2.7. MAGNEZIUL ŞI ALIAJELE SALE

2.7.1. MAGNEZIUL ELEMENTAR

Magneziul a fost descoperit în anul 1800 şi a fost obţinut în stare compactã în anul 1828.

Datoritã activitãţii sale chimice mari, magneziul se gãseşte în naturã, numai sub formã de combinaţii

chimice.

Face parte din grupa a doua a sistemului periodic, având numãrul de ordine 12 şi masa

atomicã 24,322. Cristalizeazã în sistemul hexagonal, având parametrii reţelei: a = 3,202 Å, c = 5,199 Å,

şi nu prezintã transformãri alotropice.

Magneziul este un metal uşor, cu densitate micã: 1,738 g/cm 3 la 20 °C şi 1,572....1,650 g/cm3 în stare topitã.

Temperatura de topire este de 651 °C, iar cea de fierbere: 1107 °C.

Magneziul este un metal extrem de activ din punct de vedere chimic. El reduce cu uşurinţã, la

cald, oxizii, hidroxizii şi carbonaţii metalelor alcaline şi alcalino-pãmântoase. Deci magneziul se poate

utiliza în calitate de reducãtor, dezoxidant şi desulfurant pentru majoritatea metalelor şi aliajelor.

Magneziul şi aliajele sale în stare pulverulentã se pot aprinde în aer, iar în prezenţa umiditãţii

sau a alcoolului etilic se aprind cu explozie.

2.7.1.1. Influenţa elementelor insoţitoare asupra structurii şi proprietãţilor magneziului:

Principalele impuritãţi din magneziu sunt urmãtoarele: nichel, fier, cupru, siliciu.

Nichelul este cel mai dãunãtor element care micşoreazã foarte mult rezistenţa la coroziune a

magneziului. Nichelul se dizolvã uşor în magneziu lichid.

Fierul micşoreazã, de asemenea rezistenţa la coroziune a magneziului, dar la temperatura de

650...750 °C, solubilitatea fierului în magneziu este foarte redusã. În aceste condiţii, se pot utiliza

creuzete şi scule din aliaje feroase la elaborarea şi turnarea aliajelor de magneziu. Rezistenţa la

coroziune a magneziului scade de 5 ori la creşrerea conţinutului de fier de la 0,003 la 0,026 %.

Cuprul şi siliciul micşoreazã rezistenţa la coroziune a magneziului, dar mult mai puţin decât

nichelul sau fierul.

Siliciul formeazã cu magneziul compusul Mg2

Si care se separã la limitele grãunţilor

conducând la scãderea rezistenţei la coroziune şi a plasticitãţii magneziului. Totuşi, în unele aliaje de

magneziu se adaugã pînã la 1,2 % siliciu deoarece mãreşte rezistenţa la rupere şi îmbunãtãţeşte

fluiditatea şi rezistenţa pe secţiune. De asemenea, siliciul micşoreazã segregarea, absorbţia gazelor şi

tendinţa magneziului de a forma fisuri la cald.

Sodiul şi potasiul conduc la reducerea rezistenţei mecanice, intensificã segregaţia şi

porozitatea, conducând şi la formarea fisurilor în produsele turnate.

Oxigenul formeazã cu magneziul şi aliajele lui în stare topitã, oxizi. Oxidul de magneziu este

foarte stabil şi refractar (temperatura de topire peste 2800 °C). Greutatea lui specificã fiind ceva mai

mare decât a magneziului (3,19 g/cm 3 ) are tendinţa de a decanta şi de a forma incluziuni nemetalice

solide în baia metalicã, care trec în piesele, semifabricatele turnate.

Hidrogenul este prezent în magneziul lichid în stare dizolvatã. La temperatura de topire

magneziul lichid dizolvã 25 cm 3 H2

/100 g Mg. La aceaşi temperaturã magneziul solid dizolvã o

cantitate mai micã de hidrogen, respectiv 18 cm 3 H2

/100 g Mg. Datoritã acestei variaţii a solubilitãţii

hidrogenului în magneziul lichid respectiv solid, piesele turnate pot rezulta poroase, dacã nu s-au luat

mãsuri speciale pentru degazarea metalului lichid.

Azotul se dizolvã în magneziu topit cu formare de nitrurã Mg3

N2

. Din cauza solubilitãţii sale

în magneziul topit şi formãrii nitrurii de magneziu, azotul reprezintã un gaz dãunãtor. Prezenţa unor

cantitãţi pânã la 1 % azot în aliajele de magneziu micşoreazã concentraţia, mãreşte porozitatea şi

reduce caracteristicile mecanice (mai ales rezilieenţa). De aceea, trebuie luate mãsuri speciale pentru

evitarea absorbţiei de azot din atmosfera cuptorului.

Prin urmare, la elaborarea aliajelor de magneziu trebuie sã se adopte o serie de mãsuri

speciale de protecţie a suprafeţei bãii metalice cu fluxuri (fondanţi), mai ales pe bazã de carnalit

(clorurã de magneziu şi clorurã de potasiu) şi de degazare a bãii metalice înainte de turnare.

2.7.2. ALIAJE PE BAZÃ DE MAGNEZIU

Aliajele de magneziu, în calitate de materiale pentru construcţia de maşini, în ultimii ani şi-au

gãsit o largã utilizare. Densitate micã, proprietãţile mecanice relativ bune, capacitate mare de a

suporta sarcini variabile au permis folosirea lor în diferite domenii ale tehnicii, în special în industria

aeronauticã şi în construcţia de autovehicule.

Aliajele de magneziu se prelucreazã bine prin aşchiere, însã se oxideazã uşor şi se autoaprind

la temperaturi de peste 600 °C, având totodatã rezistenţã redusã la coroziune şi proprietãţi de

turnare relativ slabe.

Aliajele de magneziu folosite în tehnicã pot fi clasificate în trei grupe:

- aliaje de turnãtorie;

- aliaje deformabile, folosite pentru obţinere semifabricatelor prin prelucrare la cald şi

la rece;

- aliaje cu proprietãţi speciale.

În funcţie de elementele de aliere, care formeazã baza compoziţiei chimice, aliajele pe bazã de

magneziu se pot clasifica în cinci grupe:

- aliaje cu bazã de magneziu cu aluminiu;

- aliaje cu bazã de magneziu cu zinc;

- aliaje cu bazã de magneziu cu mangan;

- aliaje cu bazã de magneziu cu siliciu;

- aliaje cu bazã de magneziu cu metale rare.

2.7.2.1. ALIAJE MAGNEZIU - ALUMINIU

Aluminiul este cel mai important element de aliere al magneziului. La conţinuturi mici apare o

durificare, datoritã formãrii soluţiei solide. Conţinuturi mai mari de aluminiu duc la mãrirea şi mai

mult a duritãţii, datoritã apariţiei fazei dure γ. În aceste condiţii, aliajele devin mai fragile, ceea ce se

manifestã prin micşorarea rezistenţei la rupere şi a alungirii.

Din diagrama de echilibru termic a sistemului Mg-Al, prezentatã în diagrama 2.69, se constatã

cã soluţia solidã de aluminiu în magneziu (δ) formeazã cu faza intermetalicã γ (Mg3

Al2

) un eutectic

cu un conţinut de 32,3 % Al şi cu o temperaturã de topire de 437 °C. Solubilitatea aluminiului în

magneziu este foarte mare la temperatura eutecticã, 12,7 %,

însã se micşoreazã repede cu scãderea temperaturii,

ajungându-se la valoarea de 1,5 % la temperatura de 100 °C.

Fig.2.69. Diagrama de echilibru termic pentru sistemul

magneziu-aluminiu

În stare turnatã, cele mai bune proprietãţi mecanice se

obţin la un conţinut de 6 % Al. Aliajele cu 6...11 % Al pot fi

îmbunãtãţite sensibil, din punct de vedere al caracteristicilor

mecanice, printr-o recoacere de trecere în soluţie a compusului

intermetalic γ.

În figura 2.70 se prezintã variaţia caracteristicilor mecanice pentru aliajele magneziu-aluminiu

în funcţie de conţinutul de aluminiu, în care se observã cã, în stare turnatã, rezistenţa maximã de

rupere la tracţiune se atinge la un conţinut de circa 5 % Al, iar alungirea optimã, la circa 6,5 % Al.

Fig. 2.70. Variaţia caracteristicilor mecanice ale aliajelor Mg-Al, în

funcţie de conţinutul de aluminiu

Aceastã variaţie a caracteristicilor mecanice se datoreazã vitezei mici de

difuzie în timpul solidificãrii şi ca urmare eutecticul (δ+γ) apare deja în

compoziţiile care, din punct de vedere structural, ar trebui sã fie formate

numai din soluţia solidã δ.

2.7.2.2. ALIAJE MAGNEZIU - ZINC

Aliajele binare Mg-Zn, aproape nu mai sunt folosite. În schimb, marea majoritate a aliajelor de

magneziu cu aluminiu conţin pânã la 2 % Zn, deoarece acest metal mãreşte rezistenţa la rupere şi

îmbunãtãţeşte duritatea cu aproximativ 50 % dupã tratamentul termic de revenire.

Conform diagramei de echilibru termic a sistemului binar magneziu-zinc, figura 2.71, rezultã

cã între magneziu şi zinc se formeazã o soluţie solidã şi o serie de faze intermetalice stabile sau

metastabile.

Fig.2.71. Diagrama de echilibru termic pentru sistemul

magneziu-zinc

Soluţia solidã α de zinc în magneziu, are reţea

cristalinã hexagonalã compactã, solubilitatea maximã fiind de

8,4 % Zn la temperatura eutecticã de 343 °C. Eutecticul între

soluţia solidã α şi compusul intermetalic metastabil MgZn

conţine 53,5 % Zn şi are o temperaturã de topire de 330 °C.

2.7.2.3. ALIAJE MAGNEZIU - MANGAN

Conţin pânã la 3 % Mn şi sunt folosite pentru obţinerea de piese solicitate la sarcini mici şi

care trebuie sã posede o rezistenţã ridicatã la coroziune. Aliajele binare Mg-Mn sunt mai puţin

rãspândite, în schimb manganul se foloseşte drept adaos de aliere în multe aliaje complexe de

magneziu, cu scopul de a îmbunãtãţii stabilitatea la

coroziune, sudabilitatea şi unele caracteristici mecanice.

Fig.2.72. Diagrama de echilibru termic pentru

sistemul magneziu-mangan

Conform diagramei de echilibru termic a sistemului

binar Mg-Mn, prezentatã în figura 2.72, apare o

transformare peritecticã la temperatura de 652 °C, în

urma cãreia, prin reacţia dintre faza lichidã şi faza solidã β

Mn, se formeazã o soluţie solidã α de mangan în magneziu

2.7.2.4. ALIAJE MAGNEZIU - SILICIU

Aceste aliaje conţin 1...1,5 % Si sub forma unui constituent acicular Mg2

Si, care determinã în

mare mãsurã caracteristicile mecanice reduse ale pieselor turnate.

Aliajele Mg-Si, având o fluiditate micã, nu pot fi utilizate pentru turnarea pieselor complicate

cu pereţi subţiri. În acelaşi timp eutecticul Mg-Mg2

Si fiind o fazã fragilã nu permite sã se obţinã

materiale metalice cu proprietãţi mecanice ridicate. Totuşi, aliajele din acest sistem sunt folosite

pentru confecţionarea armãturilor etanşe la presiuni, sau pentru piese supuse la solicitãri mici,

deoarece sunt caracterizate printr-o excelentã etanşeitate la gazele comprimate şi lichide, neavând

tendinţa de a forma porozitãţi în timpul solidificãrii.

Diagrama de echilibru termic, prezentatã în figura 2.73, este o diagramã tipicã a douã metale

nemiscibile în stare solidã şi care formeazã un compus intermetalic, care se topeşte congruent.

Fig. 2.73. Diagrama de echilibru termic pentru

sistemul magneziu-siliciu

La 36,6 % se formeazã compusul intermetalic

Mg2

Si, care cristalizeazã direct din lichid la

temperatura de 1.102 °C. Acest compus este foarte

dur şi posedã însuşiri semiconductoare remarcabile.

Între Mg şi Mg2

Si se formeazã un eutectic la

temperatura de 645 °C şi concentraţia de 1,4 % Si.

2.8. TITANUL ŞI ALIAJELE SALE

2.8.1. TITANUL ELEMENTAR

Titanul metalic s-a obţinut pentru prima datã în anul 1925.

Titanul face parte din subgrupa a patra a sistemului lui Mendeleev, având numãrul de ordine

22 şi o greutate atomicã de 47,9.

Datoritã densitãţii mici, asociatã cu proprietãţi mecanice bune, titanul microaliat şi aliajele

sale sunt superioare celorlalte materiale metalice, având rezistenţã specificã (rezistenţa la

rupere/densitate) înaltã.

Titanul se topeşte la temperatura de 1668 °C. Având densitatea de 4,51 g/cm 3 face parte din

categoria metalelor neferoase uşoare.

Prezintã fenomenul de polimorfism. La temperaturi joase, sub 882 °C, αTi cristalizeazã în

sistemul hexagonal compact, cu parametrii reţelei: a = 2,9504 Å; c = 4,683 Å şi raportul c/a =1,587, iar

la temperaturi înalte, peste 882 °C, βTi cristalizeazã în sistemul cub cu volum centrat, cu parametrul a

= 3,3065 Å la temperatura de 900 °C.

Este de menţionat cã titanul tehnic este un aliaj care conţine elemente cu influenţã diferitã

asupra temperaturii de transformare polimorfã, din aceastã cauzã el are un interval de transformare

cuprins în limitele 865...920 °C.

În metalul pur, modificaţia cristalinã β nu poate fi fixatã prin cãlire chiar folosind viteze de

rãcire foarte mari; ea trece în forma α′ printr-o transformare de tip martensitic.

Titanul este un element activ din punct de vedere chimic, ocupând în seria electrochimicã a

metalelor un loc între magneziu şi beriliu. Ca urmare el ar trebui sã se corodeze puternic. Totuşi

titanul prezintã o rezistenţã excelentã la oxidare deoarece la suprafaţa metalului se formeazã o

peliculã compactã de TiO2

care-l protejeazã de oxidarea ulterioarã (fenomen întâlnit şi în cazul

aluminiului). Grosimea peliculei este de 20...50 Å, la temperatura mediului ambiant.

2.8.1.1. Inluenţa elementelor însoţitoare asupra structurii şi proprietãţilor titanului.

Caracteristica de bazã a titanului este sensibilitatea mare faţã de oxigen şi azot cu care poate

forma soluţii solide, faze intermediare, care influenţeazã proprietãţile metalului în sensul micşorãrii

plasticitãţii şi mãririi duritãţii şi rezistenţei mecanice.

Oxigenul poate fi considerat nu numai impuritate dãunãtoare, ci şi element de aliere dacã

conţinutul sãu nu depãşeşte valoarea de 0,2 %.

Azotul, deşi determinã o creştere mai mare a limitei de rezistenţã decât oxigenul, provoacã

fragilizarea titanului şi din aceastã cauzã în practicã conţinutul lui este limitat sub 0,1 %.

Carbonul are acţiune redusã asupra creşterii rezistenţei titanului, concentraţia sa se limiteazã

la valoarea de maximum 0,2 % din cauza formãrii carburilor solide şi a favorizãrii apariţiei fragilizãrii.

Hidrogenul deşi nu influenţeazã creşterea limitei de rezistenţã a metalului se considerã

impuritatea cea mai dãunãtoare deoarece provoacã fragilitatea la rece a acestuia ca urmare a

apariţiei la marginea grãunţilor a separaţiilor de hidruri extrem de fragile. Hidrogenul provoacã

creşterea viscozitãţii metalului şi înrãutãţeşte proprietãţile de prelucrare la cald şi la rece.

Titanul poate absorbi cantitãţi considerabile de hidrogen. Astfel, la 600 °C şi presiunea

atmosfericã, 100 g titan pot absorbi 3.200 cm 3 H2

. Absorbţia hidrogenului în titan este un proces

exoterm.

2.8.2. ALIAJE PE BAZÃ DE TITAN

Titanul constituie, în prezent, unul din metalele foarte utilizate pentru obţinerea de materiale

metalice cu proprietãţi deosebite. Polimorfismul, capacitatea bunã de aliere cu multe elemente din

sistemul lui Mendeleev (Al, Zr, Hf, Mo, Nb, V, Ta, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Sn, Mg, Si, Ag, Au etc), formarea

unui domeniu larg de soluţii solide sau faze intermetalice cu solubilitate variatã, temperatura înaltã

de topire şi o excelentã rezistenţã la coroziune creeazã condiţii favorabile pentru a realiza o

diversitate vastã de structuri şi proprietãţi.

Clasificarea aliajelor de titan folosite în practicã se poate face având la bazã mai multe criterii:

modul de prelucrare, proprietãţile (în special rezistenţa la rupere), structura şi domeniile de utilizare.

Dupã modul de prelucrare aliajele de titan se împart în douã mari categorii:

- aliaje pentru turnãtorii şi

- aliaje deformabile.

Spre deosebire de alte metale, în cazul aliajelor pe bazã de titan nu existã deosebiri esenţiale

între compoziţiile celor douã tipuri de materiale.

Dupã proprietãţi, se împart în:

- aliaje cu plasticitate mare şi rezistenţã medie;

- aliaje suficient de plastice şi cu rezistenţã mare;

- aliaje cu rezistenţã foarte bunã la coroziune;

- aliaje cu proprietãţi mecanice deosebite la temperaturi sub 0 °C;

- aliaje superplastice;

- aliaje supraconductoare;

- aliaje amorfe;

- aliaje cu memorie etc.

Dupã domeniile de utilizare, aceste materiale metalice pot fi grupate în urmãtoarele categorii:

- aliaje pentru construcţii sudate;

- aliaje utilizate în construcţia de autovehicule, aviaţie, tehnica spaţialã, industria

chimicã, navalã, în criogenie;

- aliaje cu destinaţie specialã etc.

Dupã structurã, aliajele se grupeazã în trei categorii:

- α- monofazice, elementele de aliere se dizolvã în αTi (Al, Sn, Cu, Zr etc);

- β- monofazice, elementele de aliere determinã stabilizarea acestei structuri la temperatura

mediului ambiant (Nb, Ta, Mo, V, Cr, Co, Fe, Ni, Mn etc);

- α + β bifazice, care la rândul lor se împart în:

- bifazice tipice

- pseudo α - conţin în structurã cantitãţi mici de fazã β (3...10 %). Ele îşi

pãstreazã toate caracteristicile de bazã ale aliajelor α , dar prezenţa fazei β contribuie la

îmbunãtãţirea proprietãţilor tehnologice şi mecanice;

- pseudo β - conţin în structurã cantitãţi mici de fazã α care îndeplineşte rolul

de durificator în procesul de cãlire şi de îmbãtrânire.

2.8.2.1. ALIAJELE TITAN - ALUMINIU

Sunt aliaje cu structura α. Cele utilizate în industrie au în compoziţia lor 2...7 % Al. Conform

diagramei de echilibru termic prezentatã în figura 2.74,

solubilitatea aluminiului în titan variazã foarte mult în funcţie

de structura acestuia şi temperaturã.

Fig.2.74. Diagrama de echilibru termic a sistemului

titan-aluminiu

Prezenţa acestui element modificã temperatura de

transformare alotropicã de la 883 °C la 1100 °C, ceea ce

favorizeazã formarea unui domeniu larg de soluţie solidã α

În compoziţia aliajelor Ti-Al se introduc şi alte

elemente de aliere, care pãstreazã structura de fazã α, dar

îmbunãtãţesc substanţial caracteristicile mecanice, atât la

temperaturi scãzute, cât şi la temperaturi înalte.

Aliajele cu structura α au la bazã urmãtoarele sisteme: - Ti-Al-Sn

- Ti-Al-Zr

- Ti-Al-Sn-Cu

- Ti-Cu-Zr.

Aliajele cu structura α + β au la bazã urmãtoarele sisteme:- Ti-Al-Mn

- Ti-Al-V

- Ti-Al-Mo

- Ti-Al-Nb

- Ti-Al-Mo-V

- Ti-Al-Mo-Cr.

Aliajele cu structura β au la bazã urmãtoarele sisteme: - Ti-Mo-V-Cr

- Ti-W-Nb-Mo

- Ti-Mo-Cr-Fe.