3.1. FACTORII PRINCIPALI N ALEGEREA TEHNOLOGIILOR DE

ELABORARE A ALIAJELOR NEFEROASE

Procesele de elaborare a majoritii aliajelor neferoase se realizeaz n agregate metalurgice

deschise, la presiunea atmosferic.

Calitatea aliajelor lichide elaborate depinde de o serie de procese fizice, fizico-chimice ca: nclzirea,

topirea i supranclzirea metalelor, dizolvarea metalelor n topituri (alierea), vaporizarea i fierberea

metalelor lichide, interaciunea metalelor lichide cu gazele (O 2 , H 2 , H 2 O ) din atmosfera agregatului

(oxidare, adsorbia, difuzia, dizolvarea) interaciunea topiturilor metalice cu cptueala agregatelor

de elaborare.

Analiznd tehnologiile de elaborare la principalele grupe de aliaje neferoase (Cu, Ni, Pb, Sn,

Zn, Al, Mg, Ti), se constat c acestea depind, n primul rnd, de comportamentul metalului de baz

precum i a principalelor elemente de aliere, fa de oxigen.

Altfel spus, intensitatea interaciunii oxigenului cu elemente din topitura metalic i

proprietile oxidului format sunt factorii care influeneaz n mod decisiv alegerea tehnologiilor de

elaborare.

Intensitatea interaciunii oxigenului cu elementele din baia metalic se aprecieaz att prin

afinitatea acestora fa de oxigen (deci termodinamic) ct i prin viteza procesului de oxidare

(cinetic).

Reaciile de oxidare ale metalelor:

2Me + O 2 2MeO Q (H) (3.1)

sunt exoterme (cu degajare de cldur).

n atmosfer oxidant metalele i aliajele neferoase, n comparaie cu cele feroase, au o

comportare care prezint unele particulariti:

- cele mai multe metale neferoase au afinitate pentru oxigen mai mare dect fierul;

- cele mai multe metale neferoase formeaz pelicule compacte de oxizi la suprafaa bii;

- la multe aliaje neferoase greutatea specific a oxizilor este cu puin diferit fa de

cea a aliajelor, ceea ce influeneaz mult procesul de dezoxidare.

Dup afinitatea fa de oxigen principalele metale (nemetale) care vin n considerare la

elaborarea aliajelor neferoase pot fi astfel niruite (n ordinea creterii afinitii lor fa de oxigen):

Cu, Pb, Ni, Fe, Sn, Zn, Mn, Na, Si, Ti, Al, Mg, Ca

Msura afinitii chimice normale ale metalelor fa de oxigen la temperatura T este GT0

(variaia entalpiei libere de formare a oxizilor). n sistemele reale (aliaje lichide) afinitatea

elementelor de aliere fa de oxigen se apreciaz prin intermediul potenialului de oxigen.

ntr-un sistem ideal: GT0 = piO2 = RT ln pO2 (3.2)

Variaia potenialului de oxigen al oxizilor cu temperatura n condiii standard este redat n

diagrama potenialelor de oxigen (diagrama Ellingham), prezentat n fig. 3.1.

Fig.3.1. Diagrama potenialelor de oxigen ale oxizilor

Din punct de vedere cinetic procesul de oxidare este influenat de temperatura procesului

(elaborrii) i de natura stratului de oxid ce se formeaz la suprafaa metalului lichid.

La aliajele pe baz de metale uor fuzibile (Pb, Sn, Zn) datorit temperaturii joase de elaborare

fenomenele de oxidare sunt nesemnificative cu att mai mult cu ct afinitatea acestor metale fat de

oxigen este mic.

n funcie de proprietile (natura) stratului de oxid ce se formeaz la suprafaa metalului

(aliajului) lichid, principalele metale neferoase se mpart n dou grupe.

Din prima grup fac parte metalele care practic nu dizolv oxigen n stare lichid i solid:

aluminiu, magneziu, zinc, staniu, plumb, cadmiu, sodiu, calciu etc. Interaciunea acestor metale cu

oxigenul se reduce la formarea unor pelicule de oxizi la suprafa, care apoi se disperseaz n aliajele

lichide.

Gradul i viteza de oxidare depind i de caracterul, natura i proprietile peliculelor (stratului)

de oxizi care se formeaz la suprafaa aliajului lichid. Peliculele de oxizi pot fi: - stabile, continue i

compacte. n acest caz, dup formare ele protejeaz baia de oxidare (Al, Zn, Sn, Pb). n aceste condiii

viteza procesului de oxidare este determinat de viteza fenomenelor de difuzie deci acesta se va

desfura cu viteze mici.

Alierea aluminiului cu zinc, cupru, mangan, practic nu influeneaz oxidarea acestuia. Calciul,

sodiul i magneziul mresc mult viteza de oxidare a aluminiului datorit formrii unor pelicule

poroase, astfel oxigenul va avea acces direct la metalul (aliajul) lichid prin fisurile peliculei de oxizi

(3CaOAl 2 O 3 ; Na 2 OAl 2 O 3 ; MgOAl 2 O 3 ).

Pe de alt parte, oxidarea aliajelor Al-Mg poate fi prentmpinat prin adaosuri mici de beriliu,

care are afinitate pentru oxigen mai mare dect Al i Mg i formeaz o pelicul de oxizi mai compact

dect magneziul.

Adaosul de magneziu n zinc conduce la creterea vitezei de oxidare.

Prin urmare aceste metale i aliajele lor (fr coninut de magneziu) pot fi elaborate n

cuptoare deschise, fr o atmosfer special de protecie.

- incompacte i poroase, care protejeaz slab baia de oxidare n timp (Mg, Na,

Ca). n acest caz oxigenul are acces direct la metalul lichid prin fisurile peliculei de oxizi. Procesul de

oxidare se desfoar n regim cinetic, adic cu vitez "mare". Pentru elaborarea aliajelor de

magneziu, care formeaz o pelicul de oxid poros, sunt necesare fluxuri de protecie contra oxidrii,

atmosfer inert sau reductoare.

Primul tip de pelicule se formeaz atunci cnd raportul dintre volumul molecular al oxidului i

volumul atomar al metalului VV

MeO

Me

este mai mare dect unitatea. Acest raport poarte denumirea de

raportul Pilling Bedworth.

n cazul principalelor metale neferoase se ntlnesc urmtoarele valori ale acestui raport (la

temperatura camerei):

VVAl O

Al

2 3 1 214= , ; VV

PbO

Pb

= 1 27, ; VV

SnO

Sn

= 1 33, ; VV

NiO

Ni

= 1 50, ;

VV

ZnO

Zn

= 1 57, ; VV

CuO

Cu

= 1 74, ; VVFe O

Fe

2 3 2 18= , .

VV

Na O

Na

2 0 57= , ; VV

MgO

Mg

= 0 79, ;

Peliculele de tipul doi se formeaz atunci cnd acest raport este subunitar.

Interaciunea acestor metale cu oxigenul se reduce la formarea unor pelicule de oxizi la

suprafa, care apoi se disperseaz n aliajele lichide.

A doua grup de metale, care cuprinde: Cu, Ni, Ti, (Fe), dizolv n stare lichid o cantitate

mare de oxigen, formnd soluii Me-Me x O y . La aceste metale la nceputul procesului de oxidare

(elaborare) la suprafaa metalului lichid (nealiat) se formeaz un strat de oxid care n continuare se

dizolv n metalul lichid (Cu, Ni).

La solidificarea aliajelor acestor metale saturate cu oxigen pot avea loc transformri eutectice,

peritectice sau cristalizarea soluiilor solide (oxigen dizolvat n metalul solid). n funcie de

concentraia total de oxigen din metalul lichid, cristalizarea ncepe cu descompunerea soluiei solide

de oxigen n metal, n soluie solid de oxigen n metal i oxidul solid Me x O y sau chiar cu depunerea

oxidului solid.

Prin urmare aceste metale i aliajele lor nu pot fi elaborate fr a se lua msuri de protecie

contra oxidrii. Astfel, aliajele de cupru, nichel, care nu formeaz pelicule oxidice rezistente se

elaboreaz sub strat de fondant, mangal sau n cuptoare cu vid sau atmosfer de gaze inerte (azot,

argon sau heliu).

n cazul aliajelor de cupru care contin Al i Be (bronzuri cu Al i Be ) procesul de oxidare este

frnat datorit formrii unei pelicule de oxizi care protejeaz baia. Din acest motiv aceste bronzuri se

pot topi, ca i aliajele de aluminiu, n atmosfer oxidant.

Elementele din aliajele de cupru care au tensiunea de vapori ridicat (Zn, Mg) se oxideaz

uor, depunndu-se sub form de particule solide pe suprafaa bii sau sunt antrenate cu gazele.

Prezentarea sintetic a factorilor enumerai, care influeneaz alegerea tehnologiilor de

elaborare, se realizeaz prin schema din figura 3.2.

Oxidarea elementelor de aliere, la elaborarea aliajelor, se desfoar n succesiunea

corespunztoare valorii tensiunii de disociere a oxizilor lor, n funcie de concentraia lor i de

tensiunile de vapori ale elementelor, att n urma reaciei cu oxigenul, ct i n urma reaciei de

schimb cu oxizii metalului de baz n care sunt solubili.

Fig. 3.2. Clasificarea metalelor neferoase n funcie de oxidabilitate i comportamentul sistemului Me-

Me x O y , factori cu influen major asupra alegerii tehnologiilor de elaborare

OXIDABILITATE

MIC MARE

dup valoarea lui G MeO0

G MeO0

Aadar, oxidarea elementelor din aliaje are loc selectiv. n cazul aliajelor lichide de cupru,

solubilitatea Cu 2 O n acestea este folosit la afinarea cuprului brut i a deeurilor de calitate

inferioar, care contin 87...95 % Cu, iar n rest: Zn, Fe, Pb, Sn, Sb, As, S si Bi.

Succesiunea de oxidare a elementelor (impuritilor metalice) obinuite din cuprul brut lichid

este determinat de afinitatea impuritilor pentru oxigen si anume:

Al, Mg, Si, Zn, Fe, S, Sn, Pb, As, Sb, Bi

Toi oxizii formai sunt insolubili n cuprul lichid, au greutatea specific mai mic dec a

acestuia i se ridic la suprafaa bii, cu excepia oxidului de plumb care se decanteaz, avnd

greutatea specific mai mare.

Oxidarea, care se produce n timpul elaborrii aliajelor reprezint un proces nedorit. Ea duce

la pierderi mari de metal i la apariia n aliajele solidificate a unor oxizi (sub form de eutectic sau

incluziuni nemetalice solide) care nrutesc proprietile mecanice i fizico-chimice ale acestora. n

afar de acestea, prezena oxizilor n aliajele solide (Cu 2 O n Cu ) poate determina apariia suflurilor

n piese.

La majoritatea aliajelor neferoase dezoxidarea se impune ca i n cazul aliajelor feroase.

La aliajele neferoase se utilizeaz dou mijloace de ndeprtare a oxigenului fig. 3.2.:

- pe cale chimic (dezoxidare prin precipitare sau prin difuzie) n cazul cnd oxidul este

solubil (dizolvat) n metalul de baz lichid (la aliajele de cupru i de nichel). Dezoxidarea pe cale

chimic se efectueaz naintea operaiei de aliere, deoarece toate (aproape) elementele de aliere au

afiniti mai mari fa de oxigen dect metalul de baz. Astfel, se evit pierderea elementelor de

aliere pe calea oxidrii precum i impurificarea aliajului lichid cu impuriti nemetalice solide (cu oxizii

elementelor de aliere).

- pe cale fizic (prin barbotare, sedimentare, tratare cu fluxuri, prin filtrare) n cazul

cnd oxidul este insolubil i se gseste n metalul de baz lichid nedizolvat, sub form de suspensie

sau emulsie (la aliajele pe baz de aluminiu i de magneziu). ndeprtarea oxizilor i deci a oxigenului

prin antrenare mecanic, adic dezoxidarea pe cale fizic se numete i rafinare.

Utilizarea dezoxidrii pe cale chimic n cazul cnd oxizii metalului de baz sunt insolubili este

imposibil din urmtoarele dou motive:

- pentru unele metale (Al, Mg) se gsesc cu greu elemente care s aib afinitate fa

de oxigen sensibil mai mare dect metalele de baz

- oxizii nefind dizolvai n metalul lichid nu pot fi pui n contact intim cu un dezoxidant

solubil n baie.

Dezoxidarea pe cale fizic se efectueaz dup operaia de aliere, deci la sfritul procesului de

elaborare, deoarece n timpul alierii nu se produce oxidarea elementelor de aliere, ele au afiniti mai

mici fa de oxigen dect metalul de baz.