Lucrri de laborator

84

L U C R A R E A N R . 1 0

S T U D I U L M E T A L O G R A F I C A L M E T A L E L O R I A L I A J E L O R N E F E R O A S E . A L U M I N I U L I

A L I A J E L E S A L E

Aluminiul este metalul cel mai folosit din categoria metalelor uoare (greutatea specific 2,72 g/cm3) datorit proprietilor sale:

conductivitate termic i electric bun (60% din conductivitatea Cu);

plasticitate ridicat; rezisten bun la coroziune datorit formrii unei pelicule

superficiale compacte de oxid (Al2O3) care-l protejeaz de aciunea agenilor chimici.

Aluminiul n stare pur este folosit la executarea conductorilor electrici, n industria chimic ca material de placare anticoroziv, n industria alimentar, etc.

10.1. Microstructura aluminiului i aliajelor sale Spre deosebire de alte metale care cristalizeaz CFC (Cu), structura aluminiului este format din gruni poligonali nemaclai. Deformrile duc la apariia liniilor de alunecare i la alungirea grunilor. Prin ecruisare rezistenele la rupere i duritatea cresc relativ puin fa de valorile lor n stare recoapt. De aceea, mbuntirea proprietilor mecanice se realizeaz n special prin aliere cu diverse elemente care formeaz cu Al soluii solide i faze

intermetalice. Al tehnic poate conine 0,3-0,5% impuriti dintre care principale sunt Fe i Si. Fe este aproape insolubil n Al n stare solid (max. 0,03% la temperatura eutectic de 655C) i reprezint un inconvenient, deoarece fragilizeaz Al i aliajele lui; trebuie meninut sub 0,3-0,4% Fe.

Fig. 10.1. Aluminiu tehnic, atacat 300:1

Studiul metalografic al metalelor i aliajelor neferoase. Aluminiul i aliajele sale

85

Dac Al conine i Fe i Si, se formeaz compui intermetalici ternari [Fe-Al-Si] i [Fe-Al-Si] care mresc mult fragilitatea aliajului. Microstructura Al tehnic cu impuriti de Fe i Si (1% Fe+1% Si+0,1% (Cu+Zn)+Al-rest) este dat n fig. 10.1. Dup atacul cu soluie 1% acid fluorhidric n structur se observ gruni cristalini i separrile de faze intermetalice FeAl3 i -AlFeSi la limitele sau n interiorul grunilor. Se folosete n construcii civile, navale, rutiere i pentru elaborarea aliajelor uoare. Al este foarte susceptibil la fenomenul de supranclzire (creterea dimensiunilor grunilor la creterea temperaturii). Al formeaz aliaje binare cu Si, Cu, Mn, Mg i Zn cu care formeaz diagrame asemntoare ntre ele, cu eutectic i descompunerea parial a soluiei solide terminale i aliaje complexe.

10.1.1. Aliaje Al-Si (siluminuri) Sunt folosite n tehnic cu pn 20% Si. Diagrama de echilibru Al-Si prezint o solubilitate limitat foarte restrns, neglijabil i prezint un eutectic la 11,7% Si i 577C. Aceste diagrame pot fi durificate prin precipitare i sunt aliaje ideale pentru prelucrarea prin turnare, avnd o

Fig. 10.2. Diagrama Al-Si

Fig. 10.3. Silumin 11-13% Si

nemodificat. Atac cu acid fluorhidric (100:1)

Fig. 10.4. Silumin 11-13% Si modificat cu 0,1% Na. Atac cu acid fluorhidric

(100:1)

Lucrri de laborator

86

fluiditate foarte bun i o absorbie de gaze minim. mbuntirea proprietilor acestor aliaje se face prin tratamentul chimic de modificare. Ca modificatori se folosesc Na, K, care adugai n aliaje finiseaz structura i mut punctul eutectic la dreapta (de la 11,7% la 14% Si (fig. 10.2) transformnd aliajele hipereutectice neutilizabile din cauza cristalelor de Si de form acicular sau plat, foarte dure, n aliaje hipoeutectice cu proprieti de rezisten mai ridicate.

Structura siluminurilor hipoeutectice nemodificate este format din soluie solid foarte bogat n Al i eutectic acicular (+Si) (fig. 10.3); prezint proprieti mecanice relativ sczute, rezisten la coroziune destul de slab. Se utilizeaz pentru turnarea de piese care nu sunt supuse la solicitri mecanice. Structura siluminurilor modificate parial este dat n

fig. 10.4 n care se observ pe lng dendritele de soluie solid (de culoare alb) plci i ace de Si incluse n masa eutectic. Prin modificare, proprietile mecanice sunt mult mbuntite, deoarece structura devine mai fin. Se ntrebuineaz la turnarea pieselor pentru construcii de maini (locomotive Diesel electrice). n fig. 10.5 este prezentat microstructura unui aliaj de aluminium pentru pistoanele motoarelor cu ardere intern (4,5% Cu+2,3% Ni+1,8% Mg+0,6% Si+Al-rest). Acest aliaj prezint rezisten la compresiune bun pn la 300-350C, coeficient de frecare i greutate specific reduse, duritatea n urma tratamentului termic 100-150 HB.

10.1.2. Aliaje Al-Cu Sunt aliaje de mare importan tehnic, fiind aliaje durificate prin precipitare. La aliajele cu mai puin de 5% Al, prin clire se obine o soluie solid suprasaturat (), moale, din care prin mbtrnire artificial sau natural se separ precipitatul dur CuAl2, care duce la creterea duritii i a rezistenei aliajului.

Fig. 10.5. Aliaj de Al pentru pistoane.

300:1. Atacat

Studiul metalografic al metalelor i aliajelor neferoase. Aluminiul i aliajele sale

87

Aceste aliaje se pot prelucra prin turnare avnd o contracie sczut i prin deformare plastic imediat dup clire, cnd sunt plastice.

10.1.3. Aliaje Al-Mg Aliajele industriale conin pn la 10% Mg; peste aceast cantitate n structur apare faza Al3Mg2, foarte dur i fragil. Sunt aliaje cu o rezisten mecanic bun i o rezisten la coroziune foarte bun n medii slab alcaline i n ap de mare. Sunt aliaje att de deformare plastic ct i de turnare. Practic nu sunt durificabile prin precipitare. Aliajele deformabile Al-Mg conin 17% Mg i 0,10,6% Mn. Sunt aliaje mai uoare dect Al, dure, cu rezisten mecanic i prelucrabilitate prin achiere superioare, rezisten la coroziune marin i n soluii slab alcaline, deformabilitate la rece i n stare ecruisat. Se folosesc ca nlocuitor al Al n construcia de avioane, industria naval, chimic, alimentar. Aliajele deformabile Al-Mg-Si numite avial sunt durificabile prin punerea n soluie a compusului Mg2Si i mbtrnire artificial la 100200C. Aliajele de turnare au 39% Mg, dar au proprieti inferioare siluminurilor.

10.1.4. Aliaje Al-Mn Manganul este obinut n cantiti mici n aproape toate aliajele Al. Aliajul Al-Mn este un aliaj deformabil, cu 1-1,5% Mn; acesta este folosit ca nlocuitor al Al pur la construcii care necesit o rezisten mecanic mai bun i o rezisten la coroziune superioar. Aliajele tehnice de Al-Mn conin pn la 2% Mn, deoarece peste aceast cantitate n structur apar cristale foarte dure de Al6Mn sub form de plci alungite, care fragilizeaz aliajul. Structura aliajelor tehnice de Al-Mn n stare turnat prezint soluie solid bogat n Al i eutecticul (+Al6Mn). Sunt aliaje care nu se durific prin tratament termic i sunt deformabile prin ambutisare (vase, tacmuri, etc.)

10.1.5. Aliaje Al-Fe Aceste aliaje formeaz o diagram cu un eutectic foarte apropiat de Al pur i cu peritectic. Fe trebuie s fie n cantiti

Lucrri de laborator

88

foarte mici (sub 0,5%) pentru a mpiedica formarea acelor dure i fragile de Al3Fe. Fierul ca i manganul este cuprins n procente mici de ctre toate aliajele de Al. La coninuturi mari de Fe (3,5% Fe) n structur se separ cristale aciculare lungi de Al3Fe care pot juca rolul de constitueni duri n aliaje antifriciune.

10.1.6. Aliaje complexe de Al Sunt aliaje laminabile; se pot durifica prin tratament termic, fiind aliaje cu baza Al-Cu i conin urmtoarele elemente de aliere: Cu, Mn, Mg, Si. Aceste aliaje se cunosc sub denumirea de duraluminiu. n stare de echilibru structura duraluminiului este format din soluia solid n care sunt nserai compuii intermetalici Cu-Al2, CuMgAl2, Mg2Si etc. n functie de coninutul elementelor de aliere, aliajele de tip duraluminiu se mpart n trei grupe:

slab aliate: 2,03,5% Cu, 0,20,5% Mg, 0,20,5% Mn; mediu aliate: 3,54,5% Cu, 0,30,8% Mg, 0,30,8% Mn; bogat aliate: 4,65,2% Cu, 0,61,8% Mg, 0,61,2% Mn.

Odat cu cresterea gradului de aliere crete rezistena mecanic i duritatea, dar scad proprietile de plasticitate. De aceea, duraluminurile bogat aliate se prelucreaza mult mai greu prin laminare. Cuprul i magneziul determin rezistena duraluminiului care este direct proporional cu coninutul acestor elemente. Aceasta se datoreaz compuilor Al2Cu si Al2CuMg solubili in aluminiu ce provoac durificarea aliajului prin tratament termic. Manganul se introduce pentru neutralizarea influenei negative a fierului i pentru creterea rezistenei la rupere i la

coroziune a aliajelor de tip duraluminiu; datorit efectului negativ pe care l are asupra plasticitii, coninutul de Mn este limitat la 1,2%. Proprietile mecanice ridicate ale duraluminiului se obin n urma procesului de mbtrnire natural (piesele clite se las la temperatura ambiant cca 6 zile) sau prin mbtrnire artificial (piesele clite se nclzesc cca 3 ore la

Fig. 10.7. Duraluminiu (4,5% Cu+1,8% Mg+1,2% Mn+impurit.Fe+Si+Al-rest), deformat plastic i tratat termic (clit i

mbtrnit)

Studiul metalografic al metalelor i aliajelor neferoase. Aluminiul i aliajele sale

89

temperatura de 220C). Identificarea (fig. 10.7) constituienilor metalografici n aliajele complexe de Al se face foarte greu, deoarece multe faze care se formeaz n aceste aliaje sunt nc necunoscute. Unele cristale pot fi recunoscute dup forma i culoarea lor: Si apare sub form de plci sau ace cenuii, Al2Cu este de culoare roz, Al3Fe sub form de ace cenuii deschise, Al3Mg2 este de culoare alb. Uneori se impune un atac difereniat i repetat pentru a putea evidenia n mod sigur un constituient metalografic n aceste aliaje complexe de aluminiu. Se ntrebuineaz ca aliaj uor de mare rezisten n construcii aeronautice sau sub form de semifabricate (table, profile).

10.2. Aparatur i materiale Se folosesc microscoape metalografice i probe metalografice pregtite n prealabil. La pregtirea probelor trebuie avut n vedere obinerea unei suprafee plane fr zgrieturi, evitndu-se smulgerea fazelor intermetalice dure. De aceea la lefuire se recomand hrtia metalografic mbibat n parafin, iar la lustruire alumin 3 cu granulaie fin, iar n final, lustruire pe catifea fr agent de lustruire. Pentru identificarea compuilor intermetalici din aliaje complex aliate se folosesc reactivi diferii. Pentru evidenierea structurii se folosesc reactivi care s dizolve pelicula de Al2O3.

10.3. Modul de lucru Structurile se vor studia la microscop i se vor reda grafic, prin desenare, indicndu-se constituienii metalografici ai probelor din aliaje de aluminiu diferite.