Cap. 4 Gata Ok 1 [311647]

4. METODE DE RESTABILIRE A AJUSTAJELOR ȘI PROCEDEE DE RECONDIȚIONARE A PIESELOR UZATE

4.1. Noțiuni generale despre recondiționarea pieselor[7]

[anonimizat], păstrarea ei în continuare putând să aibă consecințe negative din diferite puncte de vedere. [anonimizat], [anonimizat] o risipă de materiale reutilizabile. O mare parte din piesele uzate pot fi recondiționate prin metode și procedee tehnologice în concordanță cu natura pieselor respective.

[anonimizat] 60…70% [anonimizat]. Din această cauză se impune utilizarea pe scară cât mai largă a pieselor recondiționate și reducerea la valorile minime a cheltuielilor de mentenanță. [anonimizat].

Domeniul de aplicare a [anonimizat], asigurându-se menținerea lor în funcțiune pe intervale corespunzătoare ciclurilor de reparații. [anonimizat]. În condiții normale costul pieselor recondiționate este de circa 20…50% din cel al pieselor noi.

[anonimizat], cât și pe cele economice. [anonimizat], [anonimizat].

Pentru recondiționarea pieselor se poate aplica una din următoarele metode: prelucrarea la dimensiuni (trepte) de reparații; restabilirea dimensiunilor inițiale; utilizarea pieselor intermediare (compensatorilor); înlocuirea unei părți din piesă.

[anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat] o [anonimizat], metode diferite de recondiționare. Astfel, [anonimizat], [anonimizat].

Metoda de recondiționare aleasă trebuie să țină seama de condițiile de lucru ale piesei și de modul de asamblare a [anonimizat], [anonimizat] a acesteia etc.

Pentru alegerea metodei corespunzătoare de recondiționare se recomandă folosirea unui indice economic de forma:

(4.1)

în care: Cn reprezintă costul piesei noi; Cr – costul piesei recondiționate; tn – timpul de funcționare a piesei noi între două reparații; tr – timpul de funcționare a piesei recondiționate între două reparații.

Condiția de economicitate a aplicării metodei este îndeplinită dacă indicele economic este supraunitar și dacă timpul de funcționare al piesei recondiționate este egal sau un multiplu al timpului de funcționare al piesei noi.

4.2. Metode de restabilire a ajustajelor

4.2.1. Metoda dimensiunilor (treptelor) de reparații [7],[22],[42]

Metoda treptelor de dimensiuni (reparații) constă în prelucrarea pieselor uzate la astfel de dimensiuni încât să se poată păstra interschimbabilitatea acestora, menținându-se toleranțele de fabricație de la piesele noi. Piesele conjugate se înlocuiesc cu piese noi sau recondiționate, la dimensiuni corespunzătoare obținerii jocurilor sau strângerilor inițiale.

Această metodă se aplică la piesele de bază ale motoarelor (arborii cotiți, pistoane, cilindri, segmenți, bolțuri etc.), precum și la un mare număr de piese din componența echipamentelor tehnice din industria alimentară.

Recondiționarea pieselor după această metodă se face prin prelucrări mecanice pentru îndepărtarea straturilor de material uzate, piesa primind o altă dimensiune, care se numește dimensiune (cotă) de reparație. Se înțelege că la arbori cota de reparație este mai mică, iar la alezaje este mai mare decât dimensiunea inițială. În unele cazuri, pentru realizarea interschimbabilității este necesar ca la prelucrările mecanice să se înlăture un strat mai gros decât cel necesar pentru obținerea formei geometrice corecte, astfel încât să rezulte niște dimensiuni prescrise, numite trepte de reparații. Numărul de astfel de trepte se alege în funcție de rezistența și condițiile de funcționare ale piesei.

Piesele conjugate se pot fabrica și livra ca piese de schimb la dimensiuni de reparație sau se pot obține și ele prin recondiționare.

Dimensiunile de reparații pot fi standardizate, stabilite prin norme interne, sau, mai rar, dimensiuni libere.

Dimensiunile de reparații standardizate se utilizează pe scară largă la piese ale motorului ca: pistoane, segmenți, bolțuri, cuzineți etc., care se fabrică în uzinele constructoare sau în cele de reparații. Ca urmare, unitățile de reparații recondiționează cămășile de cilindri, arborii cotiți, arborii cu came etc., la dimensiuni de reparații standardizate, pe care le împerechează apoi cu piese fabricate la cotele respective. Avantajul dimensiunilor de reparații față de cele libere constă în aceea că la montaj se poate aplica interschimbabilitatea, reducându-se mult timpul de imobilizare a utilajelor în ateliere.

În cazul dimensiunilor libere, prelucrarea piesei se face numai până la obținerea formei geometrice corecte și a calității necesare a suprafeței de lucru, iar piesele conjugate se ajustează după dimensiunile pieselor recondiționate, neputând să fie executate în prealabil decât sub formă de semifabricate, cu un adaos necesar prelucrării finale. Dimensiunile libere se folosesc numai la reparațiile individuale sau de serie mică.

Dimensiunile de reparații se stabilesc pe baza unei experiențe practice, care ia în considerare mărimea uzurii piesei și adaosul de prelucrare. La rândul său, adaosul de prelucrare se stabilește în funcție de procedeul de prelucrare prin așchiere, de tipul utilajului folosit la prelucrare și de materialul piesei. Adaosul de prelucrare trebuie astfel determinat încât să se obțină după prelucrarea mecanică a piesei uzate o formă geometrică corectă a acesteia, fără urme de uzură, rizuri, zgârieturi sau fisuri microscopice pe suprafețele de lucru ale piesei.

În general, prelucrarea mecanică la dimensiuni de reparații se face prin operații de finisare, ceea ce presupune o mare atenție la alegerea sculelor și regimurilor de așchiere. În majoritatea situațiilor acestea sunt identice cu cele din fabricație. Dacă pieselor trebuie să li se aplice și alte operații de recondiționare ca: îndreptarea, sudarea fisurilor, recondiționarea filetelor la dimensiuni de reparații etc., prelucrarea pieselor la dimensiunile principale de reparații se face la sfârșitul procesului tehnologic pentru evitarea unor eventuale deformări și pentru protejarea suprafețelor prelucrate împotriva unor loviri sau deteriorări care s-ar putea produce în timpul operațiilor respective.

Calculul dimensiunilor de reparații se face diferit pentru arbori și alezaje, deși metoda de determinare a acestora este aceeași.

Calculul dimensiunilor de reparații la arbori. În general, uzura arborilor este neuniformă (fig. 4.1), dar prelucrarea trebuie să conducă la o suprafață coaxială cu cea inițială, astfel că primul diametru de reparații dr1 va fi:

(4.2)

în care: dn este diametrul nominal (inițial) al arborelui; umax – uzura radială maximă a arborelui (v. fig.4.1); a – adaosul de prelucrare minim.

(4.4)

deoarece în cazul unei uzuri uniforme umax = umin și δ = 0,5, iar dacă uzura este unilaterală umin = 0 și δ = 1.

În calcule se utilizează un coeficient mediu de neuniformitate a uzurii, astfel că prima dimensiune de reparație a arborelui se determină cu relația:

(4.5)

În mod obișnuit termenul = ir, în care ir se definește ca interval de reparație.

Numărul de reparații posibile nr, pentru intervale egale de reparație ir se calculează cu formula:

(4.6)

în care dmin este diametrul minim admisibil al arborelui, determinat din considerente de rezistență, presiune specifică, ungere etc.

Valorile dimensiunilor de reparații ale arborilor între diametrul nominal și diametrul minim admisibil, se calculează cu relațiile:

(4.7)

Se remarcă faptul că la toate dimensiunile de reparații toleranțele rămân aceleași ca pentru dimensiunea nominală.

Calculul dimensiunilor de reparații ale alezajelor. Ca și în cazul arborilor, la alezaje uzurile sunt neuniforme, deosebirea constând în aceea că diametrele uzate sunt mai mari decât cele nominale.

Prima dimensiune de reparație Dr1 are valoarea:

(4.8)

în care Dn este diametrul nominal al alezajului.

Deoarece este mai ușor să se determine prin măsurare uzura totală ut, decât uzura maximă umax, (ut = Du – Dn = umax + umin), expresia (4.8) primește forma:

(4.9)

în care δ este, ca și în cazul precedent, gradul de neuniformitate al uzurii alezajului:

Dacă se consideră Dmax ca fiind diametrul maxim admisibil până la care mai poate fi utilizat alezajul, din considerentele precizate, numărul de reparații posibile nr, pentru intervale egale de reparație ir, se calculează cu relația:

(4.10)

iar șirul dimensiunilor de reparații pentru alezaje este:

(4.11)

În unele cazuri metoda permite recondiționarea la o nouă dimensiune și a piesei a doua care compune ajustajul și care poate fi împerecheată apoi cu o altă piesă cu dimensiuni corespunzătoare (de exemplu un piston fabricat la o cotă de reparație superioară poate fi strunjit și utilizat la un cilindru cu cota normală).

Aplicarea metodei de reparații impune o combinație judicioasă între fabricarea pieselor de schimb la cote nominale și la cote de reparații, în funcție de posibilitatea de recondiționare a piesei pereche.

În concluzie, în cazul aplicării acestei metode, atât la arbori cât și la alezaje, pentru determinarea corectă a treptei de reparație trebuie să se cerceteze și să se cunoască:

felul uzurii, care în cazul asamblării arbore-alezaj poate să fie: uniformă pe toată circumferința; neuniformă, respectiv ovalizată, dar cu menținerea axei de simetrie; neuniformă (ovalizată), fără menținerea axei de simetrie;

mărimea adaosului de prelucrare necesar pentru obținerea cotei noi, la stabilirea căruia trebuie să se țină seama de: valoarea și caracterul uzurii; posibilitățile de centrare a piesei de recondiționat, care în multe cazuri nu mai sunt aceleași ca ale piesei noi; grosimea stratului superficial deteriorat în timpul funcționării; eventualele tratamente termice care trebuie să se aplice în cadrul operațiilor de recondiționare; tehnologia de recondiționare, în sensul dotării unității de reparații cu mașini-unelte, scule și dispozitive.

4.2.2. Metoda restabilirii dimensiunilor inițiale

Metoda restabilirii dimensiunilor nominale se aplică, în special, la piesele care nu pot fi recondiționate prin alte metode, cum sunt fusurile de arbori pe care se montează rulmenți sau locașurile din diferite carcase în care se montează inelele exterioare ale rulmenților, suprafețele de forme speciale sau filetele din găuri sau de pe șuruburi care se împerechează cu piese interschimbabile, care se livrează numai la dimensiuni nominale.

Această metodă constă în readucerea piesei uzate la forma și dimensiunile nominale, folosind în acest scop un procedeu adecvat de încărcare cu material sau o deformare plastică. Metoda poate fi aplicată și în combinație cu metoda compensatorilor, readucerea la dimensiunea nominală realizându-se prin utilizarea unei piese suplimentare de dimensiuni corespunzătoare.

Recondiționarea pieselor după această metodă include trei etape principale: pregătirea suprafeței de recondiționat; modificarea dimensiunii prin încărcare, deformare plastică sau prin presarea unui compensator; prelucrarea mecanică finală la forma și cota nominală.

În cazul în care piesele conjugate se livrează la trepte de reparații, metoda poate fi utilizată pentru refacerea unei dimensiuni intermediare.

Etapa de pregătire are următoarele obiective: îndepărtarea stratului de material distrus din cauza uzurii; uniformizarea dimensiunilor prin prelucrare mecanică, astfel ca prin una din metodele de încărcare să se obțină adaosuri uniforme pe toată suprafața, ceea ce va asigura o bună aderență la materialul de bază.

În etapa a doua se realizează modificarea dimensiunii suprafeței pregătite în vederea recondiționării. În funcție de caracteristicile fizico-mecanice ale materialului piesei care se recondiționează, de grosimea stratului care trebuie depus, de duritatea care trebuie realizată, de caracterul materialului de aport folosit, se pot utiliza următoarele procedee: sudură electrică manuală, sudură electrică automată sub strat protector, încărcare cu arc electric vibrator, sudură oxiacetilenică pentru compensarea uzurii sau pentru mărirea rezistenței la uzare, încărcare prin metalizare, încărcare prin galvanizare, deformare plastică, turnare din nou a materialului antifricțiune în lagăre etc.

În etapa a treia se realizează forma și dimensiunile necesare piesei recondiționate printr-o operație de prelucrare mecanică, cu respectarea condițiilor tehnice impuse la prelucrarea piesei noi.

În tehnologiile de reparare ale utilajelor din industria alimentară metoda are o largă aplicare, deoarece prin încărcare se recuperează un mare număr de piese uzate.

4.2.3. Metoda utilizării compensatorilor

Metoda utilizării compensatorilor sau pieselor intermediare constă în prelucrarea mecanică a pieselor uzate și introducerea unei piese suplimentare (compensator) în diferența rezultată prin prelucrare. Dimensiunile și forma pieselor compensatoare sunt determinate de forma și mărimea uzurii pieselor care se recondiționează. Pentru piesele cu suprafețe cilindrice se folosesc bucșe (operația de recondiționare se numește bucșare), iar pentru suprafețele plane se utilizează plăci compensatoare. La filetele interioare se utilizează reducții filetate, acestea fiind fixate suplimentar cu sudură sau cu șuruburi cu cap înecat. Bucșele compensatoare trebuie să aibă o grosime care să compenseze uzura, adaosul de prelucrare și să evite apariția fenomenului de strivire în timpul presării. În general, grosimea minimă a peretelui bucșelor este de 2,5…3 mm.

Metoda este universală și permite o serie de combinații. Astfel de compensatori se folosesc la fusuri de arbori, alezaje din carcase, scaune de supapă, orificii pentru bujii în chiulasă, orificii filetate în carcase etc. În unele cazuri se refac dimensiunile nominale, iar în altele se modifică numai dimensiunile ajustajului.

Înainte de aplicarea compensatorilor, suprafețele uzate trebuie prelucrate, iar dacă acestea sunt tratate termic se supun unor operații de reducere a durității.

În funcție de grosimea minimă și de diametrul final impus după prelucrarea bucșei, rezultă grosimea stratului de material necesar a fi îndepărtat pe de piesa uzată. Grosimea acestui strat trebuie să fie suficient de mare pentru a permite centrarea piesei, îndepărtarea uzurilor de pe toată circumferința și lungimea acesteia, realizarea unei forme geometrice corecte.

Atât suprafața pe care se presează compensatorul, cât și suprafața cu care acesta se montează, trebuie să fie prelucrate cu o rugozitate corespunzătoare, deoarece în caz contrar se micșorează strângerea și nu ase asigură îmbinarea prin presare.

O atenție deosebită trebuie să se acorde materialului din care se face compensatorul, mai ales, când în timpul funcționării apar încălziri. În general, compensatorul se execută din același material ca al piesei de bază, iar ca o excepție, la multe piese din fontă se utilizează bucșe sau plăcuțe din oțel, ca de exemplu, la carterele cutiilor de viteze, ale punții spate la tractoare etc.

De regulă, se cunosc dimensiunile pieselor care se vor asambla (arborele și butucul), inclusiv dimensiunile principale d și l ale suprafeței de contact (fig. 4.2).

Fig. 4.2 . Situații specifice de utilizare a compensatorilor

În cazul când nu se cunosc aceste elemente se pot folosi următoarele recomandări:

dacă piesa cuprinsă (arborele) este tubulară.

Fiind date momentul de torsiune Mt sau forța axială Fa, care trebuie transmise și adoptându-se materialele pieselor asamblate, se recomandă să se facă calculul asamblării presate după următoarea metodică, dimensiunile fiind în cm.

Presiunea necesară:

a – pentru solicitări axiale:

(4.12)

b – pentru solicitări de torsiune:

; (4.13)

c – pentru solicitări mixte:

(4.14)

în care: p este presiunea necesară; μ – coeficientul de frecare de alunecare; l – lungimea de contact dintre piese; d – diametrul nominal al ajustajului presat.

Valorile lui μ se aleg din tabelul 4.1.

Strângerea necesară S:

(4.15)

unde: (4.16)

în care: Ea, Eb – modulele de elasticitate ale materialelor arborelui, respectiv butucului: E = (2,1…2,2) 105 MPa pentru oțel; E = (1,2…1,6) 105 MPa pentru fontă; E = (1,0…1,1) 105 MPa pentru bronz; d1, d2 – diametrul interior al piesei cuprinse (arborelui), respectiv diametrul exterior al piesei cuprinzătoare (butucului); υa, υb – coeficienții de contracție transversală (Poisson) ai materialelor arborelui, respectiv butucului (υ = 0,3 pentru oțel, υ = 0,25 pentru fontă, υ = 0,33 pentru bronz).

Strângerea necesară corectată Scor:

(4.17)

în care: Sn – corecția care ține seama de deteriorarea rugozităților de pe suprafețele pieselor în timpul presării; St – corecția care are în vedere efectul dilatațiilor termice diferite ale pieselor presate, pe parcursul funcționării; Sd – corecția care ține seama de deformațiile elastice radiale ale pieselor asamblate, sub acțiunea sarcinilor exterioare. Aceste corecții se determină cu relațiile:

(4.18)

(4.19)

Sd = 0 (în general),

în care: Ra max și Rb max sunt rugozitățile maxime ale arborelui, respectiv butucului; αa, αb – coeficienții de dilatare termică liniară a arborelui respectiv butucului; ta, tb – temperaturile de funcționare ale arborelui, respectiv butucului; t0 – temperatura mediului ambiant.

Alegerea ajustajului standardizat și a toleranțelor pieselor

În funcție de Scor și d se aleg din standarde tipul ajustajului cu strângere și toleranțele de execuție ale pieselor care urmează să se asambleze, calculându-se strângerile maximă (Smax) și minimă (Smin):

(4.20)

(4.21)

Este necesar ca Smin > Scor.

Se poate admite ca:

(4.22)

majoritatea asamblărilor rezultând cu Smed.

Pentru realizarea asamblărilor presate se recomandă:

ajustaje cu strângeri mari: H 6/s 5; H 7/s 6; H 8/s 7;

ajustaje cu strângeri foarte mari: H 6/t 5; H 7/t 6;

ajustaje cu strângeri extrem de mari: H 6/u 5;H 7/u 6; H 8/u 7.

Presiunile critice de contact:

(4.23)

(4.24)

în care: σo2 a, σo2 b – limitele de curgere ale materialelor arborelui, respectiv alezajului. La materialele care nu au limită de curgere se înlocuiește σo2 cu rezistența la rupere σr a materialului respectiv.

Strângerile critice corectate:

(4.25)

(4.26)

Este necesar ca Smax < Scr min.

Presiunea de contact medie, Pmed:

. (4.27)

Forța necesară de presare, Fp:

(4.28)

în care μp este coeficientul de frecare la presare (tab. 4.1).

Tabelul 4.1

Valorile medii ale coeficienților de frecare la asamblările presate[7]

μ, μp, μd – coeficienții de frecare de alunecare, de frecare la presare și de frecare la depresare.

Efortul unitar maxim (de compresiune) de la interiorul arborelui:

(4.29)

în care:

(4.30)

Efortul unitar maxim (de tracțiune) de la interiorul butucului:

(4.31)

În cazul îmbinărilor unde se utilizează ajustaje cu strângeri mari, sau în cazul unor piese cu pereți foarte subțiri, îmbinarea se realizează, fie după încălzirea piesei cuprinzătoare, fie după răcirea piesei cuprinse.

Temperatura de încălzire (răcire) t se calculează cu relația:

(4.32)

în care: jmin este jocul minim necesar la montaj; α – coeficientul de dilatare (contracție) al piesei încălzite (răcite). Răcirea se face în băi cu aer lichid (–200°C) sau în băi cu dioxid de carbon solid și alcool (–100°C).

Fig. 4.3. Montarea bucșelor în alezaje (a, b) și arbori (c)[7]

Realizarea concretă a unor montaje cu compensatori de uzură se prezintă în figura 4.3.

Avantajele metodei de recondiționare prin folosirea compensatorilor constau în asigurarea unei calități corespunzătoare a reparației pentru recondiționarea pieselor cu uzură mare, nu necesită utilaje speciale de atelier, asigură posibilitatea readucerii pieselor la dimensiunile inițiale sau la trepte de reparații. Pentru ușurarea procesului de recondiționare, se folosesc în multe cazuri bucșe de uzură, a căror recondiționare constă în înlocuirea lor. Ca dezavantaje ale metodei se remarcă micșorarea rezistenței la oboseală, înrăutățirea transmiterii căldurii, complicarea construcției etc.

4.2.4. Metoda înlocuirii unei părți din piesă

În construcția echipamentelor tehnice din agricultură și industria alimentară sunt piese de mare complexitate, care în condiții normale de lucru se uzează neuniform (o parte din piesă nu se uzează practic deloc, în timp ce altă parte a ajuns la limita de uzură). În asemenea cazuri este economic să se înlăture partea uzată și să se execute din nou o porțiune de piesă, care prin presare sau sudare se îmbină cu partea bună a piesei de bază care se recondiționează. Metoda se aplică în toate atelierele de reparații din agricultură la recondiționarea cormanelor de plug.

Fig. 4.4. Aplicație a metodei de înlocuire a unei părți din piesă[42]

Partea anterioară a acesteia (pieptul cormanei) se uzează mult mai repede decât restul piesei. Recondiționarea constă în decuparea părții uzate, iar dintr-o altă cormană veche se taie o bucată corespunzătoare ca formă și dimensiuni, care se fixează prin sudare de partea de bază.

Această metodă se aplică economic și la roțile dințate multiple (mai multe roți care fac corp comun), care în cazul cutiilor de viteze de la tractoare se găsesc pe arborele intermediar (fig. 4.4). Una din roți se uzează până la limită, în timp ce celelalte, care au fost mai puțin utilizate în cazul utilajului respectiv, prezintă numai o uzură incipientă. Pinionul uzat se decălește și se detașează prin strunjirea coroanei cu dinți uzați sau rupți, astfel încât pe suprafața strunjită să poată fi presată o coroană nouă. Coroana se execută din același material ca și piesa de bază, se tratează termic, se presează pe piesa de bază și apoi se fixează cu puncte de sudură electrică pe zonele laterale.

Recondiționarea prin înlocuirea unei părți din piesă se aplică în mod curent la unii arbori planetari, la corpurile pompelor de apă, la butucii roților de la autovehicule etc.

Avantajele metodei sunt în special de natură economică, dar asigură și o foarte bună calitate a recondiționării. Dezavantajele se referă la complexitatea deosebită a procesului tehnologic pentru atelierele cu dotare obișnuită și la scăderea simțitoare a rezistenței piesei la solicitări mecanice în secțiunea de îmbinare.

4.2.5. Utilizarea pieselor de schimb

Din analiza metodelor prezentate anterior rezultă că sunt piese care au un asemenea rol funcțional și sunt executate dintr-un asemenea material, încât nu pot fi recondiționate, astfel că limita de utilizare a lor coincide cu limita de uzură, când se înlocuiesc cu piese de schimb (cuzineți, rulmenți, segmenți de piston etc.). De asemenea, după una sau mai multe recondiționări este necesar să fie înlocuite și piesele care se recondiționează.

Fabricarea pieselor de schimb este asigurată de către întreprinderile care livrează utilajul sau de către alte ateliere specializate. Este foarte important ca aceste piese să posede aceleași caracteristici cu piesele inițiale (nu numai dimensiunile) și să permită aplicarea normală a ciclurilor de întrețineri și reparații.

4.2.6. Reformarea pieselor

După cum s-a arătat, recondiționarea pieselor se poate face numai până la o anumită limită de uzură sau de modificare a proprietăților mecanice ale materialelor acestora și numai când piesele, prin construcție și condiții de funcționare, se pretează la operații de recondiționare. La atingerea limitelor respective piesele se reformează și se înlocuiesc cu altele noi.

În general, reformarea pieselor se face în următoarele situații:

dimensiunea piesei a ajuns la limita de rezistență;

stratul superficial durificat s-a epuizat și nu se mai poate reface;

prin recondiționări succesive dimensiunile s-au micșorat atât de mult, încât presiunile de contact devin prea mari și nu se mai poate asigura o ungere corespunzătoare;

piesele au suferit avarii care nu mai permit recondiționarea lor, ca de exemplu crăpături, ruperi, coroziuni sau rizuri adânci, modificări de structură etc.

De asemenea, la reformarea unei piese este necesar să se aibă în vedere și piesa conjugată, care va putea sau nu să fie recondiționată sau va trebui înlocuită cu alta nouă.

Din cele precizate rezultă că reformarea pieselor în cadrul activităților de mentenanță constituie o operație de mare responsabilitate, care trebuie să se bazeze pe măsurări precise ale dimensiunilor, pe verificarea atentă a fiecărei piese și să se facă eforturi în direcția recondiționării și implicit a recuperării unui număr cât mai mare dintre acestea.

4.2.7. Probleme de concepție legate de repararea sistemelor tehnice[7]

Exploatarea modernă a echipamentelor tehnice impune reducerea continuă a cheltuielilor pentru întrețineri și reparații. Legat de aceasta, la proiectarea și fabricarea unui utilaj trebuie să se țină seama și de posibilitățile de reparare a acestuia după o perioadă de exploatare determinată, astfel încât cheltuielile de mentenanță să fie cât mai reduse.

Posibilitățile de reducere a acestor cheltuieli depind în mare măsură de soluțiile constructive utilizate la conceperea noului produs, precum și de tehnologia de fabricație din uzina producătoare. În acest sens, la conceperea unui utilaj tehnic trebuie să se țină seama de:

utilizarea de soluții constructive și procese tehnologice de fabricație care să asigure posibilitatea de reparare prin restabilirea jocurilor dintre piese, folosind diferitele metode de recondiționare a pieselor;

unificarea cât mai largă (în special la motoare, tractoare și grupe de mașini agricole) a principalelor piese și subansambluri analoage din punctul de vedere al destinației și condițiilor de lucru.

În legătură cu prima cerință este necesar să se aibă în vedere:

asigurarea bazelor de așezare în vedere recondiționării pieselor (găuri de centrare, alte suprafețe de așezare);

posibilitatea de aplicare a unei metode de recondiționare (trepte de reparații, readucerea la cota nominală, compensatori);

posibilitatea de încărcare a suprafeței uzate a piesei și a prelucrării mecanice ulterioare;

asigurarea unor grosimi de perete suficiente în locurile unde urmează să se aplice recondiționarea;

posibilitatea respectării cu strictețe a calității suprafețelor impuse de condițiile tehnice, ținând seama de dotarea cu mașini și utilaje a unităților de reparații;

asigurarea posibilității de demontare a îmbinărilor pentru înlocuirea unei piese;

asigurarea, în general, a demontării și montării ușoare;

asigurarea accesului comod la punctele de ungere;

posibilitatea asigurării îmbinării după strângerea lor;

prevederea unui minim de scule pentru operațiile de întreținere și a sculelor și dispozitivelor necesare pentru reparații.

Referitor la unificare se impune:

asigurarea interschimbabilității pieselor;

reducerea la minimum posibil a numărului de dimensiuni ale arborilor care se montează în rulmenți sau lagăre de alunecare, care să fie prevăzute cu bucșe ușor schimbabile după uzare. La fel se pune problema în cazul curelelor din transmisiile diferitelor mașini, a garniturilor etc., încât să se ușureze aprovizionarea cu piese de schimb și înlocuirea sigură în orice moment a unei piese defectate.

4.3. Procedee de recondiționare și mărire a rezistenței la uzare a pieselor echipamentelor tehnice

4.3.1. Noțiuni generale despre procedeele de recondiționare

Aplicarea practică a uneia din metodele de restabilire a ajustajelor uzate descrise în subcapitolul 4.2 presupune utilizarea unuia sau mai multor procedee de recondiționare. Cele mai multe dintre aceste procedee au ca obiectiv încărcarea suprafețelor uzate cu materiale de aceeași natură sau cu caracteristici superioare, altele se referă la modificarea structurii materialelor în diferite scopuri (tratamente termice) sau numai la modificarea unor dimensiuni (deformările plastice). Asemenea procedee se aplică și în procesele tehnologice de fabricație, dar la reparații ele au particularități care impun cunoașterea lor cât mai concretă.

Practic, fiecare proces de recondiționare presupune o prelucrare prin așchiere, fie ca etapă pregătitoare, fie ca etapă finală. Recondiționarea după metoda treptelor de dimensiuni se realizează în cea mai mare măsură numai prin prelucrări prin așchiere. Despre acest domeniu se studiază discipline de specialitate, în capitolul de față prezentându-se numai parametrii caracteristici operațiilor de recondiționare a celor mai comune repere din construcția utilajelor folosite în industria alimentară.

4.3.2. Recondiționarea pieselor prin sudare[1]

4.3.2.1. Importanța sudării și procedee de sudare utilizate în reparații

Sudarea este un procedeu de îmbinare nedemontabilă a pieselor metalice din materiale identice sau similare, cu realizarea unei legături metalice sau chimice, cu sau fără material de adaos.

În procesele tehnologice de recondiționare a pieselor utilajelor din agricultură și din industria alimentară sudarea ocupă un loc important prin multiplele posibilități pe care le oferă: ea poate fi întrebuințată ca ultimă operație în recondiționarea unei piese sau ca operație premergătoare, când prin sudare se face încărcarea unei piese, care va fi supusă și altor prelucrări pentru a primi forma și dimensiunile dorite.

Principalele avantaje ale sudării, care au făcut ca instalațiile de sudare să fie cele mai comune și importante instalații cu care sunt dotate atelierele de reparații, se referă la:

posibilitatea recondiționării unor piese rupte, fisurate, uzate etc., care înglobează o mare cantitate de material și manoperă;

economisirea materialelor, deoarece construcțiile sudate au masa cu 15…30% mai mică față de cea a pieselor turnate din oțel și cu 50…60% față de cea a pieselor turnate din fontă;

costuri reduse în comparație cu semifabricatele turnate sau forjate la producția individuală sau de serie mică;

reducerea consumului de oțeluri superioare;

utilajele folosite la sudare sunt simple, ieftine și comune tuturor atelierelor mecanice;

la volume corespunzătoare de lucru operațiile de sudare se pot mecaniza ușor etc.

Fig. 4.5. Schema clasificării procedeelor de sudare [7]

Îmbinările sudate pot prezenta și unele neajunsuri, cum ar fi: prelucrabilitate ulterioară mai dificilă, rezistență mai slabă la șocuri etc., dar acestea pot fi nu numai diminuate, dar chiar înlăturate complet, dacă sudarea se face cu respectarea tuturor condițiilor tehnice. Aceste condiții sunt numeroase (materiale de adaos, utilaje, regim de sudare, fondanți etc.) și nerespectarea uneia din ele poate compromite lucrarea. În plus, calitatea sudării depinde într-o măsură însemnată de calificarea celui care o execută.

Una din condițiile de bază pentru reușita sudării este alegerea corectă, pentru fiecare caz în parte, a procedeului de sudare. O clasificare principială a procedeelor de sudare este redată în figura 4.5.

Față de multiplele procedee de sudare, în reparații se utilizează cu precădere sudarea cu arc electric și sudarea cu gaze. În marea majoritate a atelierelor și uzinelor de reparații se face o sudare electrică sau cu gaze, de tip manual, dar atunci când volumul de lucru o justifică, se pot utiliza și alte procedee, dintre care cel mai mult s-au răspândit sudarea automată sub strat de flux și în medii neutre, sudarea prin puncte, sudarea cu plasmă etc.

4.3.2.2. Sudabilitatea metalelor și materiale folosite la sudare[22]

Sudabilitatea este o caracteristică complexă a metalelor, care determină în condiții de sudare date, capacitatea lot tehnică de realizare a unor îmbinări, încărcări sau depuneri de materiale. Construcțiile sudate utilizează, cu precădere oțelurile laminate OL 34, OL 37, OL 42, OL 50, OLC 35, OLC 45, OLC 15 etc., în stare normalizată.

De asemenea, în unele situații se folosesc oțeluri turnate OT 45 și OT 50, sau semifabricate forjate în matriță. Sudabilitatea acestor materiale depinde de compoziția și structura lor, de dimensiunile și configurația pieselor, de procedeul de sudare, de tratamentul termic ulterior, precum și de alți factori: calitatea materialului de adaos, natura învelișului electrozilor, starea fizică a electrozilor, sârmelor, vergelelor și aliajelor de sudură, a fluxurilor folosite etc. Acești factori pot fi de natură metalografică, tehnologică și constructivă.

Factorii de natură metalografică se referă la modificările fizico-chimice care se produc în interiorul materialului sub influența temperaturii în timpul sudării. O mare importanță asupra sudabilității oțelurilor o are compoziția lor chimică și în special, conținutul de carbon. Sudabilitatea oțelului este cu atât mai bună cu cât conținutul de carbon este mai redus. Oțelurile cu conținut mai ridicat de carbon și oțelurile aliate (OL 60, OL 70, OLC 65) au tendința de a se fisura când sunt sudate.

Având în vedere rolul hotărâtor pe care îl are conținutul de carbon, prin standardizare s-a stabilit factorul de echivalență în carbon Kc care determină sudabilitatea oțelului:

(4.33)

în care t este grosimea materialului, în mm.

Aprecierea gradului de sudabilitate în funcție de compoziția lor chimică, pentru oțelurile slab aliate, se prezintă în tabelul 4.2.

Tabelul 4.2

Sudabilitatea oțelurilor în funcție de conținutul de carbon și elemente de aliere

Factorii de natură tehnologică, sunt cei mai numeroși și se referă la procedeul de sudare aplicat, calitatea materialului de adaos, compoziția chimică a învelișului sau fluxului folosit, regimul de sudare (viteza de sudare, viteza de răcire a cusăturii și zonei influențate termic), tipul sursei de căldură.

Primul cordon de sudură aplicat se caracterizează prin sensibilitate la fisurare datorită încălzirii insuficiente a piesei de bază și volumului redus al materialului de adaos.

Factorii de natură constructivă se referă la forma și dimensiunile pieselor, felul îmbinării, modul de prelucrare a marginilor etc.

Materialele de adaos pentru procedeele de sudare prin topire sunt sârmele de sudură, electrozii înveliți, fluxurile și fondanții. La alegerea sârmelor de sudură trebuie avute în vedere modificările compoziției chimice și a celorlalte caracteristici, în funcție de materialul de bază și procedeul de sudare aplicat.

La sudarea electrică se folosesc în majoritatea cazurilor electrozi metalici înveliți, caracteristicile acestora fiind incluse în standarde. Pentru sudarea electrică a oțelului simbolul electrozilor este EL iar pentru sudarea fontei acesta este EF.

Învelișul electrozilor este constituit dintr-un mare număr de componenți, care măcinați fin și bine amestecați formează un amestec omogen. Electrozii înveliți se fabrică din sârmă de oțel, dacă sunt destinați sudării oțelului sau din fontă și alte aliaje dacă se sudează fontă sau metale neferoase. Caracterul învelișului se simbolizează prin următoarele litere: A – acid; B – bazic, C – celulozic, O – oxidant, R – rutilic; T – titanic, V – alte tipuri, dacă se referă la electrozii pentru sudarea oțelului și B – bazici, G – pe bază de grafit, S – pe bază de săruri, dacă se referă la electrozii pentru sudarea fontei.

La sudare, electrozii cu învelișuri acide, rutilice și oxidice se înclină în sensul de sudare cu 45…80°, iar cei cu înveliș bazic se mențin verticali sau puțin înclinați, unghiul format în sensul de înaintare fiind de 80…90°.

Simbolizarea electrozilor pentru sudarea electrică a oțelului cuprinde, în afara inițialelor EL, o cifră care reprezintă rezistența la rupere și o literă care se referă la natura învelișului (ex. EL 38A – electrod cu înveliș acid, cu rezistența la rupere de 3,8…4,4 MPa; EL 44B – electrod cu înveliș bazic,cu rezistența la rupere de 4,2…4,4 MPa etc.). Pentru lucrări de încărcare sunt indicați electrozii cu proprietăți speciale, a căror depunere este dură și cu mare rezistență la uzare. În tabelul 4.3 se prezintă lungimile și diametrele standardizate ale electrozilor înveliți pentru sudarea oțelului.

După destinație, electrozii înveliți pentru sudarea cu arc a oțelurilor se clasifică în cinci grupe, în funcție de rezistența la rupere a materialului electrozilor și de materialele care se sudează.

Electrozii metalici cu înveliș, destinați sudării manuale a fontei cu grafit lamelar sau nodular și a fontei maleabile se clasifică în funcție de felul aliajului folosit în următoarele tipuri: EF – FcC – electrod cu vergea din fontă; EF – Fc – electrod cu vergea din oțel; EF – NiFe – electrod cu vergea din fero – nichel; EF – NiCu – electrod cu vergea din nichel-cupru (monel); EF – Ni – electrod cu vergea din nichel; EF – CuAl- electrod cu vergea din bronz cu aluminiu; EF – CuSn – electrod cu vergea din bronz cu staniu.

Tabelul 4.3

Lungimile și diametrele electrozilor de sudură [22]

Oxigenul folosit la sudarea cu flacără se obține din aer prin metoda răcirii. Scăderea gradului de purificare sub 98% dă un consum ridicat de oxigen și o calitate inferioară a sudării și tăierii cu flacără. Transportul și manipularea tuburilor de oxigen necesită măsuri deosebite de protecția muncii, deoarece, din cauza presiunii ridicate (15 MPa) poate produce explozii la încălzire sau șocuri. [1]

Principalele proprietăți ale gazelor de ardere utilizate la sudarea cu flacără sunt indicate în tabelul 4.4.

La sudarea cu flacără se utilizează, în special, acetilena, deoarece dă cea mai mare temperatură de ardere în comparație cu celelalte gaze utilizate, se poate obține ușor la locul de folosire din apă și carbid (CaC2 – carbură de calciu), iar flacăra se poate regla după aspectul exterior al acesteia. Acetilena prezintă pericol de explozie la temperatura de circa 475°C, sau la presiunea de 1,5 MPa.

Coeficientul de depunere indică ce cantitate de metal s-a depus efectiv folosind un anumit curent de sudare. Masa de metal topit (Mt) din electrod se exprimă cu relația:

(4.34)

în care: αt este coeficientul de topire, în g/Ah; I – curentul de sudare, în A; t – timpul de menținere a arcului, în h.

Cu cât coeficientul αt este mai mare, cu atât productivitatea va fi mai mare. Pentru sudare este important coeficientul de depunere αd (g/Ah), care indică cantitatea de metal depus, după ce s-au scăzut pierderile prin ardere și capetele rămase. Valoarea pierderilor este între 5…20%.

Tabelul 4.4

Proprietățile de bază ale gazelor de ardere la sudarea cu flacără

Productivitatea orară de depunere a metalului prin sudare se calculează cu relația:

(4.35)

în care: Mt este masa metalului; η – coeficient de utilizare a aparatului (η = 0,5…0,8).

Timpul total de sudare T, în care se includ și operațiile ajutătoare (înlocuirea electrozilor, curățarea cusăturilor, întoarcerea piesei etc.) este egal cu:

(4.36)

în care: k = 0,3…0,4 pentru suduri de serie mică și k = 0,7…0,8 pentru producție de serie; t – timpul necesar pentru sudarea propriu-zisă,în secunde, care se calculează cu relația:

(4.37)

în care toți coeficienții au semnificațiile precizate.

4.3.2.3. Tehnica sudării și încărcării cu arc electric în reparații

Pentru a obține un lucru de calitate, înainte și respectiv în timpul sudării, este necesar să se respecte următoarele recomandări:

să se curețe bine de rugină, arsuri,uleiuri și vopsea suprafețele ce urmează a se suda sau încărca; rugina și arsurile trebuie curățate cu o perie de sârmă, unsorile și vopseaua trebuie arse și apoi curățate tot cu peria de sârmă până se obține luciu metalic. Piesele mici se pot degresa în soluții de sodă caustică sau alte substanțe;

marginile pieselor care se sudează sau se încarcă să fie pregătite corespunzător prin dăltuire, polizare sau prelucrare pe unele mașini – unelte (raboteze, mașini de frezat etc.);

să se delimiteze fisurile și crăpăturile la piesele din fontă și să se execute corect teșiturile în vederea sudării; delimitarea crăpăturilor se face prin executarea de găuri la capetele crăpăturilor cu un burghiu Φ 3…8 mm, în funcție de grosimea piesei;

să se îndrepte capetele pieselor rupte care urmează a fi sudate; îndreptarea pieselor din oțel se face prin presare la rece;

să se preîncălzească, după necesitate, piesele din oțel sau fontă înainte de sudare sau încărcare. Preîncălzirea pieselor din oțel nealiat se face la temperatura de 100…150°C, când grosimea lor nu depășește 30 mm. Oțelurile slab aliate și cele cu conținut ridicat de carbon, precum și oțelurile puternic aliate se preîncălzesc la 150…350°C, chiar și atunci când au grosimi mai mici. Piesele din fontă se preîncălzesc, în general, la 600…700°C;

încărcarea se face cu material de adaos cu caracteristici mecanice, fizice și chimice asemănătoare cu acelea ale materialului de bază sau cu alte materiale în funcție de scopul urmărit. Prin folosirea unor materiale dure se obțin suprafețe cu duritate și rezistență la uzură mai ridicate decât ale materialului de bază. Asemenea încărcări se fac pieselor supuse la uzuri intense;

este deosebit de important să se aleagă cel mai potrivit tip de îmbinare sudată (în X, în U, în V etc.), în funcție de piesa care se recondiționează și electrodul existent;

să se aleagă în mod corespunzător parametrii regimului de lucru în funcție de parametrii caracteristici ai cusăturii (zona de întrepătrundere, lățimea și înălțimea cusăturii). Prin regim de sudare se înțelege indicarea electrodului (calitate, dimensiuni), a curentului optim de sudare și a vitezei cu care se sudează, astfel încât să fie realizată pătrunderea necesară.

Electrodul se alege în funcție de calitatea materialului, grosimea acestuia și poziția de sudare. O productivitate mare se obține cu electrod de dimensiuni mari, dar folosirea lui la o piesă cu grosime mică poate să producă arderea acesteia.

Intensitatea curentului de sudare este determinată, în primul rând, de diametrul electrodului, însă depinde și de grosimea metalului de sudat, de viteza de sudare, de tipul îmbinării, de poziția cusăturii în spațiu, de învelișul electrodului și de lungimea lui de lucru.

Pentru stabilirea curentului de sudare în funcție de diametrul electrodului, se folosește relația:

(4.38)

în care: I este curentul de sudare, în A; d – diametrul electrodului, în mm; β și α – coeficienți determinați experimental (pentru electrozi obișnuiți de oțel β = 20 și α =6).

4.3.2.4. Recondiționarea pieselor prin sudare cu gaze

Față de sudarea cu arc electric, sudarea cu gaze prezintă unele avantaje, care fac, ca ea să fie încă întrebuințată în procesele de reparare a sistemelor tehnice. Prin acest procedeu se realizează îmbinări de calitate, putându-se regla în limite largi flacăra arzătorului în timpul lucrului. Cel mai important avantaj este legat de faptul că utilajul folosit se poate deplasa cu ușurință de la un loc la altul, ceea ce oferă posibilitatea remedierii unor defecțiuni chiar la locul de exploatare a mașinilor, mai ales dacă acestea se află la distanță mare de atelierul de reparații al întreprinderii.

Ca material de adaos, la sudarea cu gaze se folosesc sârme de sudare și vergele turnate. Atât sârmele, cât și vergelele trebuie să fie lipsite de oxizi, zgură, grăsimi și vopsea.

Fluxurile de sudură folosite la sudarea cu gaze trebuie să formeze zguri ușoare, ușor fuzibile, care să se poată îndepărta repede. În mod obișnuit se folosesc următoarele fluxuri: boraxul și acidul boric, la sudarea cuprului; carbonatul de sodiu și potasiu, la sudarea fontei; fluoruri și cloruri de sodiu, potasiu, litiu etc., la sudarea aluminiului.

Sudarea cu gaze se poate executa, în funcție de grosimea piesei și conductibilitatea termică a metalului de sudat, spre stânga sau spre dreapta, după sensul de deplasare a arzătorului de-a lungul cusăturii.

Sudarea spre stânga (fig. 4.6, a) este mai simplă și se aplică la sudarea tablelor de oțel cu grosimi de 4…5 mm, iar la metale cu conductibilitatea termică mai ridicată (aluminiu, cupru etc.) metoda se aplică la grosimi până la circa 3 mm.

Această metodă constă în începerea sudării din partea din dreapta a rostului de sudat, iar depunerea metalului se execută de la dreapta spre stânga, ținând suflaiul în mâna dreaptă înclinat față de planul piesei. Înclinarea suflaiului este funcție de grosimea piesei: la table cu grosimi de 1mm, înclinarea este de 10°, iar la cele cu grosimea de 5 mm, înclinarea este de 30°. Sârma se ține în mâna stângă și înclinată față de piesă cu 45°. Atât suflaiului cât și sârmei de sudat îi sunt imprimate mișcări de oscilație transversale, având sensuri opuse.

Fig. 4.6. Metode de sudare: a – sudare spre stânga; b – sudare spre dreapta

În figura 4.6 notațiile au următoarele semnificații: 1 și 2 pozițiile suflaiului și a sârmei de adaos față de cusătură, în vedere laterală și de sus; 3 – mișcările suflaiului (cu linie plină) și ale sârmei (cu linii întrerupte).

Sudarea spre dreapta (fig. 4.6, b) este o metodă mai greoaie decât sudarea spre stânga, necesitând o pregătire mai bună a sudorului. Se aplică la sudarea tablelor și a pieselor mai groase de 5 mm, pentru oțel, iar pentru metale cu conductibilitate termică mai mare (cupru), la grosimi începând cu 3 mm. Metoda constă în începerea sudării din partea stângă a rostului sudat, suflaiul fiind menținut înclinat cu un unghi de 30…80° în funcție de grosimea pieselor de sudat, iar sârma de adaos la 45°. Pe timpul sudării suflaiului i se imprimă a mișcare rectilinie, fără oscilații, iar sârmei o mișcare cu oscilații transversale.

Diametrul d al sârmei de adaos se stabilește orientativ:

pentru sudarea spre stânga:

(4.39)

pentru sudarea spre dreapta:

(4.40)

în care δ este grosimea piesei care trebuie sudată, în mm.

Pentru calcularea vitezei de sudare se folosește relația:

(4.41)

în care k este un coeficient care ține seama de procedeul de sudare (k = 15 – dreapta, k = 12 – stânga).

Unele recomandări privind regimurile de sudare ale diferitelor materiale sunt indicate în tabelul 4.6.

4.3.2.5. Recondiționarea pieselor prin sudare și încărcare sub strat de flux [23]

Procedeul de sudare și încărcare electrică sub strat de flux se aplică pe scară largă în construcții sudate, iar în ultimii ani se folosește cu succes și în procesul de reparații la recondiționarea unor piese uzate. Spre deosebire de sudarea cu arc electric acoperit, la acest procedeu arcul electric este acoperit de un strat de flux cu grosimea de 25…45 mm. La temperatura arcului, fluxul devine o pastă sub care are loc depunerea metalului fără scântei, radiații, împroșcări sau fum.

În tehnica reparațiilor de mașini, sudarea sub strat de flux se utilizează în general la încărcarea pieselor cu secțiune rotundă (axe, arbori, tambure, bolțuri, lagăre etc.), al căror diametru să fie mai mare de 50 mm. De asemenea, prin acest procedeu se pot încărca cu sudură și suprafețele plane, ca de exemplu părțile uzate ale canelurilor, ale locașurilor de pană, pintenii șenilelor etc.

mecanizarea și automatizarea parțială sau totală a operațiilor care alcătuiesc procesul tehnologic de sudare. În plus, la acest procedeu nu se impune ca muncitorii care execută operațiunea să aibă o pregătire specială, iar condițiile de lucru sunt mai bune.

Încărcarea unei piese prin sudare sub strat de flux este prezentată schematic în figura 4.7.

Circuitul de sudură este format din sursa de curent 1, sârma electrod 5 și piesa de încărcat 9. Sudarea sub strat de flux se deosebește de cea manuală cu arc electric prin aceea că mișcarea piesei, a sârmei electrod și presărarea fluxului din buncăr prin tubul 2 se fac mecanizat. În cazul pieselor cu secțiune rotundă mișcarea acestora este de rotație, iar sârma electrod, pe lângă înaintarea continuă cu o viteză determinată, are și o mișcare de-a lungul piesei de încărcat. Cele două mișcări (ale piesei și sârmei) dau cusăturii de sudură 8 o formă elicoidală, al cărei pas este egal cu avansul longitudinal al sârmei electrod. Arcul electric 6 este menținut prin înaintarea continuă a sârmei spre piesă cu o viteză constantă. Protejarea arcului contra oxidării se realizează printr-un flux care este presărat continuu deasupra băii de sudură. Aceasta se topește și formează un strat de zgură 3, în stare lichidă, sub care se află o bulă gazoasă 4, provenită din gazele emanate. Presiunea gazelor din bulă are o acțiune pozitivă asupra metalului topit în sensul compactării acestuia. Existența stratului de flux deasupra băii de sudură face ca metalul topit să se mențină în această stare mai mult timp, dând posibilitatea trecerii, aproape integrale, a gazelor și impurităților din metalul topit în stratul final de zgură 7. În cazul sudării sub strat de flux, sârma electrod are o poziție bine determinată față de piesa de încărcat.

Pentru executarea acestei operații se folosește fie un strung vechi, fie un dispozitiv special executat, iar pentru prevenirea eventualelor deformații care pot să apară în timpul sudării din cauza temperaturii ridicate, unele instalații de sudare sub strat de flux sunt prevăzute cu posibilitatea de răcire a piesei cu un curent de aer sau cu apă.

O instalație de încărcare cu sudură sub strat de flux mai cuprinde un grup de sudură electrică, al cărui generator de curent continuu este acționat de un motor electric și debitează curent de 260…350 A. Câteva caracteristici tehnice ale unei instalații de sudare sub strat de flux sunt: diametrul pieselor care se încarcă, 50…640 mm; capacitatea de încărcare, 0,25…8 kg/h; intensitatea curentului folosit, 50…450 A; diametrul sârmei electrod, 1…3 mm; avansul sârmei electrod, 50…400 m/h.

Intensitatea curentului de sudare se poate determina, orientativ, cu ajutorul relației:

(4.42)

în care d este diametrul electrodului, în mm.

Viteza de depunere a metalului se poate aprecia cu expresia:

(4.43)

în care: G este masa unui metru de depunere, în g; Kd – coeficient de depunere, în g/Ah și se calculează cu relația:

. (4.44)

Sârmele pentru sudarea sub strat de flux sunt standardizate. Ele trebuie să conțină cât mai puține impurități, iar S și P să nu depășească 0,04%. Diametrul sârmei se alege în funcție de diametrul sau mărimea piesei care se încarcă și este cuprins între 1, 2 …5 mm. Cele mai bune rezultate s-au obținut cu sârmele RM care au conținutul de carbon între 0,7…0,9%.

Sârmele pentru încărcare se aleg în funcție de compoziția chimică a metalului de bază și a fluxului utilizat, precum și de proprietățile pe care trebuie să le îndeplinească materialul încărcat. Suprafața sârmei trebuie să fie curată, fără rugină sau urme de ulei. Înainte de folosire sârmele se degresează în soluție de 6% sodă caustică la temperatura de 90…95°C.

Fluxurile folosite pot fi topite sau ceramice. Cele topite conțin minereuri de mangan, cuarț și fluorină cu adaosuri de oxizi de calciu, magneziu și aluminiu și se folosesc pentru viteze de sudare de până la maximum 60 m/h. Fluxurile ceramice conțin marmură, fluorină, feldspat, oxid de aluminiu etc. și feroaliaje, în funcție de destinația fluxului. Ele se folosesc la încărcarea pieselor executate din oțeluri aliate.

Din graficele din figura 4.8 rezultă concordanța care trebuie să existe între viteza de avans a sârmei și viteza periferică a piesei, în timpul procesului de încărcare.

Avansul căruciorului pe care este fixat aparatul de sudat se stabilește în așa fel, încât cusăturile de sudură să se suprapună pe 1/3 din lățimea lor. Avansul longitudinal pe tură este de (2…2,5)·d, în care d este diametrul sârmei electrod. La piesele cu diametre mai mici (50…60 mm), se recomandă ca avansul longitudinal să fie mai mare. În acest caz stratul de sudură se obține prin două treceri, așa cum se arată în figura 4.9. Cusăturile celei de a doua treceri se fixează parțial pe metalul de bază și parțial pe cusăturile de la prima trecere, completând golul dintre ele. Acest mod de dispunere a cusăturilor de sudură face ca piesa de încărcat să se încălzească într-o măsură mică, iar deformările ei să fie minime.

Fig. 4.8. Influența vitezei de avans a sârmei (a) și vitezei periferice a piesei (b) asupra grosimii stratului încărcat

În figura 4.9 notațiile au următoarele semnificații: 1 – cusături de la prima trecere; 2 – cusături de la a doua trecere; 3 – straturi de zgură.

Pe lângă încărcarea suprafețelor cilindrice exterioare, sudarea sub strat de flux își mai găsește aplicabilitate la încărcarea suprafețelor cilindrice interioare, așa cum este reprezentată în figura 4.10. Piesa uzată 2, se fixează în mandrina universală 1, iar sârma electrod și granulele de flux sunt conduse în zona arcului prin tubul de ghidaj 3 și jgheabul 4. Debitul de granule este reglat cu ajutorul șibărului 5, iar viteza sârmei electrod se stabilește de la mecanismul pentru avansul sârmei 6.

Regimul de lucru pentru încărcarea pieselor sub strat de flux, care ține seama de parametrii menționați este prezentat în tabelul 4.5.

Tabelul 4.5

Regimul de lucru la sudarea sub strat de flux [23]

Încărcarea prin sudare a locașurilor de pană și a canelurilor uzate se face tot cu același utilaj, în acest caz piesa având poziție fixă, cusătura de sudură este dreaptă iar viteza de lucru este egală cu avansul longitudinal al aparatului de sudat.

Un mare avantaj al acestui procedeu de încărcare prin sudare constă în aceea că piesele încărcate pot fi prelucrate prin așchiere, prin strunjire sau rectificare.

4.3.2.6. Recondiționarea pieselor prin sudare și încărcare în mediu de gaz protector [1]

Sudarea și încărcarea în mediu de gaz protector constă în protejarea arcului electric (băii de sudură) de un gaz inert sau activ, care trimis în jurul arcului electric împiedică accesul oxigenului și azotului din aer.

Drept gaze folosite mai mult la sudarea în mediu protector sunt:

gazele inerte: argonul, heliul sau un amestec al acestora;

gazele reducătoare: hidrogenul sau amestec de hidrogen cu argon;

gazele oxidante active: bioxidul de carbon (CO2) sau amestec de CO2 cu Ar sau Ar + CO2 + O2 + zgură etc.

Procedeele de încărcare pot fi manuale, semiautomate sau automate.

După modul cum acționează arcul electric și electrozii folosiți, procedeele de sudare în mediu de gaz protector se împart în:

cu arc electric între electrozi nefuzibili, manual sau automat, cum sunt procedeele cu hidrogen atomic, cu jet de plasmă suflat;

cu arc electric format între un electrod nefuzibil (wolfram) și piesa de sudat, semiautomat sau automat, cum sunt: WIG (wolfram – inert – gaz) sau cu electrod de cărbune și cu arc de plasmă;

cu arc electric între sârma electrod fuzibilă și piesa de sudat; cu sârmă electrod în mediu de CO2; cu sârmă electrod în mediu de gaz inert MIG (metal – inert – gaz) sau amestec de gaz inert activ MAG (metal – activ – gaz) cu vapori de apă etc.

Gazele inerte (argonul, heliul) sunt scumpe și nu sunt economice a fi folosite la sudarea oțelurilor care pot fi sudate prin alte procedee. Argonul se utilizează la procedeul WIG pentru metale feroase și la procedeul MIG pentru metale neferoase; heliul se folosește în amestec cu argonul sau alte gaze la sudarea pieselor mici; hidrogenul se amestecă cu argonul la sudarea aluminiului și aliajelor de aluminiu cu electrod de wolfram; bioxidul de carbon este ieftin și se folosește la sudarea și încărcarea oțelurilor carbon; în mod normal azotul se utilizează la sudarea cuprului, dar amestecat și cu alte gaze.

Pentru sudarea și încărcarea pieselor în mediu de gaz protector se folosește electrod nefuzibil din wolfram și foarte rar din grafit. Wolframul este greu fuzibil, are temperatura de topire de 3400°C, iar electrozii au lungimea de 175 mm și grosimea de 1…8 mm, cu vârful ascuțit, pentru sudarea în curent continuu și sub formă tronconică la sudarea în curent alternativ.

Procedeul WIG se folosește la sudarea aluminiului, oțelului inoxidabil și cuprului. Aluminiul se sudează în curent continuu fără as e folosi fluxuri. Oțelurile inoxidabile se pot suda și în curent alternativ dar numai pentru piese subțiri sub 1 mm.

În procese tehnologice industriale s-au răspândit și sudarea și încărcarea cu jet de plasmă, respectiv sudarea cu sârmă – electrod fuzibil.

4.3.2.7. Depunerea de aliaje dure [7], [22]

Aliajele dure se depun pe suprafețele de lucru ale unor organe active de la mașinile agricole care lucrează în medii puternic abrazive, pe organe de batere, tocare, tăiere etc., pentru a le mări rezistența la uzură, precum și la arbori, axe, cruci cardanice, supape etc., pentru refacerea dimensiunilor inițiale.

Aliajele folosite pentru obținerea prin încărcare a unor straturi foarte dure și rezistente la uzură, la coroziune și la temperaturi ridicate sunt carburile de crom, de wolfram și crom cu liant de fier, cobalt, nichel, cupru etc., sau carburi numai de wolfram. Carburile de crom sau de wolfram – crom au formă de bare turnate, vergele sau pulberi, iar cele de wolfram au formă de granule introduse în tuburi de oțel cu pereți subțiri. Straturile depuse au duritatea foarte mare, cuprinsă între 70 și 90 HRC.

Ca aliaje folosite în țara noastră pentru încărcarea de durificare a organelor active se pot aminti; sormaitul, stelitul, relitul, pulberile metalice etc.

Sormaitul este un aliaj dur, cu conținut mare de carburi de crom, 25…31% Cr și 3%C (sormait I) și 14…17% Cr și 2% C (sormait II). Sormaitul este livrat sub formă de bare turnate cu diametrul de 6 mm și lungimea de 400 mm, iar sormaitul II este livrat sub formă de vergele trase, cuprate și de aceleași dimensiuni.

Piesele încărcate cu sormait se normalizează la temperatura de 870…900°C, se călesc la 950°C în ulei și se supun unei reveniri la 400…500°C. Duritatea obținută după tratamentul termic este de 75…78 HRC, iar duritatea sormaitului depus pe piese, fără tratament termic este de 45…50 HRC.

Stelitul este un aliaj dur, format din carburi de wolfram și crom cu liant de fier și cobalt. Stelitul se livrează sub formă de bare turnate cu diametrul de 6…7 mm și lungimea de 400 mm. Se topește la temperatura de 1350°C, iar duritatea stelitului depus pe piese fără tratament termic (nu necesită tratament termic) este de 70…80HRC, duritatea pe care și-o menține până la temperatura de 700°C.

Relitul este o carbură de wolfram, conținând 95…96% W și 3,2…4,2% C. Se livrează sub formă de granule, în tuburi de oțel cu diametrul de 4…6 mm și lungimea de 350…400 mm. Relitul se depune prin sudare electrică sau cu gaze, cu parametri normali pentru regimul de sudare a pieselor. Stratul de relit depus are duritatea de 60…70 HRC și o mare rezistență la uzură (de două ori mai mare decât sormaitul). Temperatura de topire este de 2700°C. La piesele încărcate cu relit nu se aplică tratament termic.

Carburile sub formă de pulberi se depun după încălzirea prealabilă a materialului de bază până la temperatura de 400…500°C. Sudarea se face cu gaz, folosind suflai și dispozitive speciale. Grosimea stratului de pulberi depusă poate fi de la câteva sutimi de milimetru până la grosimea impusă de uzura piesei. Duritatea stratului obținut de carburi sub formă de pulberi poate ajunge până la 70 HRC, fără să aibă nevoie de tratament termic.

Electrozii duri folosiți pentru încărcarea organelor active de la mașinile agricole au proprietăți speciale, iar depunerea este dură și rezistentă la uzură. Încărcarea pieselor se face cu arc electric, dar se poate face și prin sudarea cu gaz, după ce electrozii au fost curățați de înveliș.

Depunerea aliajelor dure se face în funcție de compoziția materialului de bază și a materialului dur cu flacără oxiacetilenică, cu arc electric, cu arc electric sub strat protector, prin curenți de înaltă frecvență, cu jet de plasmă etc. Prin sudare oxiacetilenică se pot depune aproape toate aliajele, inclusiv electrozii speciali.

Încărcarea cu sormait cu flacără oxiacetilenică a organelor active de la mașinile agricole necesită mai întâi o pregătire care se realizează prin forjare, rabotare sau frezare a tăișului piesei pe o lățime de 30…35 mm. Încărcarea se face pe partea pregătită, depunându-se un strat cu grosimea de 0,5…3 mm, în funcție de mărimea și grosimea piesei în zona de încărcare cât și de procesul de lucru al piesei (tăiere, dislocare etc.). La cuțitele de cultivator, cuțitele de dislocare a sfeclei, cuțitele de tăiere și tocare etc., se depune un strat gros de 0,5 ± 0,2 mm; la brăzdarele de pluguri, cuțitele frezelor, cuțitele de la combinele de scos cartofi etc., de 1,5 ± 0,3 mm, iar la brăzdarele de la plugurile de desfundat, lamele de buldozer, nivelatoare etc., de 2,5 ± 0,5 mm.

Pentru depunerea sormaitului se folosește un arzător mare cu care se încălzește mai întâi, porțiunea ce trebuie încărcată la temperatura de 500…900°C (culoarea roșie până la culoarea portocalie), apoi și restul piesei până aproape de punctul de topire. Odată cu încălzirea piesei se încălzește cu vârful vergelei de sormait până la topire. Sudarea se face de la dreapta spre stânga, vergeaua și flacăra se deplasează pe direcția transversală, ținând arzătorul sub un unghi de 60° față de planul piesei. Pe timpul încărcării,pentru a se evita oxidarea, se folosește mult borax, care se presează pe porțiunea încălzită, flacăra fiind carburantă.

Tăișul piesei încărcate se îndreaptă și se ascute ușor la polizor fără a se îndepărta stratul de sormait.

Încărcarea cu relit, stelit, electroni speciali se face după același proces tehnologic indicat pentru sormait. Încărcarea cu vergele de electroni se face cu flacără neutră.

La încărcarea cu arc electric se folosesc electroni înveliți, obținându-se straturi mai groase. Acest procedeu se aplică cu rezultate bune la piesele cu grosimi mai mari (lame de buldozere, screpere, ciocanele de la morile de ciocane mari etc.). Se folosește curentul continuu, cu electrodul la polul pozitiv.

Încărcarea cu electroni duri se face numai cu curent continuu, cu electrozii la polul pozitiv.

Procesul tehnologic de încărcare cu pulberi dure sub strat protector (fig. 4.11) este caracterizat prin aceea că arcul electric care se formează topește pulberea ce se amestecă cu metalul topit din electrod și cel al materialului de bază sub un mediu protector.

În figura 4.11 notațiile au următoarea semnificație: 1 – pulbere de metal; 2 – piesă de încărcat; 3 – flux de sudare; 4 – sârmă electrod; 5 – sudura de încărcare; 6 – flux topit.

Fig. 4.11. Încărcarea cu aliaje dure sub formă de pulberi [45]

Pulberile dure sunt depuse înaintea electrodului și se protejează cu un gaz inert sau cu un strat de flux. Se pot folosi și fluxuri de aliere, care prin topire contribuie la îmbunătățirea calității stratului depus. Electrodul poate fi sub formă de tub sau bandă și poate să conțină elemente de aliere, care împreună cu pulberile și fluxul contribuie la îmbunătățirea calității metalului depus.

Depunerea de aliaje dure se poate face prin curenți de înaltă frecvență sau cu jet de plasmă.

4.3.2.8. Controlul calității pieselor recondiționate prin sudare

Nerespectarea tehnologiei de sudare conduce la apariția unor defecte care se manifestă prin abaterea calității cordonului de metal depus de la cerințele tehnice stabilite.

Cele mai frecvente defecțiuni sunt:

aderență insuficientă între materialul de adaos și cel de bază, datorită topirii insuficiente a materialului de adaos și pregătirii necorespunzătoare a suprafeței de sudat;

străpungerea materialului de bază (piese subțiri), provocată în special de folosirea unui curent sau flacără prea puternică;

fisuri la exteriorul sau interiorul metalului depus, cauzele fiind multiple: elemente de aliere, regimul de sudare, viteza de răcire etc.;

depuneri neregulate în înălțime și lățime, ca urmare a lipsei de calificare a sudorului sau variației parametrilor regimului de sudare;

porozități în metalul depus etc.

Verificarea îmbinărilor sudate se face în conformitate cu prevederile din standarde și normative. La reparații se aplică cu precădere metode de control fără distrugerea pieselor și se realizează înainte și în timpul sudării.

În cadrul controlului preventiv se verifică starea de pregătire a materialului de bază, calitatea materialului de aport, corectitudinea parametrilor regimului de sudare etc. Pe parcursul procesului tehnologic trebuie să se urmărească respectarea cu strictețe a tehnologiei de sudare.

Controlul final se poate face în mai multe feluri, în funcție de defecțiunile ce pot să apară. El poate fi vizual, metalografic, de verificare a proprietăților fizico – mecanice ale stratului depus, a compoziției chimice, a etanșeității, a prezenței fisurilor, suflurilor și porozității etc.

Controlul vizual se face după curățarea suprafeței de zgură. Se observă forma depunerii, lipsa unor defecte mari, grosimea și uniformitatea stratului depus etc.

Microstructura se poate verifica prin probe metalografice, iar defectele interne prin folosirea unor instalații și utilaje specializate, fero-flux, control cu raze Roentgen sau control cu ultrasunete etc. Deoarece probele metalografice presupun distrugerea cusăturii, procedeul se aplică în reparații numai cu caracter informativ.

Trebuie subliniat faptul că procedeul Roentgen, împreună cu celelalte metode de iradiere reprezintă metodele defectoscopice cele mai sigure, cu posibilitățile cele mai largi de detecție. Metodele magnetice și ultrasonice sunt mai puțin sigure, dar mult mai expeditive.

4.3.3. Recondiționarea pieselor prin încărcare prin sudare cu arc electric vibrator (vibrocontact) [12]

Încărcarea pieselor uzate prin sudare cu arc electric vibrator constituie un procedeu modern de recondiționare, cu aplicații la un mare număr de piese. Caracteristica procedeului constă în faptul că electrodul pentru sudare vibrează în timpul procesului de încărcare, în urma acestuia fiind dirijată o emulsie de răcire prin care se realizează călirea metalului de aport, ceea ce îi asigură o duritate și rezistență la uzare ridicate.

Apariția procedeului a fost determinată, în special, de necesitatea recondiționării pieselor cu diametru mic, între 10…40 mm și a pieselor confecționate din oțeluri aliate, piese ce sunt degradate de temperaturile ridicate care se degajă în timpul recondiționării, în cazul folosirii altor procedee electrice de încărcare. În acest caz temperatura piesei în timpul executării operațiunii nu depășește 150°C, deci nu pot avea loc schimbări de structură în materialul de bază și practic nici deformări ale pieselor.

Procedeul de încărcare prin vibrocontact se bazează pe folosirea de foarte scurtă durată (câteva miimi de secundă) a arcului electric comandat printr-un vibrator electromagnetic sau mecanic. Față de procedeele obișnuite de încărcare prin sudare, recondiționarea prin vibrocontact prezintă următoarele avantaje:

asigură o eficiență ridicată, în special la depunerea unor straturi subțiri;

permite recondiționarea pieselor cu diferite grade de uzură, deoarece la o trecere a sârmei electrod grosimea stratului de material depus poate fi de 0,5…3 mm;

oferă posibilitatea încărcării pieselor uzate cu diametre cuprinse între 10…15 mm, care nu se pot încărca prin alte procedee de sudare;

permite folosirea unor sârme electrod cu conținut ridicat de carbon (0,6…0,9%), ceea ce face ca stratul depus să aibă o duritate de 45…56 HRC și rezistență mare la uzare.

În plus față de avantajele enumerate, procedeul de sudare prin vibrocontact nu necesită utilaje speciale, prezintă pierderi minime de metal (sârmă electrod) și oferă posibilitatea recondiționării unor piese tratate termic, care prin procedeele obișnuite nu se realizează în condiții corespunzătoare. Aplicarea procedeului de încărcare prin vibrocontact la recondiționarea unor piese ca: fuzetele tractoarelor, arborii oscilanți, crucile sateliților de la diferențial și crucile cardanice, arborii cu came etc., atrage după sine reducerea consumului de piese de schimb și a costului reparațiilor, deoarece cheltuielile de recondiționare reprezintă normal 10…20% din valoarea pieselor noi.

În ultimul timp depunerile prin vibrocontact servesc drept strat de bază la încărcarea prin metalizare, deoarece asigură o aderență foarte bună și rugozitatea dorită.

Fig. 4.12. Schema instalației de încărcare prin sudare cu arc electric vibrator [9]

Piesa de recondiționat 1 (fig. 4.12) formează catodul, iar sârma – electrod 2, care formează anodul este trimisă din caseta 7 cu ajutorul rolelor 6 și împinsă prin duza calibrată 3 spre piesa de recondiționat. Mișcarea vibratorie a sârmei – electrod se realizează cu ajutorul vibratorului 5, alimentat de la rețea și a arcului 4, iar lichidul de răcire este debitat de pompa 10 și dirijat în zona de după arcul electric. În circuitul convertorului 8 se introduce reostatul 9 pentru reglarea regimului de lucru.

Baza procesului de încărcare prin sudare cu arc electric vibrator constă în conectarea și deconectarea periodică a contactului electric dintre sârma – electrod și suprafața piesei care se recondiționează. În acest timp are loc transportul de metal de la electrod la piesă. În momentul scurtcircuitării electrodului cu piesa, prin punctul de contact trece un curent puternic (cu densitate mare), sub acțiunea căruia are loc sudarea prin contact între piesă și sârma – electrod. Deoarece masa piesei este relativ mare și răcită, căldura din zona de contact se disipează rapid, permițând solidificarea stratului sudat. Căldura nedisipată, înmagazinată în sârma – electrod, permite ca aceasta să se alungească în momentul în care electrodul se îndepărtează de piesă și apoi să se rupă. Ruperea sârmei – electrod de produce în locul unde încălzirea acesteia este mai puternică și anume lângă punctul de contact. electrodului.

Datorită câmpului magnetic produs de circuitul curentului de sudare în momentul ruperii sârmei – electrod (deconectării), în circuit ia naștere un extracurent de densitate mare, care dă naștere unui arc electric de scurtă durată (în plus) în spațiul dintre piesă și sârma – electrod. Sub influența descărcării electrice, porțiunea de sârmă – electrod rămasă pe suprafața piesei se topește intens. Totodată se topește și o parte din electrod depunându-se, de asemenea, pe suprafața piesei care se recondiționează.

Metalul depus prin acest procedeu aderă bine cu piesa și are proprietăți antifricțiune bune.

Obținerea unei depuneri corespunzătoare depinde de alegerea valorilor optime ale parametrilor procesului tehnologic de încărcare, care influențează asupra calității și grosimii stratului depus, aderenței acestuia la metalul de bază, rezistenței la uzare etc.

Viteza de înaintare a sârmei – electrod se stabilește, de asemenea, în funcție de grosimea stratului de sudură și anume, se alege în limitele de 0,5…2 m/min., viteza periferică a piesei indicându-se să fie, în acest caz, de 0,4…0,8 m/min. Micșorând viteza de sudare, avansul sârmei trebuie mărit, deoarece fiecare zonă din piesă rămâne în apropierea arcului un timp mai îndelungat, producându-se o mare cantitate de căldură. Astfel, se produce o topire mai intensă a sârmei, iar dacă aceasta are o viteză de înaintare mai mică, metalul este evaporat și împroșcat.

În cazul utilizării tensiunii sub 15 V și sârmei electrod cu diametrul de 1,6…2 mm, încărcarea trebuie să se facă cu un avans al acesteia de 0,5…0,7 m/min. Dacă tensiunea crește peste 15 V, avansul sârmei electrod trebuie majorat la 0,9…1,5 m/min. Micșorarea avansului sârmei electrod produce întreruperi ale cusăturii de sudură, iar majorarea necorespunzătoare, nu permite topirea acesteia.

În ce privește avansul longitudinal al capului vibrator (pasul cusăturii), acesta este determinat de viteza de sudare și de diametrul sârmei – electrod. Pasul se alege între 0,5…3 mm la o rotație a piesei, astfel încât cusătura de sudură să se suprapună pe 1/3 din lățimea cusăturii depuse anterior. Orientativ el poate fi între (0,8…1,5)·d, în care d este diametrul sârmei – electrod. Pentru cusături cu grosimea de peste 1 mm pe rază, la tensiuni de 12…15 V, este indicat ca pasul să fie de (1,2…1,5)·d, iar pentru tensiuni de 15…20 V de (1,5…2)·d. Turația piesei se determină cu ajutorul relației:

(4.45)

în care: vs este viteza de sudare, în m/min; D – diametrul piesei, în mm.

Poziția duzei calibrate pentru sârma electrod față de piesă depinde de lungimea sârmei ieșită din duză și de unghiul de înclinare α dintre electrod și generatoarea piesei și dintre sârma – electrod și planul orizontal care trece prin centrul piesei. Din cercetările experimentale a rezultat că în cazul înclinării sârmei electrod față de piesă cu un unghi α de 40…45° se asigură o întrepătrundere optimă între metalul de bază și cusăturile de sudură.

Emulsia pentru răcire este formată din glicerină tehnică în proporție de 16…20% sau cu sodă calcinată în proporție de 6…7%. Debitul lichidului de răcire trebuie astfel ales, încât în timpul lucrului piesa să se acopere cu un strat subțire de soluție. Folosirea unui debit prea mare poate provoca apariția unor microfisuri în stratul de sudură, iar un debit prea mic duce la oxidarea metalului topit.

Procesul tehnologic de recondiționare a pieselor prin vibrocontact cuprinde operațiuni pregătitoare, încărcarea propriu-zisă și prelucrarea ulterioară a pieselor încărcate la dimensiunile necesare.

Ca operațiuni pregătitoare se execută curățarea și degresarea pieselor, constatarea mărimii și formei uzurii, readucerea la forma geometrică corectă (îndreptare, prelucrare prin așchiere), degresarea sârmelor de sudură, pregătirea instalației pentru punerea în funcțiune, verificarea funcționării generatorului de curent continuu, a motorului electric pentru acționarea capului vibrator, punerea în funcțiune a ventilatorului pentru absorbția și evacuarea gazelor de la locul de muncă, verificarea și punerea în funcțiune a pompei pentru lichidul de răcire etc.

Un regim normal de încărcare prin vibrocontact se caracterizează prin următorii parametri: tensiunea curentului 12…18 V; intensitatea curentului (la diametre ale sârmei electrod de 1,4…1,8 mm), 100…200 A; frecvența vibrațiilor, 50…100 vibrații/s; amplitudinea vibrației capului sârmei electrod, 1,5…2 mm; avansul sârmei electrod (pasul), 1…3 mm/rot; viteza de încărcare cu sudură, 0,3…2,2 m/min; turația piesei de încărcat, 3,5…12 rot/min; debitul lichidului de răcire, 0,2…1,5 l/min; unghiul dintre piesă și sârma electrod, 30…50°.

Prelucrarea pieselor încărcate prin vibrocontact se face prin strunjire, în cazul folosirii unei sârme cu un conținut redus sau mediu de carbon și la o răcire redusă. În cazul folosirii unei sârme bogate în carbon și a unei răciri puternice, prelucrarea mecanică se face prin rectificare.

Încărcarea prin sudare cu arc electric vibrator se poate face și sub strat de flux sau în mediu de gaz protector, ceea ce conduce la o calitate superioară a stratului depus față de procedeul obișnuit.

4.3.4. Recondiționarea pieselor prin metalizare [9]

4.3.4.1. Noțiuni generale despre metalizare [18]

Metalizarea este un procedeu complex de depunere a metalelor pe piesele noi sau uzate, care constă în pulverizarea cu mare viteză a metalului topit pe suprafața care se încarcă a piesei. Prin metalizare se pot acoperi, cu metale de orice fel, suprafețe metalice, din lemn, sticlă, gips etc., grosimea stratului variind între 0,03 mm până la câțiva milimetri (3…12 mm). Procedeul se poate aplica atât pentru recondiționarea suprafețelor uzate și astuparea fisurilor, cât și pentru remedierea pieselor importante cu defecte mici de fabricație sau turnare. Pe plan mondial s-au dezvoltat numeroase procedee de metalizare, care diferă între ele după materialul de adaos, construcția instalațiilor de metalizare, mijlocul de topire a metalului etc. Toate aceste procedee au însă la bază realizarea următoarelor procese: aducerea metalului de acoperire la locul de topire, încălzirea până la topire, pulverizarea metalului topit cu ajutorul unui jet de gaz cu presiune ridicată, formarea stratului de acoperire prin lovirea cu șoc a particulelor pe suprafața de metalizat.

Ca materiale de adaos se utilizează zincul pentru astuparea fisurilor la piesele din fontă (blocuri, chiulase) și sârmele de oțel sau pulbere metalică pentru metalizarea suprafețelor care trebuie să posede, în principal, rezistență ridicată la uzură.

Starea particulelor în momentul lovirii suprafeței de metalizat se caracterizează prin temperatură și viteză, factori care depind la rândul lor de regimul de metalizare.

Temperatura particulelor în momentul atingerii piesei este cu atât mai mare cu cât dimensiunile lor sunt mai mari, dacă restul condițiilor nu se modifică. Particulele de dimensiuni mai mari ajung pe suprafața piesei în stare lichidă sau semilichidă. În focarul de topire al metalizatorului temperatura este superioară celei de topire a metalului, care trece din stare solidă în stare lichidă și vapori de metal. Pe măsura îndepărtării de pulverizator, temperatura medie a particulelor scade, mai ales pe primii 50…75 mm deplasare. Cantitatea de căldură transmisă piesei este neglijabilă deoarece masa particulelor depuse este foarte mică, iar curentul de aer comprimat răcește suprafața metalizată. De aceea structura și proprietățile metalului de bază nu se schimbă.

Viteza particulelor metalice depinde de dimensiunile acestora, distanța de la metalizator la piesă, viteza curentului de aer, materialul de adaos etc. Curentul de aer desprinde particulele metalice din metalizator și le accelerează astfel că viteza lor finală se apropie de cea a jetului de aer. Valoarea maximă a vitezei este la distanța de 10…30 mm de duza de aer și scade pe măsura creșterii distanței. Viteza de difuziune în momentul cristalizării fiind mică, se produce o segregație intercristalină a cărei mărime depinde, în primul rând, de viteza de răcire. Particulele straturilor de oțel obținute prin pulverizare au o structură fină de martensită pulverizată, austenită reziduală, troostită sau troostită – martensită. Cercetările au dovedit existența unor constituenți de călire, ceea ce se explică prin răcirea bruscă a celor mai mici particule din jetul pulverizat din cauza aerului comprimat.

Experimental s-a constatat că presiunea optimă a jetului de gaz este de 0,5 …0,7 MPa, iar distanța de la metalizator la piesă de 75…100 mm. În aceste condiții energia de lovire a particulelor metalice pe suprafața de metalizat este ridicată, particulele de dimensiuni de 2…200 μm, peste 75 % dintre acestea fiind de 50…75 μm (la metalizarea cu oțel). Timpul necesar metalizării pieselor cilindrice se determină astfel:

(4.46)

în care: d este diametrul piesei de metalizat, în cm; l – lungimea suprafeței de metalizat, în cm; h – grosimea stratului de metalizat, în mm; γ – greutatea specifică a materialului de acoperire, în N/m3; q – capacitatea de lucru a metalizatorului, în kg/h; K – coeficient de folosire a sârmei, care depinde de tipul metalizatorului, regimul de metalizare, dimensiunile piesei și distanța de la aparat la suprafața piesei (k = 0,6…0,8).

Principalul criteriu pentru clasificarea procedeelor de metalizare rămâne metoda de topire a metalului de adaos, în acest sens utilizându-se arcul electric, flacăra oxiacetilenică, jetul de plasmă, curenții de înaltă frecvență, topirea în creuzet.

4.3.4.2. Metalizarea cu topirea prin arc electric

Schema de principiu a unui astfel de metalizator este reprezentată în figura 4.13. Arcul electric se realizează între doi sau trei electrozi din sârmă 1, care formează materialul de adaos. Pe măsura topirii capetelor, sârmele sunt avansate cu ajutorul unor mecanisme adecvate 2 și dirijate prin niște tuburi de ghidare 3. Prin pulverizatorul 4 se trimite un jet de aer comprimat sau azot, care pulverizează metalul topit în particule fine și le proiectează cu viteză mare pe suprafața de încărcat 5.

Procesul de topire și pulverizare a metalului cuprinde următoarele etape: amorsarea arcului dintre electrozi, când spațiul dintre ei devine suficient de mic pentru a produce ionizarea gazelor și a vaporilor de metal, topirea capetelor electrozilor, întreruperea circuitului electric al electrozilor prin pulverizarea metalului topit de către jetul de gaz, reamorsarea arcului electric, când spațiul permite descărcarea cu scântei etc. Acest ciclu de fenomene se repetă cu frecvență mare (50…100 Hz).

Fig. 4.13. Metalizator cu topirea prin arc electric [7]

Sârmele electrozi pentru metalizare se execută din oțeluri carbon, oțeluri aliate cu crom, oțeluri inoxidabile, oțeluri speciale cu mangan, aliaje cu nichel, crom, molibden, cupru etc.

Compoziția chimică a unor sârme pentru metalizare prin topire cu arc electric este dată în tabelul 4.6.

Prin metalizare cu sârmă s-au obținut rezultate bune la recondiționarea unor piese ca: arborii cotiți, arborii din cutia de viteze etc.

Tabelul 4.6

Compoziția chimică a unor sârme pentru metalizare

4.3.4.3. Metalizarea cu topirea în jet de plasmă

Utilizarea jetului de plasmă permite acoperirea pieselor uzate sau chiar nou cu un strat de materiale dure, greu fuzibile sub formă de sârmă sau pulberi. În acest mod se încarcă în procesul de fabricare sau recondiționare piese intens supuse la uzură.

Schema metalizatorului cu topirea în jet de plasmă a materialului sub formă de sârmă este reprezentată în figura 4.14. Mecanismul de avans 1, acționează sârma 2, spre electrodul inelar 3, care îndeplinește și rolul camerei de răcire a capului metalizatorului.

Funcționarea metalizatorului se bazează pe formarea unui arc continuu în zona 4, între sârma 2 și electrodul inelar montat pe izolatorul 5 pentru amorsarea arcului și stabilizarea acestuia se folosește un sistem de pornire de înaltă frecvență. Jetul de plasmă se realizează cu argon la utilizarea metalului sub formă de sârmă, iar la metalizarea cu pulberi se poate utiliza, în afară de argon și alte gaze ca argon, heliu, hidrogen în amestec cu alte gaze (maximum 20% hidrogen pentru a nu se produce erodarea ajustajului metalizatorului) etc.

Jetul de argon ajunge prin canalul 6 în zona de formare a arcului, unde se încălzește la temperatură înaltă și ca urmare se ionizează și devine bun conducător de electricitate. Sub acțiunea câmpului magnetic energia arcului se concentrează în axa fluxului de gaze, mărindu-i temperatura la valori foarte ridicate (1400…1700°C). Metalizatorul este protejat față de aceste temperaturi cu ajutorul unui lichid de răcire trecut prin camerele 7. El poate funcționa cu curent alternativ, dar la utilizarea curentului continuu se obțin straturi de metalizare cu proprietăți fizico – mecanice mai bune.

Schema aparatului de metalizare cu jet de plasmă și pulberi este prezentată în figura 4.15.

La utilizarea pulberilor metalice plasma se formează în zona 9, care este secțiunea minimă a electrodului inelar 3, ca urmare a influenței electrodului neconsumabil 4, reglat cu ajutorul discului 5. Prin orificiul 6 se introduce în canalele 2 apa de răcire și se conectează circuitul curentului electric, iar prin orificiul 7 se asigură ieșirea apei de răcire. Admisia gazului inert se face prin orificiul 8, după care acesta pătrunde în camerele 10 și de aici prin orificiul 9 al electrodului inelar se transformă în plasmă și în flacără, care topește pulberea. Aceasta se introduce în jetul de gaz la o distanță de 6,5 mm de capătul duzei.

Straturile depuse la metalizarea cu pulberi sunt mai uniforme, au o duritate cuprinsă între 20…70 HRC, dar aparatul este mai scump și mai puțin productiv ca la utilizarea sârmei. Sunt întrebuințate diferite pulberi metalice care conțin carburi de wolfram, cobalt, precum și metale ca nichel, crom, siliciu, bor și amestecuri ce conțin cupru, molibden, cobalt sau oxizi de ceriu, zirconiu etc. Pulberile se utilizează în amestec cu fondanți într-o proporție ce se stabilește pe baze experimentale.

Metalizarea cu topirea în jet de plasmă poate fi utilizată la recondiționarea unor piese scumpe, cum sunt arborii cotiți, arborii unor electromotoare mari etc.

4.3.4.4. Metalizarea cu topirea prin flacără oxiacetilenică

Schema unui metalizator cu topirea prin flacără este reprezentată în figura 4.16. Acesta constă din arzătorul 1, ajustajul de aer comprimat 2 și ajustajul suplimentar (de laminare) 3, care permite prelungirea flăcării și mărirea vitezei acesteia, precum și mărirea zonei de contact a flăcării cu sârma de metalizare 4, care se introduce prin zona centrală a metalizatorului. Totodată amestecarea jetului de gaze de ardere cu aerul comprimat este limitată numai la zona de contact a celor două jeturi concentrice care se formează la ieșirea din metalizator, ceea ce permite o protecție mai bună a particulelor metalice împotriva oxidărilor, iar arderea unor elemente ca Mn, Si, C din metalul de adaos se reduce mult.

Unele metalizatoare (de exemplu metalizatorul tip B Castolin) care folosesc flacăra oxiacetilenică pentru topirea unor pulberi metalice ca materiale de adaos, lucrează cu următoarele regimuri de presiune ale gazelor: oxigen – 0,4 MPa la depuneri subțiri și 0,5 MPa – la depuneri mijlocii și groase, iar acetilenă 0,2 MPa pentru toate felurile de depuneri.

Pulberile metalice utilizate sunt amestecuri de carburi cu wolfram sau de cobalt cu diferite elemente ca: nichel, crom, siliciu, carbon, bor etc.

4.3.4.5. Metalizarea cu topirea prin curenți de înaltă frecvență

Aceste metalizatoare lucrează pe principiul topirii sârmei de încărcare cu ajutorul concentrării curenților de înaltă frecvență asupra zonei de topire și pulverizarea metalului topit cu aer comprimat.

Construcția unui astfel de metalizator, reprezentat simplificat în figura 4.17 se compune dintr-un transformator care are circuitul primar al inductorului 1 executat din tuburi de Cu, iar circuitul secundar executat tot din Cu sub forma carcasei 2, prevăzută cu o cameră de răcire.

Cele două circuite sunt izolate între ele. Inductorul este montat pe o flanșă prin intermediul bucșei izolatoare 3, în interiorul căreia este montat coaxial conul 5. Aerul comprimat este adus în camerele 8 și dirijat prin camera inelară dintre con și bucșa 4 către partea anterioară s carcasei. La ieșirea cu mare viteză prin ajustajul acesteia, aerul pulverizează metalul topit al sârmei 6 care este introdusă prin gaura centrală a conului, spre coronament, cu ajutorul unui mecanism de avans 7.

Curentul furnizat de un generator la frecvența de 70…500 kHz intră prin inductorul 1 și produce un câmp electromagnetic de înaltă frecvență care este indus în capătul sârmei. Fluxul electromagnetic este concentrat de către carcasa 2 în partea din față în care se află capătul sârmei. Curentul de mare intensitate care ia naștere în această zonă topește sârma, iar particulele de metal lichid sunt proiectate pe piesă de către jetul de aer comprimat.

Pentru obținerea unui randament ridicat al inductorului este necesar să se coreleze frecvența curentului cu diametrul sârmei de metalizat, așa cum rezultă din figura 4.18.

De exemplu, pentru sârmă de 3 mm este necesară o frecvență de circa 200.000 Hz, iar pentru sârmă de 5…6 mm, care se utilizează mai des, este necesară o frecvență de circa 70.000 Hz.

Temperatura particulelor la presiuni de 0,3…0,4 MPa și distanța de 100 mm de ajustaj, variază între 1200 …1400°C. Se apreciază că aderența stratului de metalizare la piesa de recondiționat este la fel ca la celelalte procedee.

4.3.4.6. Structura și proprietățile stratului metalizat

Stratul de acoperire obținut prin oricare dintre procedeele de metalizare descrise se caracterizează prin porozitate și neuniformitate, similar produselor obținute prin sinterizare din pulberi metalice. Condițiile specifice metalizării influențează structura, proprietățile și aderența stratului depus la metalul de bază al piesei care se recondiționează.

În timpul pulverizării particulele metalice se răcesc neuniform și suferă o oarecare oxidare inegală. Când ajung la suprafața piesei ele au dimensiuni, masă, viteză (energie cinetică) și temperatură diferite, de aceea sunt supuse la deformații și ecruisare într-un grad diferit , precum și la răcirea bruscă (călirea) de către jetul de aer comprimat. Acțiunea acestor factori face ca structura stratului de acoperire să fie neomogenă (fig. 4.19) și să difere foarte mult de structura inițială a metalului de adaos. Din cauza acțiunii jetului de aer și mediului ambiant, unele elemente sunt arse în proporție însemnată (25…35% C; 25…45% Si; 35…38% Mn; 25…26% S) și de aceea compoziția chimică a stratului de acoperire diferă foarte mult de compoziția chimică a metalului de adaos.

Existența porilor în structura stratului de metalizare, precum și conductibilitatea electrică și densitatea mai scăzute, confirmă caracterul de contact parțial al acoperirii prin metalizare.

Aderența stratului de metalizare depinde de rugozitatea suprafeței ce se acoperă, de viteza și temperatura particulelor, de compoziția metalului de adaos și regimul de metalizare. Asupra aderenței stratului de acoperire exercită o mare influență primul strat de particule care vin în contact cu suprafața rece a piesei, ceea ce face ca acestea să se răcească repede și să li se reducă plasticitatea și gradul de deformare. Din această cauză întrepătrunderea particulelor este redusă, apar tensiuni interne în zona de contact și nu se realizează o coeziune moleculară ridicată.

Fig. 4.19. Secțiune transversală printr-un strat depus prin metalizare [7]

Aderența stratului depus se poate mări prin preîncălzirea pieselor la 200°C sau prin recoacerea după metalizare la 500…900°C, care duce însă la schimbarea structurii inițiale. Aderența este influențată într-o măsură oarecare și de oxidarea suprafeței piesei și a particulelor metalice în cursul pulverizării, oxizii fiind mai fragili decât metalul, aderența stratului de reduce.

Creșterea aderenței se poate obține prin utilizarea azotului în loc de aer și prin aplicarea unui strat din materiale mai ușor fuzibile (molibden) direct pe suprafața piesei.

Duritatea stratului metalizat este superioară durității inițiale a materialului de adaos datorită procesului de călire a particulelor la venirea lor în contact cu piesa rece și obținerea, cu preponderență, a unei structuri martensitice, dar și troostitice și sorbitice.

Faptul că stratul metalizat este poros creează avantaje substanțiale pentru recondiționarea pieselor supuse la frecare lichidă sau semilichidă, deoarece uleiul se reține bine în porii de pe suprafață și coeficientul de frecare atinge valori reduse, de exemplu 0,01…0,04 pentru sarcini specifice de 2,45…14,05 MPa.

4.3.4.7. Procesul tehnologic și utilajele folosite la metalizare

Procesul tehnologic de metalizare cuprinde următoarele etape principale: pregătirea suprafeței de metalizat, metalizarea propriu-zisă și prelucrarea după metalizare. Aderența este mai mare cu cât suprafața de contact dintre metalul de adaos și materialul de bază este mai mare. În acest scop se caută crearea unor rugozități cât mai mari prin sablare, prelucrarea unor caneluri sau filete, prelucrare anodo-mecanică, prin vibrocontact etc.

Pregătirea suprafețelor înainte de metalizare cuprinde: curățarea temeinică a suprafețelor prin degresare cu soluții decapante; pregătirea propriu-zisă a suprafeței.

Cea mai largă metodă de creare unei rugozități mărite pe suprafața de metalizat o constituie sablarea cu granule de carborund sau alice metalice. Instalațiile sunt similare celor de la sablarea pieselor în turnătorii, diferențele constând în dimensiunile granulelor abrazive și alicelor, care în acest caz sunt mai mici.

Metodele de pregătire a suprafețelor prin canelare sau filetare sunt mai costisitoare, dar asigură formarea neregularităților cu dimensiuni destul de mari, care se opun contracției, astfel încât apar eforturi mici de forfecare în planul de aderență. Canelarea sau filetarea se impun când grosimea stratului depus depășește 1,25 mm și în toate cazurile unde ea prezintă o întrerupere a continuității, comparabilă cu aceea creată de existența unui locaș de pană. Filetarea este indicată și pentru straturile continue ale suprafețelor cilindrice, atunci când condițiile de lucru sunt extrem de grele, în cazul când există riscul separării straturilor elementare în masa metalului depus, sau atunci când straturile depuse sunt groase și constituite din metale care au un coeficient mare de contracție, fapt ce prezintă pericolul apariției de crăpături.

Înfășurarea cu sârmă, ca metodă de pregătire a suprafeței în vederea metalizării, se întrebuințează pentru suprafețele cilindrice convexe foarte dure sau pentru evitarea micșorării rezistenței produsă de filetare sau canelare.

Pregătirea suprafeței prin depunere de straturi intermediare este indicată pentru suprafețele netede, lustruite, călite sau cementate. În acest scop, se aplică pe suprafețe un strat intermediar de aliaj special, care conține 50% Mo. Metoda este costisitoare, mai ales dacă se combină și cu sablarea ușoară, dar se asigură o aderență superioară a stratului depus. Aderența stratului intermediar este de natură moleculară, molibdenul difuzând aproape în toate metalele, cu excepția cuprului și aliajelor de cupru. Metoda se recomandă în special în cazul metalizării prin topirea cu flacără oxiacetilenică a materialului de adaos.

În cadrul operațiilor de pregătire pentru metalizare se impun și prelucrări care să aibă în vedere stabilitatea stratului depus. Astfel, capetele tronsoanelor metalizate trebuie prevăzute cu o degajare (fig. 4.20, a) sau un umăr (fig. 4.20, c), iar suflurile și imperfecțiunile superficiale ale pieselor turnate se prelucrează în așa fel, încât stratul sau masa de metal proiectată să fie reținută la margini de către un canal în coadă de rândunică (fig. 4.20, b).

Fig. 4.20. Pregătirea capetelor de arbori pentru metalizare

Prelucrarea suprafețelor după metalizare se face prin strunjire, rectificare, polizare, operații pentru reducerea porozității și mărirea rezistenței la uzură (ecruisarea cu alice, netezirea prin frecare, impregnarea cu lacuri de bachelită, uleiuri etc.).

Verificarea suprafețelor metalice se face prin control dimensional și prin luarea probelor metalografice.

În timpul prelucrării finale chiar în timpul funcționării pot apare unele defecțiuni. Uneori se realizează o stratificare interioară a materialului depus din cauza vitezei mici de deplasare a particulelor proiectate, supraîncălzirii locale și formării unui exces de pulberi de oxizi. Este indicat a se evita încălzirea prea mare a piesei, care conduce la deformații și crăpături în masa depusă. Dacă piesa se supraîncălzește se impune oprirea periodică a pulverizării metalului.

Prezența uleiului în aerul comprimat provoacă apariția unei suprafețe rugoase, cu oxizi, apărând stratificarea metalului pulverizat.

Dacă pulverizarea metalului se efectuează cu o viteză foarte lentă apar straturi de metal imposibil de prelucrat ulterior, datorită formării oxizilor și carburilor în cantități mari. Presiunea prea mică a aerului sau fluctuațiile presiunii gazelor și a vitezei sârmei au ca urmare o pulverizare defectuoasă și apariția unor urme pe suprafața prelucrată.

Pentru efectuarea lucrărilor de metalizare sunt necesare, pe lângă aparatele de metalizat pentru topirea metalului o serie de utilaje ajutătoare pentru comprimarea și filtrarea aerului, pentru pregătirea, antrenarea și prelucrarea piesei, pentru alimentarea cu curent electric, pentru evacuarea gazelor și particulelor de metal topit care nu se depun pe piesă.

Schema unei instalații de metalizare prin topirea cu arc electric este reprezentată în figura 4.21.

Materialul de adaos se prezintă sub formă de sârmă înfășurată pe două bobine 3, de pe care este derulat de către mecanismul metalizatorului 2, care îl topește și îl pulverizează pe piesa 1. Curentul electric ajunge la metalizator de la rețeaua 4, prin tabloul 5, transformatorul 11 și conductorul 13, iar aerul comprimat de către compresorul 7, antrenat de electromotorul 6, trece în recipientul 8, în separatorul de apă 9 și prin furtunul 12 intră în metalizator. Presiunea aerului se citește la manometrul 10.

Fig. 4.21. Schema instalației de metalizat cu arc electric [22]

La metalizarea cu jet de plasmă este necesar un recipient pentru gazul utilizat (argon, azot etc.), iar la metalizarea cu flacără oxiacetilenică sunt necesare butelii de acetilenă, oxigen și aer comprimat, reductoare de aer, oxigen și acetilenă, debitmetru, generator de acetilenă etc.

În afara acestor utilaje specifice trebuie să se dețină un strung, o instalație de sablat, instalații de ventilație și unele materiale și instalații auxiliare și de control (set de duze pentru arzător, separator de ulei și apă etc.).

4.3.5. Recondiționarea pieselor prin lipire [7]

4.3.5.1. Lipirea pieselor cu aliaje metalice

Lipirea este un procedeu de îmbinare nedemontabilă a pieselor metalice sau nemetalice prin folosirea unui metal sau a unui aliaj de adaos a cărui temperatură de topire este inferioară temperaturilor de topire ale materialelor de bază. În felul acesta prin lipire nu se schimbă compoziția chimică, structura și proprietățile mecanice ale metalelor de bază, iar tensiunile interne sunt neînsemnate. Procedeul este simplu, iar costul operațiilor este redus.

După temperatura se topire a aliajului procedeele de lipire se împart în:

lipire moale, caracterizată prin temperaturi de topire a aliajelor sub 500°C;

lipire tare, caracterizată prin temperaturi de topire a aliajelor peste 500°C.

Lipirea moale se realizează cu aliaje pe bază de staniu – plumb și staniu – plumb – stibiu, simbolizate cu Lp (de la lipire), urmat de un număr care indică conținutul mediu de staniu și literele Sb în cazul când conțin minimum 1% stibiu. Temperatura de topire a aliajelor de staniu – plumb (Lp 20) este cuprinsă între 256…183°C, descrescând cu creșterea conținutului de staniu, iar la aliajele de staniu – plumb – stibiu (Lp 30 Sb) temperatura de topire este cuprinsă între 270…235°C.

Ca fluxuri se folosesc: colofoniu la lipirea cuprului sau alamei, stearina la lipirea aliajelor de plumb, clorură de zinc dizolvată în apă, pentru lipirea oțelului și aliajelor de cupru, acid clorhidric dizolvat în apă, la lipirea zincului.

Încălzirea pieselor pentru lipit se face cu ciocane de lipit (încălzite cu gaz, cu combustibil lichid sau electrice), arzătoare cu gaz, suflaiuri, cuptoare de încălzire, băi cu aliaje de lipire lichide etc.

Lipirea moale a pieselor (tablelor) subțiri se face prin suprapunere sau cu marginile răsfrânte. Părțile ce se îmbină se cositoresc (încărcare cu un strat foarte subțire de aliaj) pe o lățime de 3…4 ori grosimea tablelor, sunt apoi suprapuse și peste ele se trece cu ciocanul de lipit, încălzit la 250…300°C. Marginile tablei sau piesei de lipit trebuie să fie degresate și decapate, iar vârful ciocanului ascuțit cu pila, curățat cu clorură de zinc și după încălzire curățat cu țipirig.

La lipirea pieselor mai groase se folosesc arzătoare cu gaze în locul acetilenei și aer comprimat în locul oxigenului.

Cositorirea pieselor se execută în băi de cositorit, prin frecare sau ultrasunete, după ce în prealabil piesele au fost complet degresate. Cositorirea se face cu Lp 90 sau cositor pur.

Prin lipire moale se condiționează: radiatoarele, rezervoarele de combustibil, rezervoarele și buncărele aparatelor de stropit, flotoarele de la carburatoare, țevile de combustibil, legăturile de la conductorii instalației electrice etc.

Lipirea tare (brazarea) se realizează cu alame (se mai numește și alămire), standardizate în:

Am Si Lp cu 58…62% Cu, 0,2…0,3% Si, restul Zn;

Am Sn Lp cu 59…61% Cu, 0,2…0,3% Si, 0,8…1,2% Sn, restul Zn.

Temperatura de topire a acestor aliaje este mai mare de 500°C. Ca fluxuri pentru lipirea tare se folosesc fluxurile pe bază de borax și acid boric în care se introduc fluoruri și cloruri ale metalelor alcaline și alcalino – pământoase. Pentru lipirea aluminiului fluorurile sunt pe bază de amestecuri de cloruri și fluoruri de potasiu, litiu etc.

Lipirea tare este un procedeu asemănător cu sudarea cu flacără cu gaz. În general lipirea tare se execută spre stânga. Pe tot timpul operației de lipire se presară flux și se introduce vergeaua de lipire încălzită în flux și în acest fel ea este topită de flacără. Pentru lucrările de serie se folosește încălzirea cu inductoare cu curenți de înaltă frecvență sau lipire cu ultrasunete etc.

După lipire fluxurile se îndepărtează cu apă fierbinte.

Prin lipire tare se încarcă piesele uzate din metale feroase și neferoase, piesele executate din metale diferite (aluminiu cu bronz, alamă cu cupru sau alamă cu fontă etc.), lipirea plăcuțelor din aliaje dure de sculele de așchiere etc.

Piesele din oțel cu conținut mic de carbon și din oțel slab aliat se lipesc cu aliaje pe bază de plumb sau staniu, de cupru, de zinc, sau pe bază de argint. Piesele din oțel cu conținut mare de carbon, se lipesc, de obicei, cu aliaje pe bază de cupru, cu zinc și cu aliaje pe bază de argint. Pentru lipirea oțelurilor inoxidabile se folosesc aliaje pe bază de nichel în amestec cu cupru, crom, fier etc., cu temperaturi de topire de 1000…1100°C.

Pentru lipirea aluminiului se folosesc aliajele Al – Si sau Al – Si – Cu (Al 96%, Si 1%, Cu 3%) cu temperatura de topire de 540°C.

La piesele din fontă se aplică, în general, o lipire tare, cu aliaje pe bază de argint și alamă și ca flux boraxul. Piesele din fontă care lucrează la temperaturi înalte se lipesc cu aliaje pe bază de cupru sau nichel.

Piesele din cupru și aliajele sale se lipesc prin ambele procedee și cu toate aliajele de lipit.

Piesele din aluminiu și aliajele sale se lipesc după ce au fost degresate cu benzină ușoară sau în soluție de silicat de sodiu 1,5%, săpun 2% și restul apă. Pentru lipire piesele se încălzesc la 300…400°C, vergeaua de aluminiu se încălzește, se înmoaie în flux și se topește pe cusătură. După lipire piesa se spală cu apă rece pentru îndepărtarea fluxului, evitându-se astfel apariție coroziunii. Fluxurile pentru lipirea aluminiului sunt: fluorură de sodiu 10%, clorură de zinc 8%, clorură de litiu 32%, iar restul clorură de potasiu.

4.3.5.2. Lipirea pieselor cu adezivi sintetici

În ultimii ani în procesul reparării utilajelor tehnologice se aplică pe scară tot mai largă adezivii sintetici la: fixarea pieselor care în timpul exploatării și-au pierdut strângerea inițială (bucșe, manșoane, semicuplaje, rulmenți în carcase și pe arbori etc.); asamblarea garniturilor de fricțiune cu saboții de frână, cu discurile ambreiajelor și cu cele ale cuplajelor de siguranță; etanșarea blocurilor de cilindri, carterelor și rezervoarelor care prezintă fisuri, crăpături, pori.

Extinderea rapidă a utilizării adezivilor sintetici în procesele tehnologice de fabricație și reparații se datorează următoarelor avantaje: eliminarea tensiunilor și modificărilor de structură care apar la îmbinările sudate; economisirea materialelor de adaos (electrozi) și a elementelor de asamblare (nituri, șuruburi etc.); uniformizarea tensiunilor pe întreaga secțiune de asamblare; manoperă mult mai redusă decât la alte procedee de îmbinare; protejarea îmbinării contra coroziunii, deoarece toți adezivii sunt substanțe izolatoare; calificarea personalului este mai puțin pretențioasă; materialele folosite sunt ieftine și se consumă în cantități reduse.

Dezavantajele utilizării adezivilor sintetici se referă la: păstrarea rășinilor sintetice și a celorlalți componenți pe baza cărora se prepară adezivii, cât și a adezivilor gata pregătiți, trebuie să se facă în încăperi speciale, în anumite condiții de temperatură și umiditate; aplicarea adezivului pregătit trebuie să se facă într-o perioadă bine determinată, în caz contrar acesta se degradează; duritatea adezivilor este scăzută în raport cu sudarea, la fel ca și alte caracteristici mecanice.

Pentru recondiționarea pieselor cu adezivi sintetici este necesară o balanță cu precizie de 0,001 g și un cuptor electric prevăzut cu termoregulator, în care să se poată obține temperaturi între 20… 350°C. Pentru pregătirea adezivului se folosesc vase din porțelan sau sticlă și lanțete pentru amestecarea componentelor acestuia. Aplicarea adezivului pe piesele de recondiționat se face cu pensula sau cu șpaclul.

Ca adezivi pentru fixarea, asamblarea și etanșarea pieselor se folosesc diverse rășini sintetice, cele mai întrebuințate fiind rășinile epoxidice și poliesterice.

Adezivii pentru asamblarea pieselor pot fi cu întărire la rece și cu întărire la cald. Adezivii din producția indigenă sunt în mare majoritate cu întărire la rece (Epodur – A, Dinox 040, Anticorosiv – Clondion), iar adezivii Dinox 110 T și Coprolactamă sunt cu întărire la cald.

Epodur A și Dinox 040 se pregătesc în momentul utilizării, folosindu-se în diferite proporții rășina epoxidică propriu-zisă, plastifiantul și elementele de întărire.

Rășina Dinox 040 se prezintă în stare de lichid vâscos, de culoare brună și se dizolvă în cetone, alcooli superiori și hidrocarburi aromatice clorurate. Dacă înainte de preparare rășina a devenit de culoare opacă se va folosi numai după o încălzire prealabilă la circa 130°C, când trebuie să devină limpede.

Plastifiantul folosit este dibutilftalatul care se prezintă ca un lichid uleios de culoare alb – gălbuie, având densitatea de 1,045 g/cm3 și punctul de fierbere de 212…215°C. Prin adăugarea plastifiantului rășina devine mai vâscoasă și mai plastică.

Al treilea component al adezivului este întăritorul, folosindu-se în acest scop etilendiamina, care este un lichid gălbui, cu miros înțepător de amoniac. Întărirea adezivului se face la temperatura mediului ambiant, după ce în prealabil a fost amestecat până la omogenizare cu întăritorul și plastifiantul respectiv.

Rășina Dinox 110 T cu întărire la cald se prezintă ca o masă solidă galben – brună, cu punctul de înmuiere la 50…52°C. Ca întăritor se folosește anhidridă ftolică, iar întărirea are loc la 125…150°C, când amestecul devine insolubil și infuzibil.

Pe baza rășinii Dinox 040 s-au realizat diferite tipuri de adezivi: AM 1, AM 2, AM 3 etc.

În procesul de lipire cu adezivi se utilizează și materiale de umplutură: pulberi de oțel, fontă, aluminiu, porțelan etc., cu mărimea particulelor de 0,05…0,5 mm. Pe lângă reducerea consumului de rășină, care atrage după sine costuri mai scăzute ale recondiționării, materialele de umplutură mai au rolul de a îmbunătăți caracteristicile mecanice ale adezivului aplicat și de a apropia dilatația termică liniară a adezivului de cea a materialului de bază, în care scop pulberea folosită va fi din materialul piesei de recondiționat.

Procesul tehnologic de recondiționare a diferitelor piese cu ajutorul adezivilor sintetici cuprinde operații pregătitoare, lipirea propriu-zisă și operații de finisare finală.

Operațiunile pregătitoare se referă pe de o parte la piesele supuse recondiționării, iar pe de altă parte la pregătirea adezivului în vederea aplicării lui. Pregătirea pieselor constă în curățarea suprafețelor pe care se aplică adezivul, în scopul asigurării unei bune aderențe a acestuia la materialul de bază. Prin curățare se urmărește îndepărtarea oxizilor, grăsimilor și obținerea unei suprafețe rugoase. În funcție de mărimea și forma suprafețelor, curățarea se poate face prin sablare cu nisip sau alice metalice, prin răzuire, pilire etc. Tot ca operații pregătitoare se mai pot adăuga: restabilirea formei geometrice a pieselor; pregătirea marginilor fisurilor și crăpăturilor; executarea armăturilor etc.

Pregătirea adezivului (în cantități necesare, nu mai mult) constă din operații de cântărire a componenților și amestecare a acestora într-o anumită ordine indicată de furnizor.

Aplicarea adezivului de face de la caz la caz, în funcție de scopul urmărit. În stratul de adeziv să nu fie bule de aer, iar dacă sunt necesare mai multe straturi de adeziv, acestea se vor aplica după ce stratul anterior s-a întărit puțin, încât la atingerea cu degetul să nu se mai prezinte aderență.

În timpul îmbinării suprafețelor unse cu adeziv se urmărește cu atenție respectarea poziției reciproce dintre piesele care se asamblează. După aplicarea adezivului piesele trebuie menținute în condițiile prescrise, pentru a asigura întărirea îmbinării. O altă condiție este ca suprafețele asamblate sau cele cu defecte remediate pe această cale să fie menținute în poziția orizontală, aceasta pentru a preveni scurgerea adezivului dintre suprafețele de îmbinat sau spațiile în care a fost introdus pentru etanșare.

După întărirea adezivului, piesele recondiționate se curăță de adezivul aflat în exces, după care se face controlul îmbinării. Controlul se face mai întâi vizual, urmărindu-se ca îmbinarea să prezinte aspect plăcut, stratul de adeziv să fie compact, fără pori sau fisuri. Piesele cărora li se impun condiții de etanșeitate se supun la probe hidraulice, la o presiune de 1,5…2 ori mai mare decât presiunea de exploatare. Carcasele și carterele reductoarelor se verifică în ceea ce privește etanșeitatea, cu petrol sau cu benzină.

4.3.6. Recondiționarea pieselor prin acoperire cu materiale plastice [42]

În construcția de mașini agricole materialele plastice se utilizează ca înlocuitori ai metalelor la fabricarea unor piese sau pentru recondiționarea altor piese ajunse la limita de uzură. Piesele din materiale plastice, se prezintă într-o gamă foarte diferită: conducte, bucșe, discuri pentru distribuirea semințelor la semănători, lagăre, roți dințate etc. Aceste piese se confecționează prin matrițare și se prelucrează cu ușurință prin strunjire, frezare și se pot suda (cu gaze fierbinți, prin frecare etc.).

Recondiționarea pieselor metalice cu materiale plastice se poate face prin metoda compensatorilor sau prin încărcare. În cazul în care se presează o bucșă din material plastic, grosimea acesteia trebuie să fie de minimum 1,5 mm, iar pentru prevenirea deplasării se asigură cu două știfturi.

Acoperirea pieselor uzate cu material plastic se poate face prin metode ca: imersionarea în strat fluidizat, acoperirea prin pulverizare, acoperirea electrostatică etc.

Procedeul de acoperire a pieselor uzate prin imersionare în material plastic în strat fluidizat se aplică la recondiționarea unor piese ca: bucșe, cuzineți, lagăre, carcase, fusuri de arbori, ghidaje etc. și constă în introducerea piesei de recondiționat în stare încălzită într-un mediu în care particulele de material plastic sunt turbionate de curenți de aer comprimat. Stratul de particule aflate în suspensie datorită curenților de aer comprimat, poartă denumirea de strat fluidizat. Particulele din stratul fluidizat aflate în mișcare vin în contact cu pereții piesei încălzite, se topesc și aderă la aceștia, iar prin fuziune cu alte particule formează stratul de material plastic.

Încărcarea pieselor cu material plastic prin procedeul în strat fluidizat se execută cu ajutorul unei instalații reprezentată în figura 4.22.

Instalația constă dintr-un rezervor cilindric 3, confecționat din tablă de oțel, prevăzut la partea inferioară cu o placă poroasă 2 sau cu o sită metalică cu dimensiunea ochiurilor de 0,02 mm. Sub placa poroasă se află o cameră etanșă 1, care este racordată prin intermediul unui furtun la un reductor de presiune 5 și la o butelie 4 cu azot sau un alt gaz inert. Camera de sub rezervor mai este prevăzută cu o supapă de siguranță și un manometru 10. La partea superioară, rezervorul are ferestre mici, dispuse pe toată circumferința, care comunică cu o carcasă 7 și o conductă de aspirație 9. Închiderea rezervorului se face cu un capac aflat la partea superioară a carcasei. În interiorul rezervorului se găsește materialul plastic în suspensie 6, în care se introduce piesa de acoperit 8.

Materialele plastice care se folosesc pentru acoperirea pieselor trebuie să fie pulverulente și să aibă un punct de topire bine definit. În acest scop se întrebuințează următoarele materiale: poliamidele, poliformaldehidele, poliacetolii și altele. Pentru mărirea rezistenței la uzură materialele se amestecă cu bisulfură de molibden (MoS2) sau cu grafit în proporție de 2…3%, iar pentru mărirea aderenței cu piesa de bază se amestecă cu praf de aluminiu și oxid de crom.

Fig. 4.22. Instalație pentru acoperirea pieselor cu material plastic

prin metoda în strat fluidizat

Pentru a se asigura formarea stratului fluidizat, materialele plastice pulverulente trebuie să aibă mărimea particulelor de 0,1…0,3 mm. De asemenea, umiditatea acestora nu trebuie să fie mai mare de 0,2%.

Procesul tehnologic de acoperire a pieselor uzate cu material plastic cuprinde următoarele operațiuni: pregătirea pieselor; încălzirea pieselor; acoperirea pieselor cu material plastic, tratamentul termic și prelucrarea mecanică a stratului de acoperire.

Piesele care se acoperă cu materiale plastice trebuie să fie bine curățate de grafit, oxizi, grăsimi. O bună aderență a stratului de material plastic la metalul de bază se obține prin fosfatarea suprafețelor piesei de acoperit.

Suprafețele pieselor care nu se acoperă cu material plastic se izolează cu foiță de staniol sau cu azbest, apoi se curăță de eventualele grăsimi cu ajutorul unor solvenți (benzen, acetonă etc.).

Înainte de a fi introdus în stratul fluidizat, piesele uzate se încălzesc într-un cuptor electric, prevăzut cu termoregulator. Limitele de temperatură pentru încălzirea pieselor sun determinate de punctul de topire al materialului plastic folosit și de temperatura la care el începe să se descompună. În general temperatura de încălzire este cu 20…40°C mai ridicată decât temperatura de topire a masei plastice. Pentru acoperirea cu relon piesele se încălzesc la temperatura de 250…280°C.

Acoperirea pieselor cu material plastic se realizează prin introducerea lor, în stare încălzită, în stratul fluidizat, unde datorită contactului cu particulele, acestea se topesc formând un strat continuu și aderent la suprafața piesei. Durata de menținere a pieselor în stratul fluidizat este foarte scurtă (25…50 s). Stratul de polimer depus poate avea o grosime cuprinsă între 0,2…1,5 mm, aderă bine la piesa de bază, suportă sarcini mai mari decât piesa executată în întregime din material plastic, iar rezistența la uzură este de 2…3 ori mai mare decât a piesei executată din metal neacoperit.

După acoperirea cu material plastic piesele se curăță de izolația din staniol, se supun unui tratament termic constând din menținerea lor timp de 15…60 minute într-o baie cu ulei încălzit la temperatura de 140…160°C, apoi se răcesc lent și se supun prelucrării mecanice pentru obținerea dimensiunilor necesare și a unei rugozități minime. Prelucrarea mecanică se face prin strunjire cu avans mic, folosindu-se scule bine ascuțite, iar piesa să primească turația maximă.

Încărcarea prin pulverizare se face în mod asemănător ca la metalizare. Praful de polimer este adus în stare semilichidă cu ajutorul unui jet de gaz fierbinte, care îl pulverizează pe suprafața piesei încălzite unde se topește și se depune în mod uniform.

Procedeul se utilizează mai puțin pentru obținerea de straturi antifricțiune și mai mult pentru protecție sau izolare termică și electrică.

4.3.7. Recondiționarea pieselor prin depuneri galvanice

4.3.7.1. Noțiuni de bază privind acoperirile galvanice [17]

Depunerile galvanice sau electrolitice se bazează pe legile electrolizei, adică pe trecerea unui curent continuu prin băi electrolitice, în care are loc deplasarea ionilor între catod și anod; ionii încărcați pozitiv se deplasează către catod, iar ionii încărcați negativ se deplasează spre anod. Contactul ionilor cu electrozii este însoțit de descărcări electrice, care fac ca ionii să-și piardă sarcinile electrice și să se depună sub formă de atomi neutri.

Piesele care urmează a fi acoperite formează catodul, iar anodul este format, fie din metalele ce urmează a fi depuse pe piese (pe catod), fie că este insolubil, fiind format din plăci de plumb, cum este cazul cromării.

Legile de bază cărora se supun depunerile galvanice sunt cele ale lui Faraday, care se prezintă în continuare.

Cantitatea de substanță depusă este direct proporțională cu intensitatea curentului electric ce trece prin electrolit și durata acționării lui:

(4.47)

în care: G este cantitatea de substanță care se depune pe electrod, în g; e – echivalentul electrochimic al substanței, în g/Ah; I – intensitatea curentului electric, în A; t – durata acționării curentului, în h.

La trecerea aceleiași cantități de electricitate prin soluții de diferiți electroliți, cantitățile din fiecare substanță, expuse la transformări, sunt proporționale cu echivalenții lor chimici. În acest caz, pentru separarea unui echivalent gram de orice substanță este necesar să se treacă o cantitate de curent de 26,8 Ah sau 96494 Coulombi (constanta lui Faraday). Dacă se împarte masa echivalent a oricărui metal la 26,8, atunci se obține cantitatea în grame din metalul respectiv, care se separă la catod sau se dizolvă la anod, la trecerea prin electrolit a unui Ah, adică:

(4.48)

în care: e este echivalentul electrochimic al substanței; Ga – masa atomică a substanței; N – valența metalului; F – numărul lui Faraday (F = 26,8); me – masa echivalent a metalului respectiv (me = Ga/N).

Câteva date de bază ale elementelor de depunere se prezintă în tabelul 4.7.

Tabelul 4.7

Caracteristicile electrolitice ale unor materiale

De regulă, la catod au loc două sau câteva procese electrochimice. În cazul depunerilor de Cr, Fe, Ni, Sn, Zn, Cd și Co se degajă și hidrogen, care, în cele mai multe cazuri, înrăutățește calitatea depunerii. Stratul depus devine fragil și crește durata depunerii, o parte din curentul electric fiind consumat cu degajarea hidrogenului. Astfel, masa reală de metal depus va fi:

, (4.49)

în care η este coeficientul de utilizare a curentului electric pentru descompunerea metalului respectiv. În tabelul 4.8 se dau valorile orientative ale coeficientului de utilizare a curentului electric pentru câteva metale.

Tabelul 4.8

Coeficienții de utilizare a curentului electric (randamentul depunerii)

Ținând seama că masa metalului depus, exprimată prin formula (4.49) reprezintă produsul dintre volum și densitate:

(4.50)

în care: S este suprafața de acoperit; h – grosimea stratului depus; ρ – densitatea, rezultă:

(4.51)

în care Dc este densitatea curentului de trecere, în A/dm2.

Din relația (4.51) rezultă și durata depunerii, în ore:

(4.52)

Procesul de depunere electrolitică cuprinde două faze: apariția centrelor de cristalizare (a germenilor de cristalizare) și creșterea acestor centre (cristale). În cazul în care viteza de formare a noilor germeni de cristale este mai mare decât viteza de creștere a cristalelor în centrele deja apărute, se formează depuneri cu o structură mai fină.

O concentrație mai scăzută în ioni a electrolitului favorizează creșterea vitezei de apariție a noilor centre de cristalizare, ceea ce conduce la o structură mai fină. În același sens acționează adaosurile de acizi și săruri în electroliți.

Creșterea densității curentului dă o depunere mai fină, însă peste o anumită limită accelerează depunerea stratului din metal la catod și apar depuneri afânate, sfărâmicioase.

Creșterea temperaturii electrolitului accelerează depunerea, însă duce la o structură cu cristale mari. Amestecarea electrolitului mărește viteza difuziei ionilor și asigură depuneri de calitate, chiar în condițiile creșterii densității de curent și micșorării soluției.

Depunerile sunt influențate și de poziția relativă a catodului și anodului. Dispunerea catodului la baza sau la partea superioară a băii, înrăutățește calitatea depunerii. Utilizarea unui anod suplimentar (sau mai multora) de aceeași formă asigură o distanță mai uniformă și o depunere mai bună.

De multe ori anozii au forma negativă a catozilor, pentru a obține uniformitatea depunerii.

La recondiționarea pieselor prin depuneri galvanice se utilizează mai frecvent cromarea, fierarea, cuprarea, nichelarea și zincarea.

4.3.7.2. Recondiționarea pieselor prin cromare

La reparații, cromarea se utilizează fie pentru refacerea suprafețelor uzate, fie pentru acoperirea decorativă sau anticorosivă.

Prin cromare se pot recondiționa numeroase piese uzate ca: bolțurile de piston, elemenții pompei de injecție, tijele supapelor, tacheții, arborii de ventilator, crucile sateliților, pivoții, uneori fusurile arborilor cotiți și arborilor cu came etc., care necesită depuneri în straturi de până la maximum 0,3…0,35 mm pe rază.

Cromarea anticorosivă și decorativă se aplică la elemente ale tablourilor de bord, mânerelor de uși, măști de radiatoare, bare de protecție de la autoturisme etc.

Depunerile de crom sunt foarte dure (700…800 HB), rezistente la uzură și cu bune proprietăți anticorosive în condițiile temperaturilor ridicate și ale acțiunii acizilor și compușilor sulfului. Aceste proprietăți fac posibilă aplicarea cromării și la cămăși de cilindri și segmenți. De asemenea, cromul se poate depune pe piese tratate sau netratate termic, fără a se modifica structura materialelor de bază.

Cromarea are și unele dezavantaje, dintre care, cele mai importante se referă la: pot fi recondiționate numai piese cu uzuri reduse, deoarece depunerile mai groase de 0,2…0,25 mm durează mult și sunt mai puțin rezistente la uzură; procesul de cromare are randament scăzut (12…18%) și costă relativ mult, este complex necesitând operații pregătitoare, instalații și utilaje speciale. Depunerile galvanice de crom se caracterizează prin uniformitate redusă și necesități de densități mari de curent.

Deoarece anozii din crom se dizolvă ușor, mărind excesiv concentrația electrolitului, la cromare se folosesc anozi insolubili, din 90…95% Pb și 10…5% Sb, care au și rezistență la coroziune. Depunerea cromului pe catod are loc prin reducerea concentrației de crom din electrolit, care se restabilește periodic cu anhidră cromică (CrO3). Pentru obținerea unor depuneri uniforme, anozilor li se dă forma corespunzătoare piesei care se cromează, astfel ca distanța dintre anod și diferitele porțiuni ale piesei să fie aceeași.

Electrolitul folosit la cromare este o soluție de anhidridă cromică și acid sulfuric în apă. Concentrația electrolitului se alege după proprietățile și uniformitatea depunerilor, după viteza de cromare, economicitatea băii etc.

În scopul obținerii unei uniformități optime a depunerilor, trebuie să se mențină electrolitul într-un raport de greutate de 100:1, între anhidrida cromică (CrO3) și acidul sulfuric (H2SO4). Dacă raportul este mai mare, adică se reduce conținutul de H2SO4, se mărește randamentul de curent și se îmbunătățește gradul de uniformitate al depunerii, dar se înrăutățește calitatea depunerii. La un raport mai mic, deci un conținut mai mare de H2SO4, scade atât gradul de uniformitate al depunerii, cât și randamentul de curent.

Baia de electrolit poate fi diluată, universală sau concentrată (tab. 4.9). Baia diluată consumă mai puțină anhidridă cromică, are o repartiție mai uniformă a curentului pe suprafața piesei, este mai puțin agresivă față de izolația băii, dă un randament mai bun, necesită o tensiune mai ridicată și corectarea mai frecventă a electrolitului. Depunerile au cea mai mare duritate și rezistență la uzură.

Tabelul 4.9

Parametrii băilor electrolitice la cromare

Baia universală are cea mai frecventă utilizare, ocupând o poziție intermediară. Baia concentrată dă cea mai mică dispersie și se aplică mai puțin la recondiționări și mai mult la piese în relief și depuneri decorative.

Alegerea compoziției băii se face în funcție de: capacitatea electrolitului de a depune stratul uniform; viteza de cromare care este dependentă de randamentul de curent; însușirile fizico-mecanice ale depunerilor; economicitatea procesului etc.

Electrolitul format din H2SO4 și apă își menține practic constantă concentrația în ioni SO-4, dacă în baie se introduc în proporții mici CrSO4 și K2SiF6.

Aspectul stratului depus și implicit calitatea depunerii sunt influențate de raportul dintre densitatea de curent, temperatura la care se desfășoară procesul și concentrația băii.

Se obțin următoarele tipuri de depuneri (fig. 4.23): lăptoase, lucioase, cenușii (mate) și tranzitorii.

Fig. 4.23. Zonele depunerilor de crom în funcție de densitatea curentului și temperatura electrolitului, pentru diferite concentrații [7]

Depunerile lăptoase de crom au duritate mai mică (500…600 HB), dar sunt tenace și cu rezistență ridicată la coroziune, se utilizează la piese care lucrează la presiuni mari și sarcini alternative. Se obțin la temperaturi de peste 65°C.

Depunerile lucioase sunt mai dure (600…900 HB) dar și mai fragile, au tensiuni interne și se utilizează la îmbinări nedemontabile solicitate la presiuni de până la 0,5 MPa. Se obțin la temperaturi de 45…65°C.

Depunerile cenușii sau mate dau straturi foarte fragile de duritate ridicată (900…1200 HB). Fragilitatea depunerii face să scadă rezistența la uzură și gradul de aplicabilitate în reparații.

Cromarea rece utilizează electroliți neîncălziți, ceea ce prezintă simplificări în construcția instalațiilor și avantaje pentru recondiționări. Se obțin depuneri fără tensiuni interne și cu porozități mici și duritate mică (450…600 HB).

Regimurile de cromare în funcție de condițiile de lucru ale unor piese sunt precizate în tabelul 4.10, iar durata cromării se poate determina cu datele din tabelul 4.11.

Cromarea poroasă se aplică, în special pieselor care lucrează în condiții de frecare cu presiuni specifice mari și în unele cazuri chiar la temperaturi ridicate (segmenții de piston). Cromul poros prezintă avantaje față de cromul neted deoarece prin reținerea lubrifiantului pe suprafața piesei, se mărește rezistența la uzură și se protejează suprafața împotriva frecării uscate și semiuscate.

Procesul tehnologic de cromare poroasă este similar cu cel pentru cromarea netedă, cu deosebirea că se efectuează în plus atacarea anodică în aceeași baie, prin inversarea curentului. Aspectul suprafeței cromate poros se poate prezenta cu canale sau porozități, în funcție de regimul de lucru. Timpul de atacare este de 4…10 minute, după natura piesei respective.

Tabelul 4.10

Regimurile de cromare în funcție de condițiile de lucru ale unor piese

Tabelul 4.11

Grosimea stratului de crom depus într-o oră în funcție de Dc și η

Cromarea diferențiată este utilizată atunci când grosimea stratului de crom să difere la aceeași piesă, de la o zonă la alta (de exemplu, la elemenții pompei de injecție, care se uzează neuniform). Se obține prin variația distanței dintre anod și piesă, cu ajutorul anozilor în trepte.

Cromarea de precizie se aplică la recondiționarea uzurilor locale ale pieselor de dimensiuni mici, în special la instrumente de control, depunându-se straturi subțiri (h = 0,05…0,10 mm) de crom în băi diluate, cu un regim de lucru specific.

4.3.7.3. Recondiționarea pieselor prin fierare (oțelire)

Fierul depus electrolitic are duritate și rezistență apropiate de cele ale oțelului cu conținut mediu de carbon, necălit și de aceea acest procedeu se mai numește și oțelire. Acoperirea electrochimică cu fier se poate utiliza, în funcție de rezistența la uzură pe care trebuie să o posede piesele recondiționate în următoarele variante: fără tratament termic ulterior; cu tratament termic (cianurare sau cementare, călire și revenire) după fierare; cu cromarea ulterioară a stratului. În ultima variantă fierarea și cromarea se aplică pentru recondiționarea pieselor cu uzuri mari, care necesită straturi groase și duritate mare.

Prin fierare se obțin straturi groase de 0,5…5 mm, cu o viteză de 0,30…0,36 mm/h și cu un randament de curent de 80…90%, iar prin cromarea ulterioară, la care viteza de depunere este redusă (0,015…0,030 mm/h) se asigură pieselor o mare rezistență la uzură. Printr-o pregătire corespunzătoare se poate obține o aderență bună a stratului de fier electrolitic la metalul de bază, fără a dăuna structurii și tratamentului termic al acestuia, deoarece electroliza se desfășoară la maximum 100°C.

Pentru a realiza straturi groase, cu proprietăți fizico-mecanice superioare, se utilizează în special electroliți „calzi” (95…100°C) cum sunt cei pe bază de clorură feroasă (FeCl·4H2O), care permit o viteză mare de depunere, densități mari de curent (15…20 A/dm2) și depuneri de calitate superioară. Se mai utilizează și electroliți pe bază de sulfat feros (FeSO4·7H2O), ambii în acid clorhidric și apă.

În procesul fierării piesa de recondiționat formează catodul iar anodul poate fi solubil (o placă din fier sau oțel cu conținut redus de carbon) sau insolubil dacă se utilizează platină sau cărbune.

În cazul anodului solubil, compoziția electrolitului rămâne aproape constantă, în timp ce la utilizarea anodului insolubil este necesară completarea periodică a băii cu sarea de fier respectivă, pentru compensarea depunerii de fier pe catod,

În procesul electrolizei, împreună cu ionii de fier se depun pe catod și ioni de hidrogen care dau stratului depus fragilitate și o tendință de fisurare și desprindere. Cantitatea de hidrogen în electrolit caracterizează aciditatea acestuia.

Proprietățile mecanice ale stratului depus prin fierare depind de concentrația clorurii feroase, temperatura băii, aciditatea electrolitului și densitatea de curent. Duritatea stratului crește la valori reduse ale concentrației clorurii feroase, temperaturii și acidității și la valori ridicate ale densității de curent. În același timp însă, crește fragilitatea stratului din cauza degajării unei cantități mari de hidrogen.

S-a observat că proporția de hidrogen este mai mare în primele straturi, iar pentru evitarea apariției tensiunilor și fragilizarea stratului depus, trebuie ca la începutul procesului să se lucreze cu densitate de curent mai redusă decât în restul procesului.

Fragilitatea stratului depus se remediază prin încălzirea pieselor la 200…350°C timp de 30 minute, ceea ce provoacă și creșterea durității cu circa 70%. Dacă este necesar se face și un tratament de recoacere (peste 800°C), ceea ce face să dispară aproape în totalitate limita dintre stratul depus și materialul de bază și apoi o cementare prin care se mărește considerabil duritatea.

Fierarea se realizează în băi confecționate din oțel, fontă sau dintr-o masă plastică. Băile din fontă sau oțel se căptușesc la interior cu materiale rezistente la acizi, iar la exterior cu foi din azbest și garnituri din pâslă împotriva pierderilor de căldură.

Curățirea electrolitului de impurități se poate realiza periodic prin decantarea lui într-un rezervor special sau prin filtrare continuă. Petru încălzire și menținere la temperatură constantă, băile sunt prevăzute cu o manta umplută cu ulei și cu un încălzitor electric plasat într-o țeavă de cuarț. De asemenea băile trebuie prevăzute cu instalații pentru captarea emanațiilor vătămătoare ale electrolitului.

4.3.7.4. Recondiționarea pieselor prin cuprare, nichelare, zincare

Cuprarea se utilizează pentru recondiționarea pieselor din bronz, pentru protejarea contra coroziunii sau ca strat intermediar între oțel și alte acoperiri (nichel, crom) pentru aderarea mai bună a acestora la metalul de bază. De asemenea, cuprarea se mai folosește pentru protejarea unor suprafețe de pe piese care se cementează.

Grosimea stratului de cupru ce se depune este de 0,025…3,0 mm. Anodul este format în toate cazurile dintr-o placă de cupru electrolitic, iar electrolitul cel mai utilizat este pe bază de sulfat de cupru cu următoarea compoziție: sulfat de cupru 200 g/l apă și acid sulfuric 50 g/l apă.

Regimul de lucru se caracterizează prin temperaturi de 25…50°C, densitatea curentului de 1…7 A/dm2 și tensiunea de 1…4 V, viteza de depunere fiind de 0,01…0,015 mm/h.

Pentru a face aderență pe materiale plastice, suprafața acestora se acoperă cu un strat de vopsea cu pulbere de argint, cupru sau grafit aplicat prin pensulare, imersie sau pulverizare.

Nichelarea se aplică în special în scopuri decorative și de protecție. Se poate depune nichelul pe cale galvanică pe oțel, cupru și aliaje de cupru. În cazul aluminiului și staniului sunt necesare tehnologii speciale cu straturi intermediare. În unele situații nichelarea se folosește și pentru creșterea rezistenței la uzură a unor piese ca: segmenții de piston, pistoanele unor cilindri hidraulici etc. Stratul de nichel este rezistent la coroziune și destul de dur (≈ 550 HB).

În general pentru protecția anticorosivă se depune mai întâi pe suprafața piesei un strat de cupru, urmat de un strat de nichel, peste care se depune stratul de crom.

Anozii pentru nichelare sunt solubili, executați din nichel.

Electroliții pot fi de mai multe tipuri, dar mai frecvent se utilizează electrolitul cu următoarea rețetă: 420 g sulfat de nichel, 120….160 g sulfat de sodiu, 25 g clorură de nichel, 45 g acid boric, 2,5 g fluorură de sodiu, la un litru de apă și densitatea de curent 3…5 A/dm2.

Zincarea se rezumă la depuneri anticorosive, cu deosebire la piesele de fixare.

4.3.7.5. Procesul tehnologic de depunere galvanică

Procesul tehnologic de depunere galvanică a diverselor metale cuprinde operații de pregătire a suprafețelor, de depunere propriu-zisă și operații ulterioare depunerii.

Pregătirea pieselor este importantă pentru aderența stratului depus și pentru uniformitatea depunerii. În cadrul acestei etape se face prelucrarea mecanică la forma geometrică corectă, izolarea suprafețelor pe care nu este necesară depunerea, montarea pieselor în dispozitive, degresarea și înlăturarea tuturor impurităților, grăsimilor sau oxizilor și decaparea anodică sau chimică.

Prelucrarea mecanică se execută pentru îndepărtarea urmelor de uzură, pentru asigurarea unei forme geometrice corecte și a unei rugozități corespunzătoare. În funcție de tratamentul termic și duritatea suprafețelor, acestea pot fi prelucrate prin strunjire sau rectificare, urmate de un procedeu de finisare (lustruire).

Muchiile se teșesc sau rotunjesc, ceea ce este deosebit de important când depunerile sunt de grosimi mai mari. Suprafețele prelucrate nu trebuie să aibă fisuri, arsuri sau incluziuni nemetalice.

Izolarea porțiunilor piesei pe care nu este necesară depunerea, sau a conductorilor de curent până la piesă, se realizează cu celuloid dizolvat în acetonă, prin depuneri de clorvinil cu rășini epoxidice, cleiuri pe bază de cauciuc etc.

Montarea pieselor în dispozitive de suspendare în băi se realizează înainte sau după degresarea acestora. Dispozitivele de fixare a pieselor trebuie să prezinte siguranță în exploatare și o suficientă secțiune a porțiunii de conducere a curentului electric de la bara electrod. Piesele se montează pe un suport (fig. 4.24) în vederea menținerii unor distanțe uniforme între ele față de anozi și pentru suspendarea lor ușoară în baie.

În figura 4.24 notațiile au următoarele semnificații: 1 – disc anodic; 2 – disc catodic; 3 – conductor suport; 4 – anod; 5 – catod (piesa); 6 – dorn extensibil; 7 – tub izolator; 8 – dop izolator; 9 – cârlig de suspendare.

Fig. 4.24. Dispozitiv pentru cromarea bolțului de piston [9]

Degresarea, curățarea piesei de oxizi și alte impurități se face în mai multe etape: degresarea chimică, spălare cu soluții bazice, degresarea electrochimică. La degresarea electrolitică piesele se așează la catod, iar anodul este format din plăci de oțel. După degresare piesele se spală cu apă fierbinte.

Decaparea anodică se face cu scopul îndepărtării straturilor subțiri de oxizi care se pot forma în perioada scurtă de contact a piesei cu aerul, punerii în evidență a structurii cristaline și creșterii gradului de activitate a acesteia și protejării suprafeței de acoperit cu o peliculă pasivă la acțiunea electrolitului, înainte de a începe electroliza. Această operație poate lipsi în cazul în care depunerea electrolitică se realizează imediat după degresarea și curățarea piesei.

Decaparea anodică se realizează chiar în baia de cromare prin suspendarea pieselor la anod și folosind un electrolit din H2SO4 și H3PO4 sau o soluție de 30% H2SO4, la 20°C, timp de 2…5 minute cu Dc = 20…60 A/dm2.

Depunerea propriu-zisă trebuie să aibă loc imediat după atacarea anodică. În cazul cromării, în primele 2…3 minute, densitatea curentului este de circa două ori mai mare pentru a da un șoc și a depune cromul și în adânciturile existente pe suprafața piesei. Treptat se revine la densitatea de regim și se mențin constanți toți parametrii de lucru până la terminarea depunerii. Variația temperaturii este permisă numai în limita de 1…2°C, iar întreruperea curentului și repetarea depunerii produce exfolieri.

În cazul depunerii de fier se începe cu o densitate mai mică de curent. La depuneri de peste 1,5 mm se repetă ciclul de lucru cu toate operațiile pregătitoare. Dispunerea piesei în baie se face cu cel puțin 5…10 cm sub nivelul electrolitului și nu mai aproape de 20 cm de partea inferioară a băii.

Operațiile ulterioare depunerii se referă la:

spălarea pieselor în apă distilată pentru colectarea electrolitului, urmată de spălarea în apă rece și apă fierbinte. Depunerile de fier se neutralizează în soluții bazice;

îndepărtarea izolației de pe unele suprafețe și controlul depunerii (exfolieri, sulfuri, neuniformități, locuri neîncărcate etc.);

aplicarea, dacă este cazul, a tratamentului termic în băi de ulei. Temperatura de încălzire este de 150…200°C în cazul depunerilor de crom și de 200…300°C în cazul depunerilor de fier;

prelucrarea mecanică la dimensiunile nominale ale pieselor prin strunjire sau rectificare, în funcție de duritatea depunerii i grosimea stratului depus. Adaosul de prelucrare la strunjire este de 0,30 mm, iar la rectificare de 0,10…0,15 mm. De multe ori, piesele cu depuneri de crom sau fier se honuiesc sau lepuiesc după rectificare.

Se face o spălare cu petrol și suflare cu aer comprimat pe toate suprafețele piesei;

controlul tehnic de calitate, se referă la precizia dimensională, de formă și de poziție, precum și la calitatea stratului depus. Se verifică aspectul prin comparare cu un etalon, aderența și rezistența la coroziune, cu scule și după metodici standardizate.

4.3.8. Recondiționarea pieselor prin deformări plastice [6]

4.3.8.1. Noțiuni de bază privind recondiționările prin deformare plastică

Recondiționarea pieselor prin deformări plastice se bazează pe utilizarea rezervei de material a piesei și pe proprietățile de deformare plastică ale acestuia. Ea se realizează ca operație propriu-zisă de recondiționare (îndoire, îndreptare, ecruisare etc.) sau ca operație premergătoare alteia (de obicei după deformările plastice urmează prelucrări prin așchiere).

Prin deformare plastică se modifică forma materialului prin aplicarea unei forțe exterioare, în urma căreia se obține o altă repartiție a volumului necesar la prelucrarea prin așchiere.

Prin elasticitate sau capacitate de deformare elastică se înțelege proprietatea pe care o au metalele ca sub acțiunea unei forțe (relativ mici) să se poată deforma, însă după îndepărtarea forței să revină la starea inițială.

La solicitarea de tracțiune, între forța F, în N și alungirea elastică Δl, în mm este valabilă relația:

(4.53)

în care: l este lungimea inițială a piesei; S – secțiunea acesteia; E – modulul de elasticitate al materialului.

Deformarea este plastică atunci când, după încetarea acțiunii forței, deformarea persistă, adică piesa prezintă deformații remanente.

Deformarea plastică a materialului este caracterizată prin doi indici de bază: gradul de plasticitate și rezistența la deformare plastică. Acești indici depind de natura materialului, de structura lui și de condițiile deformării. Prin încălzire crește gradul de plasticitate al materialului și scade rezistența sa la deformare. Gradul deformării plastice este influențat și de mărimea și sensul tensiunilor interne. Tensiunile de compresiune măresc deformarea plastică a metalului.

Schimbarea dimensională la deformarea plastică se exprimă prin gradul de deformare cu expresia:

(4.54)

în care: So este secțiunea inițială; Su – secțiunea finală.

Forțele nu acționează uniform asupra materialului supus deformațiilor plastice și ca urmare, straturile exterioare se deformează mai mult decât cele interioare.

Deformarea plastică poate avea loc în volumul unui cristal sau între cristale, ultima putând distruge piesa.

Recondiționările prin deformări plastice au loc la rece, fără încălzirea lor la o temperatură de peste 400°C.

Structura metalului deformat plastic este nestabilă. Prin încălzire, mobilitatea atomilor crește, ceea ce contribuie la înlăturarea tensiunilor apărute în timpul deformării. Încălzirea metalelor feroase la 200…300°C produce o regenerare, care anulează numai deformarea rețelei cristaline, fără a se produce modificarea microstructurii.

Prin deformare plastică la rece metalul se durifică și își mărește rezistența datorită procesului de ecruisare. Dacă încălzirea în vederea refacerii rețelei cristaline se face la 200…300°C, scad parțial rezistența și duritatea, dar crește plasticitatea, fenomenul purtând numele de recoacere de relaxare. Se poate merge însă cu încălzirea la valori mai ridicate, care duce la modificarea structurii cristaline (recoacere de recristalizare).

Temperatura minimă de cristalizare la care se observă scăderea bruscă a durității și creșterea plasticității este de circa 0,4 T, în care T este temperatura de topire a metalului. După aceste elemente, deformarea plastică care se realizează la o temperatură inferioară temperaturii de recristalizare și care provoacă durificarea prin ecruisare se numește prelucrare la rece, iar deformarea plastică executată la o temperatură superioară, fără durificare, se numește prelucrare la cald.

Pentru prelucrarea la cald a metalelor, încălzirea acestora trebuie să se facă încet, apoi să se aducă la temperatura de forjare. Oțelurile aliate trebuie încălzite încet până la 600…900°C, pentru a se evita producerea fisurilor datorită tensiunilor interne. După această limită încălzirea se poate face mai repede.

În funcție de forma și dimensiunile piesei sau de mărimea și locul uzurii, încălzirea piesei poate fi locală sau totală. Durata de încălzire t se determină cu relația:

(4.55)

în care: D este diametrul piesei, în mm; k – coeficient cu valoarea 12,5 pentru oțeluri carbon și 25 pentru oțeluri aliate.

La recondiționarea prin deformare plastică la cald, temperaturile de început și sfârșit ale prelucrării, influențează proprietățile mecanice ale pieselor și depind de compoziția chimică a materialelor din care acestea sunt executate. Intervalele de temperaturi de încălzire pentru prelucrarea la cald pentru câteva materiale folosite curent în procesul de reparare a utilajelor agricole sunt date în tabelul 4.12. Temperaturile maxime de la care se încep prelucrările nu trebuie să provoace supraîncălzirea sau arderea metalului, iar temperaturile finale sunt impuse de evitarea ecruisării (la oțeluri moi) sau fisurării (la oțeluri dure).

În afară de temperatură, au importanță viteza de încălzire și viteza de deformare plastică. Viteza de încălzire trebuie să aibă în vedere evitarea decarburării straturilor superficiale și pierderea de metal prin ardere.

Tabelul 4.12

Temperaturile de încălzire pentru unele materiale în vederea recondiționării prin deformare plastică

Deformarea metalelor se poate face cu viteză mare, cum este cazul forjării sau cu viteză mică, în cazul presării. Viteza de deformare se calculează cu relația:

(4.56)

în care: h este dimensiunea inițială a piesei; Δh – variația dimensională; Δt – timpul necesar deformării.

După recondiționarea prin deformare plastică la cald este necesar să se refacă tratamentul termic inițial (după prelucrările mecanice care se impun).

4.3.8.2. Principalele operații de deformări plastice utilizate la reparații

Standardele clasifică procedeele de deformare plastică în funcție de direcția acționării forțelor exterioare și deformația necesară. Dintre numeroasele procedee, în reparații se utilizează cu precădere refularea, lărgirea, restrângerea, întinderea, îndreptarea, rularea, ecruisarea cu alice.

Refularea se aplică pentru mărirea diametrului exterior al pieselor pline și pentru micșorarea dimensiunilor la alezaje. În acest caz acțiunea forței de deformare F (fig. 4.25) trebuie să fie perpendiculară pe direcția deformației necesare S. Prin refulare se obține mărirea dimensiunii exterioare dar și reducerea diametrului interior în contul micșorării înălțimii piesei de la h0 la h. în felul acesta crește aria secțiunii transversale prin micșorarea înălțimii piesei. Aplicații ale refulării se întâlnesc la recondiționarea bucșelor cu uzuri la suprafețele cilindrice exterioare sau interioare ca: bucșele de bielă, capetele conductelor de înaltă presiune, suprafețele de lucru ale supapelor etc.

Bucșele puternic solicitate (bucșa bielei) se pot comprima numai până la 8% din înălțime, iar celelalte bucșe până la 15%. Gradul de deformare este dat de deformația specifică reală:

. (4.57)

Forța necesară refulării se calculează cu o relație de forma:

(4.58)

în care este limita de curgere a materialului piesei; d – diametrul piesei; h – înălțimea piesei.

Lărgirea (umflarea sau mandrinarea) se caracterizează prin aceea că direcția forțelor exterioare de deformare coincide cu direcția deformării necesare (fig. 4.26).

În cazul în care mandrinarea se face cu un poanson, înclinarea acestuia va fi de 1…3°. În locul poansonului se poate utiliza o bilă cu diametrul bine corelat cu diametrul interior al bucșei. În cazul în care trebuie realizată o lărgire mai mare se utilizează un set de poansoane (conuri) sau bile, cu diametre din ce în ce mai mari.

Aplicații ale acestei operații se întâlnesc în cazul înlăturării uzurii suprafețelor cilindrice exterioare a bolțurilor de piston, a bucșelor din oțel, a tijelor tubulare, a împingătorilor etc.

În funcție de mărimea uzurii suprafețelor cilindrice exterioare, operația de lărgire se realizează la cald sau la rece. În cazul umflării la rece se evită un mare volum de muncă cu încălzirile și tratamentele termice, care se prevăd de regulă după umflare.

După deformarea plastică se realizează prelucrarea prin așchiere și apoi tratamentul termic necesar, cu aceleași regimuri de lucru ca la fabricare.

Evazarea constituie o combinație între refulare și lărgire, astfel că forțele acționează sub un unghi oarecare față de direcție deformării (fig. 4.27).

La astfel de recondiționări lungimea piesei nu se modifică, ceea ce constituie un avantaj deosebit. Evazarea își găsește aplicații la recondiționarea unor roți dințate, a unor canale cu uzuri pe suprafețele laterale, a degetelor sferice etc. Pentru recondiționare piesele se încălzesc la 700…900°C (oțelul), operația realizându-se în ștanțe, matrițe sau dispozitive speciale cu role, cu pene etc.

Restrângerea se aplică în vederea micșorării dimensiunilor interioare ale pieselor tubulare, prin micșorarea celor exterioare (fig. 4.28).

Direcția forțelor de deformare F coincide cu sensul deformării S. Aplicații ale acestei operații se întâlnesc la recondiționarea bucșelor din metale neferoase care prezintă uzuri la suprafețele interioare, cuplaje dințate cu uzuri la profilul danturii interioare, alezajele de la muchiile șenilelor de la tractoare, coliviile rulmenților cu role conice cu pereți uzați etc.

Recondiționarea se face la rece cât și la cald, în ultima situație încălzirea făcându-se la 800…950°C. Diametrul final al alezajului trebuie stabilit astfel încât să acopere uzura alezajului și un adaos de până la 0,2 mm pentru prelucrări mecanice.

Lungirea se realizează în scopul măririi lungimii piesei, în contul micșorării secțiunii transversale a acesteia (fig. 4.29).

Schema acționării forțelor față de direcția deformării este asemănătoare cu refularea sau evazarea. Operația se aplică la arbori cu umeri, la diferite tije, împingători etc., care prezintă uzuri la suprafețele frontale.

Piesa 2 care se alungește se așează pe nicovala 3, iar asupra ei se acționează cu berbecul 1. Pentru a obține o suprafață netedă, mărimea avansului l (porțiunea care se deformează) trebuie să aibă valoarea: l = (0,4…0,75)·b, în care b este lungimea de contact a berbecului cu nicovala. După n presări cu alungirea specifică se obține lungimea finală Ln. Numărul de presări necesare se calculează cu relația:

(4.59)

în care fn este un coeficient ce are în vedere gradul de forjare și diferența de secțiune ce trebuie realizată, iar L0 este lungimea inițială a piesei.

De regulă, piesele lungi se întind de la mijloc spre capete, iar piesele mari prin tragere către muncitor.

Zimțuirea (randalinarea) se aplică pentru mărirea dimensiunilor exterioare sau micșorarea celor interioare, cu deplasarea materialului din anumite porțiuni ale piesei. Deformarea S are loc în sens contrar forțelor de acționare F (fig. 4.30).

Aplicații ale acestei operații se întâlnesc la restabilirea unor ajustaje cu inele de rulmenți, cu arbori, diferite alezaje sau lagăre cu compoziție antifricțiune etc. În cazul recondiționării bucșelor de la lagărele de alunecare, golurile formate prin zimțuire se completează prin turnarea unui alt material antifricțiune.

Operația se realizează cu o sculă specifică, o rolă specială cu dinți drepți sau înclinați. Dantura înclinată în diferite direcții formează suprafețe rombice pe piesa care se recondiționează. După zimțuire piesele recondiționate se rectifică la dimensiunea necesară. Raza suprafeței recondiționate poate să crească cu maximum o jumătate din înălțimea dinților rolei, depinzând de pasul danturii (1,2…3 mm).

În cazul unui oțel cu conținut mediu de carbon, viteza randalinării este de 10…15 mm/min. Avansul longitudinal este de 0,4…0,6 mm/rot, iar unghiul de ascuțire a dinților de 60…70°.

Îndreptarea se aplică pentru corectarea unor deformări ale pieselor ca: încovoiere sau torsionare. În acest caz direcția forțelor de acționare coincide cu direcția necesară a deformației și de cele mai multe ori nu este perpendiculară pe axa piesei.

Această operație este necesară la arbori, biele, discuri de fricțiune, bucșe de oțel, supape, rame, pârghii, console etc. În funcție de deformare și starea materialului piesei, îndreptarea se realizează la rece sau la cald, iar după îndreptare se face un control defectoscopic al acesteia.

Specific îndreptării la rece este neuniformitatea deformării metalului pe secțiune și a urmare are loc o variație a proprietăților fizico-mecanice ale metalului. Tensiunile interne care apar în procesul îndreptării la rece favorizează apariția deformațiilor, în sens contrar îndreptării. Pentru mărirea stabilității operației, se aplică îndreptarea dublă, prin îndoire în sens contrar încovoierii sau răsucirii, cu o încălzire la 200…500°C pe timp de o oră.

În cazul îndreptării la rece a arborilor cotiți, încovoierea în sens contrar va fi de câțiva milimetri pe lungimea de un metru, ceea ce introduce tensiuni de compresie pe o parte și de întindere pe cealaltă. Cele mai periculoase tensiuni sunt în zonele de racordare. Mai nou îndreptarea arborilor cotiți se realizează prin ecruisare locală, tensiunile interne de compresie fiind astfel dirijate încât să compenseze deformarea inițială a axei arborelui.

Îndreptarea la cald se realizează la temperatura de 800…900°C, forța necesară îndreptării fiind mult mai mică, iar distribuția deformării pe secțiune mult mai uniformă decât în cazul îndreptării la rece. Apar însă, modificări ale structurii metalului, se schimbă proprietățile mecanice, ceea ce implică un tratament termic adecvat, urmat de o prelucrare mecanică.

Suprafețele cilindrice interioare se prelucrează prin poansonare cu o bilă, cu un singur inel sau cu mai multe inele de netezire. Alezajele pot fi rulate cu dornuri cu bile sau cu dornuri cu role. Dacă operația se aplică supapelor, se înlocuiesc rectificare și rodarea.

Ecruisarea suprafețelor se poate realiza cu alice, cu un ciocan pneumatic sau cu scule calibrate. În cazul ecruisării cu alice cu instalații pneumatice, presiunea jetului care antrenează alicele este de 0,4…0,6 MPa, instalațiile fiind asemănătoare celor care sablează cu nisip la curățarea pieselor. Alicele au diametre între 0,5…0,25 mm și se execută din oțel de arc sau din fontă albă. Dimensiunile mici permit o rugozitate mai fină la suprafețele prelucrate și pătrund mai ușor la racordări sau eventuale canale.

4.3.9. Tehnologii neconvenționale folosite la recondiționarea pieselor

4.3.9.1. Noțiuni generale despre tehnologiile neconvenționale

Necesitatea prelucrării unor piese tratate termic sau din oțeluri înalt aliate deosebit de dure, precum și rezolvarea mai economică a unor tehnologii scumpe a făcut să apară și să se dezvolte noi procedee, la care sunt utilizate unele proprietăți ale curentului electric, ale unor substanțe chimice sau combinații ale acestora, cum ar fi prelucrarea electrochimică, prelucrarea electroerozivă, prelucrarea cu radiații și prelucrarea cu ultrasunete.

4.3.9.2. Prelucrarea electroerozivă cu scântei electrice și cu impulsuri

Prelucrarea cu scântei electrice se bazează pe fenomenul de eroziune a metalului prin topiri localizate, ca urmare a descărcărilor electrice ce au loc într-un mediu dielectric între doi electrozi: electrodul sculă și electrodul piesă.

Într-un punct oarecare, în spațiul dintre cei doi electrozi în materialul dielectric se creează condițiile necesare conducerii curentului electric, formându-se un canal al scânteii. Descărcarea fiind localizată într-un spațiu foarte restrâns, temperatura dezvoltată atinge valori foarte mari (8000…20000°C), astfel că materialul aflat în imediata vecinătate a descărcării se va topi și chiar volatiliza, iar apoi, prin intrarea în contact cu dielectricul, se va condensa și solidifica instantaneu, sub forma unor picături sferice. În locul descărcării apare un crater caracteristic, a cărui mărime depinde de energia descărcării, de durata ei și de forma impulsului de curent. Pentru ca volumul de material îndepărtat de ă descărcare să fie mare, este necesar ca valoarea curentului să fie mare, cerință care se îndeplinește prin utilizarea unor surse de puteri mari și concentrarea energiei în impulsuri cu durata cât mai mică. După modul în care se obțin impulsurile repetate se cunosc două tipuri de generatoare, deci două tipuri de prelucrări: prelucrarea cu scântei electrice și prelucrarea cu impulsuri.

Prelucrarea cu scântei electrice folosește un generator un generator de scântei, denumit și generator dependent, a cărui schemă reiese din figura 4.32.

Fig. 4.32. Schema de principiu a prelucrării cu scântei electrice [7]

Generatorul are două circuite distincte și anume:

circuitul de încărcare, format din sursa S, întrerupătorul I, rezistorul RLî de limitare a curentului de încărcare și bateria de condensatoare CB;

circuitul de descărcare, format din bateria de condensatoare CB, devenită acum sursă de energie, rezistorul RLd de limitare a curentului de descărcare și cei doi electrozi, sculă S și piesă P.

Bateria de condensatoare se încarcă de la sursă atâta timp cât tensiunea la bornele ei rămâne inferioară celei corespunzătoare tensiunii de străpungere dintre electrozii sculă și piesă.

Când tensiunea dintre armăturile condensatorului depășește tensiunea de străpungere dintre electrozi, are loc descărcarea electrică. Temperatura mare care se dezvoltă în primul moment face ca ionizarea inițială să crească și procesul de descărcare să se intensifice. După descărcare rezistența internă a condensatoarelor revine la valoarea minimă și reîncepe procesul de încărcare. În acest mod perioadele de descărcare se succed celor de încărcare, momentul de sfârșit al încărcării, respectiv de început al descărcării, depinzând de gradul de ionizare și de distanța dintre electrozi.

Deci, energia descărcării, care este energia înmagazinată de condensatori, depinde de distanța dintre electrozi și poate fi menținută constantă dacă se menține constant interstițiul dintre electrozi. Rezultă că electrodul trebuie să primească o mișcare de avans dependentă de cantitatea de material erodat.

Productivitatea prelucrării depinde de capacitatea C a bateriei de condensatoare și de tensiunea U de străpungere prin intermediul energiei descărcării:

(4.60)

Asupra productivității influențează direct și frecvența f a descărcărilor (f = 1/tî), care depinde de timpul de încărcare tî al condensatoarelor.

Dar,

(4.61)

Isc fiind curentul de scurtcircuit, adică la o energie constantă a descărcărilor se poate mări productivitatea prin mărirea curentului de scurtcircuit.

În afara instalațiilor de prelucrare prin electroeroziune cu condensatoare se realizează și instalații la care apariția periodică a descărcărilor prin scântei se produce prin vibrațiile de apropiere și îndepărtare a sculei față de piesă, deci utilizând generatoare mecanice de scântei. Schema de principiu a unei astfel de instalații este prezentată în figura 4.33.

La închiderea circuitului generatorului 1, scula 2 va executa mișcările oscilatorii verticale, provocând formarea și întreruperea unui arc electric față de piesa 3, prin reostatul 4 se reglează parametrii regimului de lucru.

Prelucrarea electroerozivă cu impulsuri comandate este similară prelucrării prin scântei, desprinderea materialului având loc și în acest caz ca urmare a efectului distructiv al descărcării electrice. Deosebirea constă în primul rând în modul de generare a impulsurilor.

Astfel, în cazul descărcării la generatoarele cu scântei, forma tensiunii și curentului depinde de caracteristicile electrice ale circuitului. În general, la aceste generatoare tensiunea este oscilatorie și ca urmare și curentul va avea o formă oscilatorie (fig. 4.34, a).

La prelucrarea cu impulsuri comandate toți parametri electrici (frecvența, amplitudinea tensiunii, durata impulsului sau pauzei etc.) rămân sensibil neschimbați, indiferent de starea spațiului dintre electrozi. În prezent se construiesc mașini dotate cu generatoare cu impulsuri dreptunghiulare, în care caz curentul rămâne constant pe toată durata impulsului de tensiune, pentru o ionizare dată (fig. 4.34, b).

La aceste generatoare independente utilizarea energiei este mai bună ca la generatoarele cu scântei, căci întreaga energie este redată canalului de scântei, puterea rămânând constantă pe întreaga durată a impulsului. Dacă se consideră egale energiile impulsurilor în cele două cazuri, curentul maxim la prelucrarea cu scântei atinge valori de mii și zeci de mii de amperi, pe câtă vreme în cazul generatoarelor comandate valoarea curentului nu depășește 500 A. Acest lucru se explică prin faptul că la generatoarele cu scântei descărcarea durează un timp foarte scurt din perioada ciclului (circa 0,01), în timp ce la generatoarele cu impulsuri comandate descărcarea poate atinge chiar 0,9 din perioadă. Această comparație s-a făcut din punct de vedere al curentului în impuls și nu al curentului mediu.

La generatoarele cu impulsuri momentele de începere și încheiere a descărcării între electrozi coincid cu momentele respective de începere și încheiere a impulsului de tensiune. În construcția generatorului se află o supapă electrică care permite trecerea curentului cu o durată de timp egală cu cea a impulsului necesar.

Prelucrarea electromecanică se bazează pe efectul de încălzire și topire a metalului unei piese la contactul cu sculă electrod, la trecerea unui curent electric de tensiune mică (1…6 V) și intensitate foarte mare (300…1000 A). Schema de principiu a acestui procedeu se prezintă în figura 4.35.

După această schemă funcționează mașinile unelte de debitat și polizat pe cale electromecanică. În circuitul generatorului 1 se leagă la polul pozitiv piesa 2, iar la cel negativ scula 3. La contactul dintre acestea are loc topirea și transportarea materialului de la piesă la sculă. Datorită vitezei periferice mari a sculei (> 8 m/min) metalul topit este înlăturat de pe sculă, evitându-se încărcarea și deci modificarea formei geometrice a acesteia. Prin reostatul 4 se reglează parametri regimului de lucru.

4.3.9.3. Prelucrarea electrochimică a metalelor

Prelucrarea electrochimică a metalelor se bazează pe procesele de dizolvare anodică (electroliză), ce au loc în celulele electrochimice.

Celula electrochimică (fig. 4.36) este formată din cuva cu electrolit 1, în care este introdus metalul (piesa) de prelucrat 2, legat la polul pozitiv al unui generator de curent continuu 3, și un alt metal 4 (scula), legat la polul negativ al acestuia.

Datorită forței electromotoare a sursei de curent, între anod și catod se închide, prin intermediul electrolitului, un circuit electric. Transportul curentului se face de către ionii moleculelor disociate ale soluției de electrolit, care sub influența câmpului electric se deplasează spre electrozii cu sarcini contrarii. Cantitatea de metal dizolvată de pe anod în timpul prelucrării (electrolizei) este dată de legea lui Faraday.

Utilizând o serie de relații specifice electrotehnicii, se poate arăta că la prelucrarea unui anumit material (oțel, fontă etc.) folosind o tensiune constantă și un electrolit cu o concentrație și temperatură de lucru dată, se ajunge la expresia:

(4.62)

care arată că viteza de prelucrare vA este direct proporțională cu caracteristicile electrice ale circuitului (C) și invers proporțională cu mărimea interstițiului de lucru dintre electrozi (S).

pentru obținerea unor viteze mari de prelucrare trebuie micșorat foarte mult interstițiul de lucru, dar în acest caz crește pericolul de scurtcircuitare. Există un interstițiu optim, la care pericolul de scurtcircuitare este mic, dar viteza de prelucrare se păstrează încă ridicată.

De asemenea se poate arăta că există relația:

(4.63)

care arată că densitatea de curent Dc este în raport de directă proporționalitate cu tensiunea din circuit U și conductibilitatea electrică a soluției de electrolit κ și de inversă proporționalitate cu mărimea interstițiului S.

Ținând cont de relațiile (4.62) și (4.63), care sunt relații de bază în prelucrarea electrochimică, se poate explica principiul producerii formei electrodului sculă în piesa prelucrată (fig. 4.37).

Piesa care urmează a se prelucra este legată la anod, iar electrodul sculă la catodul unui generator de curent continuu. În momentul începerii prelucrării (fig. 4.37, a) distanțele dintre anod și catod diferă, deci vor fi diferite atât densitățile locale de curent cât și vitezele de dizolvare (prelucrare). În zonele în care distanțele dintre anod și catod sunt mai mici, densitățile de curent sunt mai mari, ceea ce duce la o dizolvare mai pronunțată decât în zonele la care aceste distanțe sunt mai mari. Îndepărtarea neuniformă de material de pe anod se produce până în momentul în care se realizează un interstițiu uniform și deci reproducerea formei catodice (fig. 4.37, b). Materialul scos de pe anod nu se poate depune pe catod căci electrolitul circulă cu viteză mare în zona de lucru, înlăturând produsele de dizolvare. Realizarea vitezei mari de curgere a electrolitului a fost posibilă prin micșorarea distanței dintre electrozi, păstrându-se tensiuni de lucru mici (5…20 V). Micșorarea distanței dintre anod și catod a dus la înrăutățirea circulației electrolitului, fiind necesară o circulație forțată.

Fig. 4.37. Principiul reproducerii electrodului sculă la prelucrarea electrochimică [22]

La instalațiile de acest fel se utilizează generatoare de curent continuu dotate cu aparatura de reglare și control necesară, capabile să furnizeze un curent maxim de 1500…6000 A la o tensiune reglabilă în intervalul 0…20 V. Sistemul de circulație forțată a electrolitului asigură un debit maxim de 500 l/min la o presiune de 1,5 MPa.

4.3.9.4. Comparație între prelucrarea electroerozivă și electrochimică

Pentru a evita confuziile dintre cele două procedee, se vor prezenta în continuare deosebirile principale dintre ele.

Temperatura la care se efectuează prelucrarea electrochimică este de 20…60°C, iar temperatura la prelucrarea electroerozivă este de câteva mii sau zeci de mii de grade. Aceste temperaturi produc efecte diferite în structura suprafeței prelucrate.

La prelucrarea electroerozivă se produce o uzură a electrolitului sculă, căci îndepărtarea materialului se face printr-o grupare intensivă a energiei în anumite puncte, procesul terminându-se printr-o descărcare sub formă de scântei, care provoacă o temperatură locală, ce depășește temperatura de topire a vârfului sculei. Uzura electrodului sculă depinde de tipul generatorului, de materialul electrodului și de regimul de lucru. La prelucrarea electrochimică electrodul sculă nu prezintă nici un fel de uzură.

În cazul prelucrării electrochimice se utilizează o soluție bună conducătoare de electricitate (sare, acid, bază), iar la prelucrarea electroerozivă o soluție izolantă (petrol, ulei mineral) străpunsă numai de șocurile de tensiune.

Ca sursă de energie la prelucrarea electrochimică se folosește un generator de curent continuu cu tensiunea redusă (5…20 V), iar la prelucrarea electroerozivă un generator de impulsuri, cu tensiunea cuprinsă între 40…200 V și frecvența impulsurilor cuprinsă între 0,2…100 kHz.

Referitor la calitatea suprafeței, se poate arăta că la prelucrarea electroerozivă, fiecare descărcare scoate o particulă de metal din piesă, în locul respectiv rămânând un mic crater. Acesta va fi cu atât mai mare cu cât regimul de descărcare este mai greu. În locul în care se produce descărcarea apare o încălzire locală și o durificare a stratului superficial. La prelucrarea electrochimică temperaturile de lucru sunt joase, iar înlăturarea adaosului de material se realizează ușor, suprafața rămânând fără defecte. Atomii de suprafață din rețeaua cristalină devin liberi și intră în reacție cu anionii electrolitului disociat, rezultând astfel prelevarea materialului. Ca urmare, calitatea suprafeței la prelucrarea electrochimică poate ajunge la valori ridicate (Rz ≤ 1 μm) și este superioară celei obținute la prelucrarea electroerozivă (Rz ≥ 4 μm).

În schimb precizia prelucrării este mai ridicată la prelucrările electroerozive, toleranța de execuție putând fi T ≤ 0,01 mm, spre deosebire de cea la prelucrarea electrochimică care nu poate fi mai mică de 0,03 mm.

Productivitatea prelucrării electrochimice este mult superioară celei obținute la electroeroziune (de circa 10 ori mai mare) putând atinge valori ale prelevării de 100 cm3/min. Vitezele de avans se găsesc în intervalul 0,4…10 mm/min, la densități medii de curent de 0,5…5 A/mm2 și interstiții de 0,05…2 mm.

Ambele metode se utilizează la prelucrarea materialelor greu așchiabile și a suprafețelor complexe. Astfel, prelucrarea electrochimică asigură productivități mari la prelucrarea matrițelor, a modelelor metalice etc., iar prelucrarea electroerozivă la obținerea unor ștanțe de precizie, a unor scule, precum și la executarea de orificii de diferite forme și dimensiuni mici (pentru extragerea sculelor sau prezoanelor rupte).

4.3.9.5. Prelucrarea cu radiații [14]

Radiațiile corpusculare sau de natură electromagnetică, concentrate cu ajutorul unui sistem de focalizare asupra unei piese, dezvoltă în locul de contact cu aceasta energii termice mari, capabile să prelucreze orice material. Principalele procedee de prelucrare cu radiații sunt acelea care utilizează fascicule de electroni și fascicule de fotoni (laser).

Prelucrarea cu fascicule de electroni realizează îndepărtarea materialului prin topirea și vaporizarea unui strat situat în zona pe care este focalizat fasciculul de electroni, zonă denumită și pată de contact.

Electrozii 5, produși prin emisiunea termoelectrică de către catodul 1, executat din W (fig. 4.38) sunt conduși de către electrodul de comandă 2, anodul 3, și sistemul electromagnetic de focalizare 4, spre piesa 6. Tensiunea Ug este tensiunea de comandă care se aplică pe electrodul 2, iar Uî este tensiunea de încălzire a electrodului. Emisiunea termoelectrică are loc sub forma unor impulsuri de o anumită frecvență.

Mecanismul de îndepărtare a materialului este prezentat în figura 4.39.

Fasciculul de electroni 1, pătrunde sub stratul superficial δs și vaporizează o cantitate de material 2 (fig. 4.39, a). Vaporii de material creează o presiune puternică pe suprafața stratului δs până la ruperea acestuia (fig. 4.39, b), ieșind apoi afară sub forma unui jet (microexplozie). La al doilea impuls procesul se repetă (fig. 4.39, c).

Prelucrarea are loc în vacuum, la presiuni de circa 10-4…10-5 torr. Durata impulsurilor este de 10-6…10-7 s, iar intervalul dintre impulsuri este de 10-4…10-5 s.

Acest procedeu se aplică la topirea unor materiale refractare sau a unor aliaje cu punct înalt de fuziune, pentru a se realiza o gamă variată de suduri. De asemenea, cu acest procedeu se pot realiza debitări și găuriri sub 0,1 mm.

Prelucrarea cu fascicule de fotoni (laser) se bazează pe proprietatea unor substanțe de a emite energii sub forma unor fascicule de fotoni, atunci când echilibrul atomic între diferite niveluri de energie este perturbat de o energie exterioară sistemului atomic al substanței respective. Energia astfel eliberată se transmite sub forma unor cuante de energie având o frecvență bine precizată. În cazul când se creează anumite condiții speciale radiația de energie stimulată se amplifică foarte mult. Schema de principiu a unei instalații de prelucrare cu laser se prezintă în figura 4.40.

Ea cuprinde sursa de alimentare cu energie electrică 1, ce poate fi realizată cu condensatoare de circa 1000 μF la o tensiune de 10 kV, sursa de excitație (lampa Blitz), cavitatea de rezonanță cu mediu activ 2 și sistemul de focalizare 3. Fasciculul de raze laser concentrat de sistemul de focalizare este dirijat asupra piesei 4.

Mediul activ folosit în instalație poate fi gaz, lichid, semiconductor și solid, laserul primind denumirea de laser cu gaz etc. Instalația nu necesită vacuum, iar randamentul ei depinde în foarte mare măsură de sistemul de răcire a camerei de rezonanță.

Prelucrarea cu laser este economică la executarea unor găuri și canale cu diametre, respectiv lățimi de la 0,5 mm până la 0,1…0,5 μm, adică în acele domenii în care alte metode de prelucrare nu se pot aplica. Pentru aceste operații regimul de lucru este pulsant. Pentru operațiile de tăiere (în oțel aliat până la grosimi de 0,2 mm, la sticlă până la 1 mm, iar la mase plastice până la 25 mm), prelucrarea se face în mod continuu. Laserul se mai aplică la realizarea unor suduri foarte fine și a unor măsurări de precizie.

4.3.9.6. Prelucrarea cu ultrasunete [7]

Prelucrarea cu ultrasunete constă în îndepărtarea adaosului de prelucrare cu ajutorul unor granule sau pulberi abrazive aflate în suspensie într-un lichid, care execută o mișcare oscilatorie cu frecvență ultrasonoră.

Schema principială a unei instalații de prelucrare cu ultrasunete se prezintă în figura 4.41.

Mișcarea vibratorie cu frecvență ultrasonoră este realizată de vibratorul 1, de obicei magnetostrictiv, și amplificată de concentratorul 2, la capătul căruia se prinde electrodul sculă 3, confecționat dintr-un oțel obișnuit și al cărui contur corespunde cu conturul alezajului care urmează a se prelucra. Electrodul sculă împreună cu piesa 4 sunt introduse în cuva de prelucrare 5, în care se află un mediu lichid, format aproape exclusiv din apă și granule abrazive în suspensie.

Mișcarea vibratorie I a electrodului sculă se transmite mediului lichid și granulelor abrazive care primesc accelerații foarte mari, izbesc suprafața piesei, detașând din acesta particule foarte fine de material. Particulele abrazive se aleg în funcție de materialul prelucrat, astfel ca duritatea lor să fie mai mare decât a materialului respectiv (obișnuit se folosesc carburile de siliciu și bor).

Mișcarea de avans II, executată de electrodul sculă împreună cu vibratorul 1 și concentratorul 2, se obține cu ajutorul sistemului de avans 6. Vibratorul este alimentat de la generatorul de înaltă frecvență 7, care asigură frecvența de 18…25 kHz, la puteri de 0,1…3 kW. Instalația 8 realizează recirculația suspensiei abrazive cu scopul de a îndepărta particulele de material prelucrat, aflate în suspensie și cele abrazive cu muchii rotunjite.

Acest procedeu se aplică la prelucrarea filierelor, matrițelor, poansoanelor cu configurație complicată și dimensiuni mici, realizate din aliaje dure și oțeluri tratate termic, la prelucrarea pieselor din materiale semiconductoare, din ferite și materiale metaloceramice utilizate în tehnică, la realizarea unor orificii nepătrunse în oțeluri cementate și nitrurate, la rectificarea sticlei, cuarțului și ceramicii.

Procedeul prezintă și dezavantaje ca: uzură mare a electrodului sculă, consum mare de energie și productivitate scăzută.

4.3.10. Tratamente termice utilizate în reparații [7]

4.3.10.1. Noțiuni generale despre tratamentele termice

Tratamentul termic este o metodă de prelucrare la cald a materialelor metalice, cu scopul modificării structurii materialului și implicit a proprietăților acestuia. Cunoscând legătura dintre proprietăți, structură și tratamentul termic, se pot determina condițiile în care acesta din urmă trebuie executat pentru a obține materialul cu proprietățile prestabilite. Astăzi se cunoaște bine că prin tratamente termice se pot obține calități similare cu cele date de materiale de aliere scumpe și deficitare.

Piesele care se repară au fost supuse în procesul de fabricație unor tratamente termice de care trebuie să se țină seama la reparații. Necunoscând tratamentul, apare riscul distrugerii piesei sau modificării substanțiale a proprietăților în procesul de recondiționare. Astfel, un arbore călit superficial la fusurile paliere și manetoane nu va putea fi îndreptat decât la rece; dacă el s-ar încălzi ar fi nevoie de o instalație de călire superficială, pentru a i se conferi din nou proprietățile inițiale.

Pe parcursul tehnologiei de recondiționare a oricărei piese, aceasta trece prin secția de tratamente termice ori de câte ori este nevoie să fie pregătită în vederea unor prelucrări ulterioare sau să i se confere proprietăți finale. Tratamentele termice preliminare se aplică atunci când se urmărește ușurarea prelucrărilor prin așchiere, înmuierea în vederea prelucrărilor prin deformări plastice la rece, pregătirea structurii în vederea tratamentelor termice finale sau a deformării plastice la cald. Tratamentele termice finale se execută, de regulă, înaintea ultimelor operații de finisare, iar uneori reprezintă chiar ultima operație de prelucrare.

4.3.10.2. Principii generale ale tratamentelor termice

Un tratament termic de calitate nu se poate face decât dacă se cunosc diferiții constituenți metalografici din diagrama Fe-C, proprietățile lor și modul cum se poate trece prin tratament de la unul la altul. Unele procese de transformare nu pot fi explicate numai pe această diagramă, fiind necesare cunoștințe speciale în legătură cu termodinamica și termocinetica transformărilor.

Pentru oțeluri, tratamentele se pot grupa în două categorii, în funcție de temperatura de încălzire: cu încălzire peste 723°C, cu încălzire sub 723°C.

În cazul în care se face o încălzire în jur de 800°C, structura oțelului carbon este formată numai din austenită, care este un produs de echilibru. După felul cum se face răcirea se obțin structuri cu proprietăți diferite, după cum urmează:

când răcirea se face lent (în cuptor), austenita se transformă în perlită la 723°C, care se păstrează până la temperatura ambiantă, numindu-se structură de recoacere (sau perlitică);

dacă răcirea se face mai repede, austenita rămâne netransformată până la o temperatură mai coborâtă de 723°C (se subrăcește), la circa 650°C începând transformarea perlitică. De data aceasta perlita este mai fină, cu lamele mai subțiri și se numește perlită sorbitică sau sorbită;

la răciri și mai rapide, aceeași transformare începe la circa 450°C și se obține cea mai fină perlită, cunoscută sub numele de troostită. Ultimele două situații se folosesc sub denumirea de tratament de normalizare;

dacă răcirea se face în apă, structura rămâne austenitică până la 240°C, când începe să se transforme în martensită, constituent ce nu este cuprins în diagrama Fe-C. Acest caz de tratament poartă denumirea de călire.

În practică se utilizează și tratamentul termic de revenire, la care încălzirea se face la temperaturi de maximum 650…700°C, când structura oțelului se globulizează. De fapt, ceea ce se globulizează este cementita în oțelurile nealiate sau carburile elementelor de aliere în oțelurile aliate. La structurile de normalizare care conțin deja cementită sau carburi aliate, dar de formă lamelară, procesul de revenire este numai cel de globulizare al acestor constituenți. În schimb, la structurile martensitice se produce la circa 350°C descompunerea martensitei în amestec de carburi și ferită. La temperaturi mai ridicate, carburile din acest amestec încep să se globulizeze. Deoarece gradul de finețe și globulizare al carburilor din amestecurile obținute la revenire diferă după temperatura la care se face operația, s-a convenit să se dea acestor amestecuri denumiri diferite: troostită de revenire (350…450°C), sorbită de revenire (450…650°C) etc. Cu creșterea temperaturii de revenire duritatea scade, adică oțelul de înmoaie.

4.3.10.3. Tipuri de tratamente termice utilizate în reparații

Recoacerea și normalizarea sunt tratamente prin care se urmărește să se obțină materialul într-o stare cât mai moale, cu duritate cât mai mică. Prin astfel de tratamente oțelul se înmoaie în vederea prelucrării prin așchiere sau în vederea continuării deformării plastice la rece. Deosebit de important este ca materialul recopt să aibă o structură cristalină fină.

Mecanismul de transformare constă într-o încălzire de austenitizare a oțelului și o răcire corespunzătoare. Răcirea trebuie să se facă încet. Când aceasta se execută în cuptor se face o recoacere propriu-zisă, când se face în aer liniștit, operația se numește normalizare. Structura de normalizare se obține în scurt timp și este mai fină decât cea de recoacere, dar și mai dură ca aceasta (mai ales la oțelurile cu peste 0,6% C, cum ar fi OLC 60 etc.) și deci se prelucrează mai greu prin așchiere.

O metodă mai modernă de recoacere o constituie recoacerea izotermă. După încălzirea de austenitizare oțelul se răcește rapid până la 600…700°C, se menține un timp la această temperatură și în final se răcește în aer până la temperatura ambiantă. Dezavantajul este legat de necesitatea de a avea două cuptoare și o instalație intermediară de răcire rapidă. O soluție care ar simplifica problema ar fi folosirea unui cuptor cu vatră mobilă.

În cazul când recoacerea se face după forjare este bine să nu se aștepte o răcire completă a pieselor. Când acestea ajung pe la 600°C se introduc în cuptoarele de austenitizare care au temperatura reglată în funcție de marca oțelului, folosindu-se astfel o parte din temperatura procesului anterior. În felul acesta piesele au tensiuni interne minime, se asigură stabilitatea regimurilor de așchiere și se obțin suprafețe prelucrate de calitate superioară.

Pentru obținerea suprafețelor curate, neoxidate, încălzirea pentru recoacere se face în cuptoare cu atmosfere de protecție obținute fie prin disocierea amoniacului, fie prin arderea incompletă a gazului natural.

Unele oțeluri nu pot fi înmuiate prin recoacere obișnuită izotermă, deoarece chiar la răciri lente structura este formată din constituenți cu duritate ridicată. Pentru a le micșora duritatea se recurge la globulizarea particulelor de carbură din structură prin încălzirea mai îndelungată la 650…680°C. Tratamentul a căpătat astăzi denumirea de recoacere subcritică sau revenire înaltă. Recoacerea subcritică este un tratament de lungă durată, timpul calculându-se în mod obișnuit prin stabilirea a 3…5 minute pentru fiecare milimetru grosime.

Călirea este cel mai frecvent tratament termic care se execută în scopul obținerii unor calități mecanice superioare. Încălzirea se face peste punctul de 723°C, la care începe transformarea celorlalte structuri în austenită. În funcție de scopul urmărit, răcirea se execută în mai multe moduri, care dau și denumirea unor tipuri de tratamente.

Călirea clasică se cunoaște de multă vreme, răcirea se face într-un singur mediu și anume apă, soluții apoase sau ulei. Structura martensitică care se obține este dură, rezistentă la uzură, dar are neajunsul că prezintă pericolul de apariție a unor crăpături și deformații. Acest dezavantaj se diminuează în cazul călirii în două medii, în trepte sau izotermă, prin care se urmărește transformarea omogenă a materialului metalic în întreaga secțiune.

Călirea în două medii constă în încălzirea piesei în vederea austenitizării și apoi răcirea ei un timp oarecare într-un mediu, după care se trece în alt mediu, în care se face răcirea finală. Răcirea inițială se face rapid până la temperatura de 300°C, drept mediu folosindu-se apa pentru oțelul carbon și uleiul pentru oțelurile aliate. Al doilea mediu este uleiul pentru oțelurile carbon și aerul pentru cele aliate.

Călirea în medii calde constă în micșorarea vitezei de răcire în perioada de formare a martensitei, având drept rezultat reducerea substanțială a tensiunilor. Sub 300°C răcirea se face cel mai frecvent în săruri de sodiu. Condiția principală pentru ca o piesă să poată fi supusă unei căliri în medii calde este ca pereții acesteia să fie mai subțiri de 5…6 mm, mai ales când este vorba de oțeluri aliate.

– Călirea superficială se aplică pieselor din două motive, unul funcțional și altul economic. Prin executarea călirii numai pentru un strat superficial se urmărește creșterea rezistenței la uzură și a durabilității la oboseala de contact, prin obținerea unui strat subțire cu structură martensitică de duritate mare și îmbunătățirea rezistenței la oboseală, concomitent cu păstrarea unui miez tenace și rezistent. În plus, deformațiile piesei după călirea superficială sunt minime. Într-o asemenea situație se găsesc piesele care lucrează cu șocuri: roțile dințate, arborii cotiți, arborii cu came, bolțul de piston etc.

Sunt cazuri când condițiile de funcționare nu solicită o călire pe toată secțiunea piesei, fiind suficient dacă acesta se realizează pe o adâncime mică. Din punct de vedere economic este mai avantajos să se aplice a doua soluție, scurtând timpul de încălzire și necesarul de căldură.

Călirea superficială a căpătat o largă răspândire, putându-se executa în două moduri: încălzind piesa în întregime și răcind rapid numai suprafața; încălzind și răcind rapid numai un strat de adâncime mică.

Prima metodă este simplă și se recomandă pentru unicate sau loturi mici, necesitând numai dispozitive care să asigure rotirea pieselor și stropirea lor abundentă cu apă.

Pentru a doua metodă este nevoie de un sistem de încălzire rapidă a straturilor superficiale, în așa fel ca miezul piesei să nu se încălzească până la temperatura de austenitizare. În practica industrială s-au impus două metode de încălzire rapidă a straturilor superficiale ale pieselor din oțel: încălzirea cu flacără oxiacetilenică; încălzirea cu curenți de înaltă frecvență (CIF).

Călirea CIF se bazează pe plasarea piesei de călit în câmpul electromagnetic produs de un inductor prin care trece un curent alternativ de frecvență înaltă. Câmpul electromagnetic produce pe suprafața piesei curenți de inducție (curenți Foucault), la trecerea cărora materialul din care este confecționată piesa opune rezistență electrică. Din această interacțiune rezultă o cantitate de căldură Q, care produce încălzirea superficială a piesei.

Adâncimea de călire este cea pe care piesa se încălzește până la temperaturi superioare punctului Ac3 al oțelului. Această adâncime nu depinde numai de frecvența folosită, ci și de durata de acționare a curentului, precum și de puterea sursei de curent de înaltă frecvență, luată în considerare prin puterea specifică, măsurată în kW/cm2 de suprafață încălzită simultan de inductor. Adâncimea de călire este direct proporțională cu durata de încălzire și invers proporțională cu puterea specifică.

Pentru a obține straturi călite de adâncimi dorite este necesar să se lucreze cu o anumită putere specifică minimă (fig. 4.42), care să concentreze rapid căldura pe suprafața piesei.

Fig. 4.42 .Corespondența între puterea specifică a inductorului și diametrul piesei la călirea superficială [7]

Deși adâncimea de călire se poate modifica prin variația mai multor parametri ai inductorului, în mod obișnuit se acționează asupra frecvenței, care poate lua valori în limite largi. Puterea specifică optimă la intrarea în generatorul de înaltă frecvență este de 1…2 kW/cm2, limitele fiind uneori ceva mai largi. Câteva indicații cu privire la puterile specifice necesare, în funcție de frecvența inductorului și adâncimea de călire se prezintă în tabelul 4.13.

Răcirea se face cu apă la temperaturi de 5…25°C și presiunea de 0,02…0,06 MPa sau cu emulsie de 10…15% în apă sau chiar ulei cald (40…60°C), pentru unele oțeluri în scopul de evitare a fisurilor. Sunt călibile prin CIF oțeluri ca: oțelul carbon și oțelurile slab aliate cu 0,35…0,6%C (OLC 35, OLC 45, OLC 55, 40C10, 41MC11 etc.).

Tabelul 4.13

Corespondența între parametrii regimului de călire superficială cu CIF

Modelul unui inductor pentru călirea superficială este prezentat în figura 4.43. Metoda este economică numai la producția de serie mare, deoarece pentru fiecare tip de piesă este nevoie de un anumit inductor.

Călirea superficială cu flacără se realizează prin arderea unui gaz în oxigen (mai frecvent acetilenă). Suprafața poate fi încălzită până la 1200°C, dar uzual se urmărește realizarea unor temperaturi mai scăzute (950…1200°C) pentru evitarea supraîncălzirii. Adâncimea stratului încălzit se reglează prin distanța dintre arzător și piesă, durata de încălzire și raportul oxigen-acetilenă. În mod obișnuit se obțin adâncimi de călire între 2…10 mm, în funcție de necesități.

După încălzire suprafața este răcită cu apă. Forma arzătorului și dușului de răcire depind de forma suprafeței care se călește (fig. 4.44).

La călirea continuă a arborelui 1, se utilizează mai multe arzătoare 2 și un duș inelar 3 cu jet de apă. Arzătorul și dușul se deplasează de jos în sus, iar pentru piese mai mici, prin deplasarea de sus în jos a piesei și menținerea dispozitivului în stare fixă.

Atât la încălzirea cu CIF cât și la cea cu flacără se pot obține succesiv porțiuni călite și necălite pe suprafața aceleiași piese, iar în cazuri deosebite instalațiile devin mai complexe și rezolvă această problemă simultan.

Revenirea. Structura obținută prin călirea martensitică caracterizată prin duritate ridicată și fragilitate mare, nu asigură în toate cazurile proprietățile necesare produsului căruia i s-a aplicat tratamentul termic. De ce le mai multe ori, după călire se aplică revenirea, pentru ca prin transformarea martensitei și austenitei reziduale să se formeze un amestec fin de ferită și carburi în scopul obținerii unei modificări convenabile a caracteristicilor mecanice: creșterea plasticității și tenacității, micșorarea durității, înlăturarea tensiunilor interne.

În funcție de temperatura de revenire se disting trei cazuri:

când revenirea se face la temperatură de până la 300°C se obține o structură în care predomină martensita de revenire, denumirea procesului fiind de revenire joasă. Dacă asemenea revenire se face pe cale naturală poartă denumirea de îmbătrânire;

revenire medie, se face între 300…400°C și se obțin elasticități și tenacități mărite;

revenirea înaltă, se face între 450…600°C, când structura devine sorbitică.

Tratamentul termic care cuprinde o călire urmată de o revenire se numește îmbunătățire și are o largă răspândire.

4.3.10.4. Tratamente termochimice utilizate în reparații

Călirea pieselor din oțel conform procedeelor arătate anterior nu este posibilă decât pentru oțeluri de îmbunătățire, respectiv oțeluri cu peste 0,3% C. Pentru oțelurile cu mai puțin de 0,3% C asemenea tratament nu este posibil din cauza alterării straturilor superficiale ca urmare a arderii carbonului. Reducerea la minimum sau completa evitare a acestei situații pentru piesele din oțel și fontă se realizează prin îmbogățirea straturilor respective în elemente nemetalice (C, N, S) sau metalice (Al, Zn, Cr etc.) în cadrul operațiilor de cementare, prin procese termochimice.

La procesul de tratament termochimic se deosebesc trei faze principale:

descompunerea moleculelor și formarea unor atomi activi ai elementului de îmbogățire:

absorbția acestor atomi la limita metal-gaz și dizolvarea lor în suprafața supusă tratamentului;

difuziunea atomilor activi în masa metalică până la saturarea acesteia.

Dacă suprafața se îmbogățește cu carbon, tratamentul termochimic se numește cementare prin carburare, în azot-nitrurare, în carbon și azot – carbonitrurare (cianizare),în sulf – sulfizare.

Carburarea (cementarea cu carbon) se utilizează cel mai mult în reparații și constă în îmbogățirea prin difuziunea carbonului în stratul superficial al pieselor din oțel cu conținut mic de carbon (0,1…0,25%). Prin călirea care se aplică în continuarea carburării se obține o suprafață dură și un miez moale.

Factorii principali care influențează procesul de difuziune sunt durata și temperatura de cementare. Influența acestor factori asupra adâncimii stratului cementat este arătată în figura 4.45. Carburarea se poate face în medii lichide, solide sau gazoase.

Mediul carburant solid poate fi cărbunele de lemn, cocsul sau cărbunele animal, pentru accelerarea procesului putându-se adăuga carbonat de sodiu (Na2CO3), carbonat de bariu (BaCO3) sau de calciu (CaCO3). Carburarea se face la 850…920°C, piesele așezându-se în cutii și acoperindu-se în mediul carburant. Temperatura respectivă se menține un timp îndelungat, deoarece viteza de pătrundere a carbonului este redusă (≈ 0,1 mm/h).

Carburarea în mediu gazos se face cu ajutorul gazului metan, de iluminat, de cocserie etc. Durata de carburare este de 2…2,5 ori mai mică decât în mediu solid.

Carburarea în mediu lichid are efect la adâncime mică și se aplică, mai ales, la piesele cu pereți subțiri. Acestea se introduc într-o baie cu săruri (clorură de bariu, stronțiu, sodiu sau calciu), care prin descompunere eliberează carbonul activ și produce carburarea.

O mare atenție trebuie acordată răcirii piesei după carburare. De regulă, răcirea se face astfel încât să se realizeze în mod direct călirea. Este foarte important a se evita contactul direct al piesei cu aerul, deoarece se poate produce o puternică decarburare a stratului tratat. Este bine ca în ultima fază a carburării mediul carburant să fie îmbogățit pentru a se depune pe suprafața pieselor un strat protector de funingine.

Fig. 4.45. Adâncimea stratului călit: a – în funcție de timpul de menținere; b – în funcție de temperatura de încălzire [7]

Piesele care se supun cementării trebuie să fie curate, fără pete de ulei sau rugină. Suprafețele care nu se cementează se acoperă cu o pastă de protecție formată din argilă amestecată cu azbest fin, silicat de sodiu lichid, sau cu un strat subțire din cupru, depus pe cale electrolitică.

Tratamentul termic aplicat pieselor cementate constă din călire și revenire. Călirea se face pentru durificarea stratului cementat și finisarea structurii. Revenirea se face la temperatura de 120…200°C timp de cel puțin două ore, în scopul reducerii tensiunilor interne, măririi plasticității, fără a scădea duritatea stratului cementat.

Nitrurarea este tratamentul termochimic prin care se urmărește saturarea stratului superficial al oțelului (sau fontei) în azot, în scopul măririi durității superficiale, rezistenței la uzură, la oboseală și la coroziune. Față de cementarea în carbon, nitrurarea are avantajul că se obține stratul superficial dur fără alt tratament ulterior.

Pentru nitrurare piesele se încălzesc la 500…600°C într-un curent de amoniac, cu o anumită viteză. Disocierea amoniacului începe la circa 400°C, eliberându-se atomii activi de azot. Nitrurarea se face cu viteză foarte mică, de numai 0,01 mm/h, ceea ce înseamnă că pentru a obține o adâncime de 0,4 mm sunt necesare 45…48 h. Este un tratament puțin productiv și se aplică unor compoziții speciale de oțeluri. Se obține o duritate foarte ridicată (120 HRC), iar rezistența la uzură este de 2…3 ori mai mare decât la piesele carburate. Se aplică cu precădere unor piese de la instalațiile hidraulice unde nu se permite creșterea jocurilor, respectiv a uzurilor.

Carbonitrurarea este un procedeu de saturare simultană a suprafețelor pieselor din oțel sau fontă în carbon și azot. Procedeul a produs o oarecare revoluție în progresul tehnic al tratamentelor termochimice și a fost adoptat în numeroase aplicații ca înlocuitor al nitrurării sau carburării.

Carbonitrurarea se folosește în special la piese din oțeluri aliate (mai ales roți dințate și piesele pompelor de injecție) unde se pun mai bine în evidență avantajele acestui procedeu: viteză de cementare mai mare, respectiv durate mai scurte de menținere, călibilitate mai mare a stratului etc.

Carbonitrurarea se execută la temperatura de 800…870°C, mediul de tratament este în general gazos, în atmosfera de carburare adăugându-se și amoniac. Dezavantajul metodei constă în aceea că duritatea este inferioară nitrurării, iar adâncimea maximă de tratament cu randament optim se oprește pe la 0,8 mm, față de 2 mm în cazul carburării.