În această secțiune, este discutată fabricarea materiilor prime pentru procesele de formare și preformare. Materiile prime pentru procesele de formare a metalelor sunt produse prin turnarea metalelor. Atunci când în cuptorul de topire se obține compoziția chimică corectă a aliajului vizat, are loc procesul de turnare. Turnarea continuă pentru oțeluri și turnarea lingourilor pentru alte aliaje sunt cea mai comună metodă de producere a materiei prime pentru procesele de formare a metalelor. Deși calea de fabricație de la topitură la forma finită este directă, aceasta implică mari dificultăți. Acest lucru se datorează necesității controlului simultan al unui număr de etape de prelucrare, inclusiv topirea, alierea, formarea, turnarea, solidificarea, finisarea și așa mai departe. Fiecare dintre acești pași de producție trebuie efectuat corect pentru a evita eșecul în acceptarea produsului final. După producerea materiilor prime prin turnare, aceasta necesită omogenizare într-un tratament la temperatură ridicată.
In this section, manufacturing of raw materials for forming and preforming processes is discussed. The raw materials for metal-forming processes are produced by metal casting. When the correct chemical composition of targeted alloy is obtained in the melting furnace, the casting process takes place. Continuous casting for steels and ingot casting for other alloys are the most common method for producing raw material for metal-forming processes. Although the manufacturing path from the melt to the finished shape is direct route, it involves great difficulties. This is due to the need for simultaneous control of a number of processing steps including melting, alloying, molding, pouring, solidification, finishing, and so on. Each of these production steps needs to be correctly done to avoid failure in the acceptance of the final product. After production of the raw materials through casting, it requires to be homogenized in a high-temperature treatment.

Defecte de turnare care afectează procesele de formare

Controlul defectelor de turnare în materia primă pentru procesul de formare a metalelor este de mare importanță deoarece defectele de turnare au efecte directe asupra formabilității materialelor. Există întotdeauna presupunerea eronată cu privire la deformarea plastică pentru a elimina defectele de turnare, dar de obicei deformațiile implicate în majoritatea operațiunilor de lucru sunt prea mici pentru a afecta orice sudare semnificativă a fisurilor și defectelor. Plierea unei pelicule solide de pe suprafața lichidului va forma un defect numit bi-peliculă. Bi-peliculele sunt, în general, doar împinse și se înrăutățesc înainte de a se îmbunătăți în deformare, în timp ce segregarea provoacă proprietăți neomogene ale materialelor și defecte în procesele de formare a metalelor.
Controlling the casting defects in the raw material for metal-forming process is of high importance as the casting defects have the direct effects on formability of materials. There is always the erroneous assumption about plastic deformation to eliminate the casting defects, but usually the strains involved in most working operations are too low to affect any significant welding of the faults and defects. Folding-in of a solid film from the surface of the liquid will form a defect which is called bi-film. Bi-films are in general merely pushed around and growing worse before getting better in deformation, whereas the segregation causes inhomogeneous material properties and defects in metal-forming processes.

În timpul prelucrării materialului turnat, de exemplu, prin laminare, este de așteptat ca defectele să fie alungite în direcția de lucru. Alungirea defectului are ca rezultat rotirea acestuia, aliniind defectul la sensul de rulare. Acest lucru se vede în mod clar în alungirea nodulilor de grafit în timpul laminării și forjării fontei ductile.
During the working of cast material, for instance, by rolling, it is expected that the defects are elongated in the direction of working. The elongation of the defect results in its rotation, aligning the defect to the rolling direction. This is clearly seen in the elongation of graphite nodules during the rolling and forging of ductile iron.

În plus, alungirea piesei de prelucrat crește aria defectului acesteia. Suprafața nou extinsă din bi-peliculă va fi oxidată de aerul prins în defect. Aerul prins continuă să oxideze noile suprafețe din defect în timpul deformării. Se pot forma pori microscopici între oxid și cristalul de metal ca urmare a deformării defectului, ceea ce înseamnă generarea mai multor defecte. În timpul laminării, oxidarea continuă a suprafeței de expansiune împiedică sudarea interfeței care este nou creată și, prin acest mijloc, ajută la creșterea defectelor sub formă de fisură, posibil până la de multe ori dimensiunea inițială.
In addition, elongation of the workpiece increases the area of its defect. The newly extended surface in the bi-film will be oxidized by air entrapped in the defect. The entrapped air continues to oxides the new surfaces within the defect during deformation. Microscopic pores may be formed between the oxide and the metal crystal as a result of deformation of the defect, which means generation of more defects. During rolling, the continued oxidation of the expanding surface hinders the welding of the interface that is newly created and, by this means, assists the defects to grow as a crack, possibly to many times its initial size.

Separarea în timpul turnării metalelor

Segregarea poate fi definită ca orice abatere de la distribuția uniformă a elementelor chimice din aliaj. Segregarea în metale turnate poate cauza defecte în procesul de formare a metalelor. În această secțiune sunt trecute în revistă pe scurt diferitele segregații din turnarea metalelor. Datorită modului în care substanțele dizolvate din aliaje se împart între solid și lichid în timpul înghețării, un anumit nivel de segregare a elementului de aliere este prezent în toate turnările.
Segregation may be defined as any departure from uniform distribution of the chemical elements in the alloy. Segregation in cast metals can cause defects in metal-forming process. In this section different segregations in metal casting are briefly reviewed. Because of the way in which the solutes in alloys partition between the solid and the liquid during freezing, some level of segregation of the alloying element is present in all castings.

Variația de compoziție care apare la scară microscopică între brațele dendritice ale turnării solidificate este cunoscută ca micro-segregare. Acest lucru poate fi de obicei redus semnificativ printr-un tratament termic de omogenizare pentru doar minute sau ore, deoarece distanța de difuzie necesară, care este de obicei în intervalul 10-100 μm pentru a redistribui elementele de aliere, este suficient de mică. Pe de altă parte, macrosegregarea nu poate fi eliminată. Are loc pe distanțe cuprinse între 1 cm și 1 m și, prin urmare, nu poate fi îndepărtată prin difuzie la temperaturi ridicate chiar și în perioade lungi de omogenizare (Ramana Rao 2003; Ammen 2000).
The variation in composition that occurs on a microscopic scale between dendritic arms of the solidified casting is known as micro-segregation. This can usually be significantly reduced by a homogenizing heat treatment for only minutes or hours as the diffusion distance required which is usually in the range 10–100 μm to redistribute the alloying elements is sufficiently small. On the other hand, macrosegregation cannot be removed. It occurs over distances ranging from 1 cm to 1 m and so cannot be removed by diffusion at high temperatures even in long homogenizing times (Ramana Rao 2003; Ammen 2000).

Micro-separare

În timpul solidificării topiturii, pe măsură ce dendrita crește în topitură și brațele secundare se răspândesc din tulpina principală a dendritei, soluția este respinsă, fiind efectiv împinsă deoparte pentru a se concentra în regiunea minusculă închisă de brațele dendritei secundare. Deoarece această regiune este mai mică decât distanța de difuzie, poate fi considerată ca fiind uniformă în compoziție. Figura 11 prezintă schematic această segregare. Interiorul dendritei are o compoziție inițială apropiată de kC0, în timp ce, spre sfârşitul îngheţării, centrul lichidului interdendritic rezidual are o compoziţie corespunzătoare vârfului tranziției finale. Această gradare a compoziției din interiorul spre exteriorul dendritei este descrisă în mod obișnuit ca „miez”, deoarece, la gravarea unei secțiuni lustruite a unor astfel de dendrite, schimbarea progresivă a compoziției apare ca straturi asemănătoare unei cepe în jurul unui miez central.
During solidification of the melt, as the dendrite grows into the melt and the secondary arms spread from the main dendrite stem, the solute is rejected, effectively being pushed aside to concentrate in the tiny region enclosed by the secondary dendrite arms. Since this region is smaller than the diffusion distance, it can be fairly considered as uniform in composition. Figure 11 schematically shows this segregation. The interior of the dendrite has an initial composition close to kC0, while, towards the end of freezing, the center of the residual inter-dendritic liquid has a composition corresponding to the peak of the final transient. This graduation of composition from the inside to the outside of the dendrite is commonly described as “coring” because, on etching a polished section of such dendrites, the progressive change in composition appear as onion-like layers around a central core.

Separarea dendritică

Figura 12 arată cum micro-segregarea, deplasarea laterală a soluției pe măsură ce dendrita avansează, poate duce la o formă de macro-segregare. Pe măsură ce înghețul are loc în dendrite, fluxul general de lichid care este necesar pentru a alimenta contracția de solidificare în adâncul zonei păstoase duce segregatul care se concentrează progresiv către rădăcinile dendritelor (Ammen 2000; Campbell 2011).
Figure 12 shows how micro-segregation, the sideways displacement of solute as the dendrite advances, can lead to a form of macro-segregation. As freezing occurs in the dendrite, the general flow of liquid that is necessary to feed solidification shrinkage in the depths of the pasty zone carries the progressively concentrating segregate towards the roots of the dendrites (Ammen 2000; Campbell 2011).

În cazul unei dendrite care plutește liber în centrul lingoului, care poate forma în cele din urmă o granulă echiaxială, va exista un anumit flux de topitură concentrată către centrul dendritei dacă de fapt are loc vreo solidificare. Acest lucru se poate întâmpla dacă lichidul este oarecum subrăcit. Totuși, acest efect va fi mic și individual pentru fiecare granulă echiaxială. Astfel, acumularea segregării pe rază lungă în această situație va fi neglijabilă.
In the case of a freely floating dendrite in the center of the ingot that may eventually form an equiaxed grain, there will be some flow of concentrated melt towards the center of the dendrite if in fact any solidification is occurring at all. This may occur if the liquid is somewhat undercooled. However, this effect will be small and individual for each equiaxed grain. Thus, the buildup of long-range segregation in this situation will be negligible.

În cazul creșterii dendritice pe peretele matriței, totuși, gradientul de temperatură asigură că tot fluxul este în direcția spre perete, concentrând segregarea în această locație. Astfel, prezența unui gradient de temperatură este necesară pentru acumularea semnificativă a segregării.
For the case of dendritic growth against the wall of the mold, however, the temperature gradient ensures that all the flow is in the direction towards the wall, concentrating the segregation in this location. Thus, the presence of a temperature gradient is necessary for significant buildup of segregation.

Separarea gravitațională

În cazul turnării lingoului, lichidul segregat din plasa dendritică se deplasează sub influența gravitației. Această topitură are o densitate diferită de cea a lichidului în vrac. Astfel, lichidul mai ușor plutește, iar cel mai greu se scufundă.
In the case of ingot casting, the segregated liquid in the dendrite mesh moves under the influence of gravity. This melt has a density different from that of the bulk liquid. Thus, the lighter liquid floats, and the heavier sinks.

În cazul oțelului, pe măsură ce topitura reziduală se deplasează către rădăcinile dendritelor pentru a alimenta contracția de solidificare, densitatea va tinde să crească ca urmare a scăderii temperaturii. Simultan, densitatea sa va tinde să scadă ca urmare a concentrării în elemente ușoare, cum ar fi carbonul, sulful și fosforul. Efectele compoziționale depășesc efectul temperaturii în acest caz, astfel încât lichidul rezidual va tinde să crească. Datorită punctului său de topire scăzut, lichidul va tinde să dizolve dendritele în calea sa, pe măsură ce substanțele dizolvate din flux difuzează și reduc punctul de topire al dendritelor. Astfel, pe măsură ce fluxul avansează, acesta își întărește canalele, pe măsură ce un râu inundat scoate obstacole din calea sa. Această acțiune de tăiere face ca partea canalului care conține fluxul să fie mai dreaptă și partea sa opusă să fie oarecum zdrențuită. Figura 13 descrie schematic aceste fenomene (Ammen 2000; Campbell 2011).
In the case of steel, as the residual melt travels towards the roots of the dendrites to feed the solidification contraction, the density will tend to rise as a result of falling temperature. Simultaneously, its density will tend to decrease as a result of concentrating in light elements such as carbon, sulfur, and phosphorus. The compositional effects outweigh the temperature effect in this case, so that the residual liquid will tend to rise. Because of its low melting point, the liquid will tend to dissolve dendrites in its path as solutes from the stream diffuse into and reduce the melting point of dendrites. Thus, as the stream progresses, it reinforces its channels, as a flooding river carve obstructions from its path. This slicing action causes the side of the channel that contains the flow to be straighter and its opposite side to be somewhat ragged. Figure 13 describes these phenomena schematically (Ammen 2000; Campbell 2011).

Curățarea suprafețelor

Curățarea suprafeței metalului turnat înainte de procesul de formare este esențială pentru îndepărtarea straturilor de oxid pentru a minimiza defectele și pentru a crește formabilitatea metalelor. Un tratament pentru curățarea pieselor turnate de toate tipurile este sablare, în care particulele de nisip sunt antrenate într-o suflare puternică de aer îndreptată spre pisele turnate. Procesul este acum aproape universal neutilizat ca urmare a preocupărilor legate de generarea de praf de silice dăunător.
Cleaning the surface of cast metal before the forming process is essential for removal of the oxide layers to minimize the defects and increase the formability of metals. A treatment for the cleaning of castings of all types is sand blasting, in which particles of sand are entrained in a powerful blast of air directed at the casting. The process is now almost universally unused as a result of the concerns about the generation of harmful silica dust.

Tratamentul, în zilele noastre, include sablare cu alice, în care sunt folosite alice de oțel sau fier, centrifugate la viteză mare prin rotirea roților în așa-numita sablare fără aer. Alicele de oțel inoxidabil sunt, desigur, semnificativ mai scumpe decât alicele convenționale de oțel carbon, dar are avantajul pentru turnarea de aluminiu că rămân strălucitoare și fără pete de rugină. Alte tratamente includ sablare cu alice, în care alicele sunt de obicei un mineral dur fără silice, cum ar fi alumina. Alte medii de sablare includ mărgele de sticlă, particule de plastic, coji de nucă etc.
Treatment nowadays includes shot blasting in which steel or iron shot is used, centrifuged to high speed by spinning wheels in the so-called airless blasting. Stainless steel shot is, naturally, significantly more expensive than conventional carbon steel shot but has the advantage for aluminum castings that they remain bright and free from rust stains. Other treatments include grit blasting in which the grit is commonly a silica-free hard mineral such as alumina. Other blast media include glass beads, plastic particles, walnut shells, etc.

După un tratament de sablare, suprafața turnării obține un anumit grad de uniformitate a aspectului. Pentru turnarea cu nisip, totuși, nu toate particulele de nisip sunt îndepărtate; un procent semnificativ de particule aderente sunt lovite în suprafață și pot deveni și mai atașate de fluxul de plastic de metal în jurul și peste ele în timpul sablării. Acest nisip rezidual care aderă poate afecta rata de uzură a mașinilor unelte de tăiat dacă este necesară prelucrarea extensivă a suprafeței. Uneori, gravarea caustică poate ajuta la îndepărtarea acestor nisipuri reziduale. Cu toate acestea, astfel de tratamente chimice trebuie evitate din motive de mediu.
After a blasting treatment, the surface of the casting obtains some degree of uniformity of appearance. For sand casting, however, not all of the sand particles are removed; a significant percentage of adhering particles are pounded into the surface and may become even more attached by the plastic flow of metal around and over them during blasting. This residual adhering sand may affect the rate of wear of machine cutting tools if extensive machining of surface is required. Sometimes caustic etching can help in removing these residual sands. However, such chemical treatments are to be avoided for environmental reasons.

Tratament termic

În această secțiune, este discutat pe scurt procesul de tratament termic necesar înainte de formarea metalului. Tratamentul termic al pieselor turnate este unul dintre procesele costisitoare de preformare. Tratamentul termic este un subiect vast care nu poate fi tratat aici. Cu toate acestea, în ceea ce privește formarea metalelor, este de menționat că piese turnate trebuie să fie omogenizate la temperatură ridicată.
In this section the necessary heat treatment process before metal forming is briefly discussed. The heat treatment of castings is one of costly preforming processes. Heat treatment is a vast subject that cannot be covered here. However, in what relates to metal forming, it is worth mentioning that castings are required to be homogenized at high temperature.

Operația termică inițială aplicată lingourilor înainte de prelucrarea la cald este denumită „preîncălzire a lingoului” sau „omogenizare” și are unul sau mai multe scopuri în funcție de aliaj, produs și procesul de fabricație implicat. Unul dintre obiectivele principale este de a îmbunătăți prelucrabilitatea. Microstructura majorității aliajelor în starea de turnare este destul de eterogenă. Acest lucru este valabil pentru aliajele care formează soluții solide în condiții de echilibru și chiar pentru aliajele relativ diluate. Microstructura turnată este o structură dendritică cu miez, cu conținutul de substanțe dizolvate care crește progresiv de la centru la margine, cu o distribuție interdendritică a particulelor din a doua fază sau eutectică, care a fost descrisă în secțiunea anterioară (Campbell 2011).
The initial thermal operation applied to ingots prior to hot working is referred to as “ingot preheating” or “homogenizing” and has one or more purposes depending on the alloy, product, and fabricating process involved. One of the principal objectives is to improve workability. The microstructure of most alloys in the as-cast condition is quite heterogeneous. This is true for alloys that form solid solutions under equilibrium conditions and even for relatively dilute alloys. The cast microstructure is a cored dendritic structure with solute content increasing progressively from center to edge with an inter-dendritic distribution of second-phase particles or eutectic which was described in the previous section (Campbell 2011).

Datorită ductilității relativ scăzute a rețelei intergranulare și interdendritice a acestor particule de a doua fază, structurile turnate au, în general, o lucrabilitate inferioară. Tratamentele termice utilizate pentru omogenizarea structurii carcasei pentru o lucrabilitate îmbunătățită au fost dezvoltate în principal prin metode empirice corelate cu examinarea metalografică optică, pentru a determina timpul și temperatura necesare pentru a minimiza extragerea și dizolvarea particulelor din a doua fază. Mai recent, au devenit disponibile metode pentru a determina cantitativ gradul de micro-segregare prezent în structura turnată și ratele de soluție și omogenizare.
Because of the relatively low ductility of the intergranular and inter-dendritic network of these second-phase particles, as-cast structures generally have inferior workability. The thermal treatments used to homogenize case structure for improved workability were developed mainly by empirical methods correlated with optical metallographic examination, to determine the time and temperature required to minimize coring and dissolve particles of the second phase. More recently, methods have become available to quantitatively determine the degree of micro-segregation present in cast structure and the rates of solution and homogenization.

În solidificarea rapidă, deoarece există o condiție departe de echilibru, a rezultat o micro-segregare maximă pe pereții dendritici mici. Însă, în lingourile comerciale tipice, celulele mari sunt mai segregate decât celulele fine și, din cauza distanțelor de difuzie mai lungi necesare, celulele mari sunt mai dificil de omogenizat. De exemplu, analizele microscopiei electronice ale turnării solidificate unidirecționale a unui aliaj de Al-2,5% Mg indică faptul că gradul de micro-segregare este mai mare în structura mai grosieră, mai lent solidificată și că abordarea distribuției uniforme a soluției în timpul încălzirii la 425^oC este mai rapidă pentru structura mai fină, așa cum se arată în Fig. 14 (Campbell 2011).
In rapid solidification, as a far-from-equilibrium condition exists, maximum micro-segregation across small dendritic walls resulted. However, in typical commercial ingots, large cells are more segregated than fine cells, and because of longer diffusion distances required, large cells are more difficult to homogenize. For instance, electron microscopy analyses of unidirectional solidified casting of an Al-2.5 %Mg alloy indicate that the degree of micro-segregation is greater in the coarser, more slowly solidified structure and that the approach to uniform solute distribution during heating at 425 C is faster for the finer structure, as shown in Fig. 14 (Campbell 2011).

Dizolvarea unei noi faze, respinsă interdendritic în timpul solidificării și influențată de tratamentul de omogenizare, este doar un pas către asigurarea lucrabilității maxime. Deoarece cea mai mare parte a substanței dizolvate se află în soluție solidă după această încălzire, pot fi obținute o înmuiere suplimentară și o îmbunătățire a lucrabilității prin răcire lentă, pentru a re-precipita soluția într-o distribuție interdendritică a particulelor destul de mari. Prin urmare, vedem că, pe lângă egalizarea constituțională, considerată în mod normal a fi scopul principal al procesului de omogenizare, o serie de alte procese legate de difuzie pot fi de dorit sau inevitabile, cum ar fi:
The solution of a new phase, rejected inter-dendritically during solidification and influenced by the homogenizing treatment, is only one step towards providing maximum workability. Since most of the solute is in solid solution after this heating, further softening and improvement in workability may be obtained by slow cooling, to re-precipitate the solute in an inter-dendritic distribution of fairly large particles. Hence, we see that in addition to the constitutional equalization, normally considered to be the principal aim of the homogenization process, a number of other diffusion-related processes may be desirable or unavoidable, such as:

• Îngroșarea sau recristalizarea granulelor
• Precipitarea elementelor supersaturate
• Dizolvarea fazelor sau precipitatelor instabile
• Îngroșarea particulelor intermetalice stabile
• Oxidarea suprafeţei
• Degazarea hidrogenului
• Generarea și aglomerarea porilor
• Topire localizată

• Grain coarsening or recrystallization
• Precipitation of super saturated elements
• Dissolution of unstable phases or precipitates
• Coarsening of stable intermetallic particulates
• Surface oxidation
• Hydrogen degassing
• Pore generation and agglomeration
• Localized melting

Pentru cuantificarea procesului de omogenizare se poate face analiza de difuzie a sistemelor de materiale care nu face obiectul acestei lucrări.
For quantification of the homogenization process, diffusion analysis of the materials systems can be done which is not the subject of this work.

Tratament termic modificat la temperatură înaltă

Există o motivație puternică de a abandona sau modifica în mod semnificativ tratamentul cu soluție la temperatură înaltă și una dintre cele mai eficiente modalități de a reduce acești timpi excesivi de tratament este utilizarea regulii de creștere cu 10^oC, în special în aliajele cu punct de topire mai scăzut (Dossett și Boyer 2006). Viteza de reacție va fi dublată prin creșterea temperaturii cu 10^oC. De exemplu, tratamentul unui aliaj la 180^oC timp de 4 ore este mai mult sau mai puțin exact echivalent cu un tratament la 190^oC timp de 2 ore sau 200^oC timp de 1 oră. Deși există o limită la cât de mult poate fi împinsă această translație a tratamentului la o temperatură mai mare și timpi mai scurti, pentru cele mai multe scopuri practice în atelier, este adesea surprinzător de eficient în multe condiții.
There is strong motivation to abandon or significantly modify the high-temperature solution treatment, and one of the most effective ways to reduce these excessive treatment times is using 10 C rise rule especially in lower melting point alloys (Dossett and Boyer 2006). The reaction rate will be doubled by increasing the temperature by 10 C. For instance, the treatment of an alloy at 180 C for 4 h is more or less exactly equivalent to a treatment at 190 C for 2 h or 200 C for 1 h. Although there is a limit to how far this translation of the treatment can be pushed to higher temperature and shorter times, for most practical purposes on the shop floor, it is often surprisingly effective over many conditions.

Utilizarea unei temperaturi de tratare a soluției cât mai ridicate posibil, profitând de regula generală că o creștere cu 10^oC va dubla viteza de reacție, este desigur limitată de temperatura la care se topește aliajul.
The use of solution treatment temperature as high as possible, taking advantage of the general rule that an increase of 10^oC will double the rate of reaction, is of course limited by the temperature at which the alloy melts.

Însă, cu mult înainte ca turnarea să devină prea fierbinte pentru a topi complet, poate suferi de supraîncălzire, un fenomen cunoscut sub numele de „topire incipientă”. Încălzirea unor componente ale aliajului cu punct de topire scăzut, care ar putea constitui doar 1 sau 2% vol. din aliaj, le poate topi. La răcirea ulterioară, acești constituenți ar trebui să se resolidifice astfel încât să nu aibă niciun efect net. Dar realitatea este că acest fenomen compromite proprietățile mecanice ale materialului și în special ductilitatea, care ar fi afectată semnificativ de supraîncălzire (Totten 2007).
However, well before the casting becomes too hot to melt entirely, it can suffer from overheating, a phenomenon known as “incipient melting.” Up heating some low-melting-point constituents of the alloy, which might constitute only 1 or 2 vol.% of the alloy, can melt. On subsequent cooling, these constituents should resolidify so as to result in no net effect. But the reality is that this phenomenon compromises the mechanical properties of the material and particularly ductility, which would be significantly impaired by overheating (Totten 2007).