Cercetari Privind Influenta Vibrarii Asupra Procesului de Solidificare a Aliajelor

CAPITOLUL I

Defecte caracteristice lingourilor și măsuri tehnologice pentru diminuarea lor

1.1. Introducere

Creșterea purității chimice, a compoziției fazice și structurale a oțelului constituie una din cele mai importante probleme actuale ale practicii elaborării și turnării, știind că, comportarea în exploatare a oțelului depinde de forma, distribuția și natura incluziunilor segregațiilor.

Se cunoaște faptul că aliajele conțin importante cantități de incluziuni nemetalice care scad mult proprietățile mecanice și de exploatare ale pieselor obținute.

Incluziunile prezente în aliajul solidificat îngreunează curgerea metalului la deformare plastică, influențează distribuția defectelor de structură și deplasarea dislocațiilor.

Factoriii care influențează calitatea sunt multiplii și se manifestă pe tot parcursul procesului de elaborare, turnare, solidificare și în procesul de deformare plastică la cald și la rece.

1.2. Defecte caracteristice lingourilor de forjă

În activitatea industrială de elaborare și turnare a oțelului în lingouri pot aparea

defecte datoarte unor fenomene legate de elaborare, turnarea sau cristalizarea primară a căror cauză precisă este greu de determinat. Defectele de regulă apar în efect combinat a mai multor cauze în care sunt implicate procese de elaborare și turnare a oțelului.

În linii mari, defectele care afectează proprietățile oțelului sunt:

defecte de suprafață: crăpături la cald sudura scoarței, porozități deschise;

defecte interne retasuri, porozități, sulfuri, segregații, incluziuni, etc.

Pentru limitarea defectelor trebuie luate o serie de măsuri tehnologice care

influențează solidificarea oțelului turnat în lingotiere prin micșorarea zonelor caracteristice, repartizarea cât mai uniformă a incluziunilor nemetalice, diminuarea retașurilor inchise și deschise.

1.2.1. Defecte de suprafață

Această grupă de defecte este determinată mai ales de parametrii tehnologici de turnare ai oțelului, iar soluțiile practice de diminuare a lor reclamă optimizarea condițiilor și parametrilor de turnare. În continuare sunt prezentate principalele defecte de suprafață ale longourilor.

Crăpăturile la cald se produc în cazul apariției tensiunilor prea mari în crusta primară, formată la solidificare, care nu rezistă solicitărilor termice și mecanie la care este supusă.

Crăpăturile orizontale se produc dacă este frânată contracția lingoului pe axa longitudinală, cauzele acestor crăpături fiind:

defecte ale suprafeței interioare a ligotierei;

încasare lingourilor la piciorul de turnare;

atârnarea lingourilor prin suspendarea în zona maselotei;

lovirea violentă a crustei de către jetul de oțel.

Crăpăturile verticale se produc de regulă în partea superioară a lingourilor, fiind cauzate de tensiuni produse de grosimea coloanei de lichid în crusta solodificată, de folosirea construcției acesteia și de transformările structurale cu schimbare de volum care au loc la temperaturi înalte și respectiv joase.

Pentru combaterea crăpăturilor verticale se recomandă o serie de măsuri tehnologice ca:

turnarea oțelului la temperatură joasă;

viteza de umplere să fie limitată pentru corpul lingoului la cea de 1-2 tone pe

minut, funcție de mărimea, peste care proporția de lingouri crăpate crește liniar cu viteza de umplere;

lingotierele să fie curate și fără defecte;

conținutul cât mai redus de elemente care segregă interdendritic, în special

fosfor și sulf.

Sudurile reci formează la turnarea directă când se deschide brusc dopul oalei și oțelul curge cu viteză mare sau la turnare în sifon când oțelul urcă în lingotueră în valuri. Sudurile reci mai apar la oțelurile vâscoase cu conținutul ridicat de mangan, siliciu, cupru, aluminiu. În regiunea lor lingoul este murdar. Aceastea pot produce crăparea sau chiar ruperea lingoului la forjare.

Scoațele apar pe lingouri în condițiile turnării directe ca urmare a loviturii de către jetul de oțel a plăcii de bază sau a suprafeței libere a oțelului. Stropii de oțel de pe pereții lingotierei se solidifică și se oxidează până vor fi ajunși din urmă de nivelul masei de oțel, care apoi vor fi înglobați în crustă provocând defecte. Pericolul de formare a scoarțelor poate fi redus prin micșorarea înălțimii de stropire a pereților lingotierelor sau mai ales prin turnarea indirectă.

Se subliniază faptul că odată cu mărirea vitezei de curgere a oțelului, gradul de împrăștiere a stropilor crește. De asemenea mărimea turbulenței jetului conduce la creșterea cantității de stropi.

Ca măsuri practice propuse pentru diminuarea stropilor și scoarțelor, în literatura de specialitate sunt semnalate următoarele soluții:

asigurarea unei viteze optime de turnare, funcție de mărimea lingoului

conform relației:

Woptim = K

în care:

K – 0,15 – 0,30 m1/2mm-1;

Woptim – viteza de umplere, în m/minut;

b – latura sau perimetrul lingoului turnat, în m;

– asigurarea bazinelor antistropi la turnarea directă a lingourilor mari de forjă;

– utilizarea unor zgure sintetice granulare sau prăfoase pe fundul lingotierei pentru atenuarea impactului jetului cu fundul lingotierei și care să asigure apoi rafinarea oțelului turnat;

– utilizarea procedeului de turnare indirectă a oțelului, care pentru lingouri de forjă câștigă teren pe plan mondial.

1.2.2. Defecte interne

Aceste defecte sunt determinate mai ales de nerealizarea parametrilor tehnologici de elaboarare (defosforarea, dezoxidarea, desulfurarea, degazarea, etc) și se manifestă cu prioritate asupra structurii și proprietăților primare ale lingurilor de oțel.

După formarea zonei exterioare cu cristale echiaxiale mici, ca urmare a proceselor fizice care au loc în timpul solidificării lingourilor de oțel calmat, monostructura acestora este neomogenă. Este constituită în principiu din zonele prezentate în figura 1.1.

În general, zonele 1-4 sunt incluse în neomogenitatea structurală sau macroscopică a lingoului în timp ce zonele 6 – 7 sunt cuprinse în neomogenitea fizică a lingoului.

Mărimea de includere a acestor zone este caracteristică claselor de oțel analizate, în dependență directă cu parametrii de turnare și caracteristicile constructive ale aliajului turnat (conicitate, raport H/D etc).

Fig 1.1. Structura zonală a lingoului de oțel.

zona cristalelor echiaxiale mici;

zona de transcristalizare cu cristale mici;

zona de trecere cu cristale echiaxiale;

zona de cristale axiale mari;

conul de picior al lingoului;

zona axială cu segregații majore;

retasură concentrată.

Zona cristalelor echiaxiale mici se formează la contactul cu oțelul lichid cu pereții reci ai lingotierei. Conform datelor lui Adams grosimea crustei exterioare lingoului de oțel în condițiile reacției dintre cele două corpuri se determină cu relația:

în care:

τ – durata de cristalizare, în minute.

λ – conductivitatea temică a stratului de oțel solidificat, în kcal/mh°C.

K – coeficientul de transport de căldură prin limita de separație lingou – lingotieră având valoarea cuprinsă între 0,027 – 0,110 kcal/mh°C.

Fig.1.2 Macrostructura lingoului de oțel solidificat.

Zona cristalelor echiaxiali mici;

Zona cristalelor columnare;

Zona cristalelor echiaxiale mari;

Zona axială a lingoului.

În această zonă de metal lichid subrăcit apar concomitent multe centre de cristalizare care asigură formarea unor cristale primare fine, echiaxiale.

Zona cristalelor columnare se formează după solidificarea crustei exterioare a lingoului, când scade intensitatea de evacuare a căldurii. Astfel se reduce numărul de centre de cristalizare, iar energia termică se transmite unidirecțional spre peretele lingotierei. Solidificarea încetează când zona de subrăcire maximă apar centre de cristalizare ale cristalelor individuale, formate mai ales din elemente care segregă puternic.

Grosimea acestei zone cu structură de transcristalizare este influențată de temperatura oțelului lichid turnat, viteză de cristalizare, conținutul de adaosuri care segregă, introducerea de diferiți agenți care segregă și de dimensiunile secțiunii transversale a lingoului.

Odată cu mărirea secțiunii transversale a lingoului influența supraîncălzirii oțelului și a curenților convectivi asupra limitei de solidificare se menține pentru o durată mult mai mare decît în lingourile cu secțiune mare.

Zona cristalelor echiaxiale mari se caracterizează printr-o structură dendritică grosolană formată mai ales prin deplasarea structurilor de ecuație, prin procese hidrodinamice și capilare spre axa lingoului însă cu viteză redusă datorită fluxului termic înspre peretele lingotierei. Din acest motiv lipsește și fenomenul de orientare a dendritelor care în condițiile răcirii lente se dezvoltă puternic în volum.

Zona axială a lingoului se formează în două etape și anume: în prima etapă, când în interiorul lingoului există încă metal supraîncălzit și partea inferioară a zonei axiale se formează pe baza sedimentării cristalelor care apar cu o greutate specifică mai mare decât masa de lichid; în a doua etapă, când temperatura lichidului în zona axială scade sub cea lichidus, are loc formarea centrilor de cristalizare și creșterea lentă a cristalelor mari pe întreg volumul de oțel semilichid rămas, cristalele care vor conține cantități importante de adaosuri de elemente cuprinse de frontul de solidificare ca: S, C, P etc.

În această zonă curenții de convecție sunt aproape inexistenți datorită volumului redus de masă lichidă, de aceea s-ar impune în practică aplicarea unor procedee artificiale de finisare a cristalelor în această zonă cu introducerea unor germeni suplimentari de cristalizare.

Oțelurile cu conținut ridicat de crom. Sau cele cu conținut ridicat de siliciu dau probleme deosebite în ceea ce privește tendința de transcristalizare.

Un aspect caracteristic tuturor claselor de oțel este gradul de compactitate interioara a lingoului, care constituie de fapt una din cerințele fundamentale ale unei producții de oțeluri de calitate corespunzătoare.

Prezența în interioarul lingoului a unor defecte evidente ca zona de retasură secundară, prelungiri ale retasurii primare, porozitatea primară sau generală, poate compromite oțelul elaborat deoarece astfel de defecte generează fisuri în timpul procesului de cristalizare și solidificare a oțelului în lingotieră, fiind influențate în principal de puritatea oțelului elaborat, caracteristicile constructive ale lingotierei, temperatura și viteza de turnare, timpul de menținere a oțelului în maselotă.

Fig.1.3. Defectele din macrostructura unui lingou de 30 tone.

Capacitatea maximă a lingoului se obține atunci cînd solidificarea lingoului în direcție verticală se termină mai înainte ca frontul de solidificare să ajungă la axa lingoului.

Porozitatea ca defect major în lingou, poate să apară și în situația în care maselota nu funcționează corespunzător.

Defectele manifestate în lingou sub formă de neomogenitate fizică și structurală pot fi sensibil diminuate prin procedee tehnologice de dirijare a procesului de cristalizare și solidificare a oțelului lichid turnat în lingotieră.

Prin aceste procedee se amintesc următoarele: realizarea maselotelor exoterme și termice;

modificarea oțelului lichid cu microrăcitori;

modificarea oțelului turnat cu macroracitori;

Studiul microstructurii lingourilor mari de forjă efectuate de Creusot – Loire și Cockerille (Franța) au pus în evidență zonele caracteristice din lingourile de oțel aliat cu Cr-Ni-Mo după cum urmează:

Compoziți chimică a oțelului aliat în lingou.

Tab.1.2.1

Structura metalografică a zonei exterioare a lingourilor are grosimea cuprinsă

între 5 – 10 mm și se caracterizează prin:

zone de cristalizare echiaxiale fine;

prezența porilor și a sulfurilor de gaze;

Structura metalografică a zonei corespunzătoare cristalelor columnare din

lingou se definește prin:

structura columnară dezvoltată spre axa lingoului cu lungimea de 200 – 300

mm;

prezența incluziunilor de sulf care sunt puse în evidență de amprenta

Baumann.

Structura metalogra

între 5 – 10 mm și se caracterizează prin:

zone de cristalizare echiaxiale fine;

prezența porilor și a sulfurilor de gaze;

Structura metalografică a zonei corespunzătoare cristalelor columnare din

lingou se definește prin:

structura columnară dezvoltată spre axa lingoului cu lungimea de 200 – 300

mm;

prezența incluziunilor de sulf care sunt puse în evidență de amprenta

Baumann.

Structura metalografică din zona axială a lingoului.

zona se lărgește de la bază către partea superioară;

prezența structuii cu cristale grosolane neorientate;

sunt puse în evidență zonele cristalizate în formă de V ale cristalelor

dendritice;

zona este bogată în incluziuni nemetalice (C , S, P) care nu s-au dizolvat și au

fost împinse de frontul de solidificare;

sunt prezentate defecte de structură ca: porozități accentuate, fisuri, dislocații;

defectele menționate în zona axială sunt mult mai pronunțate la lingourile de

150 – 300 tone, în comparație cu lingoul de 100 tone.

1.3 Neomogenitatea chimică a lingourilor

Alături de neomogenitatea structurală și fizică a lingourilor, procesele ce au loc în timpul solidificării oțelului conduc și la formarea unei neomogenități chimice atât la nivelul dendritei (segregație dedritică zonală) cât și în diferite zone ale lingoului (segregație zonală).

Segregația dendritică este rezultatul firesc al faptului că în timpul solidificării, coeficientul de difuzie al unui elemnt de fier la temperatura de solidificare, este de ordinul 10”6 m/s, iar viteza de solidificare este de ordinul 10” m/s. Rezultă că practic, în cursul procesului de solidificare, nu poate fi realizată omogenizarea concentrației elementelor însoțitoare în faza solidă formată, la aceasta contribuie și solubilitatea diferită în faza solidă și lichidă a elementelor însoțitoare.

Solidificarea este un proces în afara echilibrului, concentrația elementelor însoțitoare în regiunea spațiilor interdendritice poate atinge valori mai mari decât cele la echilibru.

Valorile unor coeficienți de difuzie în aliaje pe bază de fier sunt prezentate în tabelul următor:

Tabel 3.1

Segregația dendritică este caracterizată de elemente ca: azot, bor, sulf, carbon, care formează combinații cu elementele prezentate în spațiile interdendritice.

Segregația dendritică este caracterizată prin raportul K dintre concentrația elementului în spațiul interdendritic Ci și axa Cax:

K= Ci/Cax (1.3.1)

Segregația dendritică, în cazul unei dizolvări importante, afectează în măsură importanța proprietăților de plasticitate ale oțelului, fiind cauza apariției diferitelor tipuri de fisuri în timpul prelucrării la cald, iar în unele cazuri poate provoca fragilitatea la revenire.

Pentru micșorarea segragației se poate acționa asupra stării solide prin:

micșorarea conținutului de impurități (S, P, O2);

utilizare de modificatori ca: pamânturi rare, zirconiu, bor, etc;

intensificarea vitezei de răcire a oțelului turnat pentru micșorarea

dimensiunilor dendritelor.

Segregația zonală caracterizează din punct de vedere chimic neomogenitatea

generală a lingoului, distrugându-se următoarele aspecte:

compoziția chimică a oțelului din crusta marginală și din zona centrală este

diferită de cea a oțelului din oala de turnare,

conul segregației negative din zona de picior a lingoului;

zona segregată pozitiv în „capul” lingoului.

Schematic, segregația zonală a lingourilor este prezentată în fig.1.4.

Zona segregată (1), caracterizată prin prezența unei succesiuni de benzi de segregație cu lățimi de 2 – 12 mm și lungime de până la 1 mm, dispuse într-un unghi ascuțit față de axa lingoului, care este cunoscută și sub denumirea de segregație în formă de A. În această zonă conținutul de C, P, S ajunge să fie de până la 3 – 4 ori mai mare decât în restul.

Fig.1.4. Segregațiile oțelului lichid, în lingouri.

Zona segregației dispare în regiunea axială a lingoului în anumite cazuri, se poate întinde pe întreaga jumătate superioară; este zona Q care sunt localizați segmenții în formă de V, de regulă asociate cu porozitatea.

Se presupune că segregația în formă de V este rezultatul fisurării sub influența tensiunilor exercitate de crusta solidificată asupra zonei axiale a lingoului aflat în stare păstoasă, cu pătrunderea în fisurile formate a oțelului îmbogățit cu impurități.

Pentru caracterizarea segregației zonale se folosește raportul K2 dintre concentrația în elementul considerat în zona analizată Cs și respectiv concentrația aceluiași element în stare lichidă CL (oala de turanre):

(1.3.2)

Valoarea acestui raport este funcție de diametrul lingoului și de condițiile concrete de turnare.

În zona segregată pozitiv în regiunea superioară a lingoului, se menționează că mărimea, localizarea și intensitatea acesteia sunt detrminate în măsură însemnată de modul în care acționează maselota.

Fig.1.5 Segragația carbonului pe axa longitudinală și pe diametrul lingoului de oțel carbon de 30 tone.

La o maselotă activă, capabilă să alimenteze cu aliaj lichid corpul lingoului un timp îndelungat și să preia în același timp o cotă însemnată din aliajul lichid impur din ultima parte a solidificării lingoului, zona segregată este mai redusă și cu vârfurile de concentrație mare situate de regulă în maselotă. În cazul maselotării cu materiale termoizolante slabe întinderea zonei segregate este mai mare afectând în măsură însemnată și corpul lingoului, ceea ce conduce la un șutaj chimic sporit.

Odată cu carbonul segrega puternic și elementele: sulf, fosfor, oxigen, așa cum rezultă și din figur 1.5 la un lingou de 30 tone.

1.4. Măsuri tehnologice pentru diminuarea defectelor din lingourile de oțel și îmbunătățirea coeficientului de scoatere la forjare.

Lingourile mari de forjă, turnate cu tehnologie clasică, nu asigură și nu garantează o calitate superioară prefabricatului forjat cu consecințe economice și tehnologice deosebit de nefavorabile în activitatea economică și de producție.

Printre măsurile tehnologice care pot contribui la ameliorarea sensibilă a calității lingourilor și a pieselor forjate mari se menționează următoarele:

1. Elaborarea oțelului cu conținut redus de incluziuni prin utilizarea metalurgiei în oala de turnare. Se asigură în compoziția oțelului conținuturi scăzute de incluziuni: S<0,01%, P <0,015%, O2 < 50 ppmm, N2 < 50 ppmm, H2 < 2,5 cm3/100 g.

În cadrul experimentelor industriale privind elaborarea oțelului prin procedeul duplex: cuptor cu arc – oală de turnare.

2. Turnarea oțelului sub formă de lingouri care asigură obținerea unei structuri de turnare mai fine, cu segregații și defecte mai reduse în timp ce coeficientul de scoatere pentru reperele forjate crește cu 15 – 20%.

3. Tehnologia J. S. W. (Japonia), cunoscută și sub denumirea de procedeu „multiponng” de turnare care constă în elaborarea și turnarea oțelului de compoziție apropiată, care în urma procesului de cristalizare și segregare determină o reducere sensibilă a zonelor puternic segregate și o diminuare accentuată a defectelor.

Alte procedee de modificare a structuri sunt:

vibrarea cu ultra sunete;

amestecarea mecanică și electromagnetică;

răcirea forțată a lingoului solidificat.

CAPITOLUL II

STUDIUL INFLUENȚEI VIBRAȚIILOR ASUPRA ALIAJELOR METALICE LA TURNARE

2.1 Procese fizice ce au loc la vibrarea aliajelor metalice

2.1.1 Acțiunea forțelor de impuls

Fig.2.1.1 Corelația dintre traiectoria, viteza și accelerația mișcării în cazul unei oscilații după o lege sinusoidală.

Aplicând oscilațiile armonice forțate (centrul de greutate deplasându-se după o lege sinusoidală unui aliaj de masă m, accelerația j își schimbă sensul la fiecare perioadă de oscilație (fig.2.1.1) ducând la apariția în aliajul lichid a două forțe de inerție alternative y1 și y2 egale ca înălțime dar de semn contrar:

(2.1.1)

Luând în considerare și forța G = mg, greutatea efectivă Gef se va modifica în timp, conform relației:

(2.1.2)

În cazul în care j = jmax = g, forța care acționează în aliajul lichid în prima semiperioadă este maximă, rezultând următoarea corelație optimă între amplitudine și frecvență.

g = a(2πf)2

f – frecvența de oscilație

2.1.2 Transferul macroscopic de masă

Dacă se montează în partea inferioară a cavității formei o tijă vibratoare a cărei suprafață frontală vine în contact direct cu aliajul lichid, circulația topiturii vine cu j>gf.

Transferul macroscopic de masă depinde de corelația dintre parametrii a și f având loc în domeniile II și III, nu în domeniul I (fig.2.1.2) când aliajul nu depinde de tija vibratoare. În zona III desprinderea are loc la egal cu 0 iar în zona II desprinderea are loc pentru:

2.1.3. Fenomene de caviație

Sub acțiunea oscilațiilor mecanice aliajul se deplasează în regimul de curgere impus de criteriul lui Reynolds în expresia căruia intervin amplitudinea și frecvența de vibrare.

Cavitatea apare atunci când viteza relativă dintre fluid și cristal este mai mare decât o viteză critică.

Fig. 2.1.2 Efectul vibrării asupra transferului macroscopic de masă

Pe de altă parte, la viteze mari de deplasare ale aliajului lichid procedeu de cavitație se poate produce și în afara limitelor cristalului. În urma distrugerii bulei de cavitație, gazele din interiorul acesteia se comprimă aproape adiabatic. Se produce o implozie ce are ca efect direct o creștere importantă a presiunii locale, însoțită de sfărâmarea cristalelor în curs de creștere.

2.1.4. Mărimea gradului de subrăcire

Prin vibrarea aliajului lichid, crește coeficientul de schimb de căldură prin convecție, determinând mărimea valorii criteriului Biot și deci creșterea transferului termic. Fragmentarea cristalelor de la suprafața frontului de solidificare este un efect al vibrării. În același timp transferul de căldură de la aliaj la crusta solidificată se intensifică.

Analiza termică arată că în aceste condiții timpul de solidificare crește și se îmbunătățesc condițiile apariției și dezvoltării fazei solide.

2.1.5. Modificarea condițiilor de echilibru solid – lichid

Modificarea condițiilor de echilibru solid – lichid influențează apariția cristalelor. Așa, pentru fiecare presiune există o temperatură de solidificare, sau de început de solidificare, bine determinată. Variația temperaturii cu presiunea este dată de Clausius – Clapeyron:

în care:

VL – VS – reprezintă diferența de volum datorată contracției la trecerea aliajului din lichid în solid. Dacă VL – VS> 0 (cazul oțelului și a aliajelor neferoase) când dT/dp > 0, crescând presiunea se mărește temperatura de solidificare și apar condițiile favorabile de germinare a cristalelor.

Vibrațiile influențează tensiunea superficial interfazică soli – lichid, în sensul reducerii acesteia, conducând la micșorarea razei minime a nucleelor la care aceștia nu se mai retopesc ci urmează un proces de dezvoltare.

2.2 Efecte tehnologice

2.2.1 Omogenizarea și finisarea structurii

Datorită vibrațiilor, dendritele în curs de formare se rup și fragmentele rezultate sunt aduse de curenții de convecție naturali sau de vibrații în toată masa aliajului. Se creează condiții favorabile apariției unui număr mare de cristale de dimensiuni mici și de împiedicare a dezvoltării zonei macrostructurale columnare. Creșterea vitezei de răcire ca efect al vibrațiilor, duce la finisarea pronunțată a structurilor de solidificare.

2.2.2 Mărimea compacității materialelor turnate

Obținerea unui material turnat compact este asigurată dacă viteza de pătrundere a aliajului în canalele capilare ale zonei bifazice este egală cu viteza de contracție. În urma cercetărilor experimentale s-a constatat că aplicarea vibrațiilor în timpul turnării duce la mărirea considerabilă a compacitătii materialului turnat și la umplerea riguroasă a formei.

2.2.3. Degazarea aliajelor

Pentru a se constitui un aliaj sub formă de separări distincte, gazele trebuie să aibă o presiune egală sau mai mare decât presiunea totală:

Pt = Pat + pgH + 2σ/r (2.1.4)

în care:

Pt – presiunea totală;

Pat – presiunea atmosferică;

pgH – presiunea metalostatică;

2σ/r – presiunea determinată de tensiunea superficială;

r – raza bulei de gaz.

După formare, viteza separărilor de gaze este dată de legea lui Stokes. Sub acțiunea vibrațiilor are loc o micșorare a tensiuni superficiale σ și a vâscozității concomitent cu o creștere a volumului bulelor, creându-le condiții favorabile de formare și ridicare a separărilor de gaze.

2.2.4 Micșorarea tensiunilor interne

Cele mai periculoase tensiuni ce pot apărea la răcire sunt tensiunile termice, atât datorită valorilor lor mai mari cât și datorită dificultăților de revenire a apariției lor.

Vibrațiile mecanice micșorează diferențele de temperatură pe secțiunile pereților pieselor ducând la reducerea tendinței de apariție a tensiunilor interne.

2.2.5 Reducerea segregațiilor

Vibrațiile determină reducerea fenomenelor de macrosegregare prin mărirea vitezei de solidificare ca urmare a intensificării transferului de căldură către forma și prin segregarea canalelor capilare din zona bifazic.

Straturile limită sunt distruse între faza solidă și cea lichidă ceea ce determină o diminuare a intensităților proceselor de microsegregare.

2.2.6 Eliminarea incluziunilor nemetalice

Oscilațiile mecanice pot produce următoarele efecte:

mărirea probabilității de ciocnire și coalescență a incluziunilor, crescând

astfel viteza de eliminare a lor;

repartizarea uniformă a particulelor rămase în toată masa aliajului;

reducerea dimensiunilor particulelor neeliminate prin finisarea generală a

structurii aliajului turnat.

2.2.7 Creșterea capacității de curgere a aliajului

Datorită efectului de micșorare a vâscozității și a tensiunilor superficiale, dacă sunt aplicate vibrații mecanice asupra aliajului turnat, se mai pot observa și efecte dinamice care determină o creștere însemnată a fluidității aliajelor, cu toate că în condiții de vibrație transferul de căldură se intensifică.

Analiza teoretică a influenței vibrațiilor asupra capacității de curgere a aliajului se poate face luând în considerare următoarele din fig. 2.1.3:

Fig. 2.1.3 Curgerea aliajului sub influența vibrațiilor

Dacă viteza inițială W, imprimată de elementul vibrator este aproximativ constantă până în secțiunea 2, viteza totală W este:

Wt = W1 + W2 (2.1.5)

Unde W2 este dată de relația:

(2.1.6)

rezultă că:

(2.1.7)

Debitul Q este:

(2.1.8)

Din aceste ecuații rezultă că vibrațiile măresc viteza de curgere și debitul aliajului prin micșorarea tensiunilor superficiale și adăugarea temenului (a w).

CAPITOLUL III

TEHNOLOGIA DE TURNARE A ALIAJELOR ÎN CÂMP VIBRATOR

3.1 Noțiuni generale

După cum s-a mai arătat anterior, vibrațiile se pot transmite aliajelor metalice topite cu ajutorul unor instalații numite vibratoare. S-a arătat că acțiunea lor se poate produce în timpul elaborării, curgerii spre forma de turnare sau chiar în forma și în timpul solidificării aliajelor.

Se pot aplica ultrasunete asupra aliajului în timpul solidificării, cu efecte pozitive ducând la micșorarea numărului de defecte ce apar (porozități, neomogenități chimice, crăpături la cald, etc).

3.2. Solidificarea aliajelor

3.2.1. Cristalizarea aliajelor

Cercetările privind influența vibrațiilor mecanice asupra procesului de solidificare au condus la concluzia că acestea au o influență favorabilă asupra microstructurii și implicit asupra proprietăților fizico-mecanice ale pieselor obținute.

În condițiile cristalizării dinamice se constată câ are loc o creștere însemnată a vitezei de solidificare, o finisare a structurii accentuată și o reducere a segregațiilor. Se cunoaște că într-un număr mare de cazuri, transformările de fază, încep în anumite puncte și se propagă în contiunuare din acestea.

Cinetica formării unei faze noi, adică modul de dependență a vitezei transformării de temperatură, este determinată de trei procese distincte:

germinarea unei faze noi;

creșterea particulelor fazei noi;

procese secundare care conduc la schimbarea structurii sau a morfologiei

precipitatului primar.

Procesul de nucleare ce are loc în interiorul unor elemente de volum, de faze omegene se numește germinare omogenă. S-a descoperit că germenii de transformare se formează în sistem, cum sunt: suprafețele de separație, pereții formei, cristale aflate în suspensie care au rolul de a cristaliza procesul de germinare. Asemenea proces de nucleare este cunoscut sub numele de germinare eterogenă.

La fomarea unei structuri noi dintr-o fază lichidă se consideră un echilibru eterogen, adică există mai mult de o fază în echilibru. Entalpia liberă a unei faze componente se definește astfel:

G = H – TS (2.1.9)

în care:

G – entalpia liberă;

H – entalpia;

T – temperatura absolută;

S – entropia.

Considerând că presiunea este constantă, avem:

(2.1.10)

Adică entalpia se micșorează odată cu creșterea temperaturii.

În fig.3.1.1 este prezentată schematic variația entalpiei libere pentru cele trei faze ale unui metal pur.

Fig.3.1.1 Variația entalpiei libere pentru cele trei faze ale unui metal pur,

Variația entalpiei libere la transformarea de fază pentru temperatura constantă este:

ΔG = ΔH – ΔST (3.1.1)

La echilibru dintre cele două faze avem ΔG = 0 și se pot defini punctul de topire Tt și temperatura de vaporizare Tv. La orice temperatură, faza de echilibru este faza care are entalpia liberă minimă, deci AG este forța motrice a transformării care are loc.

Dacă se consideră că dependența de temperatură a variației entalpiei și entropiei este mai mică, atunci se poate scrie că:

H1 – HS = Ltop (3.1.2)

în care:

Ltop – este căldura latentă de topire.

Cum la punctual de topire avem AG = 0 rezultă că entropia de topire este:

(3.1.3)

Prin înlocuirea relațiilor de mai sus în relația lui ΔGv avem:

(3.1.4)

în care:

ΔT – este diferența de temperatură între temperatura de echilibru la topire și temperatura la care are loc transformarea și este cunoscută în procesul germinării ca subrăcire termică.

Proprietatea unei suprafețe solide de a acționa ca un factor centralizator al procesului de cristalizare a unui metal din topitura sa, depinde de modul în care atât solidă cât și cea lichidă interacționează cu această suprafață a particulei străine.

Gradul de umectare este o măsură a diferenței dintre energiile superficiale dintre solid-particulă și lichid-particulă. Această diferență se exprimă în general prim mărimea unghiului de umectare Өu în fig.3.1.2 se prezintă formarea unui germen, numit suport. Considerând că energiile de suprafață sunt complet izotrope și nu sunt orientate preferențial funcție de rețeaua cristalină și considerând aceste energii în echilibru, avem:

σls – σgs = σlg A cos 0 (3.1.5)

în care:

– σls, σgs, σlg – sunt energiile de suprafață la limita lichid suprafață contact, germen – suprafață de contact, lichid – germene.

Fig.3.1.2. Formarea unui nucleu solid în cazul nucleerii pe un suport catalizator

Valoarea unghiului 0 influențează direct energia de formare a unui germen solid.

3.2.2 Influența vibrațiilor asupra topiturilor metalice

În vederea creșterii vitezei de nucleare și a obținerii unor materiale cu structură fină, se utilizează germinarea dinamică, care presupune vibrarea lichidului metalic prin utilizarea ultrasunetelor, a vibrațiilor mecanice, agitării prin injectare de gaze, agitarea în câmp magnetic etc.

Aplicând topiturilor metalice în curs de solidificare vibrațiile mecanice energia punctelor materiale, respectiv a germenilor de cristalizare aflați în suspensie, va fi egală cu suma dintre energia cinetică și cea potențială a punctelor materiale. Deci energia germenilor de cristalizare este mai mare în cazul solidificării sub acțiunea undelor mecanice, decât în cazul cristalizării statice. Sub acțiunea stării de vibrație, particulele mediului exercită oscilații în jurul poziției de echilibru.

Aceste oscilații se fac cu o viteză u, variabilă în timp, u – f(t) și este diferită de viteza de propagare a oscilațiilor în mediu.

Considerând o oscilație cu elongația:

(3.1.6)

Prin derivare se obține viteza de oscilare a particulelor atinse de frontul de undă:

(3.1.7)

Energia cinetică Wc a tuturor particulelor din volumul unitar V va fi:

(3.1.8)

Deoarece p = m/v cum valoarea medie a mărimii este că valoarea medie a energiei cinetice este (3.1.9).

Energia potențială medie Wp este egală cu energia cinetică Wc, așa încât energia medie din volumul unitar va fi:

(3.1.10)

Rezultă că pentru mărimea energiilor germenilor de cristalizare se poate acționa asupra frontului și asupra amplitudinii oscilațiilor mecanice la care este supusă topitura. Atât în cazul nucleerii omogene, cât și în cazul nucleerii neomogene, în timpul dezvoltării germenilor de cristalizare, sub acțiunea undelor mecanice de o anumită frecvență și amplitudine, se dezvoltă anumite presiuni care acționează asupra ramurilor dendritice în curs de formare, provocând fragmentarea acestora.

Presiunea de radiație a undelor este dată de relația lui L.Brillon:

(3.1.11)

unde:

– Ө este unghiul dintre normala la suprafața de incidență a undei normale la frontul undei.

Din analiza relației presiuni de radiație, rezultă că presiunea asupra dendritelor în formare este proporțională cu energia de vibrare și direcția de formare a undelor. Pentru fragmentarea dendritelor sunt necesare energii mari, precum și orientarea frontului de undă perpendicular pe axele dendritice.

Fragmentarea dendritelor desprinse duce la apariția de noi germeni de cristalizare. Astfel numărul germenilor de cristalizare crește exponențial cu timpul, generându-se, sub acțiunea vibrațiilor, o structură mult mai fină.

3.2.3 Creșterea cristalelor

Cinematica acestui proces depinde în mare măsură de ușurința cu care atomi din faza lichidă se pot atașa la suprafața germenilor solizi care la rândul lor depind de structura interfeței soli-lichid. Această structură și forma interfeței solid-lichid influențează morfologia cristalelor, numărul și distribuția defectelor din structura cristalină a fazei solide. Astfel, la interfața cristalului are loc o trecere din lichid în solid care determină viteza de solidificare și o trecere din solid în lichid ce determină viteza de topire.

Interfața solid-lichid este un strat limită între două faze. Se consideră în general, două tipuri de interfațe sau suprafețe de separație, după cum se poate vedea în figura 3.1.3.

a) trecerea dreaptă b) trecerea gradată

Fig.3.1.3 Tipuri de interfețe

Funcție de forma pe care o are suprafața de separație lichid-solid creșterea cristalelor se face prin mai multe mecanisme:

mecanismul de creștere continuă;

mecanismul de creștere laterală;

mecanismul de creștere pe defecte.

Mecanismul de creștere continuă a cristalelor presupune că toate locurile de pe suprafața de separație sunt egale ca proprietăți și că suprafața de separație prin depunerea succesivă a atomilor, pentru transportul cărora este necesară o energie de activitate AGc (fig.3.1.4).

Distanta

Fig. 3.1.4 Variația entalpiei libere în funcție de distanța interatomică, în cazul mecanismului de creștere continuă.

În acest caz viteza de creștere este dată de relația Vc = μCaΔTcr, de unde, de regulă rezultă că viteza de creștere este direct proporțională cu gradul de subrăcire.

Fig.3.1.5

Constanta μc poate fi calculată și are valoarea: μnc = 10-12 ms-12 k1, concluzionăm că obținem viteze mari de creștere la subrăciri mici.

Mecanismul de creștere laterală consideră ca suprafața de solid-lichid este plană și în trepte și că procesul de creștere are loc prin nucleere omogenă de straturi noi sub forma unor discuri ce cresc lateral până când se formează un strat complet.

Viteza de creștere laterală are relația:

(3.1.12)

în care μ1 și b sunt constante ce depind de natura materialului metalic lichid considerat.

Mecanismul de creștere continuă pe defecte presupune că există pe suprafața de separație mai multe trepte de creștere continuă pe care atomii din lichid se pot atașa continuu. Viteza de creștere este dată de relația:

Vd = μd (ΔT)2 (3.1.13)

Analizând curbele lui Tumman (fig.3.1.6) rezultă că numărul de grăunți ce rezultă în unitatea de volum în urma solidificării este dependent de viteza de formare Vf și de viteza de creștere Vc a germenilor de cristalizare, aceste mărimi fiind la rândul lor dependente de gradul de subrăcire aplicat topirii metalice.

În condițiile cristalizării statice avem relația:

Iar în cazul cristalizării dinamice:

în care:

Ng, N’g – numărul de cristalizare în condiții statice, respectiv dinamice;

Vf, Vfd – viteza de formare a grăunților în condiții statice, respectiv dinamice;

Vc, Vcd – viteza de creștere în condiții statice, respecti dinamice.

Pentru că Vf << Vm rezultă că Ng< N’g, deci in conditii dinamice iau nastere structuri mult mai fine si deci apar proprietati mecanice superioare.

CAPITOLUL IV

TEHNOLOGII DE TURNARE ÎN CONDIȚII DINAMICE

4.1. Generalități

Valoarea masei topite permite înlăturarea neomogenităților structurale a pieselor turnate și deci înlăturarea zonei cu cristale columnare și fărâmințarea structurii.

Prin înlăturarea tuturor acestor defecte se obține creșterea proprietăților mecanice ale pieselor turnate și ale semifabricatelor. În fig.4.1.1 se prezintă un dispozitiv de vibrare a lingotierelor.

Fig. 4.1.1. Schema dispozitivului pentru vibrarea lingotierei:

Pentru lingouri mici și pentru piese cu configurație simplă se introduc vibrațiile direct în masa topită. În fig.4.1.2 se arată schema vibrațiilor aliajului topit în formă, în care: 1 – formă; 2 – aliaj topit; 3 – placă; 4 – vibratorul; a – masa vibratoare; b – aplicarea vibrațiilor pe fundul lingotierei; c – aplicarea vibrațiilor la partea superioară a lingotierei, pe axele dendritice.

Fragmentele dendritice desprinse devin la rândul lor noi germeni de cristalizare. Astfel, numărul germenilor de cristalizare crește exponențial cu timpul, generându-se acțiunea vibrațiiilor, o structură mai fină comparative cu cea obținută în condiții statice.

4.2. Tratarea băii metalice cu vibratoare mecanice

Aplicarea vibrațiilor se poate face direct asupra băii metalice topite, dar mai ales asupra formei care conține aliajul topit. Multe asemenea aplicații se întâlnesc la turnarea continuă, unde cristalizatorul este supus vibrațiilor pentru a se evita apariția aderențelor între cristalizator și lingoul turnat.

În cadrul firmei DEMAG A.G. Germania, funcționează o instalație la care s-a îmbunătățit sistemul de oscilație față de sistemele clasice, prelungindu-se și perioada de viață a echipamentului oscilant. În aceste condiții s-a realizat și transmiterea fidelă a oscilațiilor. În fig. 4.1.3 este prezentată construcția acestei instalații, în care: cristalizatorul (1) este așezat pe masa (2) și suportul (3) prin care trece lingoul turnat.

Pozițiile a, b, c sunt așezate astfel încât se poate mișca față de suportul (4), dar sunt legate de acesta printr-un bolț (5). Aparatul oscilator cuprinde o eclisă (6) care are la capăt o articulație cu bolțul (5) și la capătul celălalt un element (7) ce se rotește în jurul bolțului (8). Bolțul (8) este fixat prin intermediul pieselor (9) de pereții (10) ai ramei (4). Eclispele (11) întăresc construcția. Două perechi de tije (12) leagă prin articulație suportul cristalizatorului de suportul (14) prin intermediul bolțurilor (13). Când mișcarea de oscilație se transmite pe barele (12) la masa suport, reacția se transmite la suportul (14). Prin deschiderea (15) executată în traversa (14) trece o tijă (14) de la mecanismul (17) la suportul formei.

Fig. 4.1.3 Sistemul de oscilare al cristalizatorului

Un exemplu de vibrator mecanic ce acționează direct asupra aliajului turnat, este cel utilizat în cadrul tehnologiei adoptate de Institutul de Tehnologie din Cambridge, Marea Britanie și cel din Massachussests LJ.S.A care îl aplică la aliajele care conțin dendrite sau nodule de solidificare în faza solidă.

Prin amestecarea omogenă a aliajului simultan cu răcirea lui, se mărește viteze de răcire și se obține o structură îmbunătățită a aliajelor turnate.

Vibrațiile se aplică pentru aliaje cu structura 65% solidă, din cantitatea de aliaj lichid. În principal, metoda se aplică la metalele pure, aliaje autentice, pentru aliajele Mg-Zn-Al-Cu-Ni-Co-Pb, Zn-Al, Al-Mg-Zn, Al-Si, Mg-Al etc.

Un procedeu de turnare a aliajelor în stare de amestec solid – lichid în putem exemplifica în fig. 4.1.4.

Fig.4.1.4 Aplicația procesului de turnare a aliajelor în stare de amestec solid – lichid.

Amestecul (1) când părăsește prin orificiul (2) zona de agitare, este prins între semiformele (3) și (4). Pistoanele (5) și (6) pot fi acționate de un mijloc electronic cum ar fi detectorul fotosenzitiv. După ce compoziția (7) s-a solidificat, se deschid semiformele și se scoate piesa turnată.

Eliminarea neajunsurilor ce apar la turnarea continuă a metalelor și aliajelor (aderențe la cristalizor, structură grosolană), se poate face prin energizarea sonică a cristalizatorului cu ajutorul unei mese vibratoare orbitale. Excitarea sonică aduce la rezonanță pereții formei și ai materialului din formă. Frecvența vibratorului cu masa orbitală se reglează automat, funcție de schimbarea caracteristicilor de impedanță a materialului turnat.

În fig. 4.1.5 este prezentată o secțiune prin instalația de turnare ce utilizează un oscilator cu masa orbitală.

Cristalizatorul (1) este răcit cu apă ce intră în mantaua (2) pe la partea inferioară. Din oala de turnare (8) se alimentează cu aliaj lichid cristalizatorul, iar după solidificare rezultă lingoul (7). Oscilatorul (3) furnizează energia sonică și stabilește lungimea de undă (6) în peretele cristalizatorului. Ritmul de introducere a metalului topit poate fi controlat de variația semnalului sonic de ieșire de la oscilatorul (3). La deplasarea prea rapidă a materialului frecvența oscilatorului se modifică, de la rezonanță spre nivelul de jos a gamei de frecvențe și viceversa. Oscilatorul din fig 4.1.5 are ca avantaj particular al fluidului utilizat faptul că la temperaturi înalte, acest fluid răcește și oscilatorul.

În fig. 4.1.5 este prezentat un mijloc de cuplare a oscilatorului (3) de peretele cristalizatorului. Oscilatorul este atașat de bara de rezonanță (4) care la rândul ei este prinsă pe peretele cristalizatorului prin intermediul urechilor (5). Se utilizează bare de înaltă rezonanță pentru realizarea cât mai eficientă a transferului energiei sonice la pereții cristalizatorului.

Fig. 4.1.5 Schema instalației de topire continuă care utilizează un oscilator cu masa orbitală

În fig 4.1.6 metalul topit (aluminiu) este introdus în lingotieră (2) care este poziționată pe o placă metalică (3) susținută de suporți izolatori (4). Placa (3) este vibrată cu ajutorul oscilatorului (5) alimentat cu aer prin conducta (6). Se produc unde cu lungimea de undă (7) care se transmit la baza materialului se elimină astfel gazele și impuritățile, se micșorează tensiunile interne și se îmbunătățește structura prin uniformizarea temperaturii.

Fig. 4.1.6 Turnarea în forme metalice sub influența vibrațiilor produse de un oscilator cu masă orbitală.

În fig. 4.1.7 excitația se introduce printr-o tijă direct în baia metalică. Tija (3) este suspendată în baia metalică prin bara de rezonanță (4) care este susținută de un mecanism cu scripete. Oscilatorul (7) este atașat la bara de rezonnță și vibrează la rezonanța de undă (5).

Materialul turnat (6) poate fi metal sau plastic și face parte din sistemul de rezonanță. Oscilatorii (7) își modifică frecvența pe măsură ce materialul se solidifică modificându-și elasticitatea, menținând vibrația de rezonanță în timpul procesului.

Fig. 4.1.7 Turnarea sub influența vibrațiiilor în amestec de formare.

4.3. Tratarea băii metalice cu vibratoare electromagnetice.

Un procedeu de turnare continuă de acest gen s-a realizat cu instalația care funcționează după metoda UNEMURA și IKUO (fig. 4.1.8).

În această figură (12) este metalul lichid (13) este metalul în curs de solidificare, (14) este partea ce cristalizează iar (15) este baia metalică solidificată. Frecvența vibratorului este cuprinsă între (0,1 – 50) mm. Vibratorul este susținut de placa (7) și este confecționat din oțel carbon având o semisferă (3) la partea de jos. Este acoperit cu un amestec de nisip, cretă și azbest fibros (4). La interior, vibratorul are un tub (5) prin care este introdus aer comprimat (6). Peretele cristalizatorului a fost notat (1), iar cu (2) metalul solidificat.

Fig. 4.1.8 Procedee de turnare în prezența vibrațiilor conform Metodei UNEMURA și IKUO

turnrea statică;

b) si c) turnarea dinamică.

4.4 Concluzii

Vibrațiile au o influență favorabilă asupra microstructurii și proprietăților fizico-mecanice ale materialelor metalice deoarece duc la o creștere însemnată a vitezei de solidificare, o finisare a microstructurii, o reducere a segregațiilor și o degajare avansată a gazelor. Aceasta se explică prin creșterea energiei germenilor de cristalizare și prin dezvoltarea anumitor presiuni care acționează asupra ramurilor dendritice în curs de formare, determinând fragmentarea acestora.

Pentru obținerea acestor avantaje, vibrațiile aplicate trebuie să aibă energii ridicate și trebuie controlată orientarea frontului de undă, perpendicular pe axele dendritelor pentru fragmentarea dendritelor generează noi germeni de cristalizare.

CAPITOLUL V

CERCETĂRI DE LABORATOR PRIVIND INFLUENȚA VIBRAȚIILOR ASUPRA FORMEI ȘI VOLUMULUI RETASURII LA TURNAREA LINGOURILOR, FOLOSIND MODELAREA FIZICĂ CU MATERIALE UȘOR FUZIBILE (STEARINĂ ȘI PARAFINĂ)

5.1. Generalități

Solidificarea reprezintă procesul principal care determină în mare măsură calitatea și proprietățile piesei turnate.

Este cunoscut faptul că procesul de solidificare este considerat ca un proces de trecere a fazei lichide în faza solidă, indiferent de forma și amplasarea fazelor componente.

În perioada solidificării se formează structura primară, se produc retasuri, microstructuri, sufluri și segregații.

Procesul de solidificare este un proces termic și deci este determinat de solidificare poate fi dirijat în sensul dorit de turnător. Dirijarea procesului de solidificare se poate realiza prin amplasarea corectă a maselotelor și răcitorilor, prin modul de alimentare cu aliaj lichid etc.

5.2. Studiul procesului de solidificare cu ajutorul modelului fizic

Studiul unui fenomen fizic se poate face după una din modelele următoare:

prin rezolvarea directă a ecuațiilor algebrice, diferențiale integrale care exprimă analitic fenomenul respectiv;

prin rezolvarea aproximtivă a ecuațiilor mai sus menționate, impunând

condiții suplimentare de unicitate;

prin rezolvarea experimentală pe baza similtitudinii fizice care înlocuiește

studiul direct al fenomenului respectiv ci studiul unui fenomen calitativ similar, la scară redus sau mărită, a cărui realizare practicată în laborator este mult mai comodă și mai ieftină și care poartă denumirea de model fizic.

Studiile și observațiile pe model pot fi extrapolate asupra fenomenului original dacă sunt respectate în prealabil cele trei teoreme ale similtudinilor:

Procesele fizice sunt similare când sunt calitativ aceleași, adică sunt

reprezentate de aceleași formule matematice.

În procesele asemănătoare, criteriile de similitudine au aceleași valori

numerice pe model și pe prototip.

Între toate criteriile de similitudine a unor fenomene similare se poate

stabili cel puțin o relație funcțională între criterii numită ecuație criterială, ecuația de invariație sau ecuația generalizată.

Pentru studiul procesului de solidificare se poate folosi un model fizic de stearină și parafină care să respecte legile similitudinii enunțate anterior. Pentru aceasta trebuie determinate mai întâi criteriile principalele de asemănare din natură și de pe model, ce trebuie să fie numeric egale pentru fenomenele similare în chestiune. Aceste criterii sunt:

criteriul de similitudine geometrică K:

K1 – scara lungimilor;

LN – dimensiunea reală;

LM – dimensiunea corespunzătoare modelului.

Criteriul de similitudine pentru timp, se determină din condiția: F0N = F0M

– criteriul Fourier

în care:

coeficientul de difuziune termică m2/S;

t – timpul;

x – distanța pe direscția normală la interfața metal topit – formă metri.

Rezultă:

Criteriul de similitudine pentru temperatura (KӨ). Se detrmină cu condiția ӨN= ӨM, unde criteriul de temperatură.

Ө – temperatura piesei metalice în punctul considerat °C;

Өmin – temperatura minimă la care se face răcirea piesei °C;

Өmax – temperatura maximă la care s-a turnat piesa °C;

Rezultă:

Criteriul de similitudine a fluxului termic (Kg)

Unde: este densitatea fluxului termic în W/m2;

e) Criteriul de alegere a materialului de modelare. Se aleg materialele care au unele caracteristici apropiate de caracteristicile materialului (în cazul de față parafina pentru modelarea solidificării oțelului).

Caracteristicile termofizice ale materialelor de utilizare la modelul fizic

5.3 Studiul formării retasurilor la solidificarea pieselor turnate prin modelare fizică.

Prin elaborarea tehnologiei de turnare, este deosebit de important a se stabili cu precizie forma și volumul retasurii, pentru a se putea lua măsuri adecvate în vederea evitării formării acestora. Procedeu clasic prin care se studiază prezența retasurilor în piesele turnate constă în selecționarea probelor pentru omologare sau în metode de control nedesctructive.

Aceste procedee au dezavantajul că se pot aplica numai în condiții de atelier după ce pregătirea tehnologică a fost deja efectuată pe piese turnate din aliaje metalice.

De asemenea, aceste metode sunt greoaie necesită selecționarea pieselor turnate sau instalații speciale defectoscopie.

Procedeul modelului fizic la turnarea și solodificarea pieselor turnate, prin turnare din materiale ușor fuzibile, prezintă avantajul posibilității aplicării în laborator, iar selecționarea pieselor în orice zonă se poate efectua fără dificutăți.

Problema principală a modelării fizice a formării retasurii o constituie folosirea unui material fuzibil care să prezinte un coeficient de solidificare de contracție identic cu cel al materialului, ceea ce asigură la solidificarea modelului formarea unei retasuri cu volum identic cu al piesei reale.

De asemenea, este necesar ca modelul de transmisie a căldurii și de deplasarea frontului de solidificare să fie identic, pentru a asigura similitudinea poziției retasurii la model și la piesa reală.

Pentru stabilirea compiziției optime a materialului ușor fuzibil care să realizeze condiții optime de similitudine în privința formării retasurii la piesele din oțel se toarnă piese de probă cu configurații diferite care prezintă moduri termice, care să determine apariția retasurii. Aceste piese se toarnă atât din materiale ușor fuzibile cât și din oțel.

În fig 5.1.1 se prezintă dimensiunile unor piese de probă utilizate în acest scop. Aceste piese se toarnă în forme de amestec de formare uscate (fig. 5.1.2) constituite din trei materiale lipite un elemnt central (1) care reproduce configurația piesei și două plăci laterale.

În aceste forme se toarnă metalul lichid și diverse materiale ușor fuzibile constituite din amestecuri în diverse proporții din stearină și parafină.

După turnare, piesele din oțel cât și din material ușor fuzibil se selecționează vertical pe jumătatea lungimii pentru a observa în secțiune mărimea și poziția retasurii.

Tăierea pieselor din oțel se execută pe un fierăstrău mecanic după un eventual tratament termic de normalizare. Piesele din material ușor fuzibil se secționează manual cu o lama de fierăstrău.

Fig. 5.1.1 Forma și dimensiunile probelor pentru verificarea similitudinii formării retasurii.

Fig. 5.1.2 Forma pentru turnarea probelor în vederea studiului formării retasurii prin modelarea fizică.

În fig. 5.1.3 sunt prezentate secțiuni prin piese de probă turnate din oțel și din diverse materiale ușor fuzibile. La poziția a) este prezentă o probă de oțel carbon la 1450°C. La poziția b) este prezentată secțiunea într-o piesă turnată din parafină. Se observă la partea superioară retasura foarte mare și deschisă, iar în nodul termic în formă de T, retasura este de asemenea mult mai mare și deschisă.

La poziția c) este arătată secțiunea printr-o piesă din amestec ușor fuzibil compus din 50% stearină și 50% parafină. Retasurile din cele două noduri termice sunt deasemenea deschise dar mult mai mici.

Fig.5.1.3 Probe turnate din oțel și din materiale ușor fuzibile pentru verificarea similitudinii formării retasurii

În fig. 5.1.3 d) este prezentată o secțiune prin piesa turnată din stearină. Se remarcă faptul că hașurile sunt închise, au poziții apropiate de cele ale piesi din oțel dar sunt în general mai mici.

În fig. 5.1.3 e) este prezentată secțiunea printr-o piesa din 95% stearină și 5% parafină. Se observă că în acest caz solidificarea, respectiv formarea retasurii este identică cu cea de la piesa din oțel atât din punct de vedere al poziției cât și al mărimii. Deci această compoziție asigură similitudinea formării retasurii în condițiile cele mai bune pentru turnarea pieselor din oțel carbon. Această similitudine a fost verificată și pentru piese din proporția industrială curentă și a fost confirmată. În mod similar se pot stabili compoziția de materiale ușor fuzibile care să asigure similitudinea formării retasurii și pentru alte aliaje de turnătorie.

5.4. Studiul izotermelor de solidificare și influența vibrațiilor asupra întinderii și volumului retasurii în lingourile de oțel folosind modelarea fizică

5.4.1 Instalații, accesorii, scule și materiale.

Pentru acest studiu sunt necesare:

cuptor cu rezintență pentru topit amestecul ușor fuzibil (stearină+parafină);

vibrator electrodinamic;

sursă de curent;

generator de frecvență;

masă vibratoare;

magneți pentru rigidizarea ansamblului masă – formă;

formă metalică (lingotieră);

vas pentru topirea amestecului ușor fuzibil;

termometru pentru determinarea temperaturii de topire și turnarea amestecului ușor fuzibil;

amestec ușor fuzibil de mai multe culori: verde, roșu, galben;

balanță (pentru cântărirea probelor);

riglă;

hârtie milimetrică;

vopsea (pentru vizualizarea formei retasurilor);

aparat pentru secționat probele.

5.4.2 Modul de lucru

Cu ajutorul instalației din fig 5.1.4 s-au turnat din amestec ușor fuzibil (stearină-parafină), un număr de opt lingouri cu secțiunea rotundă, în formă metalică (lingotiera). Lingotiera experimentală a fost realizată la scara 1:20 față de lingotiera reală folosită pentru turnarea lingourilor destinate laminării. Ele sunt cu fund, invers conice cu maselotieră încorporată în lingotiera propriu-zisă.

Fig. 5.1.4 Inslatații de laborator pentru turnarea și solidificarea aliajelor în câmp vibrator.

1- forma metalică (lingotiera);

2- magneți permanenți pentru fixarea formei;

3- masă vibratoare;

4- cuplaj;

5 – vibrator electrodinamic;

6- sursă curent continuu;

7- generator de frecvență.

Fig. 5.1.5 Lingotieră experimentală

La turnarea amestecului ușor fuzibil s-a controlat temperatura de turnare cu ajutorul termometrului care a fost introdus direct în materialul turnat.

În cazul folosirii vibrațiilor la turnare și solidificare, instalația a funcționat pe tot parcursul turnării și solidificării.

Tabelul 5.1.1 sintetizeză măsurătorilor efectuate în cadrul experimentărilor de laborator privind influența vibrațiilor asupra formării și întinderii retasurii închise și deschise.

Pentru studiul izotermelor de solidificare s-au turnat succesiv mai multe amestecuri ușoare fuzibile, de mai multe culori folosindu-se metoda „prin golire”. La intervale de timp bine stabilite, lingotieră (cu secțiune rotundă) se golește de amestecul încă lichid, iar mai apoi se completează cu amestec lichid de altă culoare pentru vizualizare.

Operația se repetă de câteva ori până când lingoul rezultă complet. Se secționează probele turnate (static și în câmp vibrator) analizându-se forma curbelor de solidificare.

Referitor la izotermele de solidificare s-au făcut observații asupra a patru lingouri, două de secțiuni rotunde și două de secțiuni pătrate.

S-au utilizat mai multe sorturi de parafină de diferite culori pentru punerea în evidență a crustei ce se solidifică de-a lungul pereților formei, solidificarea începând de jos în sus și din lateral. Pe lingourile din parafină și stearină secționate se poate observa că grosimea statului solidificat este mai mare în jumătatea inferioară a lingoului, deoarece solidificarea este de tip pozitiv, procesul desfășurându-se de jos în sus.

Influența vibrațiilor nu este semnificativă asupra izotermelor de solidificare ale (vibrațiilor) influentând însă volumul si amplorarea retasurii în masa lingoului după cum s-a văzut în experimentările de mai sus.

Tabelul 5.1.1

Rezutate experimetale

Dependenta inaltimii retasurii inchise functie de frecventa campului vibrator

Dependenta inaltimii retasurii deschise functie de frecventa campului vibrator

Dependenta inaltimii partii utile a lingoului functie de frecventa campului vibrator

Dependenta volumului retasurii inchise functie de frecventa campului vibrator

Dependenta ponderii volumului retasurii inchise functie de frecventa campului vibrator

Dependenta ponderii de intindere a retasurii inchise functie de frecventa campului vibrator

Bibliografie

Buzdugan, Gh., Mihailescu, E., Rades, M. Masurarea vibratiilor Editura Academiei R.S.R 1979

Chiochina, C., Danila, R., Tonita, I. Bazele teoretice ale turnarii – Curs Universitatea Tehnica „Gh. Asachi” Iasi

Sofronie, L., Barbie, V., Bratu, C.Bazele teoretice ale turnarii Editura Didactica si Pedagogica Bucuresti 1980.

Rilicov, A. Bazele teoretice ale turnarii Editura Tehnica Bucuresti 1961.

Efimov, V.A Turnarea si cristalizrea otelurilor Editura Tehnica Bucuresti 1980.

Chiochina, C, Danila, R., Diaconescu, F., Bazele teoretice ale turnarii I.P.Iasi 1981.

Chica, L.Sofronie, V.Brabie Procedee Speciale de turnare Editura Didactica si Pedagogica 1979.