„REVISTA DE TURNĂTORIE” Nr. 9-10/2011 - RECENZIE CARTE

„Turnarea centrifugă a aliajelor neferoase”

„Centrifugal casting of non ferrous alloys”

Autor: dr. ing. Florin Diaconescu – Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor – Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iași.

Referenți științifici: Prof.dr. ing. Gelu Barbu și Prof.dr. ing. Ioan Carcea - Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iași. 

Autor prolific de cărți din specialitatea Turnătorie, dr. ing. Florin Diaconescu ne propune o lucrare semnificativă din categoria procedeelor speciale de turnare: „Turnarea centrifugă a aliajelor neferoase”.  Lucrarea cuprinde nouă capitole astfel: Cap.1. Generalități privind turnarea centrifugă (pag. 9-14);

Cap.2. Hidraulica proceselor de turnare centrifugă (pag. 15-36);

Cap. 3. Solidificarea pieselor turnate centrifugal (pag.37-88);

Cap.4. Factorii tehnologici de turnare centrifugă și influența lor asupra calității pieselor turnate centrifugal din aliaje neferoase (pag.89-116);

Cap. 5. Elementele tehnologiei de turnare centrifugă a aliajelor neferoase

(pag.117-156);

Cap.6. Forme permanente pentru turnarea centrifugă (pag.157-184);

Cap.7.Mașini de turnare centrifugă a aliajelor neferoase (pag.185-223);

Cap.8. Turnarea centrifugă a diferitelor aliaje neferoase (pag. 224-369);                                             Cap.9. Defectele pieselor turnate centrifugal (pag.370-392).

Ideea utilizării forței centrifuge, pentru obținerea de piese turnate de formă cilindrică, a apărut încă de la începutul sec. XIX-lea însă ea a putut fi pusă în practică odată cu apariția și dezvoltarea motorului electric. Primele piese turnate centrifugal au fost tuburile pentru alimentările cu apă. Apoi prin dezvoltarea tehnologiei de turnare a acestora s-a trecut la turnarea bucșelor, cămășilor de cilindrii, bucșe pentru segmenți, roți dințate, obuze și țevi de tun, valțuri pentru mori, cilindrii pentru fabricile de hârtie, cilindrii de laminor etc. Caracteristicile fizico mecanice superioare ale pieselor turnate centrifugal au contribuit decisiv la extinderea procedeului, într-o gamă diversă de piese din aliaje feroase și neferoase. În unele cazuri s-a ajuns la înlocuirea procedeului de forjare, cu cel de turnare centrifugă, din rațiuni legate de prețul de cost și de productivitate. Turnarea centrifugă ușurează posibilitatea utilizării unor aliaje cu fluiditate redusă, sau cu un coeficient de contracție mare.  De asemenea permite turnarea succesivă a două metale sau aliaje, prin realizarea unei bune legături între cele două straturi metalice, datorită forței centrifuge. Astfel turnarea centrifugă rezolvă în multe cazuri printr-o tehnologie mai ieftină, superioară turnării clasice, forjării și matrițării.  Lucrarea prezintă în amănunt procesele hidraulice care survin în acest procedeu de turnare: geometria suprafeței libere a aliajului turnat, mișcarea aliajului lichid în formele rotite, presiunea aliajului lichid asupra pereților formei, separarea incluziunilor, cinetica solidificării pieselor, cu accent pe zona bifazică (solid-lichid). Un alt factor dezvoltat într-un capitol al lucrării  este tehnologia de turnare. Aceasta presupune: stabilirea formei și dimensiunilor piesei brut turnate centrifugal (poziția axei de rotație, clasa de precizie, adaosurile de prelucrare), turația formei, temperatura de turnare, temperatura formei, protecția termică a formei, dozarea metalului turnat în formă, viteza și debitul de turnare, caracteristicile jgheabului de turnare, etc. În capitolul destinat formelor permanente pentru turnarea centrifugă ne sunt prezentate: elementele constructive, proiectarea formelor, sistemele de prindere a formelor pe arborele mașinii, sisteme de alimentare cu aliaj lichid, elemente de răcire a formelor. Aceste elemente sunt prezentate în amănunt, atât pentru mașinile cu ax orizontal, cât și cele cu ax vertical de rotație. Un capitol important se referă la mașinile (instalațiile) de turnare centrifugă a aliajelor neferoase. Sunt descrise în amănunt mașinile de turnare centrifugă cu ax vertical de rotație cu turație: constantă, turație variabilă și variabilă în trepte, precum și cele pentru obținerea pieselor fasonate, în forme din amestec de formare. Mașinile cu ax orizontal de rotație sunt de asemenea prezentate în funcție de utilizare:  pentru obținerea bucșelor, pentru obținerea semifabricatelor cilindrice de dimensiuni mari, cu jgheab deplasabil, pentru bucșe bimetalice, cu topirea metalului prin topirea aliajului antifricțiune, cu ajutorul arcului electric sau prin inducție. Turnarea centrifugă a bronzurilor  este detaliată pentru: aliaje binare de tip Cu-Sn sau Cu-Pb, bronzuri Cu-Sn-Pb cu specificarea influenței  unor parametrii de turnare (turație, temperatura de încălzire a cochilei etc.) asupra omogenității chimice și structurii macro și micro a pieselor turnate. Autorul prezintă aceleași elemente tehnologice și în cazul bronzurilor cu aluminiu și diferitelor aliaje de alamă. Lucrarea se încheie cu descrierea defectelor pieselor turnate centrifugal. Utilizând peste 160 de referințe bibliografice, autorul realizează în peste 400 de pagini, una dintre cele mai complete lucrări apărute la noi despre turnarea centrifugă, adresându-se specialiștilor și studenților din domeniul turnării aliajelor feroase și neferoase.

Editura Tehnopress, Iași- 2011; ISBN 978-973-702-797-9

Ing. Duță Vasile

VECHI TEHNOLOGII METALURGICE (I)

„REVISTA DE TURNĂTORIE” nr. 3-4 din 2011:

VECHI TEHNOLOGII METALURGICE: Transformarea bronzului de clopote în bronz pentru turnarea tunurilor.

ANCIENT TECHNOLOGIES OF THE  METALS: Transforming bronze cast bells in bronze for cast cannons.

Ing.Duţă Vasile

Abstract:   

In this paper we present a  technology of transformation for the bronze cast bells in bronze cast cannons used in the eighteenth century. The process described by Gaspard Monge in 1793 is based on the high tin affinity of oxygen, in the report with the copper content. It was intended to decrease  Sn content in bronze wastes from 25% to max. 9- 10%. This is necessary for the high mechanical properties of the  bronze casting  cannons.

Keywords: affinity for oxygen,  bronze cast bells, bronze cast cannons.

Rezumat

În această lucrare se prezintă o tehnologie de transformare a bronzului din clopote turnate, în bronz pentru fabricarea prin turnare a tunurilor, utilizată în secolul XVIII-lea. Procedeul descris de Gaspard Monge în 1793 se bazează pe afinitatea ridicată a staniului față de oxigen, în raport de conținutul de cupru. S-a avut în vedere scăderea conținutului de Sn din deșeurile de bronz  de la 25%, la max. 9…10%, conținut care corespunde unor proprietăți mecanice ridicate, necesare bronzului pentru turnarea tunurilor.

Cuvinte cheie: afinitate față de oxigen, bronz pentru clopote turnate, bronz pentru turnarea tunurilor.

Introducere 

În timpul revoluţiei franceze din 1789, noile autorități revoluționare au luat multiple măsuri pentru a apăra ţara de atacurile coaliţiei statelor, în frunte cu Anglia, care intenţionau să înlăture regimul republican. În acest sens Comitetul de Salvare Publică organul conducător executiv  al acestei ţări a luat unele măsuri de dezvoltare a producţiei de armament, în special tunuri, confecţionate  din fontă, oţel şi bronz prin procedeele de turnare şi forjare. În acest sens au fost înfiinţate comisii formate din cei mai buni savanţi de care dispunea Franţa în acel moment, savanţi care au trecut de partea revoluţiei. Marele savant  Lavoisier făcând parte din nobilime a fost executat. Din comisia de supraveghere a fabricării  tunurilor au făcut parte cetăţenii: Hassenfrantz, Monge şi Perrier. „În 18 Pluviôse, anul doi al Republicii (6 februarie 1793)  Comitetul de Salvare Publică a hotărât: 

1. Descrierea tuturor procedeelor utilizate în fabricarea tunurilor, descriere însoţită de gravuri care reprezintă planurile şi detaliile tuturor părţilor  de fabricaţie.  
2. Gaspard Monge va fi însărcinat cu această descriere. 
3. Cheltuielile pentru această activitate ocazională, vor fi plătite din sumele puse la dispoziţia comisiei de arme şi pulberi.” [1]                                                                                                                  

Gaspard Monge (1746 -1818) a fost un matematician francez a cărui operă  considerabilă a cuprins: geometria descriptivă, analiza infinitezimală şi geometria analitică. A fost membru al Academiei de Științe a Franței și al Institutului Franței. El este considerat părintele geometriei descriptive. Monge a fost un republican convins, participant activ la Revoluția franceză din 1789, membru al Clubului Iacobinilor, a îndeplinit la un moment dat  funcția de ministru al marinei.                                                                                                                                 În această prezentare, ne vom opri asupra a două probleme referitoare la fabricația tunurilor abordate de Gaspard Monge:                                              

• aliajul cupru staniu, necesar realizării bronzului pentru tunuri;                                                                     
• metoda de separare a cuprului din aliajul de clopote.                                                                                                             

Iată cum descria Gaspard Monge necesitatea realizării prin turnare a tunurilor de bronz: „Am văzut că fierul forjat este din toate metalele cel mai propice pentru confecţionarea gurilor de foc, însă sunt dificultăţi de execuţie care au împiedicat această utilizare, că am fost forţaţi să recurgem la fierul turnat, mai puţin în serviciul marinei. Puţina tenacitate  a acestui metal turnat cere ca să se dea pieselor grosimi şi greutăţi considerabile, în serviciul terestru, transportarea lor devine adesea imposibilă, întotdeauna foarte dificilă; în lipsa fierului forjat, a trebuit utilizat cuprul a cărei tenacitate este mult mai mare decât a fierului turnat. Însă pentru că în stare pură cuprul este moale, el nu poate rezista mult timp la compresiunea  bilelor care sapă inima piesei şi o deformează prompt, există obligaţia de aliere cu staniu, care îi dă duritate. Această operaţie îl face mai casant şi duce la pierderea tenacităţii, dar într-o anumită proporţie de staniu, există un punct care trebuie  să fie atins şi nu trebuie depăşită, o anumită  cantitate,  iar experienţa a dus la compoziţia cea mai avantajoasă, care este formată din zece părţi de cupru şi o parte de staniu. Acest aliaj se numeşte bronz. Staniul fiind mai fuzibil decât cuprul, având proprietatea de a se oxida mai uşor, este clar că dacă se pun cele două metale simultan în cuptorul cu reverber, staniul se topeşte mult timp înainte de cupru, se oxidează  o parte şi se volatilizează altă parte, înainte de topirea cuprului, rezultând pierderi de metal, iar bronzul nu va fi la marca respectivă. Pentru a face un aliaj cupru staniu se introduce cupru în cuptorul cu reverber, se aşteaptă să fie în plină topire şi apoi se aruncă staniul; acest metal fiind mai uşor decât cuprul, va pluti dacă nu se are în vedere să fie bine amestecat. Pentru aceasta se agită baia cu o prăjină de lemn verde,  care până la aprindere  produce o agitare care conduce la amestecul celor două metale.  Se plimbă prăjina în toată masa de metal, pentru ca amestecul să se producă uniform în toată masa de topitură. Acesta face să se obţină o bună gură de foc după turnare.” Turnătoriile de bronz sunt însoţite de cuptoare unde se tratează separat cele două metale care intră în compoziţia aliajului.  Imensa cantitate de metal de clopote care este la dispoziţia Republicii poate fi considerată ca o mină  bogată în bronz, abundenţă, care prezintă resurse superioare acelor de care dispun duşmanii reuniţi.                                                                                                                                                                      

Metoda separării cuprului din aliajul de clopote                                                           

Calitatea principală care se cere aliajului din care se toarnă clopotele este de a fi sonor; pentru aceasta este necesar să aibă o mare rigiditate. Această calitate se poate obține  printr-un aliaj de cupru cu aproximativ 25% staniu. În cazul  realizării tunurilor prin turnare, acest aliaj este foarte fragil,  pentru că  trebuie să aibă o anumită  tenacitate pentru a rezista exploziei pulberii,. În acest caz acest aliaj nu se poate utiliza la confecționarea pieselor de artilerie.  În figura 1 sunt evidențiate proprietățile mecanice superioare ale bronzului pentru turnarea gurilor de foc, față de bronzul pentru turnarea clopotelor.

Autorul  prezintă două variante tehnologice de valorificare a deșeurilor de clopote (fig.2) pentru obținerea bronzului utilizat la turnarea tunurilor:

„Va trebui să adăugăm cupru pur, sau să extragem staniul, de o manieră încât să rămână în compoziție o cantitate de staniu  nu  mai mult de a zecea parte din cea de cupru.”

În prima variantă, din cele două, pentru a fabrica aliajul pentru  tunuri, din metalul de clopote, se adaugă un pic mai mult decât greutatea cuprului din aliaj.  Este o metodă a diluării conţinutului de staniu printr-un exces de cupru. „Acest procedeu dă naștere la un enorm consum de cupru, însă nu atrage de la metalul clopotelor părțile mai avantajoase, acest metal nu poate fi privit ca o mină abundentă de cupru și nu va putea deveni în întregime utilă apărării Republicii când va avea staniul separat, însă va aduce înapoi cuprul care intră în compoziția sa la o stare de puritate care va permite să se utilizeze la întrebuințări variate.” Topirea metalului de clopote se face într-un cuptor cu reverber, însă dacă se ţine în baie un timp suficient, expus acţiunii aerului, staniul care se găseşte în aliaj se disipă încet, în parte se volatilizează, în parte se oxidează, în sfârşit cuprul rămâne singur pe fundul băii cuptorului; însă din cauza marii cantităţi de staniu conţinută în metalul de clopote, acest procedeu devine costisitor; pe de altă parte necesită o pierdere de timp care trebuie evitată. Pentru aceasta, se începe prin a pune metalul de clopote într-un cuptor cu reverber cu vatră plată, atunci când metalul devine roşu şi începe să se înmoaie, se separă cu o rangă de fier numită ringard [2], se întinde pe toată suprafaţa vetrei, se mişcă în continuare, pentru a prezenta un mare număr de suprafeţe la aer, pentru că el se oxidează cu uşurinţă. Dacă câteva părţi se topesc, se agită cu ranga, se separă, ca să ia oxigenul din atmosfera cuptorului,  ele pierd puţin cu puţin din lichiditatea lor; se continuă aceste operaţii până când tot metalul va fi transformat într-o materie brună, aproape în stare pulverulentă, însă care este un amestec de oxid de staniu, oxid de cupru şi de cupru neoxidat. Această ultimă parte de metal este încă fuzibilă; ea poate să se topească la temperatura existentă în cuptor, dar fiind  divizată în mici particule, acestea, separate unele de altele, prin porţiuni oxidate, nu se vor reuni, se adună în baie. Această porţie de metal a suferit un înalt grad de afinare, pentru că staniul are o afinitate mai mare pentru oxigen decât cuprul, este printre primele metale care se oxidează, rămâne cu atât mai puţin o parte care nu a suferit oxidare. După această operaţie, se pune metalul de clopote într-un alt cuptor cu reverber cu vatră plată, se face topirea, însă se acoperă baia pe toată suprafaţa, protejând-o cu jumătate din greutatea de oxid obţinut prin operaţia precedentă; apoi se amestecă puternic şi rapid în toată masa, până când metalul în baie va fi în contact într-un mare număr de puncte cu materialul adăugat care îl acoperă. Părţile de cupru neoxidat care se găsesc în masa protejată intră în fuziune, agitarea duce la atingerea de către acestea a suprafeţei băii; ele se reunesc aici; însă, pentru că ele au abandonat deja o parte din staniul cu care erau aliate,  măresc proporţia de cupru care se găseşte în masa topiturii. Ceea ce contribuie mai mult la afinarea acestui volum de metal este proporţia de cupru oxidat care abandonează oxigenul pentru a-l transmite părţilor de staniu; aceasta produce două efecte: rămânerea în masa de metal a cuprului pur fără staniu şi de retragerea din baie a unei părţi din staniul care alterează conţinutul aliajului dorit. În această operaţie, este importantă realizarea unei temperaturi ridicate, astfel ca baia să fie foarte fluidă, că să piardă cât mai puţin posibil cupru prin oxidare. Dacă în  operaţia de separare, se are în vedere obţinerea cuprului pur, se continuă afinarea prin procedeele cunoscute şi descrise; însă, dacă se are ca obiectiv bronzul pentru gurile de foc, de îndată ce metalul este afinat puţin dincolo de ceea ce convine acestui obiect, se poate turna în saumons. [3] ( cochilă în formă de prismă)                                                                           Se adună diferite lingouri  de acelaşi titlu (proporție de staniu). Se face încercarea fiecărei clase şi se reglează cantitatea de metal de clopote pe care trebuie să o adăugăm pe chintal, pentru a realiza aici proporţia de staniu pe care trebuie să-o conţină aliajul pentru fabricarea tunurilor. Pentru conducerea acestei operaţii cu multă economie,  trebuie nu mai puţin de două cuptoare cu reverber destinate, unul pentru oxidarea metalului de clopote , altul pentru rafinare construite la distanţă apropiată, unul lângă altul, încălzite în acelaşi timp, ca pe măsură ce oxidul s-a format în primul, trebuie adus în celălalt, fără să se răcească. Pe suprafaţa băii  care este protejată pentru păstrarea lichidităţii, lipirea se face mai bine, operaţia de afinare este mult mai rapidă şi mai economică. Se are în vedere în dozare că este aproape imposibil ca tot cuprul , atât cel oxidat şi neoxidat, care se găseşte în oxidul care ecranează  metalul de clopote în fuziune, poate fi purtat să atingă suprafaţa băii şi de a se reuni în masă. Rămâne întotdeauna o cantitate notabilă, amestecată cu zguri şi deci se poate de asemenea scoate un folos, fie făcând să condenseze într-un mic cuptor cu reverber, fie prin spălare după ce au fost pisate, mărunțite. Cu privire la ceea ce rămâne după una sau alta din aceste operaţii, este un amestec de oxid de cupru, de zinc şi în principal de staniu, se poate trece într-un cuptor gen cubilou cu câteva materiale zgurificabile. Astfel carbonul din cuptor înlătură oxigenul, însă rămâne pe fundul creuzetului un aliaj casant, din diferite metale albe, care poate fi destinat confecţionării unui mare număr de obiecte, care nu cer proprietăți de elasticitate.

Considerații științifice                                                                                                                                            

Elementele grupelor 1…10 ale sistemului periodic, elementele din perioadele mari, grupele 13,14,15, lantanidele şi actinoidele sunt metale.  Metalele sunt alcătuite din atomi care conţin un număr mic de electroni pe ultimul strat electronic. Datorită acestei structuri atomii metalelor au energie de ionizare mică şi afinitate pentru electroni mică, adică atomii metalelor se caracterizează prin valori mici ale electronegativităţii relative. Comportarea chimică a atomilor de metal se caracterizează prin tendinţa de a ceda electroni (de a se oxida) şi de a se transforma în cationi metalici, manifestând caracter reducător: [4] Capacitatea atomilor metalici de a se transforma în ioni este diferită şi se exprimă prin valoarea potenţialului standard de oxidare, E_ox⁰ . În tabele este de obicei prezentat potenţialul standard de reducere a metalelor care este egal şi de semn contrar cu potenţialul standard de oxidare. După valoarea potenţialului standard metalele se pot clasifica în metale comune şi în metale nobile:

Li,K, Ba,	...,Fe, Ni, Sn, Pb...	H	Cu, Ag, Sb, Hg,	…..Pt, Au
metale comune (active)			metale nobile (pasive)
E0, redM	< 0	0	> 0

În cazul prezentat, tehnologia din secolul al XVIII-lea se bazează pe capacitatea  mai ridicată de oxidare a staniului față de cupru. În acest fel se realizează cele trei deziderate urmărite de tehnologie:                                                   

• scăderea conținutului de staniu din bronzul de clopote de la aproximativ 25% la 9-10%                                                                                                                                                                   cât este necesar pentru bronzul utilizat la turnarea gurilor de foc prin oxidarea intensă a staniului;                                                                     
• reducerea oxizilor de cupru formați la retopirea bronzului de clopote;  
• recuperarea reziduurilor de cupru, zinc și mai ales de staniu, aflate sub formă de oxizi, prin reducerea lor cu carbonul într-un cuptor separat.                                                                 Rezultă un aliaj fără proprietăți mecanice deosebite, necesar pentru unele obiecte casnice. (căni, farfurii, castroane etc.)

     Bibliografie:                                                                                                                                                                    

1. Monge Gaspard- „Description de l'art de fabriquer des canons”- Paris – An 2 de la République Française  -http:///www.bnf.fr.; 
2. Landrin M.-„Dictionnaire de minéralogie,de géologie et de métallurgie”, pag.423 – Paris,1856,–http:// www.bnf.fr.; 
3. Ibid. pag.431;                                                                                                                                                         
4. „Chimie generală”- http://chimiegenerala.3x.ro/Capitolul2/Curs/c2_7.htm;                                                                                                                                                                              
5. Suciu Valeria, Suciu Marcel Valeriu -„Studiul materialelor” Pag.173 – Editura „Fair Partners”,2008;                                                   
6. „Clopote - Istorie şi contemporanitate", Pag. 297- Editura „Nauka"- Мосova,1985.