1. CURS 8 CURS DE MATERIALE - I BODEA MARIUS Diagrama Fe-Fe3C
UNIVERSITATEA TEHNICĂ
DIN CLUJ NAPOCA
FACULTATEA DE INGINERIA
MATERIALELOR SI A MEDIULUI
BODEA MARIUS
CURS DE MATERIALE - I
CURS 8
Diagrama Fe-Fe3C
Fonte. Clasificare.

2. CLASIFICAREA FONTELOR
Fonte cenusii
Fonte albe
In functie de masa metalica de baza:
continutul de carbon in exces este sub forma de cementita
foarte dure si fragile – utilizare limitata
dupa sistemul Fe-Fe3C
carbonul se separa sub forma de cementita
perlito-cementitica (fonte pestriţe)
perlitica
perlito-feritica (descomp. partiala)
feritica (grafitizare totala)
Proprietatile fontelor cenusii depind de:
forma-marimea incluziunilor de grafit
propr. masei metalice de baza
Prin maleabilizare  fonta maleabila
Grafitul se obtine nu direct din topitura (Fe-C) ci in urma descompunerii cementitei: Fe3C->3Fe+Cgrafit
Fontele se clasifică în:
Fonte albe la care întreaga cantitate de carbon este legată chimic în cementită;
Fonte cenuşii la care total sau parţial carbonul este liber sau sub formă de grafit, iar restul sub formă de cementită.

3. Fontele sunt aliaje ale fierului cu carbonul care conţin de la 2,11% până la 6,67% C şi elemente însoţitoare permanente (Si, Mn, S, P) în limite reduse. În aliajele sale cu fierul, carbonul se poate găsi dizolvat în soluţie solidă (ferită, austenită), legat chimic în cementită (Fe3C) sau în stare liberă sub formă de grafit.

4. Fonta cenuşie cu grafit lamelar
Obţinerea fontei cenuşii este favorizată de concentraţia ridicată de C şi Si, în condiţiile unei răciri lente. Deasemenea, prezenţa unor elemente de aliere poate influenţa structura fontelor cenuşii. Un conţinut ridicat de Ni, stabilizează faza , structura finală a fontei putând fi o matrice metalică austenitică cu lamele de grafit.
Fonte de turnătorie: sunt aliaje Fe – C conţinând peste 2% C, destinate pieselor turnate în a căror structură apare grafitul.
Cantitatea de grafit este determinată prin raportul Si (grafitizant)/Mn (antigrafitizant)
Si (+ continut mare de carbon) – favorizează structurile de tip ferită + grafit
Mn – favorizează formarea cementitei (inclusiv din perlită) în dauna grafitului

5. Fonta cenusie cu grafit lamelar
Blocuri motor
Batiuri masini unelte
Carcase, etc.
Lamelele de grafit din structura fontelor cenuşii:
au o densitate redusă, ceea ce determină un fenomen de expansiune volumică la solidificare (proiectarea formelor la turnare), ceea ce determină o calitate superioară a suprafeţelor pieselor turnate.
îmbunătăţeşte caracteristicile de prelucrarabilitate a pieselor turnate din fontă cenuşie,
acţionează ca şi lubrifiant în procesele de prelucrare prin aşchiere,
acţionează ca şi concentratori de tensiune, ceea ce determină o tenacitate redusă în aplicaţiile unde această proprietate este esenţială,
lamelele de grafit sunt interconectate, ceea ce permite propagarea fisurilor uşor în direcţia lamelelor de grafit

6. Fonta cenusie cu grafit lamelar Masa de baza perlitica - proba atacata
Fontele cenușii cu grafit lamelar se simbolizează prin gruparea de litere EN-GJL urmată de rezistența minimă garantată sau duritatea Brinell maximă admisă (de exemplu: EN-GJL-150 sau EN-GJL-HB 175). Proprietățile fontelor sunt influențate de grosimea de perete a piesei care se toarnă. Rezistența la tracțiune și duritatea Brinell scad cu creșterea grosimii de perete.

8. Se aplica fontelor albe in stare solida
Maleabilizarea fontelor
Se aplica fontelor albe in stare solida
Fonta maleabila neagra
(masa feritica)
Temperatura (ºC)
1000 (ºC)
950 (ºC) A1
Fonta alba
Fonta maleabila alba
(masa perlitica)
Timp (ore)
Durata lunga: h
Fonte de turnătorie: sunt aliaje Fe – C conţinând peste 2% C, destinate pieselor turnate, în a căror structură apare grafitul.
Cementita din fonta albă se descompune în ferită+grafit
Forma convenabilă a grafitului (grafit în cuiburi) spre deosebire de fontele cenusii (grafit lamelar)

9. Fonta maleabila perlitica cu grafit in cuiburi

10. În urma tratamentului termic de maleabilizare aplicat fontei albe dacă:
grafitul se separă pe un fond de ferită, fonta se numeşte cu inimă neagră (n),
grafitul se separă pe un fond de perlită fonta se numeşte perlitică (p) sau (a) cu inimă albă.
Simbolizarea alfanumerică a fontelor maleabile cu inimă albă cuprinde grupul de litere EN-GJMW urmat de rezistența la tracțiune minimă, Rm, în N/mm2 și alungirea la rupere A în %.
Exemplu: EN-GJMW-350-4

11. Se aplica fontelor cenusii in stare lichida
Modificarea fontelor
Se aplica fontelor cenusii in stare lichida
Prin inocularea unor modificatori (Ca, Ba, Mg, Ce, Al) in fonta cenusie aflata in stare lichida
Grafit lamelar
Fonte modificate
Grafit vermicular
Grafit nodular

12. Fonta modificata (Mg) cu grafit nodular
Modificare dubla: modificare cu Mg (influenteaza negativ cresterea grafitului)+postmodificare cu rol grafitizant (Ba, Bi sau Ca)

13. Simbolizarea alfanumerică a fontelor modificate cu grafit nodular este alcătuită din grupul de litere ENGJS – rezistența la tracțiune minimă Rm, în N/mm2 – alungirea la rupere A, în %.
Dacă se garantează energia de rupere prin șoc mecanic KV, atunci se adaugă grupul de litere:
LT – la temperatura scăzută
RT – la temperatura ambiantă;
Exemplu: EN-GJS LT

14. Fontă modificată cu grafit nodular şi masa metalică feritică
Sferoidizarea grafitului la modificare poate fi împiedicată de prezenţa unor impurităţi cum ar fi: As, Sn, Al, Ti, Pb, Bi, ceea ce impune limitarea concentraţiilor acestor acestor componente la niveluri foarte scăzute.

15. By adding an appropriate amount of vanadium to cast iron, the iron obtained excellent high temperature strength and thermal fatigue life characteristics. Replacing niresist cast iron, vanadium-added heat-resistant cast iron reduced the costs of the exhaust manifold.
This iron has durability at least 1.8 times better than exhaust manifolds that use conventional cast iron. It replaced expensive niresist cast iron, reducing manufacturing costs by at least 55%.
Development of Vanadium-added Heat Resistant Cast Iron for Exhaust Manifold

17. Crankshafts are another potentially significant application for Austempered Ductile Iron (ADI). Engines being developed by the automotive industry require weight reduction in parts that will be required to handle increased power. In another documented crankshaft study conducted at the Manchester (England) Materials Science Center, the authors demonstrated the performance capability of ADI crankshafts in one cylinder commercial and four cylinder automotive engines. They noted a 10% rotating weight reduction and an estimated 30% cost savings.

18. Austempered ductile iron is produced by heat-treating cast ductile iron to which small amounts of nickel, molybdenum, or copper have been added to improve hardenability.
Ductile Iron = Fontă cu grafit nodular (fonte modificate)

20. This material is produced by applying an austempering heat treatment to a suitably alloyed ductile iron. This produces a matrix microstructure of fine acicular ferrite and austenite, called ausferrite
ADI microstructure - graphite spheroids in a matrix of ausferrite
(a mixture of acicular ferrite and austenite).
ADI is sometimes referred to as "bainitic Ductile Iron", but correctly heat treated ADI contains little or no bainite.
Bainite consists of a matrix of acicular (plate-like) ferrite and carbide. ADI’s ausferrite matrix is a mix of acicular ferrite and carbon stabilized austenite. This ausferrite may resemble bainite metallographically, however it is not because it contains few or none of the fine carbides characteristic in bainite. The austenite in ADI has been stabilized with carbon during heat treatment and will not transform to brittle martensite even at sub-zero temperatures.

21. Initial austenitizing times and temperatures are controlled to ensure formation of fine grain austenite and uniform carbon content in the matrix.
Quench time must be controlled within a few seconds, to avoid the formation of pearlite around the carbon nodules, which would reduce mechanical properties.
ADI microstructure - graphite spheroids in a matrix of ausferrite
(a mixture of acicular ferrite and austenite).

22. Austempering involves the nucleation and growth of acicular ferrite within austenite, where carbon is rejected into the austenite. The resulting microstructure of acicular ferrite in carbon-enriched austenite is called ausferrite.
1. Heat castings in a molten salt bath to austenitizing temperature. 2. Hold at austenitizing temperature to dissolve carbon in austenite. 3. Quench quickly to avoid pearlite. 4. Hold at austempering temperature in molten salt bath for isothermal transformation to ausferrite.

24. Ductile Iron has commercially replaced as cast and forged steels in the lower strength region, now ADI is finding applications in the higher strength regions. As shown in Figure the yield strength of ADI is over three times that of the best cast or forged aluminum. In addition ADI weighs only 2.4 times more than aluminum and is 2.3 times stiffer. ADI is also 10% less dense than steel.

25. For a typical component, ADI costs 20% less per unit weight than steel and half that of aluminum.