

suprafaţa particulelor. Acestea prezintă un capăt polar care este adsorbit şi o catenă

care trebuie să fie compatibilă cu lichidul de bază. Mecanismul de stabilizare este

denumit repulsie sterică.


42

Figura 2.16 – Stabilizarea sterică [Ve,'07]

Compatibilitatea stabilizantului (surfactantului) cu lichidul de bază este esenţială şi

trebuie ca moleculele surfactantului să interacţioneze mai puternic cu moleculele de solvent

decât între ele. În caz contrar se produce fenomenul de floculare reversibilă care duce

la scăderea grosimii surfactantului ca urmare a interacţiunii între catene sau chiar la o

atracţie între catenele de la particule vecine, încât stabilitatea devine precară. Interacţiunea

dintre catene este de tip Van der Waals.

Stabilitatea poate fi refăcută prin înlocuirea lichidului de bază cu unul compatibil.

Există şi situaţii de incompatibilitate în care surfactantul se desoarbe, fenomen cunoscut sub

numele de floculare ireversibilă.

Lichidele de bază pot fi polare sau nepolare. Pentru fluidele cu particule de magnetită şi

solvenţi nepolari se foloseşte ca stabilizant acidul oleic, care este adsorbit chimic.

Solvenţii nepolari au în general vâscozitate redusă şi sunt volatili (toluen, benzen) sau

vâscozitate medie şi rată de evaporare scăzută (uleiuri minerale). Pentru lichidele

magnetice cu solvenţi polari mai este necesar încă un strat de stabilizant, adsorbit fizic la

suprafaţa primului (de obicei tot acid oleic), care poate fi un polimer sau un acid, [Ro, '85].

Solvenţii în acest caz pot fi uleiuri sintetice (spre exemplu diesteri), alcooli, cetone, uleiuri

vegetale sau apă.

Stabilizarea electrostatică a fost aplicată pentru prima dată de Massart [Ma, '86],

la lichidele magnetice ionice pe bază de apă. În acest caz repulsia sterică este înlocuită de

repulsia electrostatică ca urmare a încărcării electrice a particulelor din soluţie, formându-

se astfel un strat electric dublu.

Din această grupă fac parte lichidele magnetice pe bază de apă. Ele constau din

particule de maghemită stabilizate prin repulsie electrostatică rezultând din adsorbţia

preferenţială a ionilor de un anumit tip. Pentru conservarea neutralităţii electrice, ionii


43

adsorbiţi sunt înconjuraţi de o regiune difuză, formându-se astfel un strat electric dublu.

Principala cale de formare a stratului dublu electric este adsorbţia ionilor din soluţie. În cazul

reacţiilor de condensare, când unul dintre reactanţi este în exces, pe suprafaţa particulei se vor

adsorbi ionii care intră şi în compoziţia acestuia. Reacţia de precipitare realizându-se la pH

alcalin, favorizează adsorbţia ionilor OH¯ la suprafaţa particulelor, acestea încărcându-se

negativ. Suprafaţa particulelor încărcate negativ atrage ionii de amoniu puternic hidrataţi şi

încărcaţi pozitiv. Ionii negativi din soluţie, din imediata vecinătate a suprafeţei particulelor,

vor fi respinşi electrostatic. În acest fel, în soluţie scade concentraţia ionilor pozitivi şi

creşte cea a ionilor negativi. Pentru realizarea unui sistem coloidal stabil, particulele trebuie

menţinute la distanţă unele de altele, ceea ce se realizează prin mărirea forţelor de respingere

electrostatică până la valori corespunzătoare. Pentru aceasta trebuie avut în vedere: selectarea

valorii pH-ului soluţiei şi respectiv a stabilizatorului; obţinerea unor particule coloidale

cu dimensiuni corespunzătoare.

Stabilizarea mixtă este o combinaţie de cele două tipuri de stabilizări menţionate,

caz în care stratul de surfactant sete încărcat electric.

În medii polare, cum este apa, prin chemisorbţia primului strat de surfactant, suprafaţa

particulei devine hidrofobă, apoi este posibil ca adsorbţia să continue cu rezultatul că

suprafaţa devine hidrofilă. În acest proces coexistă ambele tipuri de repulsie – sterică şi

electrostatică.


44

3. Concluzii și direcții de cercetare

3.1. Concluzii

Cele expuse în capitolele precedente evidenţiază că finisarea magneto-abrazivă se

aplică, cu prioritate în operaţiile tehnologice finale unde se formează definitiv particularităţile

de exploatare ale suprafeţelor pieselor prelucrate.

S-a urmărit, de asemenea, ca cele prezentate să aibă şi caracter de informare cu privire

la cercetările şi realizările referitoare la materialele magneto-abrazive.

Toate cercetările efectuate în cadrul acestei lucrări privind realizările şi perspectivele

obţinerii de noi materiale magneto-abrazive utilizate la finisarea magneto-abrazivă nu

epuizează bogăţia de aspecte şi complexitatea acestui domeniu în continuă dezvoltare.

Cercetările în curs de efectuare şi evoluţia generală a ştiinţei şi tehnicii fac necesară

completarea permanentă a informaţiilor din acest domeniu şi cercetarea datelor privind

performanţele tehnologice şi aplicaţiile acestui tip de materiale.

Utilizarea din ce în ce mai preponderentă a finisării magneto-abrazive în tehnica

spaţială, medicină, industria de armament, energetica nucleară, electrotehnică, geofizică etc.,

unde se necesită o precizie ridicată, duce la continuarea cercetărilor cu privire la materialele

utilizate în cadrul acestui procedeu, în scopul obținerii de noi materiale, mai performante şi,

pe cât posibil, cu cheltuieli de obţinere şi exploatare cât mai mici.

3.2. Direcţii de cercetare

Pentru perioada următoare se propune realizarea următoarelor etape:

Realizarea unei baze de cercetare şi producţie pentru pulberi magnetice

Elaborarea metodologiei de cercetare

Cercetări aplicative în vederea obţinerii de pulberi magnetice oxidice cu caracteristici

superioare

Încercarea şi caracterizarea avansată a pulberilor obţinute

Aplicaţii folosind pulberile obţinute

Stabilirea direcţiilor ulterioare de cercetare


45

Bibliografie

[1] [Am, '97] Amza, G., ―Tehnologia materialelor‖, Editura Tehnică, 346 pp., Bucureşti,

1997

[2] [An, '91] Anzai, M., ―Surface finishing of curved surfaces of die/mold using

magnetism‖, B.J.S.P.E., no. 85, pag. 129-132, 1991

[3] [Ba, '86] Baron, Y.M., ―Magneto-abrasive machining of piece and cutting tools‖,

Masinostroenije, 1986, Moskva

[4] [Ba, '05a] Baron, Y.M., Ko,S.L., Park, J.I., ―Characterization of the MAM and Its

Applications to Deburing‖, Key Engineering Materials, vol.2, pp 291-296, 2005

[5] [Ba, '05b] Baron, Iu. M., Ko, S. -L., Park, J. I., ―Technique of Comparison and

Optimization of Conditions for Magnetic Abrasive Finishing‖, Key Engineering Materials,

Vols. 291-292, pp. 297-302, 2005

[6] [Bă, ‘11] Băeşu, M., Ciobanu, M. – ‖Abrasive finishing in magnetic field - an effective

method of processing. Part II: materials used in A.F.M.F. ‖, INNOVATIVE TECHNOLOGY

Scientific Journal, no. 2, pag.17-20, 2011

[7] [Be, ‘96] Berkovski B. M., Bashtovoi V., ―Magnetic fluids and applications.

Handbook‖, Begell House, 1996

[8] [Bi, ‘02] Bica D., Vekas L., ―Nano şi micro sisteme disperse magnetizabile în medii

lichide‖, cap.6 în Şora I., et al., ―Echipamente electroultraacustice pentru procesarea

performantă în medii lichide‖, Ed. Orizonturi Universitare, Timişoara, pp.173-196, 2002

[9] [Bo, ‘56] Bondi, A. A., ‖Magnetic fluids‖, Brevet nr. 2751352, USA, 1956, June 19

[10] [Bo, '11] Boussant-Roux et al., ―Abrasive grain powder‖, U.S. Patent 8,002,861 B2,

August 23, 2011.

[11] [Că, ‘74] Călugăru, G., Cotae, C., - ‖Lichide magnetice‖, Editura Științifică și

Enciclopedică, București, 1974

[12] [Că, '05]Călușaru, A., ―Depunerea electrolitică a pulberilor metalice―, Editura

Științifică și Enciclopedică, Bucuresti, 1976

[13] [Ch, '02]Chang, G.W., Yan, B.H., Hsu, R.T., ―Study on cylindrical magnetic abrasive

finishing using unbonded magnetic abrasives‖, Int. J. Mach. Tools, Manuf ., vol. 42, pp.

575–583, 2002

[14] [Ch, '95]Childs, T.H.C., Mahmood, S., Joon, H.D., ―Magnetic Fluid Guiding of

Ceramic Balls‖, Tribology International, vol.28, nr.6, pp.341-348, 1995

[15] [Ci, ‘86] Ciobanu, M., Bores, D., ‖Prelucrarea magneto-abrazivă. Caracteristici și

posibilități de finisare‖, Simpozion Tehnomus, Suceava, 1986

[16] [Ci, ‘88] Ciobanu, M., Gutt, G., ‖Dispozitiv de prelucrare magneto-abrazivă. Brevet

România, nr. 99248, 1988

[17] [Ci, ‘89a] Ciobanu, M., Gutt, G., Bauer, F., ‖ Instalație de finisare magneto-abrazivă.

Brevet România, nr. 99707, 1989

[18] [Ci, ‘89b] Ciobanu, M., Bores, D., ‖Instalație pentru finisarea suprafețelor plane‖,

Brevet România, nr. 99706, 1989

[19] [Ci, '93] Ciobanu, M., ―Developments and Contributions Concerning the Optimization

of Working Parameters in Magneto-Abrasive Finishing with Magnetic Fluid‖, Ph.D. Thesis,

Polytechnic Institute of Iasi, 1993

[20] [Ci, ‘99] Ciobanu, M., Mironeasa, C., ‖Finisarea magneto-abrazivă cu ferofluide‖,

Editura Printech, București, 1999

[21] [Ci, '07] Ciobanu, M., ―Multiple application of magnetic abrasive finishing process‖,

Annals of MTeM for 2007 & Proceedings of the 8th

International MTeM Conference, Cluj-

Napoca, Romania, 101-104 pp, 2007


46

[22] [Ci, ‘11]Ciobanu, M., Băeşu, M., ‖Abrasive finishing in magnetic field - an effective

method of processing. Part I: Physical models and types of processing‖, INNOVATIVE

TECHNOLOGY Scientific Jounal, no. 2, pag.11-16

[23] [Co, '97] Cojocaru, M., ―Producerea si procesarea pulberilor metalice‖, Editura

Matrix, Bucuresti, 1997

[24] [Co, '76] Cozmîncă, M., ―Bazele aşchierii şi generării suprafeţelor‖, Editura I.P., Iaşi,

1976

[25] [Do, '66] Domșa, A. ș. A., ―Tehnologia fabricării pieselor din pulberi metalice―,

Editura Tehnică, București, 1966

[26] [Dr, '10] Drimer, D., ―Ştiinţa materialelor―, Curs, Politehnica București, 2010

[27] [Fe, '98] Feygin et al., ―Magnetic-abrasive powder and method of producing the

same‖, Brevet nr. 5846270, USA, 1998, Dec. 8

[28] [Fo, '94] Fox, M., Agrawal, K., Shimeno, T., Komanduri, R., ―Magnetic Abrasive

Finishing of Rollers‖, Annals of the C.I.R.P, vol. 43, pp.181-184, 1994

[29] [Gr, ‘03] Greconici, M.,‖Cercetări privind lagărele cilindrice cu lichid magnetic‖,

Teza de doctorat, Timișoara, 2003

[30] [Gr, ‘91] Groza, I.-V.,‖Prelucrarea materialelor cu medii abrazive magneto-

reologice‖, Simpozion Tehnomus, nr. VI, Suceava, pag. 55-60.

[31] [Gr, '00] Groza, I.-V., ―Cercetări teoretice si experimentale privind optimizarea

prelucrării cu medii abrazive magneto-reologice‖, Teza de doctorat, Timișoara, 2000

[32] [Gr, ‘01] Groza, I.-V.,‖Prelucrări cu medii abrazive magneto-reologice. Modelare și

optimizare‖, Editura Politehnica, Timișoara, 2001

[33] [Gu,'83] Gutt Gh., Ivaşcan St., ―Cercetări privind posibilitatea de intensificare a

transferului la depunerea electrolitică a metalelor―, Galaţi, 1983, pag. 240-247

[34] [Gu,'84a] Gutt, Gh., Gutt, S., Grămăticu, M., Tudose R., ―Determinarea vîscozităţii

ferofluidelor―, Buletin ştiinţific, Institutul de Învăţământ Superior Suceava, pag. 244-251,

1984

[35] [Gu,'84b] Gutt, Gh., Gutt, S., Grămăticu, M., Tudose R., ― Etanşări cu ferofluide ―,

Buletin ştiinţific, Institutul de Învăţământ Superior Suceava, pag. 251-256, 1984

[36] [Gu,'92] Gutt Gh., Gutt S., ―Curs de Tehnologii neconvenţionale‖, Universitatea

Ştefan cel Mare, 225 p., Suceava, 1992

[37] [Ha, ‘08] Hanada, K. et al., ‖New spherical magnetic abrasives with carried diamond

particles for internal finishing of capillary tubes‖, Diamonds & Related Materials, no. 17,

2008, pag.1434-1437

[38] [Ho,'05] Holm, C., Weis, J.-J., ―The structure of ferrofluids: A status report‖, Current

Opinion in Colloid & Interface Science, vol. 10, pp. 133 – 140, 2005

[39] [Ho,'87] Hori et al., ―Composite abrasive particles for magnetic abrasive polishing

and process for preparing the same‖, U.S. Patent 4,685,937, August 11, 1987.

[40] [Ho, ‘08] Hori, S. et al., ‖Composite abrasive particles for magnetic abrasive

polishing and process for preparing the same‖, Diamonds & Related Materials, no. 17, 2008,

pag.1434-1437

[41] [Ja,'01] Jain , V.K., Kumar, P., Behra, P.K., Jayswal, S. C., Effect of workinggap and

cicumferential speed on the performance of magnetic abrasive finishing process‖, Wear

Elsevier, vol. 250, pp. 384–390, 2001

[42] [Ja,'02] Jain, V.K., ―Advanced machining processes‖, Allied Publishers, 2002, Delhi

[43] [Ja,'10a] Jain, V.-K., Ranjan, P., Suri, V.-K., Komanduri, R., ―Chemo-mechanical

magneto-rheological finishing (CMMRF) of silicon for microelectronics applications‖, CIRP

Annals - Manufacturing Technology, 59, pp. 323–328, 2010

[44] [Ja,'10b] Jang, K.-I., Seok, J., Min, B.-K., Lee, S.-J., ―An electrochemomechanical

polishing process using magnetorheological fluid‖, International Journal of Machine Tools &

Manufacture, vol. 50, pp. 869–881, 2010


47

[45] [Ja, '05] Jayswal, S.C., Jain, V.K., Dixit, P.M., ―Modeling and simulation of magnetic

abrasive finishing process‖, Int. J. Adv. Manuf. Technol.,vol. 26, pp. 477–490, 2005

[46] [Jh, '04] Jha, B.H., Jain, V.K., ―Design and development of MRAFF process‖,

International Journal of Machine Tools Manufacture, pp 1019-1029, 2004

[47] [Ka, ‘99] Karol, T., et al., ‖Magnetorheological fluid‖, Brevet nr. 5906767, USA,

1999, May 25

[48] [Ka,'09] Karpuschewski, B., Byelyayev, O., Maiboroda, V.-S., ―Magneto-abrasive

machining for the mechanical preparation of high-speed steel twist drills‖, CIRP Annals -

Manufacturing Technology, 58, pp. 295–298, 2009

[49] [Ko, '02] Kordonski, W., Golini, D., ―Multiple Application of Magnetorheological

Effect in High Precision Finishing‖, Journal of Intelligent Material System and Structures,

vol. 13, nr. 7-8, 401-404 pp, 2002.

[50] [Ko, '04] Kordonski, W.I., Shorey, A.B., Tricard, M., ―Magnetotheological Jet

Technology‖, Proceedings of IMECE 04, ASME International Engineering Congress,

Anaheim, California, USA, 13-14 November, 2004

[51] [Kr, ‘03] Kremen, G., et al., ‖Magnetic-abrasive powder and method of producing the

same‖, Brevet nr. 0136056, USA, 2003, July 24

[52] [Ku, '83] Kurobe, T., Imanaka, O., Tachibana, S., ― Magnetic Field Assisted Fine

Finishing‖, 1983, B.J.S.P.E, vol. 17, nr.l, pp.49-50

[53] [Ma, ‘89] Mair, G. et al., ‖Superparamagnetic solid particles‖, Brevet nr. 4810401,

USA, 1989, Mar. 7

[54] [Ma, '06] Mahalik, N.-P., ―Micromanufacturing and nanotechnology‖, chapter 8, pp.

171-197, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, 2006

[55] [Ma, ‘82] Massart, R., Brevet nr. 4329241, France, 1982, May 11

[56] [Ma, '86] Massart et al., - ―Magnetic fluid‖, U.S. Patent 4,626,370, December 2, 1986.

[57] [Mo, ‘03] Mori, T., Hirota, K., Kawashima, Y., - ‖Clarification of magnetic abrasive

finishing mechanism‖, Journal of Materials Processing Technology, no. 143-144, 2003, pag.

682-686.

[58] [Mu, ‘11] Mulik, R., Pandey, P. – ‖Ultrasonic assisted magnetic abrasive finishing of

hardened AISI 52100 steel using unbonded SiC abrasives‖, International Journal of refractory

Metals and Hard Materials, no. 29, 2011, pag. 68-77

[59] [Ol, ‘07] Olabi, A.-B., Grunwald, A., - ‖Design and application of magneto-

rheological fluid‖, Materials and Design, no. 28, 2007, pag. 2658-2664.

[60] [Op, ‘81] Oprean, A., - ‖Bazele așchierii și generării suprafețelor‖, Editura Didactică

și Pedagogică, București, 1981

[61] [Pa, ‘65] Papell, S., - ‖Low viscosity magnetic fluid obtained by the colloidal

suspension of magnetic particles‖, US Patent 3.215.572, October 1965

[62] [Pă, '10] Păunoiu, V., - ‖Tehnologia pieselor sinterizate‖, Curs, Universitatea

„Dunărea de Jos‖, Galaţi, 2010

[63] [Ro, '85] Rosensweig, R. E., ―Ferrohidrodynamics‖, Cambridge Univ. Press, 1985

[64] [Rs, ‘81] Resiga D., ş.a., - ―Comportarea reologică a fluidelor magnetice‖, Ed.

Orizonturi Universitare, Timişoara, 2002

[65] [Sa, ‘10] Sadiq, A., Shunmugam, M. S., - ‖A novel method to improve finish on non-

magnetic surfaces in magnetorheological abrasive honing process‖, Tribology

International, no. 43, 2010, pag. 1122–1126.

[66] [Se, '85] Secară, G., ‖Aşchierea metalelor‖, Vol.1, Universitatea Braşov, 1985

[67] [Sh, '78] Shimoiizaka J.,‖ Method for preparing a water base magnetic fluid and

product‖, U.S. Patent No. 4094804, 1978;

[68] [Sh, '84] Shinmura, T., Takazawa, K., Hatano, E., Aizawa, T. – ‖Study on Magnetic

Abrasive Process-Finishing Characteristics‖, Bulletin on Japan Society Precission

Enggineering (BJSPE) no. 4, pag. 347-348.


48

[69] [Sh, '85a] Shinmura, T., Takazawa, K., Hatano, E., Aizawa, T. – ‖Study on Magnetic-

Abrasive Process-Process Principie and Finishing Possibility‖, BJSPE nr. 1/1985, pag. 54-

55.

[70] [Sh, '85b] Shinmura, T., Takazawa, K., Hatano, E. – ‖Study on Magnetic-Abrasive

Process- Aplication to Plane Finishing‖, BJSPE no. 4, pag. 289-291

[71] [Sh, '85c] Shinmura, T., Takazawa, K, Hatano, E. – ‖Advanced Development on

Magnetic- Abrasive Finishing and its Aplication‖, Deburring and Surface Conditioning

Conference Proceedings, Chicago, Illinois, SUA, pag. 30-40.

[72] [Sh, '86a] Shinmura, T, Takazawa, K, Hatano, E. - "Study on magnetic-abrasive

finishing. Effects on machining fluid on finishing characteristics. BJSPE nr. 1/1986, pag. 52-

54.

[73] [Sh, '86b] Shinmura, T., Hatano, E., Takazawa, K. -"Development on spindle-finish

type finishing apparatus and its finishing performance using a Magnetic Abrasive Machining

Process",BJSPE nr. 2/1986, pag. 79-84.

[74] [Sh, '87a] Shinmura, T., Takazawa, K., Hatano, E. - "Study on Magnetic-Abrasive

Finishing. Effects on various types on magnetic abrasives on finishing characteristics",

BJSPE nr. 2/1987, pag 139-141.

[75] [Sh, '87b] Shinmura, T. - "Developments on Magnetic Abrasive Finishing apparatus

and examinations on the finishing mechanism", Doctor thesis Tohoku University, 1987.

[76] [Sh, '89a] Shinmura, T., Aizawa, T. - "Study on Internal Finishing on a non-

ferromagnetic Tubing by Magnetic Abrasive Machining Process", BJSPE nr. 1/1989, pag 37-

41.

[77] [Sh, '89b] Shinmura, T., Aizawa, T. - "Study on Magnetic Abrasive Finishing Process

- Development on place finishing apparatus using a stationary type electromagnet", BJSPE

nr. 3/1989, pag. 236-239.

[78] [Sh, '89c] Shinmura, T. - "Development on a Unit System Magnetic Abrasive Finishing

apparatus using permanent magnets" , BJSPE nr. 4/1989, pag. 313-315

[79] [Sh, '90] Shinmura, T., Takazawa, K. - "Study on Magnetic Abrasive Finishing",

Annals on the CIRP nr. 1/1990, pag. 325-328

[80] [Sh, '93] Shinmura, T., ―A New Process for Internal Finishing of Non-Ferromagnetic

Tubing Using Rotating Magnetic Field‖, Transaction of MAURI/SME; vol. XXI, pp. 1-13,

1993

[81] [Sh, '94] Shinmura, T., Yamaguchi, H., ―A New Process for Internal Finishing of Tube

by the Application of a Magnetic Field‖, Journal of the Japan Society of Grinding Engineers,

vol. 38, nr.l, pp. 15-18, 1994.

[82] [Sh, '04] Shiraishi, T., Morishita, S., Gavin, H.P., ―Estimation of equivalent

permeability in magnetorheological fluid considering cluster formation of particles‖, Journal

of Applied Mechanics, vol. 71, pp. 201-207, 2004

[83] [Si, ‘11] Sidpara, A., Jain, V.-K. - ‖Nano-level finishing of single crystal silicon blank

using magnetorheological finishing process, Tribology International, 2011

[84] [Si, '11] Singh, P. et al., ―Internal finishing of cylindrical pipes using sintered

magnetic abrasives―, International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST), ,

Vol. 3, No. 7, pp. 5747-5753, July 2011

[85] [Su, '88] Sugawara et al., ―Abrasing apparatus using magnetic abrasive powder‖, U.S.

Patent 4,730,418, March 15, 1988.

[86] [Su, '07] Sun, H.W., Yang, S.C., ―Study of the finishing mechanism of fluid magnetic

abrasive‖, International Journal of Computer Application in Technology, nr. 2-4, pp. 141-144,

2007

[87] [Um, '95a] Umehara, N., Komanduri, R., ―Magnetic Fluid Guiding of HIP-SI3N4

Rollers‖, Wear, no. 192, pp.85-93, 1995


49

[88] [Um, '95b] Umehara, N., Kobayaschi, T., Kato, K., ―Internal Polishing of Tube with

Magnetic Fluid Grinding. Part I: Fundamental Polishing Properties with Taper-Type Tools‖,

in Journal of Magnetism and Magnetic Materials, no. 149, pp. 180-184, 1995

[89] [Um, '95c] Umehara, N., Kobayaschi, T., Kato, K.,‖ Internal Polishing of Tube with

Magnetic Fluid Grinding. Part II: Fundamental Polishing Properties with Rotating Balls and

with Oscillating Balls‖, in Journal of Magnetism and Magnetic Materials, no. 149, pp. 185 -

191, 1995

[90] [Ur, ‘11] Ursache, M, ‖Prepararea și studiul unor pulberi și fluide magnetice pentru

aplicații biologice‖, Rezumatul tezei de doctorat, Iași, 2011

[91] [Ve,'07] Vékás, L., ―FERROFLUIDS. Synthesis, properties and applications‖,

European Summer School on Magnetism - New magnetic materials and their applications ,

Cluj Napoca, Romania, 2007

[92] [Wa, ‘86] Wakayama, K. et al., Brevet nr. 4626370, Japan, 1986, Dec. 2

[93] [Wa, '86] Wakayama et al., ―Magnetic fluid‖, U.S. Patent 4,626,370, December 2,

1986.

[94] [Wa, '82] Wakayama et al., ―Magnetic fluid and process for obtaining them‖, U.S.

Patent 4,329,241, May 11, 1982.

[95] [Wa, '05] Wang, Y., Hu. D., ―Study on the inner surface finishing of tubing by

magnetic abrasive finishing‖, International Journal of machine tools and manufacturing,

vol.45, pp. 43-49, 2005.

[96] [Ya, '99] Yamaguchi, H., Shinmura, T. - "Study of the surface modification resulting

from an internal magnetic abrasive finishing process", Wear, no. 225, 1999, pag. 246-255

[97] [Yo, '07] Yoshihara, S., Hanzawa, K., Shirakashi, T., ―Magnetic Abrasive Finishing

Using Nano-size Diamond Dispersed Co-Ni Electroless Plated Plastic Balls and its

Application to Post CMP Process‖, pp.357-331, Magnetic Materials, Processes , and Devices

9, vol. 3, no. 25, 2007

[98] [Zu, '07] Zubarev, A.Yu., IskakovaJha, L.Yu., ―Rheological properties of ferrofluids

with drop-like aggregates‖, Physica, vol. A 376, pp. 38–50, 2007

Stadiul actual privind - USV · este reprezentat de faptul că structura straturilor de material...

Documents

Transcript of Stadiul actual privind - USV · este reprezentat de faptul că structura straturilor de material...