Cap.2. Procedee speciale de turnare

2.1. Consideraţii generale

Prin aceste procedee se pot obţine piese ce au caracteristici diferite de ale celor realizate în forme clasice din amestec de formare şi anume: toleranţe dimensionale foarte strânse, suprafeţe cu rugozitate redusă, omogenitate structurală, segregare compoziţională şi structurală dirijată, configuraţii şi forme speciale etc.

Fenomenele specifice turnării precum: curgerea, solidificarea, cristalizarea şi interacţiunea aliajului cu forma, sunt semnificativ influentate de urmatorii factori:

- forţele sub care se realizează curgerea şi solidificarea;- caracteristicile fizice, chimice, termice, geometrice, artistice etc. ale formelor

de turnare utilizate;- caracteristicile fizice, chimice şi termice ale aliajelor utilizate;- modul de atingere a echilibrului termic aliaj – formă şi condiţiile de răcire ale

acestora.În funcţie de forţa sub care se realizează curgerea şi solidificarea aliajului

procedeele speciale de turnare se împart în doua grupe principale:a) procedee de turnare sub acţiunea forţei de gravitaţie:- turnarea gravitaţională în forme metalice;- turnarea gravitaţională în cristalizoare răcite forţat;- turnarea gravitaţională în forme speciale a operelor de artă.b) procedee de turnare sub acţiunea unor forţe suplimentare faţă de cea

gravitaţională:- turnarea sub presiune: - turnarea la presiuni mici (presiunea gazelor);

- turnarea la presiuni medii (presiunea mecanică);- turnarea la presiuni înalte (presiunea mecanică);

- turnarea prin aspiraţie;- turnarea centrifugă;- turnarea statică prin matriţare în stare lichidă;- turnarea dinamică prin expulzare progresivă;- turnarea în câmp electromagnetic;- turnarea continuă şi semicontinuă.

Curgerea aliajului lichid prin canalele de alimentare şi prin cavitatea formei este determinată de presiunea ce se exercită asupra acestuia. Dacă considerăm curgerea fără pierdere de presiune atunci, conform legii conservării energiei a lui Bernoulli, se poate scrie[5]:

H + (2.1)

în care:- H este înălţimea relativă a coloanei de lichid;- - greutatea specifică a aliajului lichid;- g - acceleraţia gravitaţională;- - viteza medie de curgere;- P - presiunea exterioară asupra aliajului lichid şi care este:

P = Patm., la turnarea sub acţiunea forţei de gravitaţie;P = Patm.+ Psi , în care Psi. este presiunea suplimentară de injectare la turnarea sub presiune.

Cei trei termeni din relaţia (2.1) reprezintă presiunea hidrostatică (H ), presiunea

hidrodinamică ( ) şi presiunea exterioară (P).

Prin aplicarea ecuaţiei (2.1) în două puncte diferite ale reţelei de alimentare cu aliaj lichid se obţin următoarele relaţii pentru viteza de deplasare a aliajului lichid:

- , respectiv (dacă se ţine cont şi de coeficientul de pierdere de viteză), în cazul turnării prin cădere liberă sub influenţa gravitaţiei;

- , respectiv în cazul turnării sub presiunea

suplimentară de injecţie Psi.Coeficientul de pierdere de viteză prin frecare și inerție se poate deduce cu relația:

= (2.2) în

care reprezintă coeficienții de pierdere de energie prin frecare cu pereții canalelor de curgere și cei datorați rezistențelor locale la schimbările bruște de direcție și secțiune.

Vitezele de curgere ale aliajelor turnate sub presiune diferă semnificativ, în funcţie de greutatea lor specifică. Astfel, pentru Psi = 1 daN/cm2, vitezele de curgere ale aliajelor turnate sub presiune în matriţe identice sunt: vAl = 8,5 m/s ; vZn = 5,3 m/s ; vMg = 10,6 m/s ; valamă = 5,1 m/s. Din acest motiv pentru fiecare tip de piesă şi marcă de aliaj trebuie calculate elementele reţelei de turnare în funcţie de instalaţiile de turnare specifice folosite.

2.2. Influenţa vitezei de răcire asupra cristalizării şi solidificării aliajelor

Solidificarea în condiţii reale nu asigură niciodată condiţii de atingere a echilibrului, cristalizarea realizându-se fără o difuzie completă între diferitele axe ale aceleiaşi dendrite. La solidificarea unui aliaj ce formează soluţie solidă, în condiţiile răcirii cu viteze mai mari decât cele necesare realizării echilibrului, se constată următoarele:

Fig. 2.1. Solidificarea reală (în afara condiţiilor de echilibru) a aliajului X.

- la atingerea curbei lichidus, la temperatura T1 , lichidul va avea compoziţia l1 , iar solidul compoziţia s1 ;- la temperatura T2 lichidul va avea compoziţia l2 , iar soluţia solidă compoziţia s2;- la temperatura T3 lichidul va avea compoziţia l3 , iar soluţia solidă compoziţia s3;- la temperatura Ti lichidul va avea compoziţia li , iar soluţia solidă compoziţia si.Deoarece solidul format anterior nu a avut timp să-şi schimbe compoziţia prin

difuzie, înseamnă că la momentele ulterioare compoziţia globală a solidului are o valoare intermediară, adică: s2

’ , s3’ , s4

’ , . . . si’ . . . Datorită solidificării cu difuziune

incompletă rezultă o curbă solidus deplasată în stânga şi în jos faţă de cea corespunzătoare echilibrului.

În concluzie, la solidificarea cu viteze de răcire mărite, intervalul de solidificare se măreşte, iar segregaţia dendritică se majoreajă corespunzător. Creşterea în continuare a vitezei de răcire nu conduce în mod proporţional la creşterea intervalului de solidificare şi a segregaţiei dendritice. Astfel, la răcirea bruscă din stare lichidă, compoziţiile obţinute sunt destul de omogene, iar intervalul de solidificare traversat este mai mic decât cel corespunzător echilibrului. Pentru exemplificare, în figura 2.2, se iau în considerare bronzurile cu staniu industriale. Astfel, aliajul cu 13,5%Sn va avea proporţii diferite de faze solide şi lichide la răcirea cu viteze mult diferite.

a)

b)

c)Fig. 2.2. Solidificarea şi domeniile structurale ale bronzurilor industriale cu 13,5%Sn

a – conform diagramei de echilibru făcute la viteze de răcire foarte mici;b - în condiţiile răcirii în forme din amestecuri pe bază de nisip cuarţos;c - în condiţiile răcirii în forme metalice.

Vitezele de răcire mari fac ca domeniile structurale din diagrama de echilibru să se deplaseze spre stânga sau altfel spus domeniile structurale din diagrama de echilibru apar ca şi cum compoziţia aliajului ar corespunde unei verticale deplasate spre dreapta. Mărirea vitezei de răcire, în domeniul posibil de întâlnit în practica industrială, conduce la micşorarea intervalului de solidificare.

Mărimea intervalului de solidificare a unui aliaj tip soluţie solidă, răcit cu viteze diferite, este ilustrată în figura 2.3. Se poate spune că mărimea intervalului de solidificare, adică distanţa dintre frontul de început de cristalizare şi frontul de sfârşit de cristalizare, este puternic influenţată de viteza de răcire şi compoziţia chimică a aliajului.

I nt

erfa

ţă

I nt

erfa

ţă

I nt

erfa

ţă

a) b) c)

Fig. 2.3. Mărimea zonei bifazice L + S în cazul răcirii unui aliaj tip soliţie solidă,cu interval de solidificare, la turnarea în:a – forme din amestecuri cu nisip cuarţos, uscate;b – forme din amestecuri cu lianţi anorganici, crude;c – forme metalice permanente.

Axa

term

ică

Axa

term

ică

Axa

term

ică

Tem

pera

tura

, °C

La viteze de răcire foarte mari, cum este cazul turnării în forme metalice sau în cristalizoare răcite cu apă, pentru multe aliaje intervalul de solidificare se reduce semnificativ, solidificarea făcându-se asemănător metalelor pure sau aliajelor eutectice, adică cu un singur front de cristalizare.

Vitezele mari de răcire asigurate de către formele metalice, pe lângă schimbările structurale menţionate, conduc şi la o modificare importantă a parametrilor regimului de turnare sau a celor legaţi de procesul de solidificare şi formare a piesei, cum ar fi: contracţia, formarea retasurilor, apariţia tensiunilor etc. Vitezele mari de răcire asigurate de formele metalice determină o micşorare accentuată a fluidităţii, ceea ce impune o dimensionare corectă a reţelei de turnare, stabilirea temperaturii de supraîncălzire şi turnare, alegerea grosimei minime a peretelui piesei turnate.

Câteva exemple ale influenţei vitezei de răcire asupra fluidităţii unor aliaje ale cuprului sunt redate în tabelul 2.1.

Tabelul 2.1. Fluiditatea aliajelor cuprului în condiţii diferite de răcire[4]Nr. crt.

Aliajul Turnat

Fluiditatea:lungimea spiralei,în mmÎn forme din amestec, uscate În forme metalice

1. Bronz cu staniu 35 – 60 18 – 252. Bronz cu aluminiu 61 – 120 26 – 603. Bronz cu siliciu 40 – 80 30 – 504. Alamă 50 – 85 35 – 55

Se constată că la turnarea în forme metalice a aliajelor cuprului fluiditatea scade la jumătate. La turnarea aliajelor aluminiului această influenţă este mai redusă deoarece temperatura de turnare este mai mică, iar căldura masică specifică este mai mare, ceea ce conduce la o pierdere de temperatură mai mică.

Contracţia liniară a aliajelor este influenţată de viteza de răcire, aşa cum se vede în tabelul 2.2.

Tabelul 2.2. Contracţia liniară în funcţie de viteza de răcireNr. crt.

Aliajul Metoda de turnareForme din amestec, uscate Forme metaliceContracţie frânată, %

Contracţie liberă, %

Contracţie frânată, %

Contracţie liberă, %

1. Cu – Sn 1,20 1,40 1,40 1,602. Cu - Al 1,80 2,00 2,10 2,403. Cu - Zn 1,40 1,70 1,60 1,904. Cu – Zn - Al 1,60 1,90 1,70 2,105. Cu – Zn - Mn 1,65 1,95 1,90 2,156. Al – Cu(8%) - 1,35 - 1,607. AlCu(4%)Ni(2%) Mg(1,5%) - 1,35 - 1,658. Al – Si(12%) - 0,90 - 1,209. Al – Si(5%) – Cu(5%) - 1,25 - 1,5010. Al – Mg(6%) - 1,30 - 1,53

Contracţia mai mare a aliajelor turnate în forme metalice este explicată de faptul că zona bifazică dintre frontul de început şi de sfârşit de solidificare se reduce semnificativ, ceea ce conduce la dispariţia microporilor interdendritici, iar aliajul rezultat va fi mult mai compact şi cu o contracţie mai mare.

2.3. Influenţa procedeului de turnare asupra calităţii pieselor turnate

Aprecierea calităţii pieselor turnate se face în funcţie de următoarele criterii:a) Toleranţele dimensionale – procedeele speciale sunt de precizie mai mare şi

conduc la obţinerea unui câmp de toleranţe mai redus decât la turnarea în forme clasice din amestec. Dacă la piesele turnate în forme din amestec pe bază de nisip obținute cu model de lemn sau prin șablonare toleranţele sunt de mm/1000mm, la turnarea în forme metalice, în forme coji sau în forme ceramice toleranţele scad la

mm/1000mm.b) Gradul de netezime al suprafeţelor pieselor brut turnate este mult mai ridicat

la piesele turnate în forme metalice decât al celor turnate în forme din amestec. Astfel, dacă la piesele turnate în forme clasice din amestec

abaterea medie aritmetică a neregularităţilor Ra este (10 – 80) , iar înălţimea neregularităţilor Rz este (20 – 350) ,

la piesele turnate în forme metalice sau în forme speciale (coji, ceramice, din grafit, din gips ) aceste mărimi sunt:

Ra = ( 1,25 – 20 ) ,Rz = ( 6,3 - 80 ) .

Între aceste mărimi și înălțimea maximă a neregularităților Rmax există următoarele corelații: Rmax = (3 ÷ 6)Ra și lgRz = 0,65 + 0,97lgRa.

c) Caracteristicile mecanice ale pieselor turnate sunt net superioare în cazulturnării în forme metalice spre deosebire de turnarea în forme din amestec.

În tabelul 2.3. sunt prezentate caracteristicile mecanice ale semifabricatelor din bronz CuSn6Zn4Pb4 obținute prin diferite procedee de turnare.

Tabelul 2.3.Caracteristici mecanice ale pieselor din aliajul CuSn6Pb4Zn4T, funcţie de procedeul de turnare și natura formei utilizate[4]

Nr. crt.

Caracteristicimecanice

Valoristandardizate

Turnat în:Forme din amestec

Forme metaliceCădereLiberă

Centrifug Aspiraţie

1. Rezistenţa la rupere, daN/mm2

16,0 – 21,0 15,7 25,2 35,5 39,8

2. Alungirea, % 5,0 – 8,0 2,9 10,2 14,4 31,93. Rezilienţa,daJ/cm2 0,7 – 0,9 1,2 2,0 1,0 2,04. Duritatea, HB 60 – 70 40 – 65 60 - 90 57 - 75 65 - 90

Se observă că la turnarea în forme metalice caracteristicile mecanice sunt considerabil mai ridicate decât la turnarea în forme din amestec pe bază de nisip.

La analiza calităţii pieselor turnate se va avea în vedere şi omogenitatea structurală, compactitatea peretelui, lipsa defectelor interne etc.

Din punctul de vedere al eficienţei economice procedeele de turnare în forme metalice nu pot deveni competitive decât la producţiile de serie, astfel:

800 – 1500 buc., la turnarea prin curgere liberă;200 – 5000 buc., la turnarea centrifugă;peste 5000 buc., la turnarea sub presiune a alamelor;peste 20000 buc., la turnarea sub presiune a aliajelor de aluminiu;peste 25000 buc., la turnarea sub presiune a aliajelor de zinc.

Cap. 3. Obţinerea pieselor turnate în forme metalice permanente

3.1. Consideraţii generale

Turnarea gravitaţională în forme metalice permanente este cunoscută în practica industrială sub

denumirea de „turnarea în matriţe sau în cochile”. Din punct de vedere al principiului turnării aliajului în

formă acest procedeu este asemănător cu procedeul convenţional, clasic, de turnare în forme crude. Aliajul

lichid este turnat din oala de turnare în formă prin pâlnia reţelei de turnare şi umple cavitatea formei prin

curgere sub greutatea proprie. După solidificare şi răcire piesa este extrasă, iar forma se reutilizează pentru

turnarea altor piese.

În ultimile decenii turnarea gravitaţională în forme metalice a devenit unul dintre cele mai

răspândite procedee de turnare neconvenţională, mai ales pentru fabricația de piese din aliaje neferoase

( aliaje de aluminiu, aliaje de magneziu, aliaje de zinc, aliaje de cupru etc.). Extinderea domeniilor de

utilizare se explică prin faptul că procedeul poate fi aplicat cu dotări nu foarte costisitoare dar și fără

instalaţii speciale, iar personalul nu trebuie să aibă o calificare înaltă deoarece principiile de bază sunt

asemănătoare cu cele ale turnării în forme clasice. Proiectarea și execuţia formelor de turnare nu este

foarte complictă fiind accesibilă societăților cu o dotare tehnică medie din punct de vedere a prelucrării

mecanice prin așchiere.

Condiţia esenţială pentru aplicarea acestui procedeu o reprezintă asigurarea unei durabilităţi

corespunzătoare a formelor metalice de turnare. Pentru îndeplinirea acestui deziderat, în general, se

recomandă ca temperatura de turnare a aliajului din care se obțin piesele să fie mai mică decât temperatura

de topire a aliajului din care se execută forma. Din aceleași considerente turnarea în forme metalice se

aplică cu precădere la fabricația pieselor din aliaje neferoase cu pereţii nu prea groşi. Funcție de

caracteristicile tehnologice ale aliajului și de numărul de piese ce trebuie turnate se alege materialul din

care se execută forma metalică. Acesta poate fi obținut prin turnare, forjare, matrițare, laminare etc. din

aliaje feroase obișnuite sau refractare, precum și din aliaje neferoase corespunzătoare. În practica

industrială procedeul se aplică în special pentru turnarea pieselor din aliaje ale aluminiului, zincului sau

cuprului în forme metalice din fonte și oțeluri mai mult sau mai puțin aliate.. Prin acest procedeu se pot

turna piese fasonate cu geometrie relativ simplă şi un număr redus de miezuri(capace, pârghii, bucşe,

jante, roţi, suporţi, blocuri, corpuri de robineţi sau de apometre, fitinguri etc.) sau semifabricate (bare,

tuburi, plăci etc.).

Procedeul neconvenţional de turnare în forme metalice permanente prezintă mai multe avantaje

tehnico-economice dintre care amintim:

- excluderea operaţiilor de formare, ceea ce conduce la diminuarea consumului de materiale şi

manoperă, eliminarea investiţiilor în utilaje de preparare a amestecurilor de formare şi pentru execuţia

formelor, reducerea suprafeţelor destinate formării şi depozitării materialelor şi formelor etc.;

- îmbunătăţirea indicelui de scoatere a metalului ca urmare a micşorării adaosurilor de prelucrare, a

reducerii volumului maselotelor şi reţelelor de turnare;

- reducerea costului aliajelor utilizate ca urmare a îmbunătăţirii caracteristicilor fizico – mecanice

datorită finisării structurii la răcirea rapidă şi nu prin aliere suplimentară;

- reducerea timpului de fabricaţie;

- posibilităţi de mecanizare şi automatizare.

- calitate superioară a suprafeţelor pieselor turnate;

- precizie dimensională mai ridicată a pieselor turnate cu implicaţie privind reducerea adaosurilor de

prelucrare şi reducerea costurilor prelucrărilor ulterioare;

-utilizarea mai raţională a caracteristicilor intrinseci de rezistenţă ale aliajelor ca urmare a finisării

structurii prin mărirea vitezei de răcire după turnare;

-indice de scoatere total mai bun ca urmare a reducerii volumului reţelelor de turnare şi a

adaosurilor de prelucrare;

-asigurarea unor condiţii de microclimat mai bune în atelierele de turnare şi reducerea poluării

mediului înconjurător zonal, ca urmare a reducerii considerabile a cantităţii de gaze degajate la turnare;

- reducerea procentului de rebut la turnare ca urmare a eliminării defectelor de genul incluziunilor

de amestec de formare şi sufluri de natură exogenă;

- productivitate ridicată;

Procedeul implică însă şi dezavantaje care limitează extinderea lui. Menţionăm următoarele

dezavantaje:

- cost ridicat al formelor metalice ceea ce face ca procedeul să fie economic numai în cazul unor

producţii de serie;

- limitările impuse configuraţiei piesei turnate datorită frânării contracţiei la răcire după

solidificare şi riscurile apariţiei unor defecte de genul fisurilor;

- fluiditate mică a aliajelor lichide în cazul turnării în forme metalice ca urmare a conductibilităţii

termice mari a formei de turnare;

- riscurile deteriorării formelor de turnare când condiţiile nu sunt strict respectate.

Din experienţa industrială turnătoriile care au extins procedeul turnării în forme metalice au

înregistrat următoarele avantaje:

- mărirea de 4 – 5 ori a productivităţii muncii;

- reducerea cu 25 – 35% a costurilor de fabricaţie;

- reducerea cu 20 – 35% a cantităţii de rebuturi produse;

- reducerea de 1,5 – 2 ori a gradului de încărcare a maşinilor unelte;

- reducerea de 1,5 – 2 ori a suprafeţelor sectoarelor de formare;

- reducerea semnificativă a ciclului de fabricaţie.

3.2. Interacţiunea aliaj – formă

Aliajele introduse în formele metalice la temperatura de turnare Ttur. conţin o cantitate de căldură Q care se poate calcula cu relaţia (3.1).

Q = M cpl Ttur. , (3.1)în care: M este masa aliajului lichid, în kg;

cpl - căldura specifică masică a aliajului în stare lichidă, în J/kg grad; Ttur. – temperatura de turnare, în 0C.Această cantitate de căldură a fost înmagazinată de aliaj la încălzirea, topirea şi

supraîncălzirea sa la temperatura de turnare.Q = M cps( Ttop – T0 ) + M Lt + M cpl ( Ttur. – Ttop.), (3.2)

în care: cps este căldura specifică masică a aliajului în stare solidă, în J/kg grad; Ttop – temperatura de topire; T0 - temperatura mediului; Lt - căldura latentă masică de topire, în J/kg.Cea mai mare parte din această căldură este transmisă formei metalice în timpul

turnării, solidificării și răcirii aliajului turnat, o parte este cedată atmosferei, iar o altă parte este înmagazinată în piesa dezbătută. Intensitatea schimbului de căldură dintre aliaj și forma de turnare este cu atât mai mare cu cât temperatura de turnare este mai mare.

În timpul turnării și a umplerii cavității formei transmiterea caldurii se face preponderent prin convecție și radiație. Inițial, la contactul topiturii cu suprafețele inferioare ale cavității formei, are loc transferul prin conducție, apoi se intensifică tranferul termic prin convecție, care în timpul umplerii devine mult mai mare decât cel

prin conducție. Pe tot parcursul turnării are loc un intens transfer de căldură prin radiație de la topitură la suprafețele superioare ale cavității formei. Transferul prin radiație este maxim către suprafețele formei care sunt paralele cu suprafața liberă a aliajului lichid. Din această cauză la piesele tip placă, în special la cele cu pereții groși care sunt turnate din aliaje cu temperatură mare de topire, se recomandă pozițiile înclinate ale formei pentru a diminua efectul radiației termice asupra suprafețelor superioare expuse.

Pentru o bună înțelegere a fenomenelor termice care au loc la turnarea aliajului lichid în forma de turnare este necesar să analizăm complexele procese de tranfer de căldură în condiții tehnice reale.

Transmisia căldurii este procesul spontan, ireversibil de propagare a căldurii şi reprezintă schimbul de energie termică dintre două corpuri sau două zone ale aceluiaşi corp între care există o diferenţă de temperatură. În procesele de transfer de căldură, câmpul de temperatură reprezintă totalitatea valorilor de temperatură din sistem la momentul dat. Creşterea elementară a temperaturii într-un câmp de temperatură se exprimă prin gradientul de temperatură. Acesta este un vector normal la suprafaţa izotermă şi este numeric egal cu raportul dintre variaţia maximă de temperatură dintre două puncte diferite şi distanţa dintre acestea.

Căldura transferată de la un punct de temperatură la altul în unitatea de timp reprezintă fluxul termic dacă se face prin suprafaţa izotermă şi densitatea fluxului termic dacă se face prin unitatea de suprafaţă.

În procesele reale de schimb de căldură din sistemul complex piesă turnată –formă, câmpul de temperatură este nestaţionar deoarece temperatura se modifică în timp, iar fenomenele de transfer termic între diferiţii componenţi ai sistemului sau între acesta şi mediul ambiant sunt foarte importante.

3.2.1. Transferul de căldură prin conducţie

Transferul de căldură prin conductibilitate se realizează pe direcţia fluxului termic din zona temperaturilor înalte către zona rece a aceluiaşi corp sau prin contact de la un corp la altul, fără un transfer vizibil de masă.

Cantitatea de căldură transmisă într-un câmp staţionar de temperatură între două puncte cu temperaturile T1 şi T2 aflate la distanţa între ele , printr-o secţiune S, conform legii lui Fourier, este:

(3.3)

în care este coeficientul de conductibilitate termică sau conductivitate termică şi se măsoară în W/mK. Conductivitatea termică este o caracteristică a materialului prin care are loc transferul de căldură şi depinde de natura, compoziţia, presiunea şi temperatura acestuia. Conductivitatea termică a unor materiale este prezentată în anexa 1.

În cazul metalelor, între coeficienţii de conductibilitate termică şi conductivitatea electrică există o corelaţie dată de relaţia Wiedemann-Franz-Lorenz:

(3.4)

în care:

L - constantă, numită numărul lui Lorenz, [(volt)2 / K2]; Ke - conductivitatea electrică, [-1m-1]; T - temperatura absolută, [K]; - conductivitatea termică, [Wm-1K-1].

Fluxul de căldură pentru o direcţie oarecare y este:

,(3.5)

iar pentru toate direcţiile:, (3.6)

în care:

T

y- este gradientul de temperatură pe direcţia y

TT

x

T

y

T

z

Dacă temperaturile punctelor între care are loc transferul de căldură se modifică în timp, deci câmpul de temperatură este nestaţionar, ecuaţia conductibilităţii termice este:

2TT

t ,(3.7)

în care:

este difuzivitatea termică și se măsoară în ;

- densitatea, ;

Cp – căldura specifică la presiune constantă, ;

22

2

2

2

2

2TT

x

T

y

T

z

Ecuaţia (3.7) este valabilă pentru sisteme izotrope, în condiţiile în care şi Cp

sunt independente de temperatură, nu există surse suplimentare de căldură şi coeficientul de conductibilitate termică este constant.

3.2.2. Transferul de căldură prin convecţie

Convecţia termică reprezintă procesul de transfer al căldurii între o suprafaţă solidă şi un fluid între care există contact fizic direct şi mişcare relativă. Este rezultatul acţiunii combinate a conducţiei termice, a acumulării de energie internă şi a mişcării fluidului. Mecanismul procesului nu depinde direct de diferenţa de temperatură, el fiind influenţat de mişcarea fluidului.

Relaţia cea mai simplă de exprimare a transferului convectiv de căldură este cea dedusă de Newton. Conform acesteia, cantitatea de căldură transferată în unitatea de timp între un fluid şi suprafaţa unui perete este :

Q h S T Tf p ( ) (3.8)în care:

h - coeficientul de transfer termic convectiv, W/m2K; S - suprafaţa de schimb de căldură, m2; Tf, Tp - temperatura fluidului, respectiv a suprafeţei peretelui, K.

Coeficientul de transfer termic convectiv natural este de 2,9-29 W/m2K în gaze şi de 5805-58050 W/m2K în cupru şi oţel topit, iar la convecţia forţată de 5,8-290 W/m2K în gaze şi 1742-58050 W/m2K în metale lichide [6].

Factorii principali care influenţează transferul de căldură prin convecţie sunt:- sursa de generare a mişcării fluidului;- regimul de curgere a fluidului;- proprietăţile fizice ale fluidului; - forma şi dimensiunile suprafeţei de contact.

3.2. 3. Transferul de căldură prin radiaţie

Este procesul de transmitere a căldurii prin intermediul radiaţiilor electromagnetice de o anumită lungime de undă, numite radiaţii infraroşii. Cantitatea de căldură transmisă în unitatea de timp prin radiaţie între două corpuri cu suprafeţele S1 şi S2, aflate la temperaturile T1 şi T2, se determină după legea Stefan-Boltzmann, cu ecuaţia:

Q C S T Tr 12

814

2410 ( ) (3.9)

în care: Cr - coeficientul redus de radiaţie; S12 = p12S1 = p21S2 - suprafaţa reciprocă de radiaţie; p12, p21 - coeficienţi ce reprezintă fracţiunea din radiaţia totală a unui corp ce

ajunge pe celălalt corp.Coeficientul redus de radiaţie se poate exprima în funcţie de constanta de

radiaţie a corpului negru Co = 5,67 W/m2K4 şi gradul redus de înnegrire r [7]:

C CC

p pr r

00

112

2211

11

11

(3.10)

în care 1 şi 2 sunt gradele de înnegrire ale corpurilor (Al = 0,04-0,2 la 200-600 C; oţel = 0,5 la 700 C).

Distanţa dintre corpuri nu influenţează transferul prin radiaţii dacă spaţiul dintre ele nu cuprinde un mediu absorbant de radiaţii. Intensificarea schimbului de căldură prin radiaţie se realizează prin mărirea temperaturii suprafeţei radiante şi prin mărirea gradului redus de înnegrire al sistemului.

3.2.4. Transmiterea complexă a căldurii

În condiţii reale există situaţii când transferul de căldură se realizează simultan prin conducţie, convecţie şi radiaţie termică. Cantitatea de căldură transferată în unitatea

de timp între un corp solid cu suprafaţa S şi temperatura T1 şi un fluid cu temperatura T2

reprezintă suma dintre cantitatea de căldură transmisă prin convecţie şi radiaţie în aceeaşi unitate de timp:

Q = Qc + Qr = hS (T1 - T2) + Cr·S12·10-8 (T14 T2

4) (3.11)

Deoarece S12 = S, iar diferenţa dintre temperaturi este aceeaşi, relaţia (3.11) se poate scrie:

Q = S (T1 - T2) [h+ Cr·10-8 (T12 T2

2) (T1 + T2)] (3.12)

Dacă notăm cu:r=Cr·10-8 (T1

2 T22) (T1 + T2) - coeficientul de transmitere a căldurii prin radiaţie şi

cu =h+r - coeficientul de transmitere complexă (convecţie şi radiaţie) a căldurii,

atunci cantitatea totală de căldură transferată este:

Q = S (T1 - T2) (3.13)

Tot în aplicaţiile practice ale turnării aliajelor se întâlnesc situaţii când, de la topitura metalică căldura se transmite prin radiaţie şi/sau convecţie la un corp prin care căldura este transmisă prin conductibilitate şi de la acesta la un fluid prin convecţie sau la un alt corp prin radiaţie. Dacă pentru exemplificare considerăm transferul succesiv convectiv şi conductiv, atunci pentru fluxul termic se poate scrie relaţia:

(3.14)

în care: h1 şi h2 - coeficienţi de transfer termic prin convecție în mediile 1 şi 2; - coeficientul de conductibilitate termică; T1 şi T2 - temperaturile celor două medii în care transferul se face prin convecţie; - grosimea solidului prin care are loc transferul conductiv de căldură; TS1 şi TS2 - temperaturile suprafeţei solidului către mediul 1, respectiv 2.

Prin substituirea termenilor TS1 şi TS2 rezultă fluxul termic total:(3.15)

în care termenul este coeficientul total de transfer termic succesiv pentru

cazul convecţie - conducţie - convecţie.Deci, în general, fluxul termic este:

q K T T ( )1 2 (3.16)

iar cantitatea de căldură transferată în unitatea de timp printr-o suprafaţă S este:

Q KS T T ( )1 2 (3.17)

3.3. Particularităţi constructive ale formelor metalice

Formele de turnare permanente se execută, în general, din aliaje metalice refractare sau din aliaje

care au temperatura de topire suficient de mare pentru a rezista turnărilor repetate în funcţie de natura şi

temperatura de turnare a aliajului din care se toarnă piesa. Formele metalice pentru turnarea gravitaţională

sunt constituite, în general, din aceleaşi elemente tehnologice ca şi formele clasice din amestec de formare

pe bază de nisip şi anume:

- amprenta piesei;

- reţea de turnare;

- maselote;

- suprafaţă de separaţie;

- miezuri;

- elemente de centrare;

- elemente de strângere (închidere, asigurare);

- elemente de aerisire;

- extractoare.

Proiectarea construcţiei formelor metalice necesită rezolvarea următoarelor probleme:

- dimensionarea grosimii pereţilor formei astfel încât să se asigure solidificarea optimă a piesei şi

durabilitatea maximă a formei;

- evacuarea aerului şi a gazelor din formă;

- montarea şi extragerea miezurilor metalice;

- închiderea şi deschiderea rapidă a semiformelor;

- extragerea piesei din formă.

Construcţia formelor metalice prezintă particularităţi din punct de vedere al suprafeţei de separaţie,

al grosimii pereţilor, al construcţiei miezurilor, al evacuării aerului şi a gazelor, al construcţiei reţelei de

turnare, al construcţiei maselotelor, şi al sistemelor de centrare şi închidere.

Planul de separaţie (suprafaţa de separaţie) a formelor metalice este totdeauna verticală. Această

particularitate este impusă de necesitatea ca suprafaţa de separaţie să secţioneze reţeaua de turnare şi

respectiv maselotele, astfel ca după solidificare acestea să poată fi extrase din formă odată cu piesa, întru-

cât forma nu se dezmembrează prin dezbatere ca în cazul formelor pierdute.

Grosimea pereţilor formelor metalice pentru turnare gravitaţională este mult mai mică decât în

cazul formelor pierdute realizate din amestec de formare. Formele metalice nu se realizează cu pereţi

masivi din necesitatea ca acestea să asigure un transfer de căldură corespunzător spre mediul ambiant.

Pereţii formelor metalice sunt relativ subţiri, fiind eventual rigidizaţi prin nervuri, astfel ca piesa să se

solidifice cu o viteză optimă. Această construcţie determină în acelaşi timp o greutate redusă a matriţelor,

manevrarea mai uşoară a acestora şi în plus reducerea consumului de metal pentru execuţia lor. Grosimea

redusă a pereţilor permite de asemenea preîncălzirea rapidă cochilelor la demararea turnării, pentru a

atinge temperatura de regim de lucru normal în vederea umplerii şi solidificării fără defecte a pieselor

turnate.

Construcţia, montarea şi extragerea miezurilor diferă în cazul formelor metalice faţă de cele din

amestec de formare. În cazul formelor metalice miezurile sunt executate de obicei din aliaje metalice, dar

este posibil să se utilizeze şi miezuri pierdute (de unică folosinţă) din amestecuri de miez. Aceasta poate

să aibă efect negativ în ceea ce priveşte rugozitatea suprafeţelor piesei turnate şi precizia sa dimensională,

precum şi în privinţa degajării de gaze, a apariţiei de sufluri de natură exogenă sau a înrăutăţirii

microclimatului din atelierul de turnare. Miezurile metalice ridică probleme la turnare datorită

incompresibilităţii lor. De aceea ele trebuie extrase din piesă (din formă) cât mai rapid după solidificarea

piesei, imediat ce aceasta a dobândit o rezistenţă mecanică suficientă pentru a-şi menţine geometria. Ca

urmare miezurile trebuie astfel concepute şi asamblate în formă încât să poată fi extrase înainte de

deschiderea formei. Suprafeţele active ale miezurilor trebuie să fie prelucrate foarte fin şi să aibă înclinaţii

ale suprafeţelor care să permită extragerea din piesă.

Amprenta piesei din formă trebuie să prezinte de asemenea înclinaţii în vederea extragerii piesei

din formă după solidificare. Poziţia piesei (amprentei piesei) în formă este foarte importantă pentru

calitatea pieselor turnate. Prin poziţia piesei la turnare trebuie să se asigure o umplere liniştită a amprentei,

fără turbulenţe. Poziţia piesei trebuie fie favorabilă eliminării gazelor din formă în timpul umplerii. De

asemenea este necesar să se asigure eliminarea din amprentă a eventualelor incluziuni de oxizi care se

formează la suprafaţa metalului lichid, prin împingerea acestora în maselote sau răsuflători. În cazul

pieselor foarte mici, pentru rentabilitate se recomandă turnarea simultană a mai multor piese într-o

semiformă.

Canalele de aerisire ale amprentei pieselor au o importanţă majoră pentru umplerea corectă

(completă) şi pentru obţinerea unor piese de calitate, deoarece pereţii formelor metalice nu au

permeabilitate. Canalele de aerisire se poziţionează obligatoriu la partea superioară a pieselor deoarece

zonele superioare ale amprentelor se umplu ultimile cu aliaj lichid. În cazul că la partea superioară a

amprentei se formează zone (acumulări) izolate de aer în timpul umplerii, fiecare zonă trebuie prevăzută

cu canale de aerisire. Secţiunea canalelor de aerisire trebuie să asigure evacuarea uşoară a gazelor. Pentru

a fi posibilă extragerea pieselor din formă canalele de aerisire trebuie plasate de asemenea în planul de

separaţie al formei.

3.5. Aspecte tehnologice ale turnării gravitaţionale în forme metalice

La această metodă, umplerea cavităţii formei metalice se realizează prin curgerea

liberă a metalului lichid. Solicitările mecanice ale cochilelor sunt reduse, importante

devenind solicitările termice datorate încălzirilor şi răcirilor repetate ca urmare a

turnărilor succesive.

Formele metalice de turnare, denumite şi cochile se realizează frecvent din fonte

sau oţeluri, mai mult sau mai puţin aliate, dar se pot fabrica şi din aliaje neferoase

refractare scumpe, cum sunt, de exemplu, bronzurile cu beriliu.

Cele mai multe aplicaţii ale turnării gravitaţionale în forme metalice sunt pentru

piesele din aliaje de aluminiu utilizate în domeniul construcţiilor de maşini şi al bunurilor

de larg consum[25]. În ultimile decenii această metodă de fabricaţie s-a extins şi la alte

tipuri de aliaje[54;55]: aliajele magneziului, aliajele zincului, bronzuri, alame etc.,

precum şi în alte domenii: piese pentru motoare şi pompe, armături, robineţi, fitinguri,

medalii, brelocuri etc. Turnarea gravitaţională în forme metalice se pretează foarte bine

pentru producerea de semifabricate cu geometrie simplă şi fără miezuri, dar se poate

aplica şi la turnarea unor piese mai complicate, cu unul sau mai multe miezuri metalice

sau din amestecuri liate cu răşini sintetice.

La proiectarea tehnologiilor de turnare în cochilă se va ţine seama de contracţia

mare la solidificare specifică aliajelor utilizate şi de dificultăţile ce apar în ceea ce

priveşte utilizarea miezurilor metalice cât şi cea legată de grosimea maximă a peretelui

piesei turnate. În cazul turnării pieselor cu o geometrie mai complicată se recomandă

practicarea de canale de ventilaţie în pereţii formei sau, dacă este posibil, în planul de

separaţie al cochilei.

Deoarece la turnarea în cochile viteza de răcire este mare piesele au o structură

fină, uniformă şi omogenă, iar densitatea mai mare decât la cele turnate în forme de

nisip[35].

La turnare, metalul lichid are tendinţa de a se lipi de peretele formei. Pentru a

preîntâmpina acest neajuns, suprafaţa activă a cochilei se acoperă cu vopsele speciale

care reduc coeficientul de transmitere a căldurii prin conducţie şi previne lipirea. Înainte

de turnare cochilele se încălzesc la temperaturi de 150-300C, funcţie de natura aliajului,

pentru a preîntâmpina şocul termic şi apariţia crăpăturilor pe pereţi.

Vopselele refractare pentru protecţia suprafeţelor active ale cochilelor se

achiziţionează de la firme specializate sau se prepară în turnătorie. Aceste vopsele se

folosesc în funcţie de aliajul turnat, fapt pentru care compoziţia lor este diferită. În

continuare se prezintă câteva reţete de preparare a acestor vopsele refractare:

- Vopseaua A , destinată turnării pieselor din alamă şi bronz:

- grafit: 30%;

- talc: 30%;

- melasă: 3%;

- bentonită: 3%;

- apă: rest.

- Vopseaua B, destinată turnării pieselor din aliaje de aluminiu:

- talc: 60%;

- bentonită: 4%;

- apă: rest;

În afara acestora, la turnarea aliajelor de aluminiu, se mai pot utiliza următoarele

soluţii de protecţie ce se aplică prin pulverizare pe părţile active ale cochilei:

- ulei vegetal: 50%

- grafit: 50%.

sau

- ulei vegetal: 25%

- negru de fum: 75%

sau

- grafit: 15-20%

- cretă praf: 15-20%

- sicilat de sodiu: 3-4%

- apă: rest.

Aplicaţii deosebit de interesante ale turnării gravitaţionale în forme metalice se

întâlnesc la fabricaţia pieselor de serie mare şi de masă, unde a fost posibilă realizarea de

maşini specializate de turnare[53]. Astfel, a fost posibilă înlocuirea aproape totală a

omului din procesul direct de fabicaţie şi atingerea unor productivităţi imposibile pentru

tehnologiile clasice. Companiile producătoare de instalaţii specializate pentru turnarea

gravitaţională în forme metalice, dintre care se remarcă firma M.A.S. din Milano – Italia,

au introdus un grad avansat de automatizare şi robotizare, astfel că doar la operaţiile de

montare a miezurilor şi de curăţire mai este necesară intervanţia omului. Aceste instalaţii

realizează automat[53]:

- curăţarea semiformelor de impurităţile rămase de la turnarea precedentă, prin

suflarea peste acestea a unui jet puternic de aer;

- imersarea semiformelor într-un bazin cu o emulsie specială care are rol de răcire

şi reglare a temperaturii, cât şi de protecţie refractară a acestora;

- scuturarea şi uscarea sub jet de aer cald;

- aducerea semiformelor la postul de turnare;

- montarea mizurilor(de obicei este unul singur) de către un robot sau un

operator;

- închiderea formei şi menţinerea sub o anumită presiune;

- înclinarea formei cu pâlnia de turnare spre postul de alimentare astfel încât

aliajul să se prelingă uşor pe perete fără turbulenţe şi antrenare de gaze sau oxidare;

- introducerea lingurii de turnare în baia din cuptorul de menţinere cu încălzire

prin inducţie şi preluarea cantităţii exacte de aliaj pentru umplerea cavităţii formei;

- bascularea lingurii şi a formei de turnare de la poziţia iniţială la poziţia finală

verticală cu o viteză bine determinată pentru a asigura un debit constant de alimentare cu

aliaj lichid;

- retragerea braţului de alimentare cu aliaj lichid, menţinerea formei câteva

secunde, cât sunt necesare solidificării, apoi vibrarea acesteia pentru desprinderea piesei

de formă;

- deschiderea formei şi extragerea piesei turnate împreună cu reţeaua de

alimentare, manual sau de către un robot;

- reluarea ciclul de operaţii de către semiformele metalice şi deplasarea pieselor

turnate pe o bandă rulantă metalică către postul de debitare, dezbaterea miezului, curăţire,

sablare, vopsire, livrare.

Cap. 4. Obţinerea pieselor prin procedee de turnare sub presiune

4.1. Consideraţii generale

Presiunile mari exercitate asupra metalelor în stare solidă sau lichidă influenţează semnificativ parametrii termofizici ai acestora: temperatura de topire, respectiv de solidificare; căldura latentă de solidificare, respectiv de topire; căldura specifică; conductivitatea termică; densitatea etc.

Conform legii Clausius – Clapeyron:

(4.1)

presiunile de transformare fazică în funcţie de variaţia temperaturii, respectiv variaţia temperaturii de topire în funcţie de presiune sunt influenţate de variaţia volumică şi căldura latentă de transformare. În consecinţă, presiunile înalte la care este supus aliajul în timpul turnării şi solidificării sub presiune, determină mărirea temperaturii de solidificare. Se constată că la metalele la care topirea se realizează cu mărire de volum (în această categorie intând toate metalele uzuale), la aplicarea presiunii, temperaturile de transformare cresc. Doar la metalele la care topirea se realizează cu micşorare de volum: Ga, Bi, Hg, In, Ge, Sb, temperatura de transformare fazică se micşorează la creşterea presiunii.

Variaţia temperaturii de transformare, funcţie de presiune, este mai importantă la metalele şi aliajele cu temperatură joasă de topire şi este influenţată cu atât mai puţin cu cât temperaturile de tranformare sunt mai înalte.

În tabelul 4.1 sunt prezentate creşterile sau reducerile teoretice şi experimentale ale temperaturilor de topire, precum şi variaţia volumului specific la solidificare, în funcţie de mărirea presiunilor exterioare.

Tabelul 4.1. Variaţiile temperaturilor de topire şi ale volumului specific la solidificare, în funcţie de presiunea exterioară.

Nr.Crt.

Metalul Temperaturade topire,0C

Mărimea dt/dP, în 0C cm2/daN(x10-1) Variaţia volumului la solidificare, %calculată experimental

1 Al 660 5,5 6,4 - 6,02 Fe 1539 2,7 3,0 - 2,23 Mg 650 6,3 7,5 - 5,14 Cu 1083 3,3 4,2 - 4,15 Ni 1455 2,6 3,7 -6 Sn 232 3,2 4,3 - 2,87 Pb 327 8,3 11,0 - 3,58 Zn 419 3,7 4,5 -4,29 Bi 271 -3,6 -0,38 +3,310 Sb 630 -2,8 -0,5 +0,9511 Si 1430 -5,8 - -

4.2. Influenţa presiunii asupra proceselor şi proprietăţilor

Procedeele de turnare sub presiune, deşi mai scumpe din punct de vedere

investiţional şi de exploatare, sunt folosite pe scară tot mai largă deoarece piesele produse

au calităţi deosebite de formă şi suprafaţă, dar mai ales în ceea ce priveşte caracteristicile

mecanice şi structurale. Piesele turnate prin aceste procedee se remarcă prin toleranţe

foarte strânse ale geometriei şi dimensiunilor, suprafeţe netede şi deosebit de curate,

pereţi compacţi şi omogeni din punct de vedere chimic şi structural etc.

În acest caz formele de turnare sunt metalice, iar aliajul lichid este împins cu o

anumită presiune ceea ce face ca procesele de turnare şi solidificare să fie influenţate de:

- mărimea forţelor sub care se realizează curgerea şi solidificarea;

- viteza mare de extragere a căldurii de către forma de turnare;

- caracterul solidificării şi particularităţile formării structurii primare;

- modul de extragere a căldurii de către forma de turnare.

Caracterizate de aplicarea presiunii exterioare la curgere, solidificare

şi răcire, procedeele de turnare sub presiune se clasifică în funcţie de:

a) agentul de presare care poate fi un gaz, un piston sau un poanson;

b) direcţia de presare care poate fi:

- unilaterală sub acţiunea gazului sau a unui poanson-piston;

- multilaterală când turnarea se face în autoclave sub presiune;

c) mărimea presiunii aplicate care poate fi mică, mijlocie sau mare,

în funcţie de agentul de presare şi instalaţia de turnare folosită.

Presiunea influenţează principalii parametri termofizici ai aliajului în curs de

solidificare: căldura latentă de topire, respectiv solidificare; căldura specifică;

conductibilitatea termică; temperatura de topire; densitatea etc. Ca urmare la cristalizarea

sub presiune au loc următoarele transformări:

- reducerea dimensiunilor medii ale grăunţilor cristalini;

- reducerea segregaţiei, ceea ce conduce la o îmbunătăţire a uniformităţii

structurale şi a distribuţiei incluziunilor nemetalice.

Micşorarea dimensiunii medii a grăunţilor se datorează atât schimbării parametrilor

de cristalizare şi a condiţiilor de schimb de căldură, cât şi fragmentării lor sub acţiunea

forţelor induse de presiunea externă în topitura în curs de cristalizare. La creşterea

presiunii coeficientul de difuzie se reduce ceea ce conduce la micşorarea segregaţiei

interdendritice şi îmbunătăţirea uniformităţii structurale a aliajelor.

Aplicarea presiunii la cristalizare conduce la micşorarea volumului

macroretasurii, a volumului microretasurilor, precum şi a tendinţei de formare a

crăpăturilor la cald.

La turnarea sub presiune procesul de degazare este îngreunat, conţinutul de gaze

dizolvate este mai mare decât la turnarea gravitaţională, în schimb tendinţa de formare a

suflurilor este mai redusă datorită măririi limitei de solubilitate.

O variantă mai simplă din punct de vedere a dotărilor tehnice necesare este

procedeul de „matriţare în stare lichidă” a aliajului turnat gravitaţional, procedeu

cunoscut sub denumirea de „Squeeze casting”. Cei mai importanţi parametri ai procesului

sunt[8;10]:

- presiunea exercitată asupra aliajului lichid în timpul solidificării;

- timpul de menţinere a aliajului sub presiune până la solidificarea sa.

Rezultatele experimentale, dar şi cele industriale, au arătat că în cazul aplicării

unei presiuni de peste 2000 daN/cm2 în timpul solidificării, caracteristicile mecanice se

majorează cu până la 30%, se reduc defectele de structură şi creşte densitatea. Faţă de

procedeele clasice de turnare, la matriţarea în stare lichidă a aliajelor de aluminiu, s-a

obţinut o mărire de 1,5 a rezistenţei la rupere la tracţiune, de 2,5 a rezilienţei şi de 4 ori a

alungirii.

Procedeele de turnare sub presiune înaltă se caracterizează prin viteza mare de

injectare a aliajului lichid într-o formă metalică numită matriţă, dar şi prin menţinerea

acestuia până la solidificarea completă sub o presiune înaltă dată de pistonul acţionat

pneumatic, mecanic sau hidraulic. Ele se aplică cu succes la turnarea aliajelor neferoase,

în special a celor de aluminiu şi zinc, dar şi a celor de magneziu şi cupru, de dimensiuni

şi mase reduse, pentru producţia de serie mijlocie, de serie mare şi de masă.

4.3. Avantaje şi caracteristici ale turnării sub presiune

Precizia deosebită obţinută prin acest procedeu, care poate asigura fabricarea

pieselor cu greutatea minimă de 1 g şi grosimea de perete de 0,5 mm, combinată cu o

productivitate foarte ridicată, au făcut ca în ultimul timp procedeul să fie foarte răspândit

şi să se realizeze o mare varietate de maşini.

Avantajele pe care le aduce turnarea sub presiune sunt:

- asigură obţinerea pieselor la tolerante foarte strânse;

- posibilităţi mari de a produce piese fără prelucrări ulterioare;

- producerea unor piese cu pereţi subţiri, ceea ce conduce la economii foarte mari

de materiale;

- posibilitatea de producere a unor serii mari de aceleaşi dimensiuni;

- obţinerea de piese cu masa scăzută;

- asigură obţinerea de piese cu suprafeţe curate, netede care reproduc întocmai

configuraţia presformei;

- precizie dimensională ridicată;

- adaosuri de prelucrare mici;

- permite turnarea pieselor complexe, care de multe ori nu pot fi realizate prin alte

procedee;

- grad înalt de automatizare şi productivitate ridicată.

Procedeele de turnare sub presiune sunt definite de presiunea exterioară care se

aplică în timpul scurgerii, solidificării şi răcirii aliajelor în cavitatea formei metalice

denumită presformă.

Turnarea sub presiune se foloseşte pentru turnarea pieselor necesare industriilor

de automobile, construcţiei de aparatura etc.

Înclinările pereţilor presformei sau ale miezurilor metalice ale acesteia sunt cu

mult mai mici decât la celelalte metode de formare - turnare. În fig. 8.5. se prezintă

valorile înclinaţiilor pereţilor presformei şi conicităţile găurilor pentru diferite aliaje

turnate sub presiune.

Fig. 8.5. Înclinaţiile constructive ale pereţilor verticali şi a miezurilor metalice ale matriţelor utilizate la turnarea sub presiune

În ceea ce priveşte dimensiunile orificiilor pieselor turnate sub presiune obţinute

cu ajutorul miezurilor metalice, în tabelele 8.1 şi 8.2 se dau unele date practice generale.

Este de remarcat faptul că golurile interioare (cavităţile) ale pieselor turnate se obţin cu

miezuri metalice acţionate din exteriorul presformei, astfel ca imediat după solidificare

acestea să poată fi extrase din piesă.

Tabelul 8.1. Caracteristicile orificiilor şi găurilor obţinute cu miezuri metalice Aliajele Diametrul minim al orificiului, în

mmAdâncimea maximă h în funcţie de diametrul d

Folosit practic Posibil de obţinut

Orificii oarbe Orificii de trecere

Plumbului 1,00 0,75 4d D<1,5/h<10dStaniului 1,00 0,50 4d D<1,5/h<7dZincului 1,50 1,00 4d d>5/h<8d

d<5/h<6dAluminiului 2,50 1,50 d>5/h<4d d>5/h<5dMagneziului 2,00 1,50 d<5/h<3d d>5/h<5d

Cuprului 5,00 2,50 d>5/h<3dd<5/h<2d

d>5/h<4d

Tabelul 8.2. Caracteristicile filetelor ce se pot obţine direct prin turnare sub presiune

Aliajele

Filete exterioare Filete interioare

Diametrul minim[mm]

Pasul minim [mm]

Diametrul minim[mm]

Pasul minim[mm]

Pb-lui şi Sn-lui 5 0,80 10 1

Zn-lui 8 1,00 10 1

Al-lui şi Mg-lui 10 1,25 25 2

Cu-lui 12 1,50 - -

Sub presiune se pot turna piese cu pereţi foarte subţiri, funcţie de natura aliajului

şi de dimensiunile de gabarit ale pieselor. Astfel în tabelul 8.3. se prezintă unele date

privind grosimile pereţilor ce se pot obţine la turnarea sub presiune în forme metalice, a

diferitelor tipuri de aliaje neferoase.

Tabelul 8.3. Caracteristici constructive ale pieselor turnate sub presiune Aliajele Grosimea în mm la o suprafaţă în cm2 a peretelui piesei turnate de:

Plumbului <25 25…100 100…500 >500Staniului 0,5…1 1…1,5 1,5…2 2…2,25Zincului 0,6…1,2 1,8…2,5 1,8…2,5 2,5…3

Aluminiului 0,6…1,2 1,8…2,5 1,8…2,5 2,5…3Magneziului 0,6…1,2 1,8…2,5 1,8…2,5 2,5…3

Cuprului 1,5…2 2…3,3 2…3,3 3…4

Temperaturile de turnare ale aliajelor neferoase corelate cu temperaturile de

preîncălzire a presformelor, precum şi tipurile de maşini folosite la turnarea sub presiune

se prezintă în tabelul 8.4.

Tabelul 8.4. Parametrii tehnologici ai turnării sub presiune a unor aliaje neferoase

AliajeleTemperatura de

turnare 0CTemperatura

formei 0CMaşini folosite:

Presiune de lucru daN/cm2

Plumbului 200…360 120…140Cu piston şi cameră

caldă20…70

Staniului 280…330 130…150 - 20…70

Zinc- staniu 420…440 150…200Cu piston, cameră caldă

de compresie+ compresor

20…70

Aluminiu- siliciu

600…700 150…250Cu piston hidraulic şi

cameră rece de 100…200

compresieAluminiu- cupru 620…700 150…200 - 100…200

Magneziului 600…700 200…250 - 100…200Cuprului 850…950 300…350 - 300…1000

Presformele (formele metalice) se execută din diferite tipuri de oţeluri. La

turnarea aliajelor de plumb, staniu şi chiar aliaje de zinc (la producţie mică) pentru

execuţia presformelor se pot folosi oţeluri carbon. Compoziţia oţelurilor pentru realizarea

presformelor utilizate la turnarea sub presiune a aliajelor este prezentată în tabelul 8.5.

Tabelul 8.5. Compoziţia chimică a unor oţeluri aliate utilizate la execuţia presformelorNr.Crt

Compoziţia chimică, %.Indicat pentru

C Mn Si Cr Mo V W Co

1 0,35 0,30 0,45 2,0 - - 9,0 - Alame

2 0,30 0,30 0,51 2,8 2,8 0,5 - 2,8 Alame

3 0,35 0,30 1,00 5,0 1,5 0,7 - - aliaje de Al

4 0,35 0,40 1,00 5,0 1,5 1,0 5,0 - aliaje de Al

5 0,30 0,75 0,50 0,8 0,3 - - - aliaje de Zn

6 0,65 0,30 0,40 1,7 - - - -Miezuri mici;tije extractoare

Funcţie de caracteristicile proprii şi de natura aliajului presat, matriţele de turnare

pot avea următoarele durabilităţi[26;54;58]:

- pentru turnarea aliajelor Zn-lui peste 100000 turnări;

- pentru turnarea aliajelor Al-lui şi Mg-lui 20000 ÷ 100000 turnări;

- pentru turnarea aliajelor Cu-lui aproximativ 10000 turnări.

Prin tehnica turnării sub presiune a aliajelor se realizează în prezent piese de mare

complexitate şi cu performanţe ridicate. De exemplu, pentru industria de automobile se

fabrică: blocuri motor, corpuri de carburator etc; piese care trebuie să reziste la presiune,

ca de exemplu: pompe de apă, cartere pentru cutii de viteze; piese pentru condiţii

deosebite de securitate: cartere de direcţie şi piese din componenţa ansamblurilor de

frânare; piese de precizie la care se asigură toleranţe de ± 0,02 mm: pompe de benzină,

dispozitive de închidere a uşilor; piese de ornament: embleme, grile, mânere, cu suprafaţa

corespunzătoare pentru acoperiri metalice.

4.4. Instalaţii pentru turnarea sub presiune a aliajelor neferoase

Turnarea sub presiune a aliajelor neferoase se efectuează pe maşini speciale

capabile să imprime topiturii viteze şi presiuni atât de mari încât să fie penetrate cele mai

fine spaţii ale formei metalice, iar piesele turnate să aibă

caracteristicile mecanice superioare celor obţinute prin alte

procedee. În figura 8.6. este redată schema bloc a unei instalaţii de

turnare sub presiune.

Fig. 8.6. Schema bloc a unei instalaţii de turnare la presiune înaltă:1-forma de turnare; 2-carcasa de compresie ; 3-dispozitivul pneumatic, hidraulic

sau mecanic de presare; 4-cuptor de menţinere; 5-pompă; 6 - rezervor de lichid de lucru; 7 - acumulator de presiune; 8 -sistem de manevrare a semiformelor; 9 - acumulator de vid; 10 - sistem de extragere a pieselor din formă.

Tabelul 8.6. Particularităţi constructiv – funcţionale şi domenii de utilizare a principalelor tipuri de maşini utilizate la turnarea sub presiune

La stabilirea criteriilor de clasificare a maşinilor de turnat sub presiune şi deci

implicit a metodelor (şi instalaţiilor de turnare sub presiune) care fac parte din această

grupă de procedee speciale trebuie avut în vedere aspectul constructiv, legat de utilajul

propriu-zis şi particularităţile metalurgice care se referă la specificul curgerii, solidificării

şi interacţiunii aliaj lichid-formă[10;54;56;57;58].

Soluţia camerei de compresie caldă implică construcţia cuptorului de încălzire

(menţinere) împreună cu sistemul de injectare; din punct de vedere metalurgic înseamnă

încălzirea unei cantităţi mari de aliaj, cu consecinţele nedorite de creştere a consumurilor

Tipul maşiniiModul de acţionare şi particularităţi constructive

Domeniul de utilizare şi date de exploatare:

Cameră caldă cu piston

Alimentarea cu un piston (plunjer)

Turnarea aliajelor Pb-lui, Sn-lui,Zn-lui. Presiunea:20-70daN/cm2

Cameră caldă cu compresor

Alimentarea cu aer comprimat introdus în incinta creuzetului

Turnarea aliajelor usor fuzibile. Dezavantaj:consum mare de aer comprimat şi oxidarea metalului.

Cameră caldă cu compresor şi gât lebădă

Alimentarea cu aer comprimat printr-un gât de lebădă

Turnarea aliajelor usor fuzibile.Nu are dezavantajele de sus. Este foarte productivă

Cameră rece cu piston şi presare verticală

Alimentarea cu lingura in camera de presare. Pistonul este acţionat hidraulic

Turnare aliaje cu temp.medii de topire(9500C). Productivitate ridicată şi siguranţă în exploatare. Presiunea sub 1000daN/cm2

Cameră rece cu piston şi presare orizontală

Alimentarea cu lingura în camera de presare. Pistonul este acţionat hidraulic

Turnare aliaje cu temp.medii de topire (9500C). Productivitateridicată şi siguranţă în exploatare. Presiunea sub 1000daN/cm2

energetice şi de mărire a pierderilor nerecuperabile prin oxidare. Oxidarea băii este

limitată la soluţia cu baie închisă, dar construcţia acestora prezintă alte deficienţe:

limitarea mărimii creuzetului cuptorului, realizarea lui din materiale rezistente la

temperaturi înalte, utilizarea de presiuni de injectare nu prea ridicate. Maşinile cu cameră

de compresie caldă sunt utilizate cu precădere pentru aliajele uşor fuzibile cu temperatura

de turnare sub 4500C. Din cauza contactului direct şi de mare durată a camerei de

compresie (fixă sau mobilă) cu baia de aliaj lichid, durabilitatea ei este scăzută.

Instalaţiile de tipul cu piston sunt uşor integrate în fluxuri automatizate şi mecanizate,

caracterizate de productivităţi ridicate.

Utilajele cu compresor (presiune de aer) folosite cu precădere la aliajele cu baza

de aluminiu au o productivitate scăzută determinată de existenţa unor cicluri lungi ale

stabilirii presiunilor de regim sau umplerea camerei de aliaj lichid, consumuri mari de aer

comprimat sau gaz inert (azot), prezentând însă o construcţie mai simplă şi uşor de

întreţinut.

Maşinile cu cameră caldă cu piston (vertical sau orizontal) asigură presiuni

specifice de injectare mai scăzute. Maşinile cu compresor (presiune de aer) cu baia

închisă sau deschisă permit presiuni specifice de până la 100 daN/cm2. Legătura formă-

cameră de compresie poate fi realizată prin două construcţii distincte: cu duză (ajutaj)

obişnuită sau cu tub profilat special de forma literei S, cunoscut şi sub denumirea de gât

de lebădă. Maşina cu cameră de compresie rece se caracterizează prin construcţia

separată a cuptorului de menţinere faţă de maşina propriu-zisă. Alimentarea cu aliaj a

camerei de compresie, după alegerea tipului de maşină în funcţie de mărimea piesei ce

urmează a fi turnată, se face manual cu o lingură (oală) de turnare obişnuită sau

mecanizat cu diferite sisteme. Diferenţa între poziţiile camerei de compresie şi direcţia de

realizare a injectării constă din punct de vedere metalurgic în modul diferit de realizare a

curgerii forţate a aliajului sub presiunea pistonului şi calitatea piesei turnate, mai ales în

ceea ce priveşte compactitatea peretelui şi cantitatea de incluziuni gazoase şi nemetalice

din acesta. Schema constructivă a maşinii de turnat sub presiune, cu cameră caldă şi

piston este prezentată în figura 8.7. Aceasta este constituită dintr-un cuptor încălzit

electric sau cu gaze care conţine un creuzet 18, în care se topeşte şi se menţine la o

temperatură dată aliajul de turnat. În creuzet se află montată camera de injecţie, solidară

cu o conductă care face legătura cu ajutajul de injecţie, prin intermediul ajutajului de

reazem. Această conductă are forma unui gât de lebădă (goose neck). Metalul pătrunde

prin orificiul 12 şi sub acţiunea pistonului plonjor 11 este refulat sub presiune în cavitatea

formei. Maşinile de turnat sub presiune cu cameră caldă, actualmente, sunt prevăzute cu

un sistem de securitate care interzice repetarea unui ciclu, în cazul evacuării nereuşite a

grupului precedent de piese. De asemenea se prevăd dispozitive pneumatice speciale de

injecţie care permit alimentarea cu debit redus şi dispozitive „antipicătură" încorporate.

Gusnecul, paharul şi pistonul de presare lucrează în condiţii termice dificile, astfel încât

trebuie confecţionate din aliaje care asigură o înaltă stabilitate la solicitări termice.

Fig. 8.7. Elementele maşinii de turnat sub presiune cu cameră caldă de presare şi piston :

1 - carcasa; 2 - ajutaj de reazem; 3 - ajutaj; 4 - placă; 5 - canal; 6 - gusnec (gât de lebădă); 7 - întrerupător final de cursă; 8 - tijă; 9 - cilindru pneumatic de acţionare; 10 - cuplă; 11 - piston plonjor; 12 - orificiu de alimentare ; 13 - bucşă; 14 - arzător; 15 – cameră de presare; 16 - spaţiu de combustie; 17 - cărămidă de şamot; 18 - creuzet.

În figura 8.8. sunt prezentate scheme ale maşinilor de turnare sub presiune cu

cameră caldă de compresie cu piston vertical, cu piston orizontal sau cu compresor cu

baie închisă.

Fig. 8.8. Maşini de turnare sub presiune cu cameră caldă de compresiecu piston vertical (a); cu piston orizontal (b); cu compresor cu baie închisă (c):

1- cuptor de menţinere; 2- aliaj lichid; 3- piston; 4- cilindru;5- canal de presare;6- duză de presare; 7- matriţă; 8- cavitate; 9- pârghie; 10- manetă;

11- ţeava ascensională; 12-racord la compresor.

În figura 8.9. sunt prezentate schemele procesului tehnologic de umplere cu metal

a cavităţii formei (I), presarea aliajului (II) şi extracţia piesei (III) la turnarea pe maşini cu

cameră rece şi piston orizontal de presare.

Fig. 8.9. Schema procesului tehnologic de turnare pe maşina de presare cucameră rece, orizontală[10].

1- semiformă mobilă; 2- semiformă imobilă ; 3- aliaj lichid ; 4- plonjorul de presare;5- tijă de expulzare; 6- paharul de presare; 7- piesă turnată.

În figura 8.10. sunt prezentate schemele procesului tehnologic de alimentare

controlată cu aliaj lichid a paharlui de umplere (a), presarea aliajului de către poanson în

cavitatea formei (b) şi extragerea piesei (c) la turnarea pe maşini cu cameră rece şi poanson

vertical de presare.

a) b) c)

Fig. 8.10. Schema procesului tehnologic de turnare pe maşina de presare cu cameră rece, verticală[10].

1 - poansonul de presare; 2 - paharul de umplere; 3 - aliaj; 4 - pistonul inferior; 5 - canal de turnare; 6 - semiformă fixă; 7 - semiformă mobilă;

8 - piesă cu reţea de turnare; 9 - rest de aliaj.

Procedeele clasice de turnare sub presiune sunt caracterizate de curgerea

turbulentă cu viteze extrem de mari a aliajului lichid presat printr-o secţiune de

alimentare redusă. În final, piesa turnată are în interior micropori de gaze (aer) înglobate

în timpul turnării şi microretasuri din cauza contracţiei. Această particularitate face ca

piesele turnate în mod obişnuit sub presiune să nu aibă caracteristici mecanice ridicate şi

să nu poată fi utilizate în condiţii severe de solicitare şi etanşare la presiune.

Tehnica utilizării vidului a adus îmbunătăţiri şi în domeniul turnării sub presiune. La

început vidul s-a folosit pentru optimizarea solidificării şi înlăturarea microsuflurilor

datorate gazelor încorporate, iar mai târziu a fost utilizat pentru realizarea curgerii şi

dozării aliajului lichid. Înlăturarea microsuflurilor s-a obţinut prin vidarea

(depresurizarea) cavităţii matriţei.

Fig. 8.11. Maşină de turnat sub presiune cu cameră caldă şi manta, cu turnare în vid

1- placă de ejecţie; 2- supapă de vid; 3- semimatriţă de injecţie; 4- bară de legătură; 5- semimatriţă imobilă; 6- placă port-matriţă; 7- ajutaj de injecţie; 8- plonjor de injecţie; 9- plonjor de comandă pentru alimentare; 10- aliaj topit; 11- cilindru de presare; 12- dispozitiv de etanşare; 13- înveliş; 14- cilindru de forţă.

Secţiunea canalelor de ventilare nu se poate mări din cauza pericolului formarii

bavurilor. Pentru aceasta s-au pus la punct metodele de turnare sub presiune cu utilizarea

vidului. Piesele astfel turnate prezintă în structură numai microporozităţi de contracţie.

În figura 8.11. este prezentată schema funcţională a maşinii de turnat sub presiune

cu cameră caldă cu vid, la care depresurizarea se realizează doar în camera de presare ce

conţine matriţa

În figura 8.12. este prezentată schema funcţională a maşinii de turnat sub presiune

cu cameră rece, verticală, în vid, la care depresurizarea se face în camera de presare în

care se află matriţa cu plan de separaţie vertical.

Fig. 8.12. Instalaţie de vid la maşină de turnat sub presiune cu cameră rece verticală

1,2- robinete de vid; 3,4- solenoizi; 5- creuzet; 6- tub de aspiraţie; 7- tija pistonului inferior; 8- bucşă; 9- garnitură de etanşare; 10- postamentul maşinii; 11- aliaj dozat; 12- tijă; 13- contact electric; 14- plonjor de presare; 15- capac; 16- cameră de compresiune; 17- semicămaşă imobilă; 18- garnitură; 19- formă; 20- semicămaşă mobilă. I — acumulator de vid relativ mic; II — acumulator de vid avansat; III — atmosferă.

În figura 8.13. este prezentată schema funcţională a maşinii de turnat sub presiune

cu cameră rece, verticală, în vid, la care depresurizarea se realizează în matriţa cu plan de

separaţie orizontal.

Fig. 8.13. Maşină de turnat sub presiune VERTICAST

1- cilindru de presare; 2- tija plonjorului; 3- deconector final de vid; 4 - cameră de injecţie; 5- supapă de vid; 6- capcană pentru metal; 7- semimatriţă inferioară; 8- plan de separaţie;

9- semimatriţă superioară; 10- placă de reazem; 11- tijă de întrerupere a vidului; 12- bară de legătură; 13- cilindru de strângere; 14- placă superioară; 15- tijă de ejecţie;

16- supapă de vid; 17- capcană pentru metal; 18- port-formă imobilă; 19- tub de transfer; 20- cuptor de menţinere; 21- metal topit; 22- ungător pentru pistonul de presare;

23 - mecanism special de schimbare rapidă a tubului refractar de transfer.

Aici, deschiderea formelor are loc de sus, ceea ce a permis să se micşoreze

consumul de energie pentru deschiderea formei. Placa superioară port-formă 14 coboară

rapid sub acţiunea greutăţii proprii, imediat ce dispare contrapresiunea din zona cu tijă a

cilindrului de închidere, montat deasupra. În momentul în care până la capătul cursei

descendente a port-formei mobile mai rămân 30 ... 40 mm, se conectează supapa pentru

scurgerea lichidului de lucru din zona cu tijă a cilindrului de închidere, iar atingerea

semimatriţelor are loc lin, fără şoc. După aceasta în cilindru se creează presiunea care dă

forţa necesară pentru închiderea formei. Cilindrul este rigid legat de port-forma mobilă

18. Maşina este înzestrată cu un dispozitiv de îndepărtare a piesei, de ungere a formei şi

cu un acumulator hidraulic. După închiderea formei, controlată de către un traductor,

se deschid supapele de vid 5 şi 16 şi se creează vidul în întreaga cavitate tehnologică.

Metalul din cuptorul 20, sub acţiunea presiunii atmosferice, pătrunde în camera de

presare prin intermediul tubului 19. Cantitatea de aliaj deplasată în cilindru, este

determinată prin reglarea releului de timp, care controlează pauza dintre momentul de

conectare a supapelor de vid şi începutul de mişcare a pistonului de presare. În cazul

aliajelor pe bază de aluminiu, viteza de pătrundere a metalului în camera de presare este

de 1,8…2,0 kg/s. După ce cantitatea prestabilită de metal a pătruns în cilindru de presare,

releul de timp comandă conectarea presării. Plonjorul de presare acoperă orificiul de

alimentare şi pătrunderea metalului este oprită. Cursa ascendentă continuă, efectuând

presarea. Restul de metal din tubul 19, revine în cuptor.

4.5. Parametrii tehnologici ai turnării sub presiune

Principalii parametrii tehnologici ai turnării sub presiune sunt:

a) Viteza teoretică și timpul de umplere a formei.

Viteza teoretică de umplere cu aliaj lichid a cavității formei se calculează cu

relaţia:

v = (8.6)

în care: v este viteza de umplere, în m/s;

k - constantă care depinde de natura aliajului;

p - presiunea asupra aliajului.

Pentru aluminiu k = 0,085; pentru zinc k = 0,053; pentru magneziu k = 1,060;

pentru alamă k = 0,500. Dacă p se dă în daN/m2, atunci v se obţine în m/s.

Timpul de umplere cu aliaj lichid a cavității formei se determină cu formula:

t = V/fv (8.7)

unde: t este timpul de umplere, în secunde;

V - volumul piesei turnate (greutatea piesei raportată la densitate), în m3;

f - secţiunea de intrare, în m2 ;

v - viteza teoretică de umplere, în m/s.

b) Presiunea de injecatare Pi , care se determină din egalitatea:

(8.8)

în care: Ph este presiunea hidraulică din sistem, în daN/cm2; valoarea sa maximă este o

mărime caracteristică fiecărui tip de instalaţie;

Dh - diametrul pistonului hidraulic, în cm; această mărime este o

caracteristică constructivă şi o constantă a maşinii;

di - diametrul pistonului de presare (injectare), în cm.

La o aceeaşi maşină există un set de pistoane de diferite diametre în funcţie de

valoarea maximă a presiunii de injectare Pi pe care vrem să o realizăm, la mărimea

maximă a presiunii hidraulice Pn pe care o dezvoltă maşina (corespunzător există şi un set

de cămăşi de cilindri - bucşe de camere de compresie, de anumite capacităti, în cm3).

Presiunea de injectare Pi se adoptă prin experimentări prealabile, în funcţie în

primul rând de natura aliajului turnat, grosimea minimă de perete a piesei şi suprafaţa

peretelui respectiv. La turnarea sub presiune se utilizează o presiune şi o viteză de

scurgere a metalului în aşa fel încât să se asigure umplerea cavităţii formei. Viteza şi

presiunea pot să difere în funcţie de aliaj, de forma piesei şi de metoda de turnare. O

umplere corectă a formei se poate obţine numai printr-o presare forţată a metalului în

formă, realizată pe tot parcursul scurgerii metalului în formă, cât şi după încetarea

acesteia, până în momentul solidificării complete a piesei.

În procesul turnării, practic se folosesc:

- presiunea specifică sau de exploatare, care rezultă din presiunea statică asupra

pistonului în camera de compresie, la sfârşitul procesului, raportată la secţiunea

transversală a suprafeţei metalului topit din cameră;

- presiunea hidraulică, care se produce în metalul aflat în cameră.

Deosebirea dintre cele două presiuni este că, la determinarea presiunii specifice se

ţine seama de forţele de frecare, gravitate şi forţele de inerţie ale maselor în mişcare,

raportate la secţiunea transversală a camerei de compresie. Presiunea hidraulică diferă

puţin de presiunea specifică, însă în procesul turnării ele devin egale. Presiunea specifică

(de exploatare), în timpul turnării se manifestă în două faze:

- presiunea de turnare care acţionează în perioada umplerii formei;

- presiunea de îndesare, care acţionează după terminarea umplerii formei, în

scopul comprimării suplimentare.

Faţă de construcţia piesei, aceste presiuni au următorul efect:

- la turnarea pieselor cu pereţi subţiri (mai mici de doi milimetri), presiunea de

turnare are importanţă primordială;

- la piesele masive cu pereţi mai groşi (mai mari de doi milimetri), presiunea de

turnare este neînsemnată, presiunea finală este cea care influențează semnificativ calitatea

piesei turnate.

Variaţia presiunii din cavitatea matriţei pe parcursul turnării şi solidificării este

prezentată în figura 8.14.

La turnarea pieselor, este necesar ca secţiunea de curgere, temperatura aliajului,

temperatura formei cât şi viteza de curgere să fie astfel alese încât în timpul turnării să

asigure presiunea hidraulică necesară. În timpul introducerii metalului în formă,

presiunea se transmite sub formă de energie a curentului de metal, iar după terminarea

umplerii sub formă de presiune statică.

Fig. 8.14. Curba variaţiei presiunii din cavitatea matriţei în timpul presării aliajului lichid

a...d - faze tehnologice specifice procedeului de turnare sub presiune, la o maşină cu cameră de compresie rece, orizontală.

În procesul de umplere aerul din formă este eliminat, iar metalul umple forma în

întregime şi este presat până la solidificare. Cunoscându-se presiunea hidraulică maximă

care poate fi dezvoltată de maşină şi mărimea diametrului pistonului hidraulic Dh, se

determină pistonul de presare di:

, în cm. (8.9)

c) Forţa de închidere a semiformelor Fi , care se calculează cu:

, [N] (8.10)

unde: K este coeficientul de siguranţă: K = 1, 2, 3;

Fdp- forţa de deschidere a pistonului de presare la injectare :

Fdp = Pi · Sp , în [N] (8.11)

în care: Pi este presiunea specifică de injectare, deci presiunea maximă realizată în

metalul din matriţă, în N/m2;

Sp - suprafaţa proiecţiei conturului activ al semifabricatului pe planul de

închidere al formei, respectiv suprafaţa de aliaj lichid delimitată de conturul interior al

matriţei în planul de separaţie, în m2.

Mărimea Sp este cunoscută şi sub denumirea de suprafaţa proiectată (pe planul de

separaţie al matriţei) a piesei turnate sau suprafaţa de împroşcare cu aliaj realizată de

presiunea Pi.

Practic, aceste mărimi se pot stabili relativ simplu utilizând diagrama de sarcină a

maşinii. Forţa de închidere a semiformelor se realizează printr-un sistem mecanic sau

hidraulic. Sistemul mecanic realizează transmisia forţei cu ajutorul unor pârghii

articulate, cu pană sau cu şurub, iar cel hidraulic este format dintr-un cilindru presurizat

hidraulic şi un piston.

Maşinile mici şi mijlocii (până la 6MN forţa de închidere) folosesc sisteme

mecanice de închidere. Acestea sunt mai pretenţioase în ceea ce priveşte precizia de

fabricaţie, dar ele au o mare siguranţa în exploatare şi permit suprasolicitări. Maşinile

mari utilizează numai sisteme hidraulice. Mărimea forţei de închidere este condiţionată

de dimensiunile pistonului hidraulic şi presiunea din cilindrul de acţionare.

Ca lichide în sistemele hidraulice sunt utilizate; apa, amestecuri apă - ulei, ulei sau

lichide sintetice neinflamabile; fiecare dintre acestea au avantaje şi dezavantaje, utilizarea

unuia sau altuia făcâdu-se în final în funcţie de costul specific al producţiei.

Viteza pistonului de presare variază practic între 1,5 m/s (pentru aliaje de Cu) şi

3,0 m/s (pentru aliaje de Al); viteze de ordinul a 5 m/s necesare turnării aliajelor cu bază

de magneziu sunt obişnuite în instalaţiile de construcţii speciale; trebuie făcută diferenţa

între viteza de deplasare a pistonului de presare şi viteza de curgere a aliajului prin

secţiunea alimentatorului. Cele două viteze se găsesc în acelaşi raport ca şi pătratul

diametrelor pistonului de presare şi a alimentatorului, pe baza legii continuităţii în timp a

aliajului în cele două secţiuni (debitul unitar constant).

c) Secţiunea alimentatorului, care se calculează cu expresia:

(8.12)

în care: M este masa aliajului injectat în cavitatea formei (masa piesei și a adaosurilor

tehnologice precum maselotele închise şi reţeaua de turnare), în kg;

- densitatea aliajului turnat, în kg/m3;

a - viteza de curgere a aliajului în alimentator, în m/s;

- timpul de turnare, respectiv timpul de trecere a aliajului prin secţiunea

alimentatorului, în sec;

Viteza aliajului în alimentator este cuprinsă între 10 - 60 m/s, valorile mici fiind

indicate la piesele cu secţiuni groase, iar cele cu valori mari pentru piesele cu secţiuni

subţiri. În general, matriţa se proiectează pentru viteze ridicate de 50 - 60 m/s, deci

secţiuni mici şi prin tatonări experimentale se determină viteza optimă, după care se

măreşte corespunzător secţiunea alimentatorului. In caz contrar, este mult mai dificil de

efectuat modificări ale construcţiei matriţei. După adaptarea și stabilirea vitezei aliajului

în alimentator, similar se procedează şi pentru timpul de umplere, care trebuie sa fie mai

scurt decât timpul de solidificare al celui mai subţire perete. Deoarece timpul de

solidificare este aproximativ proporţional cu pătratul grosimii celui mai subțire perete,

timpul de umplere se consideră cel puţin egal cu acest pătrat al grosimii minime de

perete.

e) Stabilirea poziţiei piesei la turnare este determinată în mare măsură de modul

de formare, construcţia reţelei de turnare, valoarea adaosurilor de prelucrare şi a

adaosurilor tehnologice. La turnarea în forme metalice, poziţia piesei se alege funcţie de

modul de evacuare a gazelor, evitarea defectelor de turnare, precum şi obţinerea unor

dimensiuni precise ale piesei turnate.

Numărul suprafeţelor de separaţie pe forma metalică trebuie sa fie minim şi după

posibilităţi, cât mai plane. Suprafaţa de separaţie a formei metalice trebuie să asigure o

fixare sigură și o îndepărtare uşoară a miezurilor metalice, precum şi o extracție ușoară a

piesei turnate din cavitatea formei.

f) Stabilirea dimensiunilor miezurilor metalice.

O atenţie deosebită trebuie acordată mărimii jocurilor dintre marca miezului

metalic şi locaşul mărcii din forma metalică. Pentru a obţine piese cu abateri

dimensionale mici se recomandă ca jocul dintre marca miezului şi locaşul mărcii formei,

la temperatura normală (de montaj) să se ia egal cu diferenţa dintre diametrul mărcii

miezului şi a locaşului mărcii formei metalice la temperatura maxim atinsă în timpul

turnării. La miezurile metalice simple, cilindrice, dintr-o singură bucată, trebuie

acordată o atenţie deosebită mărimii raportului diametru/lungime partea activă, în

vederea executării în bune condiţii a operaţiei de extragere.

g) Stabilirea dimensiunilor reţelei de turnare

Introducerea metalului în cavitatea matriţei se face prin reţeaua de turnare ale

cărei caracteristici sunt legate de tipul de maşină folosit. Reţelele de turnare destinate

turnării aliajelor neferoase trebuie să asigure:

- umplerea rapidă, dar liniştită a întregii cavităţi a formei de turnare, fără

producere de spumă şi stropi reci şi fără distrugerea prin eroziune a pereţilor canalelor

formei sub acţiunea vânei de metal;

- reţinerea zgurii şi a incluziunilor;

- repartizarea corectă a temperaturilor în formă în vederea solidificării dirijate şi a

alimentării normale a piesei în timpul solidificării.

La turnarea aliajelor cu tendinţa mare de oxidare se folosesc reţele divergente. La

maşina cu cameră rece cu piston şi cameră de compresie verticală alimentarea se face

prin injecţie verticală printr-o duză.

Construcţia reţelei de turnare influenţează calitatea turnării. Alimentatoarele se

dimensionează pentru a asigura o curgere normală a metalului şi o eliminare uşoară a

pieselor şi a reţelelor de turnare. Diametrul prea mare creează consum exagerat de metal,

iar o dimensiune mică produce dificultăţi la umplerea completă a formei, mărind

procentul de rebuturi. De aceea, alimentatorul trebuie să aibă dimensiunile optime, alese

în funcţie de mărimea și greutatea piesei, poziția suprafeţei de separaţie şi plecând de la

un diametru iniţial minim. Duza se alege în funcţie de dimetrul d şi are înclinaţia

orificiului interior constantă, pentru toate maşinile şi mărimile. Înclinaţia canalului din

matriţă se ia între cele doua limite. Alimentarea centrală este perpendiculară pe piesă. Se

poate aplica în centrul piesei, respectiv al matriţei sau deplasat. Sistemul de alimentare

trebuie astfel proiectat încât să creeze condiţii de umplere corectă, să asigure evitarea

neumplerii secțiunilor înguste şi a apariţiei crăpăturilor. Presiunile de injectare mici la

începutul alimentării determină umplerea cu presiune şi viteză scăzută şi obţinerea de

piese necorespunzătoare. Vitezele ridicate de injectare a metalului se obţin în cazul

secţiunilor de intrare mici. Secţiunile de intrare mari sunt admise în cazul turnării pieselor

la viteze de injecție mici.

h) Stabilirea compoziţiei vopselelor utilizate la protejarea suprafeţelor active ale

formelor metalice utilizate la turnarea sub presiune. În tabelul 8.7. sunt prezentate câteva

reţete de preparare a acestor vopsele.

Tabelul 8.7. Vopsele refractare pentru presformele utilizate la turnarea sub presiune

AliajulCompoziţia, % de greutate

Ulei vegetal parafină grafit cerezină vaselinaceară, păcură

De cupru 50 - 50 - - -De aluminiu 50 - 50 - - -De aluminu - 25 50 25De magneziu - 30 26 30 14 -De staniu şi plumb - - - - - 100De zinc - - - - - 100

La funcţionarea maşinilor de turnat sub presiune cu acţionare hidraulică o atenţie

deosebită trebuie acordată temperaturii de lucru a uleiului hidraulic, care trebuie să fie în

jur de 450C, fără a depăşi valoarea de 600C.

Cap.5. Turnarea centrifugă

5.1. Consideraţii generale

Este un procedeu special de obţinere a semifabricatelor turnate sub formă de

corpuri de revoluţie ( bucşe, cu sau fără guler, tuburi, coroane) atunci când axa de

simetrie a piesei este aceeaşi cu axa de rotaţie, sau sub formă de piese fasonate atunci

când acestea sunt aşezate excentric faţă de axa de rotaţie a formei.

Spre deosebire de alte procedee, turnarea centrifugă prezintă următoarele

avantaje:

- o economie însemnată de metal lichid datorită lipsei reţelelor de turnare;

- eliminarea unor operaţii tehnologice costisitoare cum ar fi: formarea, miezuirea,

prepararea amestecului de formare etc., precum şi a dotărilor tehnice necesare acestor

operaţii;

- o calitate foarte bună a semifabricatelor turnate.

Turnarea centrifugă presupune existenţa unei instalaţii de turnare şi a unor S.D.V.-uri

speciale: port-cochilă, cochilă, capac posterior, capac anterior, capac pentru prea-plin.

Turnarea centrifugă reprezintă un procedeu neconvenţional (special) de turnare, care se

caracterizează prin particularitatea că în timpul umplerii formei cu aliaj lichid şi a solidificării

piesei turnate, forma se roteşte în jurul unei axe proprii, cu o turaţie foarte mare. Datorită forţei

centrifuge aliajul lichid este proiectat spre periferia cavităţii, iar suprafaţa interioară a piesei ia

formă cilindrică. Se pot obţine astfel piese goale la interior fără să se utilizeze miezuri. Se pot

utiliza forme metalice, forme combinate (suport metalic şi miez exterior) sau chiar forme din

amestec de formare.

Turnarea centrifugă prezintă următoarele avantaje:

- piesele turnate au o compactitate mare, fără sufluri, fără incluziuni de zgură sau din

amestec de formare şi au o structură fină;

- asigură productivitate mare (în cazul turnării pieselor tubulare în forme permanente sau în

forme combinate);

- consumul de aliaj lichid, în anumite cazuri, este mai mic decât la turnarea gravitațională,

deci indicele de utilizare a metalului este mai mare, datorită lipsei reţelelor de turnare şi a

maselotelor, care nu mai sunt necesare;

- se pot reduce adaosurile de prelucrare pe suprafeţele exterioare;

- suprafaţa ocupată de instalaţiile de turnare este foarte redusă,

- există posibilitatea turnării unor piese bimetalice,

- se pot turna materiale nemetalice cu densitate redusă în condiţii de compactitate

superioară;

- se reduce considerabil procentul de rebut.

Toate aceste avantaje conduc la o reducere considerabilă a costului pieselor turnate

centrifugal în raport cu cel al pieselor turnate prin procedee clasice.

Turnarea centrifugă prezintă însă şi unele dezavantaje care limitează aplicabilitatea acestui

procedeu în industrie. Dintre acestea menţionăm:

- aplicabilitatea în condiţiile avantajelor menţionate, este limitată la piesele care au simetrie

de rotaţie şi anume la piese tubulare cilindrice;

- tendinţă de segregare mai ales la aliajele cu interval mare de solidificare și tendinţă de

formare a unor cruste dure la exteriorul pieselor în cazul turnării în forme metalice.

Procesul de turnare centrifugă a pieselor cilindrice cave cuprinde în general următoarele

faze: - pregătirea formei pentru turnare;

- rotirea formei;

- dozarea şi turnarea aliajului lichid în formă;

- solidificarea piesei turnate sub acţiunea rotirii formei;

- extragerea piesei din formă.

În figura 5.1.1. este arătat principiul turnării centrifuge în trei variante ale acestui proces:

turnare în forme permanente cu ax de rotaţie vertical, turnare în forme permanente cu ax de rotaţie

orizontal şi turnare în forme pierdute realizate din amestec de formare.

Rotirea formei de turnare în timpul umplerii conduce la antrenarea aliajului lichid într-o

mişcare de rotaţie practic cu o viteză unghiulară egală cu a formei. Sub acţiunea forţei centrifuge

particulele de metal care au o densitate mai mare decât gazele şi incluziunile nemetalice, sunt

împinse spre exteriorul cavităţii din formă. Gazele, incluziunile de zgură şi alte incluziuni

nemetalice care au densitate mai mică decât aliajul lichid, sunt eliminate spre suprafaţa interioară a

piesei şi se acumulează în zona lăsată pentru prelucrare mecanică (în adaosul de prelucrare). Astfel

acestea pot fi eliminate din piesa finită.

5.2. Clasificarea procedeelor de turnare centrifugă

Fig. 5.1.1. Principiul turnării centrifugea.- turnarea pieselor tubulare cilindrice în forme permanente (I- cu ax de rotaţie vertical; II- cu ax de rotaţie orizontal); b.- turnarea pieselor pline în forme pierdute.

Procedeele de turnare centrifugală cunosc o varietate mare. Ele se pot clasifica după mai

multe criterii conform schemei din tabelul 5.2.1.

Tabelul 5.2.1. Clasificarea procedeelor de turnare centrifugă.

Nr crt.Criteriul de clasificareGrupe de procedee de turnare centrifugală Subgrupe de procedeeDupă poziţia axei de rotaţieCu axă orizontală

Cu axă verticalăCu axă înclinată Cu unghi constant

Cu unghi variabilDupă poziţia piesei faţă de

axa de rotaţieCentul de greutate pe axa de rotaţieCentrul de greutate în afara axei de rotaţie

După viteza de rotaţieCu viteză de rotaţie constantăCu viteză de rotaţie variabilă

După materialul formeiÎn forme permanente În forme pierduteÎn forme combinate (semipermanente)

După configuraţia pieseiPiese tubulare cilindrice Cu suprafaţele netedeNumai suprafaţa exterioară fasonatăAmbele suprafeţe fasonate

Piese masive Piese cu cavităţi interioare închise

După materialul piesei turnate

Cu un singur material (un singur strat)Aliaje feroaseAliaje neferoaseMateriale nemetalice

Din materiale stratificate Metal – metalMetal – nemetal

După construcţia formeiFără plan de separaţieCu plan de separaţie paralel cu axa de

rotaţieCu plan de separaţie perpendicular pe axa

de rotaţie

Dintre aceste clasificări cel mai des utilizate în practică sunt clasificările după poziţia axei

de rotaţie, după natura formei şi după natura aliajului turnat. Dintre procedeele de turnare cuprinse

în această clasificare cel mai des întâlnit în practica atelierelor de turnare este turnarea pieselor

tubulare cu ax orizontal de rotaţie. Utilizarea pe scară mai largă a acestui procedeu se explică prin

aplicabilitatea largă la turnarea pieselor tubulare cilindrice, construcţia relativ simplă a instalaţiilor

de turnare de acest tip, prin productivitatea ridicată pe care o asigură şi prin uniformitatea calităţii.

Procedeele de turnare centrifugă se aplică pentru turnarea pieselor din aliaje metalice (feroase sau

neferoase) cu geometrie simplă fără miezuri. De obicei se toarnă piese cilindrice tubulare (bucşi

cilindrice, tuburi de canalizare, ţevi). Se pot turna însă şi materiale nemetalice (bazalt). În acest

scop se aplică procedeul de turnare cu axă de rotaţie orizontală în forme metalice sau în forme

combinate. Se pot obţine însă şi piese mici cu configuraţii compacte. În acest caz se aplică

procedeul de turnare centrifugă cu axă de rotaţie verticală, în forme pierdute (din nisip) alimentate

prin reţele de turnare. În absenţa unei instalaţii specializate se poate utiliza ca platformă de turnare

rotativă masa unui strung carusel.

5.3. Corelaţii între geometria piesei şi viteza unghiulară de rotaţie

Pentru stabilirea vitezei de rotaţie se pleacă de la faptul ca în cazul turnării

centrifuge orice particulă din metalul lichid se află sub acţiunea a două forţe[10;52]:

- forţa gravitaţională G = m ∙ g

- forţa centrifugă Fc = m ∙ ω2 ∙ r

în care: m este masa, în kg;

g - acceleraţia gravitaţională, în m/s2;

ω – acceleraţia centrifugă, în m/s2;

r - raza, în m.

Forţa centrifugă trebuie să fie mai mare decât forţa

gravitaţională cu un coeficient K = Fc/G , denumit coeficient gravitaţional şi care

întotdeauna este supraunitar.

În funcţie de poziţia axei de rotaţie în timpul centrifugării există mai multe

posibilităţi teoretice, dar şi practice de realizare a turnării:

a) Turnarea centrifugă cu axa de rotaţie orizontală - forma spaţială a lichidului

în mişcare este un cilindru a cărui axă geometrică corespunde axei de rotaţie a formei de

turnare; presiunea dezvoltată în interiorul aliajului lichid centrifugat într-un punct aflat la

distanţa r de axa de rotaţie este: P = ;

Suprafaţa liberă a aliajului solidificat la final este un cerc cu ecuaţia: x2 + y2 = r2.

b) Turnarea centrifugă cu axa de rotaţie verticală - forma spaţială a lichidului în

mişcare este un paraboloid de rotaţie în jurul axei de rotaţie a

formei de turnare; presiunea exercitată într-un punct din aliajul lichid centrifugat, aflat la

distanţa r de axa de rotaţie şi cota z de origine, este: P = ,

în care z0 este cota de la origine la vârful parabolei;

Suprafaţa liberă a aliajului solidificat în final este o parabolă descrisă de ecuaţia:

z = .

c) Turnarea centrifugă cu axa de rotaţie înclinată - forma spaţială a lichidului în

mişcare este un paraboloid de rotaţie alungit în jurul axei de rotaţie a formei de turnare;

presiunea exercitată într-un punct din aliajul lichid centrifugat, aflat la distanţa r de axa

de rotaţie şi cota z de origine, este: P = ;

Suprafaţa liberă a aliajului solidificat în final este o parabolă descrisă de ecuaţia:

z = ,

în care este unghiul făcut de axa de rotaţie a formei cu verticala.

Stabilirea turaţiei optime se face cu ajutorul unor relaţii empirice:

- formula lui Kammen:

n = [rot/min] (8.4)

unde: n – numărul de rotaţii pe minut, optim;

C – coeficient care depinde de aliaj; C = 1350 pentru oţel, C = 1675 pentru fontă

şi bronzuri şi C = 2250 pentru aluminiu;

ri – raza suprafeţei interioare a piesei [cm].

- formula lui L.S. Constantinov:

n = [rot/min] (8.5)

unde: γ – greutatea specifică a metalului turnat [daN/dm3];

ri – raza suprafeţei interioare a piesei [cm].

Cu o foarte bună aproximaţie se poate determina viteza de rotaţie, utilizând

nomogramele din figura 8.4.

Diametrul interior al formei metalice, mm

Fig.8.4. Nomograme pentru determinarea turaţiei la turnarea

centrifugală cu axă orizontală de rotaţie[10]. 1 – aliaj de Al; 2 – fontă şi bronz; 3 – oţel; 4 – aliaj antifricţiune.

Tur

aţia

, în

rot /

min

5.5. Consideraţii tehnologice privind turnarea centrifugă

Forma de turnare reprezintă elementul funcţional al instalaţiilor de turnare centrifugală care

determină calitatea pieselor turnate prin acest procedeu şi productivitatea instalaţiilor. În cazul

turnării pieselor cilindrice tubulare (cămăşi de cilindru, tuburi de canalizare, bucşi pentru lagăre,

ţevi) care se toarnă pe instalaţii de turnare cu ax de rotaţie orizontal, forma de turnare are o

construcţie total diferită de formele clasice. În acest caz formele reproduc numai suprafaţa

exterioară a amprentei necesară turnării piesei. Formele constau practic dintr-o cochilă (matriţă)

metalică cilindrică. Unul din pereţii frontali este demontabil din necesitatea extragerii piesei din

formă după solidificare. Pentru a se asigura o productivitate corespunzătoare capacul frontal

demontabil trebuie să permită o montare şi demontare uşoară şi rapidă. Fixarea trebuie să fie foarte

sigură pentru a se preveni accidentele datorită desprinderii în timpul rotirii sub acţiunea presiunii

metalului. Suprafaţa interioară a piesei şi grosimea peretelui piesei este determinată de poziţia

suprafeţei libere pe care o ia aliajul lichid la interior ca urmare a mişcării de rotaţie. În timpul

funcţionării suprafaţa interioară a cochilei este supusă acţiunii unei temperaturi foarte înalte (în

cazul turnării aliajelor cu temperatură mare de turnare: oţel, fontă, bronz, etc. – mult mai mare

decât în cazul turnării aliajelor neferoase în cochile). De aceea, de cele mai multe ori cochilele sunt

răcite la exterior cu apă. Această situaţie determină un gradient mare de temperatură în peretele

formei, condiţii grele de exploatare a acestora în funcţionare, ceea ce conduce la o durabilitate

mică a acestora. Pentru a mării durabilitatea se recurge turnarea în forme combinate prin utilizarea

la interiorul cochilei a unui miez exterior. În general cochilele pentru turnare centrifugală se

execută din fontă cenuşie. Din punct de vedere constructiv formele metalice utilizate la turnarea

centrifugală trebuie să aibă grosimea pereţilor cât mai uniformă. Orice îngroşare locală a pereţilor

determină apariţia de tensiuni interne datorită ne uniformităţii temperaturii şi afectează

durabilitatea. Cochilele utilizate la turnarea pieselor tubulare cilindrice de lungime mică se fixează

pe maşinile de turnare în consolă. Formele pentru piesele cu lungime mare se fixează pe maşina de

turnare prin sprijin pe role, rolele având şi rol de antrenare.

În figura 5.5.1. se arată câteva modalităţi de fixare în consolă pe axul maşinii de turnare a

cochilelor de lungime mică, iar în figura 5.5.2. modalităţi de asamblare a capacului frontal mobil

pe corpul cochile. O altă particularitate importantă a formelor de turnare utilizate la turnarea

centrifugală cu ax de rotaţie orizontal a pieselor tubulare constă în absenţa reţelei de turnare şi a

maselotelor din construcţia formei.

Aceste elemente tehnologice nu

mai sunt necesare datorită

particularităţilor umplerii

formei şi a solidificării

piesei turnate la acest procedeu

de turnare. Pentru a se uşura extracţia pieselor din forma de turnare suprafaţa interioară formei se

execută conică. Conicitatea nu trebuie să fie mai mare de 1:100.

Principala particularitate a umplerii formelor de turnare, la turnarea centrifugală, constă în

aceea că umplerea cavităţii formei se realizează sub acţiunea forţei centrifuge. Antrenarea

metalului lichid în mişcare de rotaţie se poate realiza în două moduri în funcţie de construcţia

formei.

- mişcarea aliajului este imprimată prin frecarea acestuia cu forma (cazul când axa de

rotaţie corespunde cu axa formei);

Fig.5.5.2. Variante constructive de capace demontabile ale formelor pentru turnare centrifugală

Fig. 5.5.1. Variante de fixare a formei pe axul de antrenare al maşinii de turnat centrifugal

- mişcarea este imprimată forţat prin plasarea excentrică a cavităţii faţă de axa de rotaţie (în

acest caz umplerea se realizează prin reţea de turnare).

Primul caz se întâlneşte la turnarea pieselor tubulare cilindrice. În acest caz alimentarea formei cu

aliaj lichid se face printr-un jgheab (pâlnie) de turnare, care pătrunde în interiorul formei în timp ce

forma se roteşte. În cazul pieselor cu lungime mare, în timpul alimentării, jgheabul are o mişcare

de translaţie axială în sensul ieşirii din formă pentru ca aliajul să fie repartizat cât mai uniform pe

lungimea formei. Datorită forţei de frecare care apare la suprafaţa de contact dintre peretele formei

şi aliajul lichid, particulele de lichid sunt antrenate într-o mişcare de rotaţie, având practic aceeaşi

viteză unghiulară cu forma de turnare. Forţa centrifugă care acţionează asupra particulelor de

lichid le împinge spre periferia cavităţii formei. În cazul cavităţilor cilindrice stratul de lichid ia o

formă tubulară Grosimea acestui strat este determinată de cantitatea de lichid introdusă în formă.

Uniformitatea grosimii stratului de lichid repartizat pe peretele formei depinde de viteza de rotaţie

a formei. De aceea la turnarea centrifugală este necesară o dozare precisă a aliajului introdus în

cavitatea formei la turnare. Uniformitatea grosimii stratului de lichid repartizat pe peretele formei

depinde de viteza de rotaţie a formei. Cu cât

viteza de rotaţie este mai mare, grosimea

stratului de lichid repartizat pe peretele

formei este mai uniformă. În figura 5.5.3.

este prezentată schematic influenţa vitezei

de rotaţie a formei asupra antrenării aliajului

lichid în mişcare de rotaţie şi asupra

uniformităţii stratului de lichid.

Fig. 5.5.3. Influenţa vitezei de rotaţie a formei asupra umplerii cavităţii formei la turnarea cu ax orizontal de rotaţie

Tehnologia de turnare centrifugă presupune următoarea succesiune de operaţii

tehnologice:

- se montează port-cochila pe instalaţia de turnare centrifugă, prin fixare cu

şuruburi pe flanşa axului instalaţiei;

- se fixează capacul posterior, sau în lipsa acestuia o garnitură dintr-un material

termoizolant, astfel încât să se lipească de peretele din fund al port-cochilei; suprafaţa

activă a capacului sau garniturii se acoperă cu vopsea refractară;

- se introduce cochila în interiorul port-cochilei şi se împinge până tamponează

capacul posterior sau garnitura de etanşare; înainte de introducerea în port-cochilă,

cochila se acoperită cu vopsea refractară pe suprafeţele active şi se încălzeşte la

temperatura de 150-200C;

- se fixează capacul anterior pe gulerul frontal al cochilei, astfel încât contactul să

fie cât mai intim şi fără interstiţii; înainte de montare, capacul se acoperă cu vopsea

refractară pe porţiunile care vin în contact cu metelul lichid; gaura interioară a capacului

este egală cu diametrul interior al semifabricatului;

- se fixează capacul exterior (de prea-plin) pe gulerul de ghidare al capacului

anterior, urmărindu-se o aşezare cât mai corectă a acestora; de asemenea, suprafeţele care

vin în contact cu metalul lichid se acopră cu vopsea pe bază de grafit;

- se menţine în stare de uşoară apăsare capacul de prea-plin, prin sprijinire pe

diametrul interior, şi se pune în mişcare de rotaţie axul instalaţiei de turnare; în urma

mişcării de rotaţie pârghiile de blocare cu contragreutăţi, poziţionate pe diametrul exterior

al port-cochilei, menţin capacul exterior blocat şi presat peste capacul anterior sub

acţiunea forţelor centrifuge; în cazul semifabricatelor cu diametrul exterior de peste

ø200mm, acest sistem de blocare va fi înlocuit cu blocarea prin strângere cu şuruburi ce

trebuie să se facă înainte de punerea în mişcare de rotaţie a axului instalaţiei;

- dacă se consideră necesar se va face o protecţie suplimentară a suprafeţei active

a cochilei cu un material pulverulent, termoizolant. Acest material se introduce în

interiorul cochilei cu ajutorul unei scafe speciale, în timp ce aceasta se află în mişcare de

rotaţie; deversarea conţinutului scafei se va face uşor prin răsturnare în sens contrar

sensului de rotaţie al cochilei; este preferabil ca stratul termoizolator să se constituie din

2-3 depuneri succesive, întâi materialul cu granulaţie mai mare şi apoi materialul mai fin;

- se introduce jgheabul de turnare în interiorul cochilei, prin orificiile celor două

capace frontale şi se fixează astfel încât jetul de metal să cadă la minimum 1/3 din

lungimea cochilei, faţă de partea frontală;

- se deversează metalul lichid în jgheabul de turnare astfel încât să se obţină un

jet continuu cu debit maxim; turnarea se opreşte în momentul în care apar primii stropi de

metal lichid între cele două capace, acolo unde se va acumula surplusul de metal de la

turnare;

- se retrage jgheabul de turnare din interiorul cochilei şi se păstrează ansamblul

de turnare în mişcare de rotaţie până la solidificarea completă a piesei, apreciată vizual

după culoarea roşu închis care apare pe suprafaţa interioară a piesei;

- se opreşte mişcarea de rotaţie a ansamblului de turnare şi se îndepărtează cele

două capace frontale impreună cu inelul de prea-plin format la turnare;

- se extrage cochila împreună cu piesa turnată;

- se îndepărtează piesa turnată din cochilă, prin lovire uşoară în sensul înclinaţiei;

- se suflă cu aer comprimat în interiorul port-cochilei şi se controlează poziţia

capacului posterior sau a garniturii;

- se introduce cochila, din care s-a extras piesa turnată, în port-cochilă şi se reiau

operaţiile în ordinea de mai sus, pentru o nouă turnare.

Particularităţile tehnologice ale turnării centrifugale sunt următoarele:

- Viteza de rotaţie a cochilei este dependentă de diametrul interior al piesei

turnate şi de greutatea specifică a metalului ce se toarnă;

- Forma de turnare, sau cochila, se execută din metal (fontă sau oţel) pentru a

avea o durabilitate ridicată;

- Suprafeţele active ale cochilei se acoperă cu un strat de protecţie de vopsea

refractară sau dintr-un material pulverulent termoizolator, care are atât rol protector

pentru cochilă cât şi de micşorare a vitezei de răcire a metalului turna;

- Cu cât materialul din care se execută cochila este mai corect ales (ca nivel de

aliere şi tratament), cu atât durata de viaţă a acesteia este mai mare;

- Temperatura de turnare trebuie să fie bine aleasă, în funcţie de metalul turnat,

astfel încât să asigure o fluiditate corespunzătoare a acestuia, dar să nu suprasolicite

termic cochila.

Grosimea stratului de material termoizolant se alege în funcţie de grosimea de perete a piesei:

Grosimea de perete [mm]

<10 10-15 15-20 >20

Grosimea stratului termoizolant [mm]

1,5 2,5 4 5

Materialul termoizolant se aplică în straturi succesive cu ajutorul unei scafe

speciale, prin deversarea în sens contrar sensului de rotaţie. Materialul utilizat trebuie să

fie în stare uscată, în general constituit din amestecuri de nisip fin cu dimensiuni mai mici

de 0,2 mm, grafit flotat, pulbere de ferosiliciu, şi pulbere de bachelită.

În afara materialelor pulverulente se utilizează diverse tipuri de vopsele refractare

produse de firme specializate, sau care se produc în turnătorii conform următoarelor

reţete:

a) reţeta A: - grafit coloidal 20-25%;

- dextrină 2-3%;

- argilă refractară 10-15%;

- silicat de sodiu 4-5%;

- apă rest.

Dextrina se dizolvă în apă caldă la 60-80C şi se amestecă cu restul de apă şi cu

silicatul de sodiu. În paralel se amestecă foarte bine grafitul coloidal şi argila refractară

care apoi se adăugă continuu pe parcursul agitării soluţiei de mai sus, până se obţine o

foarte bună omogenitate a vopselei.

b) reţeta B: - grafit coloidal 25%;

- bentonită 1,5%;

- lignosulfonat 0,5%;

- alcool metilic 73%.

Componentele prăfoase se adăugă treptat în alcoolul metilic care este agitat

continuu.

c) reţeta C: - marşalită 93-96%;

- bentonită 2-7%;

- carboximetil de celuloză 0,4-0,6%;

- hexametofosfat 0,1-0,2%;

- dispersil 0,5-1,5%;

- apă rest.

Grosimea optimă a stratului de vopsea este de 1-3 mm, iar temperatura optimă a

formei este de 200-250C. Vopselele se aplică prin pulverizare.

Cap. 6. Obţinerea prin turnare a operelor de artă, a bijuteriilor şi a obiectelor de cult

1.2. Obţinerea operelor de artă prin procedee cu ceară pierdută

1.2.1. Consideraţii generaleFabricaţia operelor de artă prin procedeele cu ceară pierdută, precum şi tehnologia

de turnare de precizie impune folosirea unor materiale speciale şi respectarea cu stricteţe a instrucţiunilor tehnologice. Deoarece componenta de bază a crustelor ceramice obţinute cu modelele din ceară este silicea, care în timpul încălzirii suferă transformările alotropice cu modificare de volum de la cristobalit la tridimit şi apoi la cuarţ, piesele ce se pot obţine prin această tehnologie sunt de dimensiuni relativ mici şi greutate redusă. Crustele ceramice calcinate au rezistenţă scăzută la şocuri mecanice şi termice aşa că este obligatorie preîncălzirea împachetarea acestora. O altă limitare a tehnologiilor ce utilizează crustele ceramice pe bază de cuarţ este cea legată de reactivitatea ridicată a acestora şi posibilitatea interacţiunii cu unele elemente: Cr, Mn, Al, Mg, Ti, Zr etc. Crustele obţinute din alumino-silicaţi sau din zircon ( ZrO ) au un comportament considerabil mai bun, dar sunt mult mai scumpe decât cele pe bază de cuarţ.

Din motive de protecţie a muncii şi a mediului liantul cel mai frecvent folosit este unul hibrid compus din silice coloidală şi silicat de etil. Acest liant hibrid se stabilizează la un pH mic, dar are o stabilitate redusă şi nu poate fi stocat mai mult de 24 ore. Liantul hibrid conferă o rezistenţă mecanică mai bună crustelor în stare crudă, dar o sensibilitate mai redusă în stare uscată.

1.2.2. Materii prime şi materiale utilizate la prepararea crustelor ceramice

Pentru prepararea barbotinei se foloseşte: a) Slice coloidală (colloidal silica), cu denumirea comercială Levasil 200/30%.

Aceasta este o soluţie coloidală de SiO2 în mediu apos, cu o concentraţie de 30% SiO2 şi o densitate d = 1,20 – 1,21 g/cm3. Caracteristicile tehnice ale silicei coloidale sunt: conţinutul de SiO2 = 30%, pH = 9 – 10, greutatea specifică = 1,20 – 1,21 daN/dm3, diametrul mediu al particulelor = 13 – 17 m, punct de congelare = 00C, conţinut de Na2O = 0,35 – 0,45 %, cloruri sub formă de NaCl = max. 0,03%, sulfaţi ca Na2SO4 = max. 0,03%, viscozitatea la 200C = 4,23 Poise.

b) Silicat de etil ( Ethyl – silicate ), denumit comercial Wacker Silicate TES 40WN. Este utilizat la prepararea vopselei ceramice şi are următoarele caracteristici tehnice: aspect – lichid incolor cu miros specific, greutatea specifică la 200C = 1,05 – 1,07 daN/dm3, conţinut de SiO2 = min. 40 – 42%, punct minim de inflamabilitate = 620C, aciditate (în H2SO4) = 0,03%, viscozitatea la 200C = 5 mPoise, temperatura de solidificare = 600C, temperatura de fierbere = 1600C, stabilitatea în apă - este nemiscibil în apă şi se descompune prin hidroliză.

c)Făină de cuarţ, denumită comercial Millisil W11, este materialul de umplutură al vopselei ceramice folosite la obţinerea cojilor ceramice. Are următoarele caracteristici tehnice: natura – cuarţ de înaltă puritate, aspect – făină albă sau cenuşie, structura – cristalină, granulaţia – rest pe sita de 0,063 mm de max. 5%. Compoziţia chimică a făinii de cuarţ folosită la primele straturi este: bioxid de siliciu ( SiO2 ) – min. 99,0%, oxid feric ( Fe2O3 ) – max. 0,05%, oxid de aluminiu ( Al2O3 ) – max. 0,3%, ( CaO + MgO ) – max. 0,1%, suma oxizilor alcalini ( Na2O + K2O ) – max. 0,2%., Fier metalic – lipsă. Pentru straturile secundare, de exterior se poate utiliza făina de cuarţ cu 97 – 98% SiO2 şi cu max. 0,5% Fe2O3.

d) Acid sulfuric, H2SO4. Este folosit pentru hidroliza silicatului de etil, la

prepararea vopselei ceramice şi are următoarele caracteristici tehnice: aspect – lichid uleios, limpede sau opalescent, greutatea specifică – min. 1,836 daN/dm3, conţinut H2SO4 – min. 98%, conţinut fier – max. 0,02%, punct de topire – 10,40C, punct de fierbere – 3380C.

e) Agent de umectare, denumit comercial Înmuiant Rapid tip 50.Este un produs de adiţionare la vopseaua ceramică, în scopul depunerii acesteia sub forma unui strat continuu şi uniform pe modelele de ceară. În principiu se pot folosi detergenţi care adăugaţi în silicea coloidală împiedică formarea gelului şi măreşte stabilitatea acesteia. Condiţiile tehnice minime sunt: aspect la 200C – lichid limpede până la opalescent, culoarea – galbenă, substanţa activă – 43,4%.

f) Făină de lemn, pentru înlocuirea celulozei micronizate şi asigurareapermeabilităţii crustelor ceramice după calcinarea acestora.

g) Nisip cuarţos, pentru presărare, constitue materialul refractar şi în funcţie degranulaţie are următoarele aplicaţii:0,2 - 0,3 mm , pentru primele straturi – straturile 1 - 2;0,5 - 0,9 mm, pentru straturile intermediare – straturile 3 – 4;0,5 - 1,5 mm, pentru straturile exterioare – straturile 5 – 7 sau 8.Condiţiile tehnice impuse sunt: bioxid de siliciu (SiO2) – min. 97%, oxid feric (Fe2O3) – max. 0,5% , oxid de aluminiu (Al2O3) – max. 2%, bioxid de titan TiO2 – max.0,5%, oxizi alcalini (Na2O + K2O) – max. 0,5%, oxizi ai metalelor alcalino-pământoase (CaO + MgO) – max. 0,5%.

Se utilizează două tipuri de soluţii preparate din materialele prezentate mai sus:- soluţie de degresare – umectare: - silice coloidală 50 %volumice;

- apă 50 %volumice;- acid sulfuric pănă la un pH = 2 – 3;- detergent 0,05%.

Prepararea constă în amestecarea silicei coloidale cu apa, după care sub agitare intensă se adaugă acidul sulfuric până ce pH-ul coboară la 2 – 3, iar la final se adaugă detergentul. Soluţia trebuie să umecteze foarte bine modelele, adică să formeze un film continuu pe acestea. În caz contrar se mai adaugă agent tensioactiv până se obţine o bună umecare a modelelor de ceară. Dacă modelele au fost degresate cu o soluţie cu detergent la modelărie, atunci soluţia de umectare nu mai conţine detergent şi se foloseşte pentru umectarea primului strat de înveliş refractar.

- barbotina ( vopsea ceramică ): - silice coloidală 26,700 l;- apă 21,700 l;- acid sulfuric cca. 0,123 l;- silicat de etil 8,100 l;- agent de umectare cca. 0,167 l;- făină de cuarţ 125,000 kg;- făină de lemn 1,750 kg.

Reţeta de preparare a barbotinei este dată pentru un vas de 100 litri şi trebuie adaptată dacă se folosesc alte capacităţi.

1.2.3. Tehnici de preparareÎnainte de a începe operaţiile de preparare a barbotinelor se pregătesc materialele

menţionate mai sus. O atenţie deosebită se acordă modului de preparare a făinei de lemn. Aceasta se calcinează într-o instalaţie specială până la o uşoară carbonizare. Această prăjire la 250 – 3000C timp de 20 – 30 minute, reduce încărcătura electrostatică ceea ce va împiedica aglomerarea făinei în barbotină.

Prepararea barbotinei se face într-un vas prevăzut cu o elice de agitare. Iniţial se introduce apa, iar sub agitare se adaugă acidul sulfuric şi apoi silicea coloidală. În timpul adăugării silicei coloidale se controlează pH-ul şi dacă este necesar se mai adaugă acid. Treptat se adaugă cantitatea necesară de silicat de etil şi se continuă amestecarea timp de încă o oră pentru hidrolizarea acestuia. Tot sub agitare se adaugă, în picături, agentul de umectare, iar după cca. 20 minute se adaugă făina de lemn calcinată.

În liantul astfel preparat se daugă treptat şi sub agitare continuă jumătate din cantitatea de făină de cuarţ din reţetă, în ritmul în care lichidul absoarbe făina. Dacă apar aglomerări acestea se vor sfărâma manual.

Permanent se controlează temperatura barbotinei deoarece este interzisă depăşirea temperaturii de 280C. De aceea se recomandă folosirea agitatorului rapid în reprize de 3 – 5 min. şi apoi oprirea lui timp de 5 min.

După cca. 30 min. de amestecare se controlează pH-ul amestecului şi dacă este necesar se mai adaugă acid. Se adaugă în continuare restul de făină de cuarţ, iar după 30 min. de amestecare se controlează din nou pH-ul şi se reglează prin adaosuri de acid.

Se interzice adăugarea întregii cantităţi de făină de cuarţ într-o singură repriză deoarece vopseaua se îngroaşă foarte mult, formează aglomerări greu de dispersat şi se lipeşte pe peretele vasului. Dacă se constată aglomerări ale barbotinei atunci adăugarea făinei de cuarţ se poate face şi în trei reprize.

Barbotina astfel preparată se lasă să se stabilizeze timp de 4 – 8 ore după care se verifică viscozitatea cu o cupă Ford. Dacă viscozitatea nu este stabilă atunci se fac corecţii prin adaosuri de liant, respectiv făină de cuarţ, după cum este cazul. Dacă corectarea viscozităţii se face prin adaosuri de liant atunci stabilizarea se face după încă 2 ore, iar dacă se face cu făină de cuarţ stabilizarea durează 4 ore. În timpul stabilizării se foloseşte alternativ agitarea rapidă cu elice şi agitarea lentă. Dacă barbotina trebuie transferată din vasul de preparare în cel de lucru cu agitare lentă, acest lucru se face numai după stabilizare.

Controlul barbotinei constă în determinarea:- viscozităţii cu ajutorul cupei Ford: - primul strat – timp de scurgere 60 – 65 s.;

- straturile 2 şi 3 – timp de scurgere 40 – 50 s.;- straturile 4/ 5/ 6/ 7 – timp de scurgere 38 – 43 s.

- pH-lui cu hârtie indicator – pH = 2,0 – 2,5.- temperaturii cu ajutorul unui termometru instalat în vas – max. 280C.

Barbotina astfel preparată are o stabilitate limitată şi prin îmbătrânire îşi măreşte sensibilitatea la fisurare în timpul uscării. Tendinţa de crăpare este deosebit de periculoasă la straturile primare şi mai puţin nocivă la straturile de consolidare. Fluxul tehnologic trebuie astfel organizat încât să nu rămână vopsea de la o zi la alta deoarece după 2 zile aceasta se gelifică. Vopseaua rămasă din ziua precedentă se amestecă cu vopsea proaspătă pentru a fi folosită la realizarea straturilor exterioare. La terminarea lucrului vasele se acoperă pentru evitarea deshidratării şi a contaminării şi se lasă sub agitare continuă. Dacă silicea coloidală are densitatea diferită de 1,20 – 1,21 g/cm3 atunci se recalculează cantităţile de silice şi de apă în funcţie de cantitatea de SiO2.

Vopseaua se prepară la densitatea şi viscozitatea maximă deoarece înaintea aplicării primului strat modelele sunt imersate în soluţia de umectare ceea ce conduce la diluarea barbotinei. Vopseaua primară se utilizează la realizarea celorlalte straturi (secundare) fără să se mai adaoge agent de umectare.

Temperaturile mai ridicate şi utilizarea intensă determină o evaporare mai intensă şi de aceea trebuie adăugată apă la intervale de 3 – 4 ore, iar după 10 – 15 min. de agitare se controlează viscozitatea.

1.2.4. Formarea straturilor primare şi de consolidareDeoarece primul strat are o influenţă majoră asupra calităţii suprafeţei pieselor

turnate el trebuie să asigure acoperirea perfectă a modelelor de ceară. Deoarece modelele de ceară sunt acoperite cu resturi din substanţele grase folosite la ungerea cochilelor, ele trebuie să fie spălate şi degresate cu soluţii care nu pot forma compuşi incompatibili cu vopseaua ceramică. Degresarea este urmată de spălarea în jet de apă şi de uscare.

Uscarea trebuie să fie perfectă înaintea imersării în barbotină deoarece resturile de apă din cavităţi pot cauza defecte grave la cruste şi apoi la piese. În cazul pieselor cu găuri, adâncituri, cavităţi, uscarea trebuie făcută prin suflarea de aer.

Ciorchinele cu modele se imersează încet în barbotină, în cca. 6 – 12 secunde cu o atentă rotire şi înclinare a acestora. În mod normal ciorchinele se imersează la un unghi de 15 – 30 grade faţă de orizontală. Modul de imersare, rotire şi înclinare depind foarte mult de forma pieselor şi de poziţia acestora pe ciorchine.

Ciorchinele trebuie introdus în barbotină astfel încât să întâmpine cea mai mică rezistenţă şi ca toate suprafeţele pieselor să vină în contact cu barbotina în modul cel mai uniform. Barbotina în exces se lasă să se scurgă, rotind şi înclinând ciorchinele în mod corespunzător deasupra vasului cu barbotina. Timpul de scurgere necesar este de 10 – 15 sec. funcţie de complexitatea pieselor. Se controlează foarte atent ca să nu rămână zone neacoperite sau cu bule de aer. Scurgerea se face cu mânerul ciorchinelui mai jos decât axul cu piese. La o scurgere necorespunzătoare se obţine o grosime neuniformă a vopselei, stratul cel mai subţire fiind la pâlnia de turnare ceea ce va conduce la apariţia de fisuri în timpul turnării.

În cazul apariţiei bulelor de aer, defect denumit “urechi de elefant”, acestea se vor îndepărta printr-o suflare uşoară cu jet de aer. Dacă vasul este subdimensionat şi ciorchinele cu modele ce conţin găuri adânci nu poate fi uşor imersat, atunci barbotina se toarnă în găuri dintr-un vas mai mic. Deoarece în acest caz şi scurgerea vopselei este dificilă, se va acorda o atenţie deosebită scurgerii excesului de vopsea de pe fundul cavităţilor. Deseori ultimile picături de vopsea nu pot să cadă sub greutatea proprie, acestea vor rămâne şi vor forma îngroşări, denumite “buze”, ce vor fi eliminate cu jeturi de aer. Acoperirea suprafeţelor netede, plane şi orizontale este deosebit de pretenţioasă, mai ales dacă sunt la partea inferioară. Acoperirea antrenează cantităţii mari de aer şi de aceea este necesar ca atât acoperirea cât şi presărarea să se facă în poziţie înclinată la un unghi cât mai mare, iar mişcarea ciorchinelui să se facă cu atenţie sporită.

Uneori înainte de aplicarea primului strat se face o umectare prealabilă. Umectarea este necesară în cazul pieselor de mare complexitate, a celor cu cavităţi adânci sau cu găuri înfundate, unde datorită tensiunii superficiale vopseaua nu poate pătrunde uniform. Umectarea preliminară se face într-o soluţie de liant. După imersare se lasă soluţia să se scurgă de pe ciorchine şi se trece imediat la aplicarea primului strat.

Umectarea se aplică numai în caz de strictă necesitate deoarece prin aceasta barbotina se diluează cel puţin local.

Primele două straturi de nisip se depun într-o baie de nisip fin şi fluidizat. Este de preferat ca presărarea în pat fluidizat să se facă în instalaţii specializate pentru a întâmpina o rezistenţă minimă la imersarea ciorchinelui şi pentru a preveni formarea turbulenţelor violente. De obicei parametrii optimi se obţin prin modificarea înălţimii coloanei de nisip.

Se recomandă ca la încărcarea nisipului sau după completare să se efectueze o desprăfuire a nisipului printr-o fluidizare intensă în gol, timp de 15 – 20 min., cu sistemul de aspiraţie la capacitate maximă. Desprăfuirea trebuie repetată periodic deoarece praful fin se ridică la suprafaţa băii şi formează un strat distinct. La imersarea ciorchinelor într-un astfel de strat praful neutralizează vopseaua ceramică şi împiedică formarea unei cruste aderente, solide. Apar decojiri specifice ale stratului ceea ce cauzează rebutarea pieselor. Uneori se formează aglomerări datorită picurării vopselei ceea ce impune o separare prin cernere deoarece fluidizarea intensă nu este eficientă.

Presărarea se face prin imersarea lentă în stratul fluidizat a ciorchinelui acoperit cu vopsea ceramică, cu mişcări asemănătoare acelora de la acoperirea cu vopsea ceramică.

La modelele cu forme complexe acoperirea poate fi neuniformă şi de aceea este necesară completarea presărării în pat fluidizat cu o presărare manuală cu ajutorul unei site de mici dimensiuni. Presărarea manuală, deşi nu conduce la ştergerea vopselei de pe muchiile modelelor, nu este necesară la straturile exterioare.

La piesele ce au cavităţi adânci, găuri sau suprafeţe plane mari, presărarea manuală este obligatorie, chiar dacă aparent stratul depus este bun. În aceste cazuri aderenţa nisipului la vopsea este slabă, iar granulele de nisip se sfărâmă rezultând un strat de rezistenţă redusă.

Fluiditatea nisipului fine este influenţată de umiditatea relativă a aerului. La o umiditate scăzută, datorită proprietăţilor electrostatice ale nisipului, fluiditatea acestuia scade drastic. O umiditate excesivă poate cauza îngrămădiri, respectiv compactarea băii. Nu se recomandă creşterea temperaturii aerului insuflat deoarece aceasta poate conduce la uscarea vopselei şi la diminuarea aderenţei nisipului.

La straturile de consolidare vopseaua ceramică diferă doar prin viscozitate, iar procesul de aplicare este la fel ca la straturile primare. Straturile exterioare, de consolidare, se obţin prin presărare în ploaie de material refractar granulat, ceea ce are următoarele avantaje:

- procesul de presărare se poate controla mai uşor;- aglomerările mici de nisip cu vopsea sunt total eliminate la trecerea materialului

granulat prin sita vibratoare;- nu este nici un risc de uscare prematură;- forţa de ciocnire a particulelor depinde numai de înălţimea lor de cădere, cea

maximă fiind la distanţa de 500 mm dintre sită şi ciorchine.Deoarece depunerea pe vârfuri este dificilă sunt necesare presărări manuale şi

depuneri suplimentare de barbotină.În funcţie de mărimea şi forma modelelor sunt necesare mai multe straturi

ceramice, numarul lor variind între 6 şi 11. Normal primele două straturi se obţin cu nisip fin, straturile 3 şi 4 se obţin cu nisip intermediar, iar celelalte straturi se obţin cu nisipuri

grosolane. Creşterea numărului de straturi şi a grosimii crustelor conduce la reducerea permeabilităţii şi apariţia defectelor de tip sufluri.

6.2.5. Uscarea crustelor şi recuperarea ceriiUscarea are rolul de a elimina apa din liant şi prin aceasta de a întări stratul depus.

În cazul tehnologiei bazate pe silice coloidală uscarea este faza cea mai critică deoarece aceasta poate cauza un număr mare de defecte în piesele turnate. Această sensibilitate este caracteristică şi tehnologiei cu liant hibrid. Explicaţia este dată de faptul că la formele la care se utilizează ca liant silicatul de etil consolidarea strturilor ceramice se face prin reacţie chimică, iar la silicea coloidală gelificarea se face prin eliminarea apei. După presărarea cu material granulat fiecare strat se usucă. Este foarte important ca uscarea primului strat să fie lentă deoarece în caz contrar stratul depus fisurează.

Evaporarea rapidă a apei din strat produce o scădere a temperaturii şi corespunzător modelele de ceară se contractă. După uscare temperatura stratului şi respectiv a modelelor revine la valoarea corespunzătoare mediului ambiant, ceara se dilată şi datorită solicitării la tracţiune stratul depus fisurează.

Uscarea straturilor secundare( de consolidare) cere aceleaşi exigenţe ca şi primul strat, totuşi primejdia apariţiei fisurilor scade cu numărul straturilor, astfel că după cel de al treilea strat practic devine nulă. Trebuie acordată o atenţie deosebită uscării straturilor, deoarece în cazul unei uscări incomplete la aplicarea următorului strat de vopsea stratul precedent poate fi spălat.

Se va lucra cu următoarele regimuri de uscare(parametrii aerului de uscare):- primul strat: - temperatura aerului 24 – 260C

- viteza aerului 2 – 3 m/s- umiditatea relativă 50 – 60%- timp de uscare min. 60 min.

- straturile secundare: - temperatura aerului 28 – 320C- viteza aerului 5 – 7 m/s- umiditatea relativă 50 – 60%- timp de uscare 40 – 50 min.

La reglarea corectă a parametrilor de temperatură şi umiditate esenţial devine timpul de uscare. De regulă un timp minim de uscare la piesele de configuraţie simplă este de 60 min.,dar la cele de configuraţie complexă poate ajunge şi la patru ore. Se recomandă programarea producţiei în aşa fel încât timpii de uscare să fie egali sau foarte apropiaţi.

După aplicarea ultimului strat, pentru ca părţile cele mai groase şi golurile interioare ale crustelor să fie uscate complet înainte de a se trece la decerare, ciorchinele sunt lăsate pentru uscarea finală. Uscarea se face pe cărucioarele pentru ciorchine în condiţiile atmosferice ale atelierului. Timpul de uscare în condiţii normale de atelier trebuie să fie de minim 12 ore.

După uscarea finală ciorchinele se trec la operaţia de decerare pentru recuperarea amestecului uşor fuzibil. Pentru evitarea fisurării crustelor decerarea se execută în autoclave cu abur sub presiune. Aburul supraîncălzit la 140 – 1600C cedează căldură crustelor ceea ce duce la topirea stratului de ceară care este în contact cu crusta. Încălzirea trebuie să se facă brusc pentru a se evita ca dilatarea cerii să producă fisuri în cruste.

Parametrii de lucru specifici decerării sunt:- presiunea de lucru 5 – 6 bar- temperatura de lucru 150 – 1600C- durata menţinerii la presiune cca. 10 min.- durata evacuării aburilor 60 – 90 sCiorchinele se aşează pe suprtul (grindă cu zăbrele) care se află în autoclavă. Se

închide capacul autoclavei, se verifică poziţia sistemului de strângere şi se deschide robinetul de aburi. Este esenţial ca autoclava să se pună sub presiune în timpul cel mai scurt posibil. Se va acorda o atenţie deosebită aşezării ciorchinelor, în sensul ca acestea să fie rezemate de suport pe marginea pâlniei crustelor şi nu pe cozile de ciorchine. O rezemare incorectă poate produce căderea crustei peste axul metalic al reţelei de alimentare şi fracturarea fundului crustei. După trecerea duratei prescrise se închide robinetul de abur, se deschide robinetul de evacuare şi apoi capacul pentru evacuarea crustelor ceramice. Numărul ciorchinilor ce se aşează în autoclavă se stabileşte funcţie de forma şi marimea pieselor. La terminarea procesului de decerare ceara topită se evacuiază în tăvile destinate acestui scop. La evacuarea cerii se foloseşte obligatoriu o sită corespunzătoare pentru reţinerea resturilor din crusta ceramică, respectiv pentru reducerea contaminării cerii. După terminarea decerării crustele se lasă să se usuce complt în vederea pregătirii pentru calcinare. În condiţiile atmosferei din atelierele de turnătorie uscarea se face în 24 ore.

6.2.6. Calcinarea crustelorCalcinarea crustelor urmăreşte atât stabilizarea conglomeratului care formează

crusta, prin transformările caracteristice cuaţului şi prin eliminarea apei cristaline, cât şi arderea resturilor de substanţe organice restante din amestecul de ceară şi arderea substanţelor organice din componenţa crustelor ceea ce elimină riscul producerii de gaze şi măreşte permeabilitatea.

Arderea resturilor organice presupune existenţa unei atmosfere oxidante, ceea ce se poate obţine prin reglarea debitelor din arzătoare. Dacă atmosfera este reducătoare sau neutră în cruste rămâne carbon rezidual ce cauzează degajări de gaze la turnare.

Calcinarea se poate realiza în cuptoare cu flacără sau în cuptoare electrice.Calcinarea crustelor ceramice în cuptoare tip tunel se face în timp de cca. 4 ore la

900 – 9500C. Cuptorul este prevăzut cu o zonă de preîncălzire, o zonă de calcinare şi o zonă de răcire, pentru a se evita şocurile termice ce pot conduce la dilatări sau contracţii majore. La intrarea în zona de prîncălzire temperatura este de 250 – 3000C, apoi cărucioarele încărcate cu ciorchine trec prin zona încălzită la 900 – 9500C în cca.2 ore. Temperatura în cuptor scade în zona de răcire la mai puţin de 5000C pentru permite evacuarea şi verificarea ciorchinelor.

Calcinarea crustelor ceramice în cuptoare electrice constă în aşezarea ciochinelor în cuptorul rece, cuplarea la reţeaua de energie şi încălzirea la 920 – 9500C timp de 2 ore, decuplarea energetică şi menţinerea cuptorului închis până când temperatura scade sub 4500C şi apoi evacuarea.

Crustele calcinate se examinează pentru depistarea eventualelor defecte ce trebuiesc remediate apoi sunt suflate cu un jet de aer comprimat pentru îndepărtarea resturilor ceramice libere sau a impurităţilor.

6.3.3. Particularităţi tehnologice ale turnării clopotelor mari şi foarte mariClopotele de mari dimensiuni prezintă o serie de particularităţi constructive care

face ca turnarea acestora să fie o adevărată artă. Dovadă este eşecul unor turnări sau distrugerea rapidă prin fisurare a unor astfel de clopote. Aceste particularităţi constructive sunt:

- geometrie cu simetrie de rotaţie;- dimensiuni mari;- masă mare şi foarte mare;- grosimea pereţilor foarte mică în raport cu celelalte dimensiuni (de aceea

clopotele se încadrează în categoria pieselor cu pereţi subţiri);- golul interior are diametru foarte mare comparativ cu grosimea pereţilor.- sunt turnate de obicei din bronz, aliaj cu contracţie liniară relativ mare.Aceste particularităţi constructive sunt generatoare de riscuri şi de aceea sunt

necesare măsuri tehnologice specifice:- turnarea trebuie să se facă în solul turnătoriei, în gropi special amenajate;- formele se execută prin înzidire și şablonare;- miezurile interioare mari frânează contracţia liniară ceea ce poate conduce la

fisurarea clopotului la cald;- timpul mare de umplere a formei poate conduce la apariția riscului de

solidificare a unor porțiuni din pereții clopotelor înainte de finalizarea umplerii formei;- pentru a evita defectele de umplere (umplere incompletă, suduri la rece,

suprapuneri, picături reci, cute de suprafaţă) forma şi miezul trebuie încălzite puternic înainte de umplere;

- pentru a asigura o răcire de jos în sus (astfel se evită întreruperea umplerii datorită răcirii aliajului în timpul umplerii) turnarea trebuie să se facă la partea superioară a formei (prin căderea liberă a aliajului lichid);

- umplerea se face de obicei prin jgheaburi care conduc aliajul lichid direct de la cuptoare la formă (fără oale de turnare);

- de obicei nu există cuptoare de topire de capacitate aşa de mare, aliajul se topeşte în mai multe şarje;

- contracţia liniară este mare în direcţia diametrului) ceea ce determină o tendinţă mare de fisurare la răcire;

- pentru a se diminua tensiunile interne la răcirea după solidificare, trebuie ca miezul şi forma în ansamblu să fie puternic încălzită înainte de turnare, iar răcirea să se facă foarte lent, pentru ca piesa şi forma (mai ales miezul) să se contracte simultan pentru a reduce riscul de fisurare;

- după solidificare şi răcire clopotul trebuie menţinut încă mult timp în formă pentru inițierea tratamentului termic de îmbătrânire naturală.

Turnarea în gropi practicate în solul turnătoriei este necesară şi pentru a evita accidentele în cazul că forma cedează. În astfel de cazuri metalul scurs din formă se acumulează în gropile de turnare în care sunt plasate formele. De asemenea plasarea formelor în gropi sub nivelul solului permite ca umplerea formelor să se facă direct din cuptor, fără a utiliza oale de turnare. Metalul este turnat din cuptor prin jgheaburi

înclinate situate la nivelul solului, care îl conduc spre orificiul de umplere a formei (pâlnia de turnare).

Aceste particularităţi nu sunt cunoscute şi stăpânite de toate turnătoriile. De obicei ele sunt acumulate pe baza unei practici îndelungate sau a unei documentări bune. De multe ori sunt considerate secrete de fabricaţie, care se transmit de la o generaţie la alta.

6.3.4. Tehnologia turnării clopotelor mariDatorită geometriei specifice, cu simetrie de rotaţie, formele pentru turnarea

clopotelor mari, se execută de obicei cu şabloane de rotaţie cu ax vertical. Un prim document scris despre construcţia clopotelor datează din jurul anului 1000 şi este datorat lui Teophilus, călugăr benedictin din Koln, în lucrarea “Schedula diversarum atrium” Acesta arată că în principiu pentru execuţia formelor se utiliza ceara potrivit unui procedeu descris cu secole mai târziu de către artistul Benvenuto Cellini. O descriere mai clară a tehnicii turnării clopotelor a rămas de la Friedrich Schiler care a asistat la turnarea unui clopot şi a descris-o în Balada clopotului [1, 15]. Potrivit primei descrieri a tehnicii turnării clopotelor a lui Teophilus, care a fost utilizată şi după secolul al XII-lea, tehnologia consta pe scurt în următoarele. La început se pregătea miezul pentru formare după şablon. Miezul era confecţionat dintr-un amestec de argilă deosebit, destinat pentru a realiza suprafaţa interioară a viitorului clopot. După aceea se aplica pe miezul astfel format o cămaşă (un strat) dintr-un amestec de untură şi mangal măcinat. Grosimea şi configuraţia acestei cămăşi corespundeau grosimii şi configuraţiei corpului clopotului. Pentru obţinerea înscrisurilor şi desenelor pe suprafaţa exterioară a clopotului acestea erau trasate prin imprimare sau erau decupate cu dălţi speciale. Pe cămaşa astfel pregătită se aplicau apoi straturi de argilă, pentru realizarea formei superioare (exterioare) care să reproducă suprafaţa exterioară a clopotului. Aceste straturi de amestec ale formei exterioare erau consolidate cu ajutorul unor cercuri (rame circulare) speciale. În acest mod se realiza forma superioară. Forma astfel pregătită era apoi uscată prin încălzire de la interior. Grăsimea din ea se topea şi se scurgea în afara formei. În golul rămas la interior care avea forma clopotului se turna aliajul fluid. Această tehnologie reprezintă o combinaţie între execuţia formelor cu şabloane de rotaţie şi turnarea cu modele uşor fuzibile cunoscute astăzi. Tehnologia avea dezavantajul că forma nu putea fi examinată înainte de turnare, în vederea observării eventualelor defecte şi a remedierii acestora.

Începând din secolul al XVIII-lea în Rusia şi în alte ţări din europa, a fost folosit un procedeu tehnologic mai perfecţionat. În figura 6.4.2. este arătată o reprezentare schematică a acestei tehnologii [1,11, 12]. Formele pentru turnarea clopotelor mari erau executate în gropi situate în apropierea cuptoarelor. Astfel bronzul lichid putea fi deversat prin jgheaburi, din cuptor direct în formă pe principiul curgerii libere. La început în groapă se construia un suport (soclu) pentru formă. Soclul avea diametrul mai mare decât diametrul clopotului şi se executa din cărămidă obişnuită. În centrul soclului se fixa o scândură cu un orificiu, în care se fixa axul central al şablonului provizoriu. (figura 6.4.2.a). În partea centrală a soclului se lăsa un spaţiu liber care comunica cu exteriorul printr-un canal. Acest spaţiu liber din centrul soclului şi al formei, avea rolul unei sobe. Prin arderea lemnelor şi a cărbunelui se realiza uscarea ulterioară a miezului şi preîncălzirea formei. Pe soclul astfel realizat din cărămidă se construia apoi din cărămidă ne arsă (până la jumătate din înălţime) zidăria pentru susţinerea miezului. Pe acesta se aşeza o cruce metalică, care constituia suportul de centrare pentru axul principal al

dispozitivului de şablonare. Cu ajutorul unui şablon parţial se şablona planul de separaţie al formei. partea de jos a miezului. În continuare se fixează axul de şablonare principal din metal, iar cu şablonul principal se şablonează conturul final al miezului (figura 6.4.2.b). Miezul este apoi uscat cu ajutorul focului care ardea în spaţiul din interior. Ultimile straturi ale miezului se executau dintr-o pastă din nisip şi argilă, mai diluate. După uscare miezul era vopsit cu un amestec constituit din cenuşă măcinată, diluată în apă cu săpun sau bere, după care era uns cu grăsime. Pe miezul astfel pregătit se aşeza o cămaşă (un strat) de argilă, care reproducea viitorul corp al clopotului. Cămaşa era aşezată în straturi, iar configuraţia ei se realiza de asemenea prin şablonare, folosind un şablon care are profilul suprafeţei exterioare a clopotului (figura 6.4.2.c şi 6.4.2.d). Cămaşa de argilă cu profilul clopotului era asemenea uscată şi se vopsea apoi cu vopsea pregătită cu săpun, grăsime şi ceară. Pe suprafaţa vopsită se trasau imaginile în relief (înscrisuri, desene, etc.) Detaliile imaginilor erau pregătite din amestec din ceară, colofoniu, miniu de plumb şi negru de fum, în forme mici, speciale. Acestea erau lipite pe suprafaţa vopsită a cămăşii. Cămaşa cu grosimea miezului astfel constituită şi întărită, constituie model pentru execuţia formei superioare (figura 6.4.2.e) care realizează suprafaţa exterioară a clopotului. Pentru aceasta se utilizează armături şi rame de formare speciale, prevăzute cu elemente de prindere în vederea ridicării. După uscare forma superioară era ridicată. Se îndepărta cămaşa de argilă care reproducea grosimea clopotului. Se reparau eventualele stricăciuni ale formei şi miezului. Apoi se asamblează la loc forma, fixând la locul lor şi miezurile de la partea superioară cu care se realizează cavităţile pentru urechile clopotului şi canalele de alimentare) (figura 2.e). În forma astfel finalizată se turna aliajul topit în cuptorul situat în apropiere. După solidificarea aliajului forma se distrugea în vederea extragerii clopotului. În final clopotul era curăţit şi finisat prin cizelare şi şlefuire [1,11]. Cu mici perfecţionări, această tehnologie se aplică şi în prezent pentru turnarea clopotelor mari. În figura 6.4.3. este arătată o secţiune prin ansamblul unei forme destinată turnării unui clopot de dimensiuni mari [2, 3]. În figura 6.4.4. este arătată execuţia miezului interior al formei. În figura 6.4.5. este arătat un aspect dintr-un atelier specializat în turnarea clopotelor prin tehnologia descrisă mai sus (forme în curs de asamblare, stc.) [2, 3].

Figura 6.4.2. Schema execuţiei cu şablon a formelor pentru turnarea clopotelor mari [12]

Figura 6.4.3. Secţiune printr-o formă asamblată destinată turnării unui clopot (muzeul Grassmayr)

Figura 6.4.4. Şablonarea formei interioare destinate pentru turnarea unui clopot (stânga – suportul din cărămidă, dreapta - profilului miezului interior aplicat peste

suportul zidit din cărămidă)

Figura 6.4.5. Aspect dintr-un atelier specializat în turnarea clopotelor (turnătoria Grassmayr, Innsbruck)

6.3.5. Turnarea clopotelor în RomâniaCel mai mare clopot în funcţiune din România este clopotul cel mare instalat în

clopotniţa Patriarhiei Române situată pe Dealul Mitropoliei din Bucureşti. Acest mare clopot de la Patriarhia din Bucureşti a fost turnat în anul 1888, la o turnătorie din Budapesta [22]. În secolul 19 clopotele pentru bisericile din Patriarhia Română se obişnuiau a se turna la Mănăstirea Plumbuita. Cel mai mare clopot turnat la Manastirea Plumbuita are 1200 de kg şi este in functiune la Manastirea Radu Vodă din Bucureşti. Cel mai vechi clopot din România datează din secolul al XIV – lea, mai precis din anul 1385, fiind instalat la Mănăstirea Cotmeana, judeţul Argeş [1,15]. El a fost daruit de jupanul Dragomir, in anul 1385, si are o istorie extrem de tumultuoasa. In vremea Primului Razboi Mondial, intre anii 1916-1918, aliaţii germano-maghiari au strans şi au

topit mai toate clopotele din Tara Romaneasca. Istoricul Draghicescu, care rămăsese la Bucureşti in timpul ocupaţiei germane, dupa disperate insistente, a obţinut "favoarea": doar unul (să nu fie retopit). Cu inima sfâşiată de durere, Draghicescu a ales clopotul cel mai vechi şi anume, cel de la Cotmeana.

Un alt clopot de dimensiuni mari din România este Clopotul mare de la Biserica Neagră din Braşov. Acesta are cca. 6000 kg (după unele surse 6300 kg). El are înălţimea 1.7 m, diametrul 2.17m şi grosimea peretelui 0.16m. Este turnat din bronz Primele mărturii despre turnarea unui clopot mare pentru Biserica Neagră din Braşov datează din anii 1512 – 1514, când se spune că s-a achiziţionat metal (cupru şi cositor) pentru turnarea acestuia [19]. La marele incendiu din cetatea Braşovului, din 21 aprilie 1689, clopotul s-a distrus şi a trebuit să fie turnat din nou. A fost turnat din nou în 1690 de turnătorul Heinrich Lampe din Hildesheim (Germania). Ulterior clopotul a fost deteriorat din nou şi a trebuit să fie turnat încă o dată. A fost turnat în anul 1858. Operaţiunea s-a realizat într-un atelier, care era plasat în zona centrală a cetăţii, de către maestrul turnător de clopote Johann Andrasowski şi fii săi Johann şi Ephraim din Cluj.

Un alt clopot existent la Biserica Neagră din Braşov, “Clopotul mijlociu” sau “clopotul pentru zilele de lucru”, (al doilea ca mărime de la această biserică) în prima sa formă a fost realizat în anul 1696 de Heinrich Lempe. Actualul clopot mijlociu datează din anul 1839 şi are o masă de aproximativ 1000 kg. [10]. Clopotul cel mic sau Clopotul de Duminică de la Biserica Neagră, a fost turnat de asemenea în anul 1696 tot de către Heinrich Lempe [1, 20]. El a fost restaurant ulterior în anul 1741 de către Lorenz Seuller.

După anul 1990, dar mai ales după 2000, în România au început să se construiască şi să se renoveze un număr mare de catedrale, biserici, mănăstiri şi chiar construcţii civile (primării, clădiri oficiale, turnuri, pieţe orăşeneşti) care au necesitat clopote noi. Aceasta a determinat o cerere mare pentru industria de turnare a clopotelor şi a creat o oportunitate pentru dezvoltarea şi perfecţionarea acestei industrii în România. La început o parte din clopotele necesare (de dimensiuni mici şi mijlocii) au fost turnate în turnătorii existente (în special în turnătorii specializate în turnarea pieselor din bronz). Practic, după o documentare prealabilă şi o însuşire şi punere la punct a tehnologiei specifice, oricare turnătorie poate turna clopote. Astfel după anul 1990 s-au turnat clopote din bronz la diverse turnătorii din România (la Galaţi, la Buzău, la Râmnicul Vâlcea, Iaşi, etc.). Mărimea clopotelor turnate a depins de capacitatea de topire a cuptoarelor din dotarea turnătoriilor respective. În această perioadă au dobândit experienţă şi au devenit cunoscute pentru turnarea de clopote turnătoria RANCON din Iaşi, şi în special turnătoria TURBONEF din Râmnicul Vâlcea. În figura 6.4.6. sunt arătate clopote (de dimensiuni mici) turnate la RANCON Iaşi [25]. Turnătoria TURBONEF din Râmnicul Vâlcea specializată în turnarea aliajelor pe bază de cupru, a turnat un număr mare clopote (chiar şi pentru beneficiari din alte ţări) şi a acumulat o experienţă mai mare în turnarea clopotelor. TURBONEF a inclus în programul curent de fabricaţie şi de ofertă clopotele mici şi mijlocii turnate din bronz [23]. În figura 7 este arătat un clopot turnat la TURBONEF.

După anul 2005 multe clopote (cu masă până la 4 tone) instalate la catedrale şi biserici din România s-au turnat în străinătate, mai ales la turnătoria de clopote Grassmayr din Innsbruck [3].

Figura 6.4.6. Clopote turnate la RANCON Iaşi [25]

Figura 6.4.7. Clopot turnat la Turbonef Râmnicul Vâlcea [23]

Pornind de la cerinţa mare de clopote care a apărut pe piaţa din România, de la absenţa în România a unor turnătorii performante în acest domeniu şi intuind oportunitatea dezvoltării unei producţii clopote performante (care să emită sunete de calitate, plăcute pentru a îndeplini cerinţele utilizatorilor) în anul 2003, la Baia Mare, s-a pus bazele unei turnătorii specializată în turnarea clopotelor. S-a înfiinţat, astfel „Turnătoria Blotor”. În anii următori, această turnătorie s-a dezvoltat şi perfecţionat continuu devenind în anul 2005 cea mai puternică firmă din România în acest domeniu. În prezent turnătoria Blotor din Baia Mare se situează pe locul 4 pe plan mondial şi pe locul 1 România şi în ţările din estul Europei (exceptând Rusia) în domeniul turnării clopotelor.

Pentru punerea la punct a tehnologiei şi dezvoltarea turnătoriei, aceasta a primit sprijin din partea celei mai mari turnătorii de clopote din Rusia şi din lume, turnătoria

PYATKOV & CO (Rusia) reprezentată prin Nicolai Pyatkov, care a pus la dispoziţie informaţii utile despre:

- geometria clopotelor;- tehnologia de execuţie a formelor;- materialele de formare necesare;- compoziţia chimică a bronzurilor;- tehnologie de topire şi turnare a bronzului (temperatui de turnare), etc.Turnătoria Blotor poate turna clopote pentru biserici şi pentru cariloane

(instrumente muzicale cu mai multe clopote de diverse dimensiuni).cu masa între 2 kg şi 35 tone [24]. Clopotele pot fi acordate în orice gamă, pe ori ce note muzicale. Clopotele turnate aici, au un sunet plăcut specific, ortodox rusesc. Acordajul clopotelor este efectuat de firme renumite, cu tradiţie şi renume în acest domeniu şi anume de firma Rinker (Germania, înfiinţată în 1590) şi firma Eijtbouts (Olanda, înfiinţată în 1872). Pentru clopotele mari formele sunt realizate cu şablon de rotaţie cu ax vertical. În figura 9 în planul secundar se observă mai multe miezuri şi forme în diverse stadii execuţie. Spre deosebire de clopotele turnate la celelalte turnătorii (Iaşi, Râmnicul Vâlcea) clopotele turnate la Baia Mare, sunt supuse după turnare şi curăţire unei prelucrări prin aşchiere. La exterior se prelucrează partea de jos (spre diametrul mare) pentru a se obţine o suprafaţă cu luciu metalic, auriu şi a se asigura un o estetică atrăgătoare. Suprafaţa interioară se prelucrează pentru a se regla sunetul emis (care depinde de grosimea peretelui) şi a se realiza acordajul sonor. În figurile 8 – 15 sunt arătate aspecte legate de fabricaţia clopotelor la turnătoria Blotor.

Figura 6.4.8. Personalizarea clopotelor prin ornamente pe suprafaţa exterioară[24]

Figura 6.4.9. Clopotul mare (2033 kg) pentru Arhiepiscopia Târgoviştei [24] Clopotele pot fi personalizate cu orice tip de ornamentaţie si iconografie. Specific

pentru clopotele realizate la Turnătoria Blotor din Baia Mare este ornamentaţia bogată cu o estetică atrăgătoare.

Clopotele realizate aici, pot fi dotate la cerere cu accesorii necesare instalării şi funcţionării:

- juguri din stejar masiv fiert in ulei;- limbi de bronz cu siguranţă de cea mai înaltă calitate;- sisteme de acţionare şi automatizare a funcţionării (motoare trifazice, motoare

monofazice, motoare liniare);- sisteme de programare a funcţionării.Cu ajutorul automatizării clopotele pot să sune individual sau în diferite

combinaţii muzicale la data şi la ora dorita (programată). De asemenea se poate programa şi iluminatul interior si exterior al bisericii, cât şi încălzirea centrală; sute de variante de ceasuri de turn, carilioane, toate putând fi acţionate inclusiv de pe telefonul mobil, legate prin satelit la un ceas atomic de lângă Frankfurt, avand abatere de o secundă la 1 milion de ani, programul resetandu-se la fiecare 24 ore.

În cei opt ani de funcţionare de la înfiinţare turnătoria din Baia Mare a turnat un număr foarte mare de clopote cu diverse dimensiuni, pentru peste 800 de beneficiari. Cel mai mare clopot turnat până în prezent au avut masa de 2033 kg şi a fost instalat la arhiepiscopia Târgoviştei (figura 6.4.9.). O altă realizare frumoasă a turnătoriei din baia Mare este clopotul instalat la Administraţia Prezidenţială a României de la Cotroceni, Bucureşti (1045 kg); De asemenea dintre realizări se remarcă: - celelalte patru clopote de la Arhiepiscopia de la Târgovişte; - trei clopote şi un carilon cu 14 clopote pentru primăria oraşului Topoloveni; - 8 clopote pentru mănăstirea Sfântul Mina din Roşiori, Suceava (cel mai mare 1500 kg), etc.

Figura 6.4.10. Clopotul turnat pentru biserica Palatului Cotroceni (1045 kg) [24]

Figura 6.4.11. Aspectul clopotului în timpul dezbaterii formei[24]

Figura 6.4.12. Finisarea aspectului exterior [24]

Figura 6.4.13. Prelucrarea suprafeţei interioare [24]

Figura 6.4.14. Verificarea acordajului clopotelor pentru un carilon [24]

Figura 6.4.15. Fixarea şi acţionarea unui clopot mic [24]

Figura 6.4.16. Participanţii la întâlnirea Asociaţiei Turnătorilor de Clopote în vizită la Turnătoria Blotor [24]

În prezent Turnătoria Blotor este recunoscută pe plan internaţional, fiind singura turnătorie din România înscrisă şi recunoscută de Asociaţia Turnătorilor de Clopote din Europa şi Rusia. Ca urmare a acestei recunoaşteri în septembrie 2008 iar administratorul ei dl. Blotor Gabriel Radu a fost ales pentru un an de zile (2008 – 2009) preşedintele acestei asociaţii. În septembrie 2009, la Baia mare a avut loc a XXXI – întâlnire a celor mai cunoscuţi turnători de clopote din Europa şi Rusia organizată de asociaţie [24]. În figura 16 este prezentat un aspect din timpul vizitei pe care participanţii la întâlnire au vizitat turnătoria de clopote din Baia Mare.

Bibliografie[1] Ene V., Incursiuni în istoria ştiinţelor tehnice, Editura Lux Libris, Braşov, 1999, ISBN 973-9458-07-6.[2] www.grassmayr.at/[3] www.clopote.ro[4] www.myanmars.net/myanmar+museum/largest+ringing+bell.htm.[5] www.calauzaortodoxa.ro , Clopotele şi semnificaţia lor, 25 noembrie 2009[6] en.wikipedia.org/wiki/List?of?heaviest?bells[7] www.gcna.org/data/APGreatBells.[8] www.shwedagon.org./history.[9] en.wikipedia.org/wiki/Shwedagon_Pagoda.[10] www.russianbells.com/[11] Petricenko A. M., King o litie izdatelstvo Tehnica, Kiev, 1972[12] www.clopoteblotor.ro[13] www.turbonef.ro[14] www.ziarullumina.ro/articole[15] Ene V., Arheologie Industrială pe teritoriul „cetăţii” Braşovului medieval, Editura Universitatii "Transilvania" din Brasov, 2008, ISBN 978-973-6[17] Puşcariu S., Braşovul de altă dată, Editura Dacia , Cluj – Napoca, 1977[18] Puşcariu S., Braşovul de altă dată, Editura Şchei, Braşov, 2001 ISBN 973-9861..[19] ▪▪▪ Ghid prin biserica Neagră din Braşov. [20] Nussbacher G. – Caietele Corona – Contribuţii la istoria Braşovului, Caietul 4, Editura aldus, Braşov, 2005, ISBN 973-7822-13-7[21] Ene Viorel ş.a. – The Bells – significant technical arte-facts amog the historical monuments of Braşov, Buletinul Ştiinţific “Tehnologii şi Utilaje pentru turnarea metalelor – Deformări Plastice”, vol 1, Conferinţa Internaţională de Ştiinţa Materialelor – BRAMAT – 2001 , Editura Universităţii Transilvania din Braşov, Braşov, 2001, ISBN 973-8124-15-8/ 973-8124-16-6[22] Benga D., Pe dealul patriarhiei vor răsuna clopote noi, ziarul Lumina de duminică, 7 sept 2008, Romania, www.ziarullumina.ro/[23] www.turbonef.ro[24] www.clopoteblotor.ro[25] www.rancon.ro

Anexa 1. Conductivitatea termică a unor metale şi aliaje la diverse temperaturi

Materialul [W/mk]0C 20C 100C 200

C300C 400C 600C

Argint pur 422,6 418 415,6 409,8 404 399,4 399,4Cupru pur 398,3 - 384,3 379,6 373,8 365,7 356,4

Aluminiu tehnic 202 203,2 205,5 228,7 271,7 318,1 422,6Zinc pur 116,7 - 106,8 102,2 98,1 92,9 -Nr tehnic 58,7 - 58,4 57,1 56,8 55,5 53,6

Plumb pur 34,6 - 34,2 32,8 34,8 - -Alamă (70% Cu,

30% Zn)105,7 - 109,1 110,3 113,8 116,1 120,7

Monel (70% Cu, 67% Nr, 2% Fe)

- 22,1 - - - - -

Bronz Al (95% Cu, 5% Al)

- 82,4 - - - - -

Duraluminiu (94,5% Al, 4% Cu, 35% Mg)

- 159 - - - - -

Zirconiu pur - 22,1 20,4 19,6 18,7 - -Zircaloy-2 - 14,6 14,1 13,9 14 - -

BIBLIOGRAFIE1. Hatarascu, O., Drumul fierului, Editura Albatros, 1985.2. Drimer,D., Ionescu,S., Aventura metalelor, Editura Albatros, 1985.3. Popescu,V.I., Dimitriu,S., Popescu,C., Istoria Metalurgiei in Romania, Editura BREN, 2000.4. Chira,I., Sofronie,L., Brabie,V., Procedee speciale de turnare, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1980.5. Sofroni, L., Chira, I., Surdulescu, M., Turnarea prin cadere libera in forme metalice, Editura Tehnica, 1983.6. Oprea, Fl., Taloi, D., Constantin, I., Roman, R., Teoria Proceselor Metalurgice, Editura Didactcă și Pedagogică, București, 1978.7. Saimac, A., Roșu, E., Gostin, C., Utilizarea energiei electrice în metalurgie, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1980.