Influenta compozitiei chimice si a vitezei de racire asupra structurii si proprietatilor fontelor

Influenta compozitiei chimice si a vitezei de racire asupra structurii si proprietatilor fontelor

Structura si proprietatile fontelor depind de capacitatea de germinare a grafitului. Grafitul poate apare in structura fontelor pe doua cai:

direct din faza lichida si solida, conform diagramei stabile Fe-grafit;

prin descompunerea cementitei.

Factorii determinanti in separarea directa a grafitului din solutia lichida sunt: compozitia chimica a topiturii, viteza de racire si capacitatea germinativa a topiturii.

a.        Influenta compozitiei chimice

Fontele industriale sunt aliaje polinare care contin pe langa Fe si C elemente insotitoare permanente ca Si, Mn, S, P, cat si elemente de aliere. Elementele insotitoare sau de aliere se pot imparti in doua grupe: grafitizante si antigrafitizante.

Elementele grafitizante (C, Si, Al, Ni, Cu, Ti, P, Co) au o afinitate mare pentru fier, formand compusi cu fierul, cum sunt Fe₃Si, Fe₃P, Fe₃Al etc. Aceste elemente reduc cementita si lasa liberi atomii de carbon, favorizand formarea germenilor de grafit. De exemplu:

Fe₃C + Si → Fe₃Si + C

Elementele antigrafitizante (Cr, V, Mn, Mo, Mg, S, Ce, B) sunt elemente, care fie se dizolva in cementita [(Fe, Mn)₃C, (Fe, Cr)₃C] pe care o stabilizeaza, fie formeaza carburi stabile proprii care faciliteaza germinarea cementitei. (Cr₂C₃, Mo₂C, VC).

Principalul element, care influenteaza structura fontelor, este carbonul. In fontele cenusii pentru constructia de masini, carbonul se gaseste in limitele 2,8-3,8%. Limita inferioara coboara la 0,5%C pentru fontele aliate cu Si si Al, iar limita superioara urca la 4,5%C in fontele brute de prima fuziune.

Carbonul este un element grafitizant, care mareste cantitatea de grafit din structura fontelor cenusii si micsoreaza cantitatea de perlita. Cresterea continutului de carbon conduce la micsorarea rezistentei mecanice, duritatii si tenacitatii fontei. La fontele albe cresterea continutului de carbon mareste cantitatea de cementita, duritatea si fragilitatea fontei.

Siliciul se gaseste in fontele cenusii in limitele 1,5 - 2,5%. Limita inferioara coboara la 0,5%Si in fontele albe si cea superioara urca la 16%Si in fontele aliate. Siliciul se dizolva in ferita, pe care o durifica. Ferita din fontele cenusii, numita si silicoferita, are rezistenta la tractiune Rm = 350-500N/mm² si duritatea HB = 100-150 daN/mm², superioare feritei din oteluri. Silicoferita intra in componenta perlitei, care de asemenea este mai dura si mai rezistenta: Rm = 900-1200N/mm², HB = 220-330daN/mm². Siliciul este un element puternic grafitizant, care mareste refractaritatea fontei. Siliciul mareste cantitatea de ferita si de grafit, micsoreaza cantitatea de perlita si pe aceasta cale reduce rezistenta si duritatea fontei cenusii.

In diagrama structurala Maurer din figura 9.25a se reda influenta continutului de carbon si siliciu asupra structurii fontelor. Se observa ca la mentinerea constanta a continutului de carbon, prin variatia continutului de siliciu se poate obtine intreaga gama de fonte: I - fonte albe; II - fonte cenusii perlito-cementitice; III - fonte cenusii perlitice; IV - fonte cenusii ferito-perlitice; V - fonte cenusii feritice.

Manganul se gaseste in fontele cenusii pentru constructia de masini.intre 0,5 - 1%. La fontele aliate limita superioara poate ajunge la 8%Mn. Se gaseste dizolvat in cementita marindu-i stabilitatea sau sub forma de sulfuri. Este un element antigrafitizant, care mareste cantitatea de perlita din fonta cenusie, respectiv rezistenta mecanica, duritatea si rezistenta la uzura a fontei.

Sulful se gaseste intre 0,06 - 0,1%. Este un element antigrafitizant care provoaca aparitia grafitului interdendritic, ce confera fontei rezistenta la soc termic. De aceea in fontele pentru lingotiere se poate ajunge la 0,15%S. Continutul se sulf este limitat, datorita insolubilitatii sale in fier sau cementita si a formarii eutecticului E (Fe + FeS), dispus intercristalin si cu efect fragilizant. In fontele de inalta rezistenta cu grafit nodular S < 0,005%.

Fosforul variaza in limitele 0,15-0,25%. Este un element slab grafitizant la cristalizarea primara a fontei si antigrafitizant la cristalizarea secundara.Se gaseste o parte dizolvat in ferita pe care o durifica si o alta sub forma unui eutectic ternar E (P + Fe₃C + Fe₃P), numit eutectic fosforos sau Steadita. Acest eutectic are temperatura scazuta de topire ( 950˚C), este repartizat intercristalin si are o duritate mare (400-600 HB). In fontele cenusii imbunatateste rezistenta mecanica, duritatea, rezistenta la uzura abraziva si proprietatile de turnare. Fontele cenusii fosforoase, care contin pana la 1,5%P, se folosesc pentru turnarea pieselor cu pereti subtiri (elemente de calorifere) sau rezistente la uzura abraziva (saboti de frana, segmenti de piston).

Elementele de aliere carburigene Cr, Mn, Mo, V au actiune antigrafitizanta; iar elementele necarburigene Si, Cu, Ni si Al sunt cu actiune grafitizanta. Elementele de aliere asigura proprietati speciale: siliciul mareste refractaritatea si rezistenta la acizi; nichelul - rezistenta la coroziune in acizi, saruri minerale si organice; alierea complexa Mn + Ni + Cu sau Ni + Cr conduce la obtinerea fontelor austenitice, paramagnetice, rezistente la coroziune si oxidare.

b. Influenta vitezei de racire

In figura 9.26 se prezinta influenta vitezei de racire asupra temperaturii de solidificare a eutecticului (austenita + grafit) cu linie intrerupta, respectiv a eutecticului (austenita + cementita) cu linie continua, in absenta si prezenta siliciului. La o anumita viteza de racire a topiturii se formeaza eutecticul capabil sa cristalizeze cu un grad de subracire mai redus. Astfel la viteze foarte lente de racire v <v₁ se formeaza eutecticul E (A + G) specific fontelor cenusii, iar la viteze superioare v >v₁ se formeaza eutecticul E (A + Fe₃C) specific fontelor albe. Daca topitura contine siliciu, acesta deplaseaza temperatura de solidificare a E (A+Fe₃C) la temperaturi mai scazute. Viteza de racire, la care are loc tranzitia de la cristalizarea fontei dupa sistemul Fe-grafit la sistemul Fe-Fe₃C, se deplaseaza la viteze mai mari de racire v₂>v₁. Se largeste astfel gama vitezelor de racire in care se formeaza fontele cenusii, ceea ce este in concordanta cu efectul grafitizant al siliciului.

Viteza de racire influenteaza cantitatea, dimensiunile si repartizarea grafitului. Cu cat creste viteza de racire cantitatea si dimensiunile separarilor de grafit se reduc. Repartizarea grafitului se modifica de la separari grosiere izolate la separari punctiforme interdendritice, marindu-se rezistenta fontei cenusii.

In diagrama structurala Greiner-Klingenstein din figura 9.25b se indica modificarile structurale sub actiunea cumulata a compozitiei chimice (C+Si) si a vitezei de racire. Viteza de racire se exprima indirect prin grosimea (g) a peretelui piesei turnate in nisip. Se observa ca pentru o compozitie chimica fixata, la cresterea grosimii de perete, respectiv la reducerea vitezei de racire, se obtine succesiv intreaga gama de fonte, de la fontele albe la cele cenusii feritice. Trebuie precizat ca aceasta diagrama structurala nu tine cont de actiunea grafitizanta diferentiata a C si Si si nici de capacitatea germinativa a fontei lichide.

c.Influenta capacitatii de germinare a topiturii

Elemente ereditare din materiile prime de la elaborarea fontei, aflate in cantitati foarte mici in topitura (oligoelemente), pot modifica tensiunea superficiala la interfata lichid-grafit intensificand germinarea omogena a grafitului sau pot constitui particule solide in suspensie in topitura, cu rol de suport la germinarea eterogena a grafitului. Topituri cu aceeasi compozitie chimica, topite la temperaturi diferite pot avea o capacitate germinativa diferita, pentru ca la cresterea temperaturii de topire se poate produce topirea germenilor eterogeni. Capacitatea germinativa a topiturii se poate mari prin introducerea in mod voit, inainte de turnare, a unor elemente modificatoare.

Complexitatea pieselor turnate determina un regim termic neuniform si grafitizare neuniforma. Compozitia chimica a fontei trebuie aleasa pentru a realiza in zona subtire, cu viteza de racire maxima, structura perlitica, iar in zona groasa structura ferito-perlitica. In cazul cand zona groasa are structura perlitica, in cea subtire se obtine structura perlito-cementitica cu efect fragilizant.

Grafitul poate apare in fonta in stare solida si prin descompunerea cementitei, care este favorizata de mentineri indelungate la temperaturi ridicate, viteze lente de racire de la temperatura de incalzire, prezenta in compozitia chimica a fontei a elementelor grafitizante. Instabilitatea termica a cementitei este evidentiata de cresterea in volum a fontelor la incalziri repetate peste 400°C, maleabilizarea fontelor albe si tratamentele termice aplicate fontelor cenusii pentru modificarea microstructurii (natura masei metalice si cantitatea de grafit) si a proprietatilor.