Asa cum s-a vazut in capitolul 3, grafitul cristalizeaza intr-o structura hexagonala stratificata, cu o slaba legatura intre planele bazale, ceea ce ii determina proprietatea de clivaj, rezistenta mecanica si d uritatea foarte scazute.
Grafitul are o densitate redusa, ρ = 2,25g/cm3 fata de a fierului 7,87g/cm3, avand un volum specific mai mare. Are un coeficient de dilatare liniara 2,5.10-6/˚C, mult mai mic decat al fierului (11,3.10-6/˚C), ceea ce face ca formatiunile de grafit sa se desprinda cu usurinta de masa metalica.
Grafitul se poate considera o discontinuitate in masa metalica, care micsoreaza suprafata efectiva ce preia solicitarile mecanice. De aceea cantitatea de grafit din fonte se limiteaza la 6-10% de volum.
Varfurile ascutite al lamelelor de grafit introduc efectul de crestare, deoarece concentreaza tensiuni mecanice de 10 pana la 50 de ori mai mari ca tensiunea medie in masa metalica. Efectul de crestare nu influenteaza rezistenta la compresiune a fontei, dar reduce drastic rezistenta la tractiune si ductilitatea fontei.
Efectul de crestare depinde de forma grafitului, fiind minim la fonta cu grafit nodular si maxim la fontele cenusii obisnuite cu grafit lamelar cu varfuri ascutite. Fontele cenusii obisnuite cu grafit lamelar cu varfuri ascutite au, in functie de natura masei metalice, rezistenta la tractiune Rm=100..250N/mm2. Raportul intre rezistenta la tractiune a unei fonte cu grafit nodular si cea a unei fonte cenusii obisnuite este 2/1 pentru un continut de 3%C si de 4/1 pentru 4%C. Alungirea specifica la rupere, indicator de ductilitate, este la fontele cenusii obisnuite feritice sub 0,8%, in timp ce la fontele cu grafit nodular feritice ajunge la 25-30%.
Pentru a imbunatati caracteristicile de rezistenta si ductilitate a fontelor cenusii se actioneaza pentru reducerea cantitatii de grafit, finisarea, distributia uniforma si compactizarea separarilor grafitice. Aceste obiective se pot realiza prin modificarea fontelor.
Modificarea este operatia de schimbare a conditiilor de germinare a grafitului la cristalizarea primara prin introducerea in fonta lichida a unei cantitati mici de elemente modificatoare, de maxim 2%de masa.
Dupa efectul realizat, elementele modificatoare se pot grupa in trei categorii:
I. modificatori cu efect germinativ pentru finisarea dendritelor primare de austenita si a coloniilor eutectice, cum sunt: SiC, C (grafit), Al, Ca, Ti, Zr, sau fero-siliciul, silico-calciul etc. Efectul germinativ se realizeza pe doua cai:
- prin cresterea activitatii carbonului in lichid, ca urmare a descompunerii carburilor instabile;
- prin germinarea eterogena a grafitului la formarea in topitura de oxizi (TiO2, ZrO2, CaO, Al2O3, SiO2), nitruri (TiN, ZrN, AlN) si carburi (TiC, ZrC).
II. modificatori pentru stabilizarea structurii perlitice: elemente antigrafitizante ca Mn, Cr, Cu, Sn;
III. modificatori de compactizare a grafitului: Mg, Ce, Ca, Ba, Y.
Efectul de compactizare al grafitului, se explica prin mai multe teorii. Una dintre acestea are la baza actiunea elementelor modificatoare asupra directiei de crestere cristalografica a grafitului. In absenta acestor modificatori grafitul este lamelar, pentru ca in planul bazal viteza de crestere este maxima, iar cresterea dupa o directie perpendiculara este impiedecata de prezenta atomilor de oxigen si sulf adsorbiti la planul bazal. Magneziul si ceriul sunt elemente dezoxidante si desulfurante, care extrag oxigenul si sulful din stratul de adsorbtie, lasand posibilitatea dezvoltarii izotrope, radiale a grafitului.
O alta teorie are la baza dezagregarea lamelelor de grafit sub actiunea atomilor metalici dizolvati interstitial in reteaua grafitului. Desulfurarea intensa produsa de elementele modificatoare determina cresterea tensiunii superficiale si aglomerarea fragmentelor formate in mase sferice.
In functie de natura elementelor modificatoare inoculate in topitura, fontele modificate sunt de trei tipuri:
- fonte modificate cu grafit lamelar cu varfuri rotunjite. Se introduc modificatori din grupele I si II, care conduc la un grafit fin, uniform distribuit intr-o masa metalica perlitica. Sunt fonte de rezistenta mecanica marita, cu rezistenta la tractiune Rm = 300-400N/mm2 si alungirea la rupere A = 0,8-1%.
- fonte modificate cu grafit vermicular. Sunt folositi modificatori din cele trei grupe, dar efectul de compactizare este redus, astfel incat rezulta un grafit vermicular in masa feritica, ferito-perlitica sau perlitica. Rezistenta si ductilitatea sunt marite: Rm = 350-450N/mm2; A= 1-5%.
- fonte cu grafit nodular, care folosesc elemente modificatoare din grupa III, curent 0,02-0,1% Mg. Datorita efectului antigrafitizant al magneziului, care favorizeaza structura de fonta alba, este necesara o postmodificare a fontei cu ferosiliciu.
Grafitul nodular anuleaza efectul de crestare, ceea ce confera acestor fonte rezistenta si ductilitatea maxima.
Dupa rezistenta la tractiune si alungirea la rupere, fontele cu grafit nodular se pot grupa in sase clase:
fonte cu plasticitate foarte mare, Amin = 18 - 22%, cu structura complet feritica; sunt fonte tenace la temperaturi negative de -20 si -40˚C;
fonte cu plasticitate mare, Amin = 10 -15% si structura preponderant feritica (fig. 9.27a);
fonte cu plasticitate medie, Amin = 7% si rezistenta la tractiune mica, Rm min = 500N/mm2 si structura ferito-perlitica (fig. 9.27b);
fonte cu rezistenta la tractiune medie, Rm min = 600N/mm2 si structura -perlito-feritica;
fonte cu rezistenta la tractiune mare, Rm min = 700N/mm2 si structura complet perlitica (fig. 9.27c);
fonte cu rezistenta foarte mare,
Rm min = 800-1400 N/mm2 si structura
bainito-martensitica.
Utilizarile fontelor cenusii sunt determinate de proprietatile acestora: rezistenta la uzura (ghidajele batiurilor de la masini unelte, axe, roti dintate, cilindri de la motoare Diesel); rezistenta la coroziune si refractaritate (creuzete de topire a metalelor, tevi de esapament la camioane); capacitate de amortizare a vibratiilor (placi de sprijin a fundatiilor, batiuri); rezistenta la soc termic (lingotiere); tenacitate (volanti, batiurile motoarelor Diesel); compactitate si rezistenta la coroziune (cilindri la compresoare si pompe, organe de masini ce lucreaza la presiuni mari); compactitate (blocul motor la tractoare, automobile, tamburi de frana, discuri de ambreiaj, chiulasa motoarelor Diesel).
Fontele cu grafit nodular se recomanda pentru piese de inalta rezistenta la uzura (arbori cotiti pentru motoare de automobile si motoare Diesel, segmenti de piston, piese pentru turbine, roti dintate, saboti de frana, cilindri de laminor semiduri); piese care care necesita refractaritate (lingotiere), rezistenta la coroziune (armaturi, conducte de apa subterana, tubulatura pentru canalizari) si rezistenta mecanica (utilaje miniere, corpuri la compresor).
In tabelele 9.11, 9.12, 9.13 si 9.14 se prezinta marci de fonte cenusii obisnuite si modificate.
