CURS TPS nr. 15

Cuprul şi aliajele sale Caracterizarea cuprului şi a aliajelor sale

Cuprul şi aliajele sale au, după aliajele Fe-C şi aliajele de aluminiu, cea mai largă întrebuinţare în tehnică. Aceasta datorită faptului că, prezintă o serie de proprietăţi tehnice foarte importante, ca de exemplu:

plasticitate ridicată (24 sisteme de alunecare), conductibilitate termică şi electrică mare bună rezistenţă la coroziune.

Caracteristici fizice Greutatea atomică este de G = 63,63; celula cristalină elementară c.f.c;

parametrul reţelei a = 3,609Å; densitatea = 8,87...8,91g/cm3; temperatura de topire Ttop =1083C (la conţinut eutectic de O2 = 0,395% şi CuO = 3,45%); conductivitatea electrică, 8,7m/mm2; rezistivitatea la 20C, 0,17mm2/m; coeficientul de temperatură al rezistivităţii, 0,00433 1/C; conductivitatea termică, la 20C, 0,923 cal/cm *s*C; căldura latentă de topire, 49,95 cal/g; căldura masică, 0,092 cal/g*C,

Proprietăţi optice Culoare roşietică, se lustruieşte perfect, capacitate de reflexie a luminii cu

= 5500 Å, 61%. În tabelul 1 se prezintă caracteristicile fizice ale cuprului pur în funcţie de

temperatură. Tabel 1

TemperaturaC

+20 +600 +850 +1000 +1083 +1083 - -

1 2 3 4 5 6 7 8 9Densitateag/cm3

8,9 8,7 8,5 8,4 8,3stare solidă

7,9stare lichidă

- -

TemperaturaC

-255 -175 -75 -20 +20 +200 +300 +20...500

Coef. de dilatareliniară(1/C)10-6

4,5 10,0 - 15 16,3 16,8 17,7 18,6

TemperaturaC

-273 -175 -75 0 +400 +800 - -

Căldura masicăcal/gC

- 0,06 0,085 0.09 0,1 0,11 - -

1 2 3 4 5 6 7 8 9TemperaturaC

-269 -260 -246 -184 0 +20 +200 +600

Conductivitatea termicăcal/cmsC

17 32 11,5 1,3 0,91 0,923 0,89 0,84

TemperaturaC

+25 +100 +150 +200 +527 +1083 - -

Conductivitatea electricăm/mm2

58 47 41 35 20 8,7 - -

TemperaturaC

-250 -184 -73 +25 +100 +200 +1083 1083

Rezistivitateamm2/m

0,001 0,103 0,01 0,017 0.022 0.030 0,11staresolidă

0,21starelichidă

În tabelul 2 se prezintă caracteristicile mecanice ale cuprului; D-deformat, R-recopt şi T- turnat, la temperaturi cuprinse între 20-400C.

Tabel 2RmN/mm2

RpN/mm2

A%

ReN/mm2

EdaN/mm2

GdaN/mm2

HBdaN/mm2

KCUdaN/cm2

20CD R T D R 200

C400C

D R T D R 11500 4250 D R T 16-

400 -500

200 -240

160 - 170

380 70 50 14 4 -6

40 -50

18-24

300 70 90 -120

40-45

35 - 40

18

După cum se observă din tabel, rezistenţa mecanică a cuprului, comparativ cu cea a oţelului, este relativ scazută, de asemenea şi duritatea sa este redusă.

Densitatea cuprului este de cca. 8,9 g/cm3. Din această cauză, cuprul şi aliajele de cupru au căpătat denumirea de aliaje neferoase grele. Deci cuprul conduce căldura şi electricitatea de 11 ori mai bine decât oţelul şi se dilată de 1,3 ori mai mult. Temperatura de topire este de 1083°C, iar contracţia volumica la solidificare este de cca. 4,8%. Proprietăţile mecanice şi tehnologice sunt influenţate de o serie de factori, dintre care cele mai importante sunt:

Temperatura

Prin creşterea temperaturii, rezistenţa la rupere a cuprului, scade puternic, astfel la 20°C este de 20-25 daN/mm2, iar la temperatura de 400°C este de 2,5 ori mai mică, iar în domeniul 500-600°C, deviine fragil.

ImpurităţileAcestea prezente în cupru, influenţează direct caracteristicile metalului. Ele

pot fi clasificate în trei categori: - impurităţi solubile în cupru, în stare solidă; - impurităţi insolubile în stare solidă şi care formează eutectici uşor fuzibili, - impurităţi ce formează compuşi chimici fragili. Cele mai dăunătoare impurităţi sunt, impurităţile insolubile de; Bi şi Pb, deoarece formează eutectici uşor fuzibili, care se aşază la limita grăunţilor de cupru şi acesta devine fragil la cald.

Cuprul prezintă afinitate faţă de oxigen, formând cu acesta oxidul cupros Cu2O. Cu2O este stabil pâna la temperatura de 380°C când se combină cu Cu, formând oxidul cupric CuO. Între Cu şi Cu2O există o solubilitate accentuată în stare lichidă, iar eutecticul (Cu + Cu2O), plasat la limitele grăunţilor, are o temperatură de topire mai redusă decât a cuprului. Pentru a elimina acţiunea dăunătoare a impurităţilor în compoziţia chimică a mărcilor de cupru, acestea sunt limitate la urmatoarele valori:

02 0,10%; Bi 0,003%; S 0,01%; P 0,005%.

Fosforul, sulful, seleniul şi telurul, sunt impurităţi ce formează cu cuprul compuşi chimici fragili, ce inrăutăţesc considerabil proprietăţile cuprului: Cu3P (14,24%P, temperatura de topire Ttop=1018C); Cu2S (20.15%S, Ttop=1129C); Cu2Se (38,22%Se, Ttop=1110C); Cu2Te (50,10%Te, Ttop=875C)

Oxigenul şi sulful, formează cu cuprul eutectice mai greu fuzibile, cu temperatură de topire mai înalte, de aceea, prezenţa acestora în cupru îngreunează lipirea şi cositorirea, iar în cantităţi mai mari conduc la fragilizarea la cald şi la rece a acestuia.

Starea materialuluiCaracteristicile mecanice şi tehnologice, variază puternic pentru cazurile

când metalul este recopt sau ecruisat. În stare ecruisată rezistenta la rupere, limita de curgere şi duritatea cresc puternic, în schimb alungirea relativă scade de aproape 7 ori.

Pentru obţinerea unor materiale cu proprietăţi superioare şi la un preţ de cost mai scăzut, cuprul se înlocuieşte parţial cu alte elemente, rezultând aliajele de cupru. Aliajele de cupru sunt împărţite în două mari categorii:

1- Alamele.Acestea pot fi obişnuite, Cu-Zn, sau speciale de genul: Cu-Zn-Al, Mn, Ni,

Sn, Si.Alamele obişnuite sunt cele mai utilizate aliaje ale cuprului, datorită

proprietăţilor tehnologice favorabile ca, mare plasticitate, bună fluiditate sau bună rezistenţă la coroziune în medii diferite.

Structura alamelor de importanţă practică, conform figurii 3, în funcţie de compoziţia chimică sunt: - 0...38% Zn, soluţie solidă ; - 38...48% Zn, soluţie solidă + ; - 48...50% Zn, soluţie solidă ; la peste 50% Zn, apar faze fragile , şi .

Alamele se prelucrează foarte bine prin deformare plastică la cald şi la rece, alamele + au duritate relativ ridicată, se prelucrează bine la cald, dar la rece au plasticitate foarte mică. Alama la temperatură mai mare de 500C, are plasticitate mai bună şi rezistenţă mai mică, în raport cu alama , pentru laminare la cald fiind mai indicate alamele + sau .

Între temperaturile de 200-600C în alame apare fragilitatea, datorită formării de către unele impurităţi (Pb, Sb, Bi) a unor straturi intercristaline uşor fuzibile. Cu creşterea temperaturii, prin difuzie aceste straturi se dizolvă şi plasticitatea alamelor creşte.

O categorie aparte de alame o constituie alamele pentru lipit.Acestea se utilizează pentru executarea aşa numitelor lipituri tari, cu

temperatura de topire relativ ridicată (800- 900°C).Drept alame pentru lipit se utilizează aliajele de Cu-Zn cu conţinut ridicat de

zinc (cca. 40% Zn) şi care mai conţin 0,2-0,3% Si, în calitate de dezoxidant şi uneori 1% Sn.

Influenţa elementelor de aliere asupra aliajelor binare Cu-Zn, în ceea ce priveşte structura şi proprietăţilr lor, se poate aprecia cu ajutorul coeficienţilor Guillet, prezentaţi în tabelul 3, determinaţi cu ajutorul relaţiei:

ZnK C Zn

K C Zn Cuechivg i

g i

100 %

în care: Kg este coeficientul Guillet pentru elementul i de adaos; Ci reprezintă conţinutul procentual de element i; Zn şi Cu - conţinutul de Zn, respectiv de Cu.

Fig.3 Diagrama de echilibru Cu-Zn

Tabel 3

Elementul Si Al Sn Mg Pb Cd Fe Mn Ni Co Zn CuCoeficientulKg

+10 +6 +2 +2 +1 +1 0,9 -0,2

+0,5 0,5 -1,3

0,1 -1,5

+1 -1

Variaţia caracteristicilor mecanice în

raport cu conţinutul de Zn se prezintă în figura 4, din care rezultă că plasticitatea maximă o are alama cu 32%Zn, iar maximul de rezistenţă o are alama cu 45%Zn.

BronzuriAcestea la rândul lor pot fi

Fig.4 Variaţia unor caracteristici mecanice ale alamelor în funcţie de conţinutul de Zn

- obişnuite de tip; Cu-Sn sau - speciale de genul; Cu-Pb, Si, Mn, Be, Al, Zr. Diagrama de echilibru a bronzurilor obişnuite Cu-Sn este prezentata în figura 5.

Bronzurile cu Sn au mare tendinţă de segregare. Pentru a reduce această tendinţă şi pentru îmbunătăţitra proprietăţilor fizico-mecanice şi tehnologice se folosesc elemente de aliere.

Zincul micşorează intervalul de solidificare, măreşte fluiditatea, reduce tendinţa de saturare cu gaze şi de formare a sulfurilor.

Plumbul măreşte compactitata pieselor turnate, stabilitatea la coroziune în acizi şi îmbunătăţeşte prelurabilitatea prin aşchiere.

Fosforul reduce tendinţa de absorbţie a gazelor în topitură, măreşte intervalul de solidificare şi fluiditatea aliajului.

Nichelul micşorează grăunţii şi îmbunătăţeşte caracteristicile mecanice, mai alas duritatea.

Impurităţile dăunătoare în acestea sunt; O2, Al, As, Sb, Fe, Si, B.

Oxigenul formează cu Sn; SnO2 dur şi fragil, care determină fisurarea bronzurilor deformabile în timpul prelucrării, aluminiul generează porozitatea

Fig.5 Diagrama de echilibru a sistemului Cu-Sn

pieselelor turnate, iar Fe, As, Sb, Si sunt dăunătoare în special în bronzurile deformabile, deoarece reduc plasticitatrea la cald şi la rece.

Comportarea la sudare a cuprului Proprietăţile specifice ale cuprului, influenţează direct comportarea la sudare

prin urmatoarele aspecte: Conductivitatea termică mare disipă rapid căldura în masa metalică a componentelor de sudat. Din acest motiv este necesară preîncălzirea componentelor înainte de sudare şi utilizarea de surse termice concentrate de mare putere. Pentru preîncălzire, trebuie avut în vedere că, în intervalul de temperatură 20-550°C, scade rezistenta şi plasticitatea cuprului. Deformaţile şi respectiv tensiunile interne, datorate coeficientului mare de dilatare lineară pot produce fisurarea cusăturii şi a ZIT-ului. Acest inconvenient este înlăturat prin crearea posibilităţii de contracţie şi dilatare liberă a componentelor, la care se adaugă şi efectul favorabil al preîncălzirii; Apariţia fisurilor de cristalizare şi a porilor. Apariţia fisurilor în cusatură şi în ZIT este determinată de două cauze: - absorţia de oxigen în timpul sudării, care se adaugă la cantitatea de oxigen existentă în metalul de bază, - prezenţa unor elemente impurificatoare de genul (Bi şi Pb) care formează eutectici uşor fuzibili. Eutecticul (Cu+Cu2O), se dispune la limita de grăunte având temperatura de topire mai scăzută (1064°C) decât cupru (1083°C) şi fragilizează îmbinarea la încălzire, ducând la apariţia fisurilor. Sudarea pieselor din cupru a căror conţinut de oxigen este mai mare de 0,386% este imposibilă, deoarece la această concentraţie metalul de bază este constituit în proporţie de 100% din eutecticul (Cu+Cu2O).11 Absorţia oxigenului din atmosferă şi din metalul de adaos creşte, proporţional cu temperatura şi atinge maximul la temperatura de topire a metalului. Se remarcă o îmbogăţire în oxigen şi a zonei influenţate termic. Reducerea procentului de oxigen dizolvat în baia metalică se poate realiza prin mai multe metode:

protejarea metalului lichid cu zgure sau gaze inerte; dezoxidarea cuprului lichid cu elemente ca: P, Mn, Si, Zn, Al ; legarea oxizilor care se formează pe suprafaţa băii metalice cu fluxuri pe

bază de B şi trecerea lor în zgură; forjarea îmbinării sudate, în scopul distrugerii peliculei de oxizi.

Eliminarea elementelor impurificatoare Bi şi Pb se realizeaza prin introducerea în baia de sudură a unor fluxuri pe bază de Zr, Ce, Li, Mg. Aceste elemente fixează impurităţile sub forma unor compuşi chimici, greu fuzibili ce se

dispun ca incluziuni compacte în interiorul grăunţilor. Această modificare a structurii determină îmbunătăţirea caracteristicilor mecanice. Apariţia porilor în cusătură, este legată de difuzia hidrogenului în metalul încălzit. Hidrogenul reacţionează cu Cu2O şi formează vapori de apă conform reacţiei:

H2 + Cu2O = 2 Cu + H2O Vapori de apă nu pot difuza în metalul solidificat şi presiunea lor locală creşte producând pori şi fisuri. Acest fenomen este cunoscut sub denumirea de boala de hidrogen. Aceste inconveniente pot fi înlăturate prin eliminrea umidităţii din fluxuri şi învelişurile electrozilor. Se remarcă faptul că impurităţile: Ni, Fe, Si, Co, măresc rezistenţa metalului topit la formarea fisurilor de cristalizare şi în acelalşi timp, reduc tendinţa de creştere a grăunţilor din ZIT. Pentru îmbunătăţirea proprietăţilor mecanice ale îmbinari sudate se recomandă ca după sudare, cusătura sa fie supusă unei detensionări mecanice prin ciocănire. De obicei, această ciocănire se efectuează la temperatura de cca. 700°C sau la temperatura de 300°C. În intervalul de 450-650°C nu este permisă această operaţie, datorită fragilităţii ridicate a cuprului. Pentru mărirea plasticităţii metalului de bază, acestuia, i se poate aplica o încălzire la temperatura de cca. 650°C, urmată de o răcire bruscă în apă. Sudarea cuprului se poate face practic prin toate procedeele de sudare. Frecvent se utilizează procedeele: sudarea cu flacară oxiacetilenică, sudarea manuală cu electrozi înveliţi, sudarea automată sub strat de flux, sudarea în medii de gaze protectoare WIG, MIG . Cuprul se mai poate suda cu jet de plasmă şi fascicul de electroni, la grosimi mari, fară teşirea marginilor, având în vedere concentraţia mare a căldurii.

Comportarea la sudare a aliajelor de cupru La sudarea alamelor principala dificultate ce apare, o constitue arderea

zincului din matricea metalică. Zincul se topeşte la temperatura de 419C, iar la temperatura de 905C arde intens, vaporizându-se sub formă de oxid de zinc (ZnO), conform reacţiei:

2 Zn + O2 = 2 ZnO

Datorită temperaturii ridicate de topire a alamei, funcţie de compoziţia chimică (între 700...1000C), la formarea băii lichide, în momentul sudării, un procent însemnat de Zn se volatilizează, oxidându-se parţial până la ZnO.

În funcţie de procedeele de sudură folosite, procentul de zinc, ars, variază între 24...25%, ceea ce duce la apariţia porilor în cusătură şi la scăderea proprietăţilor mecanice.11

Metodele de diminuare a acestui proces de oxidare, constau în folosirea de fluxuri, care protejază baia de metal lichid împotriva oxidării şi utilizarea unor elemente dezoxidante ca, Al, Si, Mn, Ni, care introduse în metalul de adaos, reduc puternic oxidarea zincului. La sudarea alamelor mai pot să apară fisuri de cristalizare în ZIT şi cusătură. Deoarece ele sunt rezultatul deformaţilor şi solicitărilor termice ce apar în procesul sudării, aplicarea preîncălzirii la 200...300C rezolvă satisfăcător aceste inconveniente.

Comportarea la sudare a bronzurilor este condiţionată de compoziţia chimică a acestora.

Sudarea bronzurilor cu staniu, prezintă pericolul fisurării la cristalizare, deoarece staniul în exces, existent la limita grăunţilor, se topeşte uşor şi reduce rezistenţa materialului.

Un alt aspect este legat de conductibilitate şi coeficienţi de dilatare termică ridicaţi, care generează tensiuni ce pot conduce la apariţia fisurilor. Preîncălzirea la temperaturi cuprinse între 500-600C, (evitându-se supraîncălzirea şi răcirea lentă) înlătură deficienţele prezentate.

La sudarea bronzurilor cu aluminiu este posibilă apariţia peliculei de Al2O3

care are temperatura de topire şi masa specifică mai mare decât a metalului lichid şi care se depune la partea inferioară a băii de sudură. Pentru înlăturarea acestui inconvenient se recomandă utilizarea fluxurilor dezoxidante pe bază de floruri, cloruri şi elemente alcalino-pământoase.

Bronzurile cu siliciu au o comportare bună la sudare.Bronzurile cu nichel ridică probleme dificile la sudare, mai ales când

procentul de nichel depăşeşte 16%. Oxidul de nichel, greu fuzibil, reacţionează slab cu fluxurile utilizate.

Pentru sudarea alamelor se utilizează următoarle procedee de sudare: - sudare cu flacără oxiacetilenică şi sudare manuală cu electrozi înveliţi; iar pentru sudarea bronzurilor; - sudarea manuală cu electrozi inveliţi şi sudarea în medii de gaze protectoare,

WIG şi MIG.