Structura fontelor cenusii obisnuite si speciale .

1. Notiuni asupra fontelor .

Fontele cenusii sunt aliaje ale fierului cu carbonul caracterizate prin prezenta in structura a carbonului liber sub forma de grafit. In rupturi aceste fonte au o culoare cenusie datorita grafitului, de aici derivand si denumirea lor.

Cristalizeaza dupa sistemul stabil fier-grafit ( fig. 1. ) reprezentat printr-o diagrama corespunzatoare unei raciri lente, de echilibru, avand temperaturile de transformare ceva mai ridicate si concentratia in C a punctelor critice ceva mai mica, comparativ cu diagrama metastabila Fe-Fe₃C.

Factorii care favorizeaza obtinerea fontelor cenusii sunt : temperaturile mari de turnare, vitezele mici de racire si prezenta elementelor grafitizante in cantitate ceva mai mare ( Si, Al, Ni, etc. ). Aceasta categorie de aliaje are cea mai larga utilizare in constructia de masini, proprietatile mecanice si tehnologice fiind determinate atat de matricea metalica de baza cat si de cantitatea, forma, dimensiunile si distributia grafitului .

Figura 1. Diagrama Fe-C .

Grafitul poate apare in fonte cenusii sub forma lamelara ( fonte cenusii obisnuite ), in cuiburi ( grafit de recoacere in fontele maleabile ) si sub forma de mici sfere sau nodule ( in fontele nodulare ). Cristalizeaza in sistemul hexagonal si practic rezistenta sa mecanica este nula. Ca urmare, prezenta sa in structura fontelor poate fi socotita ca un defect in masa metalica de baza. In acelasi timp insa, grafitul imbunatateste prelucrabilitatea prin aschiere, mareste rezistenta la uzura si capacitatea fontei de a prelua vibratii. Tocmai de aceea fontele cenusii au o mai buna rezistenta la solicitari ciclice si sunt mai putin sensibile la efectul de crestatura decat otelurile. Data fiind influenta mare a grafitului, fontele cenusii se clasifica dupa cantitatea, modul de distributie sau lungimea filoanelor de grafit.

Masa metalica de baza nu difera ca faze si constituenti de a otelurilor, cu deosebirea ca datorita continutului admisibil mai ridicat de P, apare in structura un constituent nou, eutecticul fosforos. Dupa natura matricei metalice deosebim urmatoarele tipuri de fonte cenusii : feritice, ferito-perlitice, perlitice.

Eutecticul fosforos ( steadita ) apare frecvent in structura fontelor cenusii datorita continutului de P al aliajului Fe-C. Fosforul influenteaza favorabil proprietatile de turnare a fontei, marind fluiditatea : in acelasi timp mareste duritatea si fragilitatea. Eutecticul fosforos poate fi binar ( ferita si Fe₃P ) sau ternal ( Fe₃P, ferita si Fe₃C ). Se solidifica, ultimul la 955^oC ( 1226^oK ) si va ocupa locul ramas disponibil, motiv pentru care apare sub forma unor cristale cu contururi colturoase ( zone albe cu puncte fine ). La continuturi mai ridicate in P, eutecticul va repartiza sub forma unei retele, diminuand plasticitatea formei.

2. Metalografia fontelor .

2. 1. Aspecte microscopice ale fontelor cenusii obisnuite .

O fonta cenusie neatacata prezinta la microscop ( figura 2. ) filoane de grafit de culoare inchisa ( G ), delimitate perfect ca marime, incluse intr-o matrice metalica ( m ) a carei natura se va stabili in urma atacului metalografic.

Fontele cenusii feritice au matricea alcatuita din poliedrii de ferita ( F ) si filoane de grafit ( G ) ( figura 3. ). Se obtin in urma unor raciri foarte lente, la un continut ridicat in elemente grafitizante, factori care au favorizat si descompunerea cementitei perlitice.

Figura 2. Fonta cenusie. Figura 3. Ferita+grafit

Matrice metalica+grafit  lamelar. MOx200 .

lamelar. MOx200

Fontele cenusii ferito-perlitice sunt cele obisnuite pentru turnatorie ( Fe 15; Fc 20; Fc 25 ). Microstructura lor este construita din zone de ferita ce inconjoara grafitul lamelar si zonele de perlita ( figura 4. ). Aceasta fonta are cementita perlitica descompusa partial, ca urmare a unor viteze de racire ceva mai mari.

Prezenta feritei alaturi de perlita micsoreaza in special rezistenta la uzura, fara a mari plasticitatea. Se folosesc pentru turnarea unor piese cu o duritate si o rezistenta mecanica mai redusa.

Fontele cenusii perlitice ( Fc 30; Fc 35; Fc 40 )

Figura 4. Perlita+ferita Figura 5. Ferita +grafit

+grafit lamelar. MOx200 .  lamelar. MOx400

Figura 5. Perlita+grafit lamelar+eutectic fosforos .

prezinta la microscop filoane de grafit inglobate in matricea perlitica ( figura 5. ).

Prezinta cele mai bune proprietati la solicitari statice si dinamice, o foarte buna prelucrabilitate prin aschiere si o rezistenta mare la uzura. Se utilizeaza cel mai frecvent la constructia de masini. Alaturi de perlita si grafit lamelar in structura acestor fonte apare de regula si eutecticul fosforos ( figura 6. ) .

Aceasta categorie de fonta numita si fosforoasa se foloseste pentru turnarea pieselor cu pereti subtiri si configuratii complexe sau pentru piese rezistente la uzura.

2. 2. Aspecte microscopice ale fontelor cenusii speciale .

Lamelele de grafit creeaza multe discontinuitati in matricea fontelor cenusii obisnuite, fapt care conduce la scaderea accentuata a proprietatilor mecanice ale acestora. Teoretic, actiunea cea mai putin defavorabila a grafitului se manifesta atunci cand aceste discontinuitati sunt minime, adica forma cristalelor ar fi sferica. Grafitul nodular se poate obtine prin adaugarea unor modificari ( ceriu, magneziu, calciu, litiu ) in fonta lichida se realizeaza fontele nodulare.

Grafitul cu tendinta de nodulizare se obtine printr-un tratament termic de recoacere de maleabilizare si se realizeaza fontele maleabile-fonte cu grafit in cuiburi.

Fontele cenusii cu grafit nodular. In microstructura acestora, matricea este similara cu cea a fontelor cenusii obisnuite putand fi constituita din ferita( figura 7. ), ferita+perlita ( figura 8. ) sau perlita ( figura 9. ) .

Prin nodularizarea grafitului se favorizeaza imbunatatirea atat a rezistentei mecanice cat si a plasticitati fontei.

Figura 6. Ferita+grafit Figura 7. Ferita+perlita

nodular. MOx400 .  +grafit nodular. MOx400

Fontele maleabile. In functie de procedeul de maleabilizare se disting doua tipuri :

Fonta maleabila cu miez negru se obtine prin incalzirea fontelor albe hipoeutectice intr-un mediu neutru ( nisip sau samota ) la temperaturi de 850.950^oC ( 1123.1223 ^oK ). In timpul incalzirii si racirii lente cementita se descompune in ferita si grafit de recoacere ( sub forma de cuiburi ) ( figura 4. ), proces ce poarta numele de grafitizare si care se desfasoara dupa un anumit ciclu de tratament termic.

Figura 8. Ferita+grafit Figura 9. Ferita+grafit

nodular. MOx400 . in cuiburi. MOx400

Fonta maleabila cu miez alb se obtine din fonta alba hipoeutectica incalzita intr-un mediu oxidant ( minereu de Fe ), care produce decarburarea stratului superficial. Ca rezultat, la exterior piesele vor prezenta o structura feritica lipsita

de grafit, iar miezul va fi constituit din perlita ( sau perlita si ferita ) si o cantitate de grafit in cuiburi ( figura ). Duritatea pieselor astfel tratate creste de la suprafata ( HB=125 daN/mm² ) spre miez ( HB=215 daN/mm² ), cu atat mai mult cat piesele sunt mai groase ( creste cantitativ perlita ) .

Figura Perlita+grafit

in cuiburi. MOx400

Fontele maleabile au proprietati mecanice superioare celorlalte categorii de fonte cenusii, ele prezentand bune caracteristici de plasticitate, rezistenta mecanica ridicata si o buna prelucrabilitate prin aschiere.