TURNAREA ALIAJELOR NEFROASE

TURNAREA ALIAJELOR NEFROASE

Aliajele neferoase prezinta unele particularitati de turnare de care trebuie sa se tina seama la stabilirea retelelor de turnare a pieselor si a tehnologiei de formare.

Factorii de turnare (temperatura de turnare, viteza de racire, caracteristicile termofizice ale aliajelor si ale formei, geometria piesei turnate etc.) influenteaza intr-o mare masura asupra structurii si proprietatilor fizico-mecanice ale aliajelor.

1 INFLUENTA VITEZEI DE RACIRE

Procesul de formare a structurii (de cristializare) este in mare masura influentat la aliajele neferoase de viteza de racire.Astfel, numarul si viteza de crestere a germenilor, forma si textura, uniformitatea chimica si fizica cristalelor pot avea valori mai mari sau mai mici in functie de cantitatea de caldura cedata in unitatea de timp.

Cresterea vitezei de racire in toate cazurile influenteaza pozitiv proprietatile aliajelor neferoase turnate in piese.

Pentru cresterea vitezei de racire se folosesc urmatoarele masuri:

marirea conductivitatii termice a formelor din amestecuri de nisip prin diferite adausuri;

folosirea pe scala mai larga a formelor metalice, care au conductibilitatea termica de cca. 100 de ori mai mare decat a formelor obisnuite;

micsorarea temperaturii de turnare;

Cu marirea vitezei de racire la cristalizarea primara a aliajelor neferoase (deci a gradului de subracire) creste numarul de germeni de cristalizare si se micsoreaza dimensiunile cristalelor (fig. 1).

Prin aceasta se micsoreaza si distanta dintre ramurile dendritelor.

Odata cu marirea vitezei de racire dendritele devin tot mai numeroase, mai ramificate si mai subtiri.

2 TENDINTA DE FORMARE A RETASURILOR SI A SUFLURILOR

Procesul de solidificare influenteaza intr-o mare masura volumul de retasura, modul de repartizare a retasurii si tendinta de formare a suflurilor.

Volumul de retasura este influentat de coeficientul de contractie volumica a aliajului si de deplasare a frontului de solidificare pe sectiunea peretelui piesei.

Fig. 1. Influenta vitezei de racire asupra dimensiunilor dendritelor (in sectiune)

Se stie ca volumul de retasura la aliaje depinde de valoarea contractiei acestora in stare lichida si la solidificare.Aliajele neferoase utilizate in turnatorii au in general coeficientii ridicati de contractie volumica si deci tendinta ridicata de formare a retasurii

La acelasi volum de retasura, prezinta importanta practica modul de repartizare a retasurii, care poate fi: concentrata, dispersata sau mixta.

Cu cat dispersitatea retasurii, la acelasi volum, este mai mare, cu atat conditiile de alimentare a nodurilor termice sunt mai grele si piesele se obtin cu compactitate mai scazuta.

Tipul de retasura depinde in primul rand de intervalul de solidificare al aliajului si de viteza de racire la solidificare si anume:

metalele pure si aliajele eutectice, chiar in conditii de solidificare cu viteza mica, prezinta retasuri concentrate;

aliajele cu interval mare de solidificare au atat volum de retasura total, cat si pe cel dispersat (microretasuri) mai mare, in care caz se asigura mai cu greu obtinerea piselor compacte, fara microretasuri in sectiunea peretilor pieselor.Periculoase sunt mai ales cazurile cand microporii sunt legati intre ei, deoarece in aceste conditii peretii piselor devin permeabili la incercarile sub presiune;

cu cat intervalul de solidificare este mai mare, cu atat mai dezvoltata este zona cu faza solida si lichida si deci cu atat mai accentuata va fi tendinta de formare a microretasurii, in acelesi conditii de racire (acelasi gradient de temperatura pe sectiunea peretelui piesei).Tocmai in zonele bifazice si mai ales in zonele in care predomina faza solida se creaza microvolume izolate (locale) de faza lichida, care la solidificare nu mai pot fi alimentate si in care apar microretasuri (pori) dispersate.Cu cat zona lichid-solid este mai mica cu atat solidificare se desfasoara sub forma de front compact de la periferie spre interiorul peretelui piesei;

cu cat viteza de racire este mai mare, la acelasi aliaj (la acelasi interval de solidificare), zona bifazica lichid-solid devine mai mica si tendinta de formare a microretasurii mai redusa.

In acest fel este posibil, ca si din aliaje cu interval larg de solidificare sa se obtina pise compacte. Viteza de racire mica contribuie la accentuarea tendintei de formare a microretasurii;

cu cat intervalul de solidificare este mai larg cu atat tendinta de degajare a gazelor din solutia lichida in timpul solidificarii este mai mica si deci tendinta de formare a sulfurilor este mai mare. Cu alte cuvinte, la aliajele cu interval mare de solidificare influenta negativa a gazelor devine importanta chiar la continuturi scazute de gaz;

cu cat intervalul de solidificare este mai mare, cu atat este mai pronuntata tendinta de segregare si de obtinere a structurii dendritice grosolane.

Asadar, din aliajele cu interval ingust de solidificare este mai usor sa se obtina pise turnate compacte deoarece retasura concentrata poate fi usor alimentata cu ajutorul maselotelor. Piesele turnate din aliaje cu interval larg de solidificare nu pot fi usor alimentate cu ajutorul maselotelor, mai ales in cazul pieselor cu configuratie complexa. De aici rezulta tendinta de a elabora noi marci de aliaje cu compozitii care sa asigure intervale inguste de solidificare.

Aliajele pe baza baza de cupru pot fi impartite in doua grupe din punctul de vedere al intervalului de solidificare si deci al tendintei de formare a microretasurii:

aliaje cu interval mare de solidificare (fig. 5, a) (BzSn, BzPb, BzSi, BzBe) la care care acest interval este cuprins intre 120 si 200C;

aliaje cu interval ingust de solidificare (fig. 5, b)(BzAl, BzMn, alame, Cu - Ni, Cu - Ni - Zn) la care el este cuprins intre 5 si 55C.

Aliajele pe baza de aluminu pot fi impartite din punt de vedere al intervalului de

solidificare in doua grupe (fig. 5, c):

cu interval mic (t=1516C), in care intra aluminiul si siluminurile eutectice;

cu interval mare (=60120C), in care intra aliajele din sistemul Al - Cu, Al - Mg si Al - Zn.

Aliajele pe baza de magneziu pot fi impartite in trei grupe (fig. 5, d):

cu interval de solidificare foarte mic ( sub 5C), din care fac parte aliajele din sistemul Mg - Si si Mg - Mn;

cu interval mijlociu de solidificare (=5100C), din care fac parte aliajele Mg - Al cu procent mic de Al;

cu interval mare de solidificare ( peste 100C), din care fac parte aliajele Mg - Al cu procent mare de aluminu.

Fig. 5. Clasificarea aliajelor neferoase din punctul de vedere al intervalului de solidificare

La alaijele cu interval mare de solidificare este dificil sa se obtina pise complet lipsite de microretasuri.

Pentru exemplificare, se arata influneta siliciului asupra capacitatii de curgere a fazei lichide printre dendritele primare, la solidificarea aliajelor Al -Si, de unde rezulta valoarea minima a acestuia in cazul intervalului de cristalizare mare, care corespunde unui continut de siliciu de aproximativ 1%.

Pentru reducerea la minimum a volumului de microretasuri aliajul trebuie sa fie degazat, deoarece gazele se degaja in pori si contribuie la marirea volumului lor in cursul solidificarii.

Volumul de retasura concentrata la aceste aliaje se obtine mic, ceea ce poate fi prevenit cu o maselota de dimensiuni mai reduse.

La aceste aliaje se impun urmatoareel masuri pentru marirea compactitatii pieselor:

marirea vitezei de solidificare (turnarea in forme metalice sau in forme de nisip cu conductibilitate termica mare);

degazarea aliajelor inainte de turnare;

micsorarea vitezei de turnare (cu micsorarea vitezei de turnare scade valoarea contractiei volumetrice);

alimentarea normala in timpul solidificarii piesei ( crearea conditiilor de solidificare dirijata);

aplicarea presiunii sporite in maselota (atmosferica sau presiune de gaze).

In afara de acestea, aliajele cu interval mare de solidificare prezinta si o tendinta pronuntata de segregatie dendritica si zonala, care influenteaza negativ proprietatile mecanice si de exploatare.

Ca urmare, proprietatile mecanice variaza pe sectiunea piesei, prezentand diferente de pana la 50% intre centru si periferie in timp ce la aliajele cu interval mic de solidificare, aceasta variatie nu depaseste 1015%.

Aliajele cu interval mic de soloidificare permit obtinerea unor piese compacte, fara segregatii dendritice si zonale pronuntate, cu proprietati uniforme pe sectiunea peretilor pieselor.La aceste aliaje, retasura apare concentrata in nodurile termice si in partile groase ale pieselor.

Maselotele utilizate sunt mari, iar coeficientul de utilizare a metalului este redus.

La aliajele de magneziu care au greutatea specifica redusa, in aceleasi conditii de solidificare, este necesar ca dimensiunile maselotelor sa fie si mai mari.

Pentru marirea compactitatii pieselor, in practica turnatoriilor de aliaje neferoase se utilizeaza racitori, cristalizarea sub persiune si o temperatura corecta (optima) de turnare.

Folosirea combinata a maselotelor si a racitorilor exteriori permite realizarea unei solidificari dirijate si a unei viteze mari de racire atat de necesare in cazul aliajelor cu interval mare de solidificare.

Racitorii exteriori se folosesc mai ales la turnarea aliajelor de aluminiu si de magneziu, precum si la bronzuri cu staniu si alame.Ei pot fi confectionati din cupru sau aliaje de cupru, fonta, grafit, otel si aluminiu.Inainte de utilizare, racitorii se vopsesc.

Grosimea racitorilor (din fonta, otel si grafit) se alege de la 0,..1,0 din grosimea partii pisei care necesita racire (in cazul aliajelor usoare) si de 0,51,0 (in cazul aliajelor grele).

La aliajele usoare eficacitatea actiunii maselotelor deschise si inchise este mai mica decat la aliajele grele, deoarece presiunea coloanei de metal din maselota este mai redusa. Pentru imbunatatirea conditiilor de alimentare la aceste aliaje se parcatica pe scara larga procedeul de cristalizare sub presiune a aliajelor.

Procedeul consta in introducerea formei asamblate in autoclava care se inchide ermetic. Printr-un orificiu special se toarna repede aliajul in forma, dupa care se realizeaza in autoclava o presiune de 57 atm.

Temperatura de turnare a aliajelor se ia cu 530% mai mare decat temperatura de cristalizare (tabelul 2).

Temperaturile folosite la turnarea unor aliaje neferoase

Aliajele cu interval mare de solidificare se toarna la temperatura mai ridicata, cele cu interval ingust de solidificare si aliajele eutectice, se toarna la temperaturi mai scazute.

Pentru a realiza o tendinta mica de formare a retasurii este necesar sa se determine temperatura optima de turnare pentru fiecare aliaj la care se obtine compactitatea cea mai mare a pieselor turnate (ermeticitate maxima).

PARTICULARITATILE RETELELOR DE TURNARE

La turnarea aliajelor neferoase se folosesc principalele moduri de turnare intalnite si la celelalte aliaje:

turnarea cu alimentare de sus (directa, prin cadere);

turnarea cu alimentare de jos (prin sifon);

turnarea prin alimentare la o anumita inaltime a piesei, in planul de separatie a formei;

turnare cu alimentare pe verticala, in fanta;

turnare cu alimentare combinata.

Turnarea cu alimentare de sus asigura solidificarea dirijata in cele mai bune conditii, deoarece metalul mai cald se gaseste intotdeauna in partea superioara a pisei si solidificarea are loc de jos in sus. Ea prezinta de asemenea avantajul ca are o retea simpla, fara canale complicate pentru captarea zgurei, deci nu implica consum ridicat de metal pentru retea.

Dezavantajul ei consta in caderea libera a jetului de metal de sus in jos, care poate sa produca oxidari si eroziuni ale formei.

Alimentarea prin sifon a piselor asigura o curgere linistita a metalului, dar nu si o solidificare dirijata a piesei. In cazul ei pot sa apara retasuri in partile inferioare ale piesei , apropiate de locul de atac, care sunt greu de alimentat.

Reteaua combinata permite alimentarea la nivele diferite si foloseste deci avantajele sistemului de alimentare directa si prin sifon.

Alimentarea verticala prin fanta asigura atat curgerea linistita a metalului in cavitatea formei, cat si solidificarea lui dirijata. Dezavantajele sistemului de turnare vertical o constituie supraincalzirea piesei pe inaltimea intregii fante si formarea retasurii in aceste locuri, capacitatea insuficienta de retinere a zgurei si greutatii legate de indepartarea retelei.

La fixarea metodei de umplere a formei trebuie avute in vedere - in afara de configuratia piesei - particularitatile metalurgice ale aliajelor, legate de turnarea lor in piese.

Aliajele pe baza de cupru au in general fluiditate buna. Dintre acestea, alamele si bronzurile aliate cu mangan si cu aluminiu sunt suficient de fluide.

Aliajele de cupru care nu contin elemente cu tendinta mare de formare a peliculelor de oxizi (de ex. bronzurile cu staniu, cu zinc sau cu fosfor, alamele si aliajele Cu - Ni), pot fi turnate in forme, folosind cele mai simple metode de turnare.

Aceste aliaje se oxideaza putin in timpul turnarii si nu formeaza pelicule consistente. Pericolul de incorporare in peretii pieselor a oxizilor formati in timpul turnarii este minim.

Solidificarea dirijata poate fi intensificata prin folosirea racitorilor in partea de jos a piesei si prin micsorarea vitezei de turnare.

Turnarea directa se foloseste in special la turnarea barelor (fig. 8, a) si a bucselor mici (fig. 8, b).

 

Fig. 8. Modul de turnare a pieselor din grupa barelor si bucselor din bronzuri cu staniu

La aceste piese, dimensionarea alimentatoarelor (turnarea in ploaie) se face in functie de viteza de turnare necesara de realizat.

La piesele cu inaltime mare din aceasta grupa atacul se face in planul de separatie pentru a evita caderea jetului de la inaltime mare si eroziunea miezului (fig. 8, c).

La piesele mai putin pretentioase turnate din aliaje cu interval mare de solidificare (de exemplu bucsele cu pereti subtiri fig. 8, d), turnarea se poate face fara maselote. In acest caz solidificarea dirijata se asigura prin turnarea cu viteza mica.

La piesele cu alta configuratie (ex. robinete) la care nu se poate utiliza turnarea directa, atacul se face in planul de separatie, in partea mai groasa sau prin intermediul maselotelor laterale inchise.

Piesele cu inaltime mare se toarna in sifon, in care caz se utilizeaza maselote mai mari. Reteaua de turnare este convergenta, cu suprafata sectiunilor alimentatoarelor retelei aproximativ egale, ceea ce asigura o pierdere redusa de metal lichid in retea:

::=1,15:1,05:1

Aliajele neferoase care contin elemente usor oxidabile , cum sunt aliajele de cupru aliate cu aluminiu, cu beriliu, siliciu, mangan, alamele speciale si mai ales aliajele de aluminiu si magneziu, se acopera instantaneu cu un film continuu si consistent de oxizi.

Oxizii de aluminiu au tensiunea superficiala de cateva ori mai mare decat a aluminului. Ca urmare, aerul antrenat de jetul de metal la turnare sau aspirat din zonele depresionare ale retelei de turnare nu se poate degaja din aliaj. Datorita bulelor de aer filmul de oxizi este transformat intr-o spuma la suprafata metalului.

Curgerea turbinara prin reteaua de turnare intensifica formarea oxizilor si a spumei, care, daca patrund in forma, pot provoca defecte grave de turnare.

De aceea, evitarea patrunderii spumei in forme este principalul obiectiv ce trebuie urmarit la stabilirea sistemmului de turnare.

Filmul de oxid si spuma trebuie retinute pentru a nu patrunde in forma, ceea ce duce la micsorarea pronuntata a proprietatilor mecanice si fizice ale aliajelor si mai ales a alungirii (fig. 9, a).

 

Fig. 9. Dependenta dintre cantitatea incluziunilor nemetalice, aliungirea aliajului si diametru orificiilor filtrelor folosite in cazul aliajelor AlZnMgCu 0,5

a - corelatia dintre alungirea δ si suprafata ocupata de incluziuni S_i in sectiunea peretelui piesei; b - corelatia dintre numarul de incluziuni N_i si diametrul orificiilor d din sita; c - corelatia dintre alungirea δ a aliajelor filtrate prin site cu diferite diametre ale orificiilor.

Pentru micsorarea continutului de incluziuni in aliajele de aluminiu se procedeaza la filtrarea acestora prin filtre metalice sau ceramice.In functie de diametrul orificiilor, care poate sa varieze intr 0,5 si 0,2 mm se realizeaza micsorarea pronuntata a numarului de incluziuni (fig. 9, b), si o crestere insemnata a alungirii (fig. 9, c).

La aceste aliaje nu mai poate fi intrbuintata reteaua simpla de turnare (turnare directa), ci intotdeauna turnarea in sifon, cu retea divergenta, cu sectiune minima la baza piciorului pentru a putea retine bine pelicula de oxizi.

Mai mult, in cazul aliajelor de aluminiu, cu tendinta mare de spumare, reteaua de turnare trebuie sa asigure evitarea formarii zonelor depresionare (zona de aspiratie), care genereaza turbionari insotite de formarea spumei de oxizi. La aceste aliaje este obligatoriu ca metalul sa intre linistit in forma, de jos in sus.

Rapoartele dintre elementele retelei difera de la aliaj la aliaj:

pentru aliajele pe baza de cupru aliate cu Al, Si, Mn, Be:

A: A: A= 1: 2: (0,81,0) sau 2: 5: 1,5 (pentru bronzuri de aluminiu) alimetarea facandu-se de regula prin maselote;

pentru aliajele de aluminiu:

A: A: A= 1: 3: 3 pana la 1: 6: 6

unde A este suprafata canalului de distributie.

Sectiunea mare a canalului de distributie si a alimentatorului asigura o viteza mica de patrundere a metalului lichid in cavitatea formei, evitandu-se formarea turbioanelor.

pentru aliajele de magneziu:

A: A: A 1: 2: 4 pana la 1: 3: 6

1: 3: 3 pana la 1: 6:

Piesele turnate din aliaje de magneziu se obtin de calitate buna in conditiile in care viteza de ridicare a aliajului in forma este de cca 1 cm/s si viteza de curgere in piciorul de turnare 70 cm/s.

Canalele trebuie executate dupa liniile de curent pe intreg parcursul pentru a evita formarea zonelor depresionare si a turbionarilor (fig. 10).

Retelele de turnare divergente implica un consum mare de metal in retea.

Pentru evitarea incorporarii oxizilor in cavitatea formei, trebuie evitata la turnare caderea jetului de la inaltime, prin urmatoarele masuri:

turnarea pieselor in pozitie orizontala;

turnarea de la inaltime mica;

mentinerea plina la turnare a palniei;

folosirea bazinelor cu dop la turnarea pieselor mari sau a bazinelor cu perete vertical pentru retinerea zgurei (fig. 11);

folosirea alimentarii in fanta la turnarea piselor in pozitie verticala (fig. 12);

evitarea amestecarii metalului la evacuarea lui din cuptor in oala prin curgerea lui pe peretele inclinat al oalei.

Fig. 10. Schema retelei de turnare divergente utilizata la aliajele de aluminiu: a - alimentatorii se gasesc la baza canalului de distributie; b - alimentatorii se gasesc in partea superioara a canalului de distributie; h_c - inaltimea cupei de turnare; H - inaltimea piciorului de turnare; h - inaltimea coloanei de aliaj in colectorul de zgura la un mement dat al procesului de turnare; b - distanta ultimului alimentator de capatul colectorului de zgura

Fig 11. Bazin folosit la turnarea bronzurilor cu aluminiu in forme uscate: a - vedere de sus; b - sectiune; D - diametrul piciorului de turnare; latimea colectorulu l=5 D

In majoritatea cazurilor sectiunea piciorului de turnare se calculeaza cu formula:

F=

unde : Q este greutatea metalului lichid care trece prin picior, in kg;

- timpul de turnare, in s;

- greutatea specifica a aliajului, in g/cm;

- coeficientul care tine seama de pierderile de presiune prin frecare (<1);

H - inaltimea luata in calcul, in cm;

g - acceleratia gravitatiei, in cm/s.

Timpul de umplere se determina cu formula:

=S*

in care : este grosimea predominanta a peretelui piesei, in cm;

S - coeficient, care depinde de grosimea peretelui si configuratia piesei; pentru aliajele de aluminiu: S=1,72,4 (la retele obisnuite de alimentare); S=2,73,0 (la retele verticale cu alimentarea prin fanta; valorile inferioare se refera la piesele mici, cele superioare la piesele mari); pentru aliajele de magneziu se iau valorile: S=2,..2,8 (la retele obisnuite de turnare); S=..4,5 (la retele verticale); pentru aliajele de cupru: S=2,02,1.

Fig. 12. Turnarea pistoanelor in forme metalice cu alimentare verticala prin fanta (a, b, c) sau prin fanta si rasturnare (d, e, f)

Viteza de ridicare a metalului V in forma trebuie sa fie suficient de mare, pentru ca el sa nu se raceasca si in acelasi timp cat de mica posibil pentru a nu produce turbioane.

Pentru aliajele de aluminiu, de magneziu si pentru bronzurile cu aluminiu aceasta viteza trebuie sa fie cuprinsa intre limitele:

V= [cm/s];

unde : V este viteza initiala de ridicare;

- grosimea predominanta a peretelui pisei.

pentru alame : V= [cm/s]

pentru bronzurile cu staniu: V= [cm/s]