Universitatea Petrol Gaze din Ploieti Facultatea de Inginerie Mecanic i Electric Domeniul de studii universitare de licen: Inginerie mecanic

prof. univ. dr. ing. Gheorghe ZECHERU

STUDIUL SI INGINERIA MATERIALELOR SIM 2Suport de curs SIM2 S199. METALELE SI ALIAJELE NEFEROASE9.1. Introducere 9.2. Aluminiul i aliajele pe baz de aluminiu 9.3. Cuprul i aliajele pe baz de cupru 9.4. Titanul i aliajele pe baz de titan

PLOIESTI 2010

9. METALELE SI ALIAJELE NEFEROASE9.1. Introducere Metalele i aliajele neferoase dein n prezent n aplicaiile tehnice o pondere de aproape 20 de ori mai mic dect cea corespunztoare aliajelor feroase (fonte i oeluri). Motivele utilizrii preponderente n tehnic a fontelor i oelurilor sunt numeroase: resursele de materii prime necesare elaborrii acestor aliaje sunt uor accesibile i destul de uniform distribuite pe glob, tehnologiile de elaborare i de realizare a semifabricatelor i pieselor din astfel de aliaje sunt bine fundamentate tiinific i asigurate logistic, proprietile (caracteristicile) lor mecanice sunt ridicate i pot fi relativ uor modificate i adaptate condiiilor de utilizare prin aplicarea de tratamente termice i termochimice, produsele confecionate din aceste materiale sunt reciclabile i ecologice, costurile implicate de elaborarea unor astfel de aliaje i de transformarea lor n produse se coreleaz favorabil cu performanele tehnice pe care aceste produse le asigur etc. Cu toate acestea, metalele i aliajele neferoase reprezint i vor reprezenta i n viitor o categorie de materiale de mare importan tehnic, datorit unor proprieti pe care acestea le prezint (i care nu sunt asigurate de aliajele feroase sau se obin mai greu la aceste materiale, cu cheltuieli inadmisibil de mari): rezisten ridicat la coroziune (n prezena mediilor de lucru chimic active), conductibilitate termic i electric mare, capacitate bun de prelucrare prin turnare, deformare plastic sau achiere, tenacitate bun la temperaturi sczute, valori ridicate (mai mari dect cele asigurate de fonte i oeluri) ale raportului dintre rezistena mecanic i masa specific (densitate), capacitate foarte bun de a conferi produselor caracteristici estetice deosebite etc. Deoarece proprietile aliajelor neferoase sunt determinate n msur important de proprietile componentului lor principal (metalic), n tabelul 9.1 sunt prezentate metalele folosite frecvent drept componente de baz ale acestor aliaje i sunt precizate clasele de puritate industrial n care pot fi obinute aceste metale, impuritile ce au influene (negative) majore asupra proprietilor lor i cele mai utilizate tipuri de aliaje binare n care fiecare din aceste metale este componentul de baz (principal).Tabelul 9.1. Caracteristicile principalelor metale utilizate drept componente de baz ale aliajelor neferoase Principalele Principalele clase de aliaje Metalul Mrcile industriale * impuriti binare folosite n tehnic STAS 7607: Al 99,99; Al 99,97; Al 99,95; Al Al-Cu, Al-Si, Al Fe, Bi, Sn, Pb,As, Sb 99,90;Al 99,8; Al 99,75;Al 99,7; Al-Mg, Al-Zn Al 99,6; Al 99,5; Al 99,3; Al 99 Cu-Zn, Cu-Sn, STAS 270/1:Cu 99,99; Cu 99,98; Cu 99,97; Cu Sn, Pb, Bi, S, P Cu Cu-Al, Cu-Be 99,95; Cu 99,9; Cu 99,5 Ti Ti 99,5; Ti 99,4; Ti 99,3 Pb, Si, Fe Ti-Al; Ti-Ni STAS 10309: Sn 99,9; Sn 99,565; Sn 99; Sn-Pb; Sn-Zn; Sn As, Fe, Cu, Pb, Bi, Sb, S Sn 98,4; Sn 96,35 Sn-Sb; Sn-Hg STAS 10502: Ni 99,99; Ni 99,95; Ni 99,8; Ni Ni-Cu, Ni-Cr, Ni S, O, P,C, Pb,Bi,Cd 99,5; Ni 98,6; Ni 97,6 Ni-Mo, Ni-Fe STAS 646: Zn 99,99; Zn 99,985; Zn 98,6; Zn Zn-Al; Zn-Cu; Zn Pb, Cd, Fe, Cu, As, Sn 98,5; Zn 97,5 Zn-Cd; Zn-Mn Mg-Si; Mg-Mn; Mg STAS 10273:Mg 99,96; Mg 99,95; Mg 99,9 Fe, Si, Ni, Cu, Al, Mn Mg-Al; Mg-Zn * cifrele de dup simbolul chimic indic valoarea minim a concentraiei masice a metalului industrial, n %

Aliajele neferoase se pot clasifica folosind o multitudine de criterii; astfel: n funcie de numrul componentelor, aliajele neferoase pot fi: binare, ternare sau complexe; cele mai multe tipuri de aliaje utilizate n prezent n tehnic sunt complexe, dar, pentru a facilita studierea structurii i proprietilor fiecrui tip de astfel de aliaje, se ia ca baz cte un aliaj 1

binar reprezentativ i se consider c restul componentelor sunt elemente suplimentare de aliere (de exemplu, aliajele denumite n tehnic duraluminuri au ca baz aliaje Al Cu, n care sunt introduse suplimentar, n diverse concentraii i alte elemente de aliere dect cuprul: Mg, Mn etc., iar aliajele denumite n tehnic alame au ca baz aliaje Cu Zn, n care sunt introduse frecvent, n diverse concentraii i alte elemente de aliere dect zincul: Si, Al, Sn, Pb, Fe, Mn, Ni etc.); n funcie de constituia structural de echilibru (la ta), aliajele neferoase se ncadreaz n urmtoarele categorii: aliaje monofazice, care prezint n stare solid, la orice temperatur, o structur monofazic, alctuit din cristale de soluie solid avnd ca solvent componentul de baz; aliaje cu structur monofazic dup solidificare, n care precipit la rcirea ulterioar particule de faze secundare (de obicei, compui intermetalici); aliaje care conin n structur constitueni eterogeni (de tipul amestecurilor mecanice eutectice sau eutectoide); n funcie de posibilitile tehnologice de transpunere n produse i de prelucrare a acestora, aliajele neferoase pot fi: aliaje de turnare i aliaje deformabile plastic, iar n funcie de aptitudinile de a-i mri rezistena mecanic n urma aplicrii de TT, aliajele neferoase se clasific n: aliaje durificabile structural prin tratamente termice i aliaje nedurificabile prin tratamente termice. Aliajele neferoase (ca i fontele i oelurile) se pot clasifica i pe baza denumirii proprietii sau caracteristicii care le definete primordial utilitatea tehnic; de exemplu, se practic ncadrarea aliajelor neferoase n categorii ca: aliaje uoare (caracterizate prin densiti 4000 kg/m3), aliaje antifriciune, aliaje cu rezistena mecanic ridicat (dure), aliaje criogenice (cu tenacitate ridicat la temperaturi sczute), aliaje anticorosive (cu rezisten ridicat la aciunea mediilor agresive de lucru), aliaje uor fuzibile (cu temperaturi ts coborte) etc. Toate criteriile de clasificare anterior precizate se folosesc ns drept criterii secundare, pentru denumirea diverselor aliaje neferoase i sistematizarea studierii structurii i proprietilor lor, preferndu-se clasificarea acestora n funcie de componentul de baz i ncadrarea lor n categorii de tipul: aliajele aluminiului (aliaje pe baz de aluminiu), aliajele cuprului (aliaje pe baz de cupru), aliajele titanului (aliaje pe baz de titan), aliajele nichelului (aliaje pe baz de nichel) etc. 9.6. Aluminiul i aliajele pe baz de aluminiu Sub form de metal pur sau sub form de component de baz al unor aliaje, aluminiul este utilizat n prezent pentru realizarea de semifabricate i produse pentru multe ramuri economice importante: aeronautic, construcii civile i industriale, electrotehnic i telecomunicaii, energetic neconvenional (solar, eolian), forajul sondelor de petrol, chimie i petrochimie, fabricarea ambalajelor. Principalele proprieti fizico chimice i mecanice care trebuie remarcate, deoarece au determinat opiunile pentru utilizarea acestui metal n cele mai multe aplicaii, sunt: densitatea sczut, plasticitatea bun i conductibilitatea termic i electric ridicat. Aluminiul are o bun rezisten la coroziune n multe medii de lucru: atmosfere poluate, ape reziduale, vapori de ap, medii apoase care conin dioxid de carbon, soluii de acid sulfuric etc. Rezistena la coroziune a produselor din aluminiu se datoreaz acoperirii lor (pe cale natural sau prin aplicarea unor procedee tehnologice de tratare chimic sau electrochimic) cu o pelicul de Al2O3, aderent, compact i foarte rezistent la coroziune, care mpiedic atacarea produselor de ctre mediilor active de lucru. Prezena impuritilor (Fe, Cu, etc.) sau unele medii active (soluiile de acid azotic, soluiile de acid fosforic, amoniacul) pot determina declanarea unor procese de corodare intens a produselor din aluminiu. Aluminiul are o bun capacitate de a forma aliaje, principalele aliaje pe baz de aluminiu folosite n tehnic fiind prezentate n continuare. 2

9.6.1. Aliajele Al Cu Aliajele aluminiului avnd ca element de aliere principal cuprul au o larg utilizare n tehnic (construcia de maini, aeronautic, petrol, chimie i petrochimie etc.). Structura acestor aliaje se poate analiza apelnd la diagrama de echilibru fazic Al Cu, prezentat n figura 9.1. Fazele care apar pe aceast diagram au urmtoarele semnificaii: L este soluia lichid a componentelor Al i Cu; este soluia solid de substituie avnd ca solvent aluminiul i ca solut cuprul ( Al(Cu)); deoarece prezint, ca i solventul sau, structur cristalin de tip CFC, soluia solid se caracterizeaz printr-o bun plasticitate, putnd fi deformat plastic uor, att la cald ct i la rece; este un compus intermetalic de tip geometric, din categoria fazelor Laves, cu formula chimic Al2Cu i concentraia masic de cupru %Cum = 54,1%, care prezint o structur cristalin de tip tetragonal.

Fig. 9.1. Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Al Cu

Fig. 9.2. Structura de echilibru la ta a aliajelor Al Cu cu %Cum = 4 %

Asa cum se poate observa, diagrama de echilibru a sistemului de aliaje binare Al Cu are configuraia asemanatoare diagramei de echilibru prezentate n figura 9.3, corespunztoare aliajelor n a cror structur apare ca faz principal o soluie solid care are ca solvent componentul de baz al aliajelor i prezint o variaie important cu temperatura a capacitii de a dizolva componentele de aliere (solubilitatea componentelor de aliere n aceast faz scade puternic cnd se micoreaz temperatura). La piesele din astfel de aliaje se poate aplica TT de clire de punere n soluie, care const din nclzirea i meninerea o scurt durat la o temperatur tic (tso; ts), pentru obinerea unei structuri monofazice, alctuit din cristale de soluie solid B(A) omogen, urmat de rcirea rapid (de obicei, n ap) pentru meninerea structurii monofazice pn la ta. Analiznd modul de efectuare a acestui TT (v. fig. 9.3), rezult c prin rcirea rapid de la tic a structurii monofazice se mpiedic separarea din aceasta (prin procese bazate pe difuzie) a fazei (bogat n elemente de aliere) i se obine la ta o structur monofazic, alctuit din cristale de soluie solid suprasaturat n elemente de aliere (faz metastabil); deoarece realizeaz punerea (dizolvarea la nclzire i meninerea la rcire) n soluia solid a fazei , acest TT a fost denumit clire de punere n soluie (a fazei ). Spre deosebire de structurile (dure i fragile) realizate prin clirea martensitic, structurile (monofazice, cu cristale de soluie solid) obinute prin clirea de punere n soluie a aliajelor neferoase prezint o bun comportare la prelucrarea prin deformare plastic. Revenirea structurilor obinute prin clirea de punere n soluie a aliajelor neferoase, constnd din nclzirea i meninerea acestora la o temperatur tii [ta; tso), determin separarea din soluia 3

solid suprasaturat (metastabil) a unor precipitate care durific structura; datorit efectelor de durificare pe care le produce, TT de revenire aplicat structurilor obinute prin clirea de punere n soluie este denumit mbtrnire i poate fi mbtrnire natural, dac tii = ta sau mbtrnire artificial, dac ta < tii < tso.

Fig. 9.3. Configuraia diagramei de echilibru a sistemelor crora aparin aliajele neferoase la care se pot aplica TT de clire de punere n soluie

Fig. 9.4. Curba de mbtrnire la ti = 130 oC a unui aliaj Al Cu, cu %Cum = 3 %

Natura fazic i caracteristicile structurale ale precipitatelor care se formeaz la mbtrnire depind de mrimile parametrilor ti i m, deoarece aceste precipitate se formeaz prin procese de germinare i cretere, avnd la baz mecanisme ce presupun difuzia componentelor aliajului supus TT. Cercetrile ntreprinse pn n prezent au evideniat c, n funcie de temperatura i durata mbtrnirii aliajelor neferoase clite, n structura matricei se pot forma urmtoarele tipuri de precipitate: zonele GP (notate n acest mod dup numele cercettorilor Guinier i Preston care le-au detectat pentru prima oar prin tehnici de difracie cu raze X) apar la temperaturi i durate mici ale procesului de mbtrnire i sunt asocieri prefereniale de atomi ai componentelor de aliere din aliajul tratat; n mod obinuit, zonele GP au forma unor discuri cu diametrul de 5...8 nm i grosimea de 0,3...0,6 nm i se formeaz uniform n matruicea , prin procese de germinare omogen, ajungnd la frecvene de 10131015 zone/mm3; precipitatele sunt faze metastabile care se formeaz la durate mai lungi i/sau la temperaturi mai nalte de mbtrnire dect cele corespunztoare formrii zonelor GP i sunt faze distincte (cu structuri cristaline diferite de structura fazei stabile ), cu configuraie platiform (cu diametrul de 25...30 nm i grosimea de 1,5...2,0 nm), care pot fi evideniate n structur numai prin examinarea la microscopul electronic; precipitatele germineaz relativ uniform n matricea i sunt legate prin interfee coerente cu structura cristalin a acestei matrice; precipitatele sunt tot faze metastabile, cu dimensiuni suficient de mari pentru a putea fi observate prin examinarea structurilor la microscopul optic i care apar dac duratele i/sau temperaturile de mbtrnire sunt mai mari dect cele corespunztoare formrii precipitatelor ; precipitatele se formeaz prin germinare eterogen pe anumite defecte ale structurii cristaline a matricei (de exemplu, pe dislocaiile elicoidale) i sunt semicoerente cu structura cristalin a acestei matrice; precipitatele sunt faze stabile (de echilibru), care germineaz eterogen pe limitele grunilor cristalini ai matricei i sunt necoerente cu aceast matrice, putnd fi uor evideniate n structur prin examinarea la microscopul optic. n privina filiaiei diverselor tipuri de precipitate, cercetrile experimentale ntreprinse pn n 4

prezent au artat c orice precipitat se formeaz direct din matricea i nu prin transformarea precipitatelor existente anterior n structura aliajului supus mbtrnirii; astfel, la ridicarea temperaturii de mbtrnire de la ti la t i/ > ti, precipitatul specific temperaturii ti se dizolv n matricea i apoi din

matricea se separ un nou precipitat, corespunztor temperaturii t / > ti. Aceste particulariti ale formrii precipitatelor n timpul mbtrnirii aliajelor neferoase clite sunt valorificate practic la realizarea procesului de reversiune, care const din supranclzirea de scurt durat a aliajelor mbtrnite, pentru reconstituirea strii structurale monofazice pe care aliajele o aveau dup clirea de punere n soluie (supranclzirea de scurt durat asigur dizolvarea n matricea a precipitatelor formate prin mbtrnire, dar nu ofer timpul necesar separrii precipitatelor specifice temperaturii la care s-a supranclzit aliajul). Transformrile structurale produse prin mbtrnire sunt nsoite de modificri ale proprietilor aliajelor clite, n principal de creterea rezistenei mecanice i duritii acestora; pentru orice aliaj clit i mbtrnit, efectul de durificare al mbtrnirii se poate evidenia cu ajutorul unor curbe de mbtrnire, reprezentnd dependenele experimentale dintre duritatea aliajului mbtrnit i parametrii de regim ai mtrnirii: HVr = f(ti = ct.; m) sau HVr = g(ti; m = ct.). Aa cum se poate observa analiznd curba de mbtrnire HVr = f(ti = 130 oC; m) a unui aliaj Al Cu (cu %Cum = 3 %), prezentat n figura 9.4., efectul de durificare al mbtrnirii crete n cursul formrii precipitatelor semicoerente (zonele GP i precipitatele ) i scade odat cu apariia precipitatelor semicoerente () i necoerente (); se ajunge astfel la ideea (confirmat prin cercetri experimentale) c efectul de durificare este o consecin a interaciunii dintre dislocaiile matricei aliajului mbtrnit i precipitatele coerente, acest efect diminundu-i intensitatea odat cu distrugerea coerenei dintre matricea structural a aliajului i precipitatele formate la mbtrnire. Desfurarea proceselor de precipitare la mbtrnire i efectele de durificare produse de acestea pot fi influenate substanial dac, ntre clirea de punere n soluie i mbtrnire, semifabricatele sau piesele din aliaje neferoase se supun unor operaii de deformare plastic la rece. Aliajele Al Cu se pot supune TT de clire de punere n soluie, fiind susceptibile de a fi durificate prin clire i mbtrnire natural sau artificial. Pornind de la aceast observaie, aliajele Al Cu se pot clasifica n dou categorii: a) aliaje deformabile i durificabile structural prin TT; b) aliaje pentru turnare. a. Aliajele industriale Al Cu deformabile i durificabile structural prin TT se caracterizeaz printr-o concentraie masic de cupru %Cum = 2...5 % (situat n intervalul delimitat de abscisele punctelor C i B ale diagramei de echilibru din figura 9.1) i au structura de echilibru la ta alctuit dintr-o matrice de soluie solid , n care sunt distribuite uniform particule de faz secundar , aa cum se poate observa n figura 9.2. Procesul tehnologic prin care se realizeaz prelucrarea prin deformare plastic i durificarea structural a unui semifabricat confecionat dintr-un astfel de aliaj are urmtoarele etape: clirea de punere n soluie, constnd din rcirea n ap a semifabricatului nclzit la o temperatur tic situat n intervalul (tso, ts), pentru obinerea la ta a unei structuri monofazice, alctuit din cristale de soluie solid suprasaturat n cupru; prelucrarea prin deformare plastic a semifabricatului cu structur monofazic ; mbtrnirea (natural sau artificial), constnd din meninerea produsului prelucrat prin deformare plastic la o temperatur tii [ta, ts0), n vederea separrii din soluia solid suprasaturat a precipitatelor (zone GP, , sau ) capabile s produc durificarea la nivelul dorit a structurii. Aliajele industriale aparinnd acestei categorii au compoziie complex, alierea aluminiului cu mai multe elemente fiind determinat de necesiti privind mbuntirea prelucrabilitii prin deformare plastic, anihilarea influenelor negative ale unor impuriti greu de eliminat la elaborare, sporirea capacitii de durificare prin clire i mbtrnire, mbuntirea rezistenei la coroziune etc. Cele mai folosite sunt aliajele Al Cu Mg cu adaosuri de Mn, cunoscute sub denumirea de duraluminiu; compoziia chimic a acestor aliaje se caracterizeaz prin: %Cum = 2...5 %; %Mgm = 0,2...2,4 %;5

%Mnm = 0,2...1,5 %, iar impuritile permanent prezente sunt Fe i Si (concentraiile masice maxime uzual acceptate pentru fiecare din aceste elemente fiind de 0,5...0,6 %). Structura de echilibru la ta a aliajelor de tip duraluminiu este alctuit din matricea i diveri compui chimici (cu prezena i ponderea dependente de compoziia aliajului): Al2Cu (faza ), Al2CuMg (faza S), Mg2Al3 (faza ), Mg2Si, Al6CuMg4, (Mn,Fe)Al6 i Al7Cu2Fe. Durificarea prin clire de punere n soluie i mbtrnire a aliajelor de tip duraluminiu se realizeaz prin mecanismele prezentate n cazul aliajelor Al Cu. La nclzirea n vederea clirii compuii intermetalici pe baz de Al, Cu, Mg (, S, etc.) se dizolv n matricea , n timp ce compuii coninnd Fe i Mn rmn nedizolvai i se menin n structura aliajelor clite (cu efecte negative asupra plasticitii acestei structuri). n procesul de mbtrnire se formeaz mai nti zone GP (de forma unor bastonae sau sfere), apoi precipitate metastabile semicoerente cu matricea (, S, etc.), iar n cazul unei mbtrniri avansate precipitate stabile necoerente cu matricea (, S, etc.). Mrcile de aliaje uoare de tip duraluminiu, folosite la confecionarea semifabricatelor (table, platbande, evi, profile extrudate etc.) din care se realizeaz piese i echipamente pentru aeronave, autovehicule, instalaii petrochimice, instalaii de forare a sondelor, etc., corespund simbolurilor: AlCu4MgMn, AlCu4Mg1,5Mn i AlCu4MgMnSi. Dup cum se poate observa, simbolurile mrcilor de aliaje de tip duraluminiu, ca i simbolurile tuturor mrcilor de aliaje pe baza de Al deformabile, cuprind: Al (simbolul chimic al aluminiului, componentul de baz al aliajelor), urmat de simbolurile chimice ale elementelor de aliere, fiecare simbol fiind nsoit de numere (de preferin ntregi) care arat concentraia masic medie a elemntului respectiv, dac aceasta este n jur de 1 % sau mai mare; simbolurile pot fi continuate cu un grup de litere i cifre care indic starea structural a aliajului (de exemplu, F stare brut; O stare recoapt; T3 starea obinut prin clire de punere n soluie + deformare plastic la rece + mbtrnire natural, T4 starea obinut prin clire de punere n soluie + mbtrnire natural; T6 starea obinut prin cliere de punere n soluie + mbtrnire artificial, T8 starea obinut prin cliere de punere n soluie + deformare plastic la rece + mbtrnire artificial). b. Aliajele industriale Al Cu pentru turnare se caracterizeaz printr-o concentraie masic de cupru %Cum = 3...10 %. Structura de echilibru la ta este alctuit din soluie solid i formaiuni de faz secundar , n cazul aliajelor cu %Cum 5,7 % sau din soluie solid , eutectic (+) i separri de faz secundar , n cazul aliajelor %Cu > 5,7 %. Aliajele din aceast categorie se pot alia suplimentar, ca i aliajele deformabile, cu Mg, Ni, Mn, Bi, Si. Produsele realizate prin turnare din astfel de aliaje se pot sau nu supune durificrii structurale printr-un TT alctuit din clire de punere n soluie i mbtrnire natural sau artificial. Durificarea structural prin TT poate fi substanial la aliajele cu %Cum 5,7 %, la care nu apare n structura de echilibru eutecticul (+) i este puin important la aliajele cu %Cum > 5,7 %, la solidificarea crora se produce transformarea eutectic L + i principalul efect durificator l aduce prezena n structur a eutecticului (+). Spre deosebire de aliajele deformabile, la care durificarea structural se asigura n mod obinuit prin atingerea strilor T3, T4, T6 sau T8, durificarea structural a aliajelor pentru turnare se obine de obicei prin atingerea strilor T1 sau T5 (rcirea rapid dup turnare, pentru obinerea unei structuri cu soluie solid suprasaturat n elemente de aliere, urmat de mbtrnire natural sau artificial) i, mai rar, prin atingerea strilor T4 sau T6. Mrcile de aliaje industriale de acest tip (folosite pentru confecionarea de semifabricate turnate cu destinaii similare celor prezentate n cazul aliajelor deformabile) sunt: GAlCu10, GAlCu8, GAlCu4Si4MnSi, GAlCu6Si5Mg, GAlCu4Ni2Mg, GAlCu4MgTi, GAlCu4Si1, GAlCu10Mg. Simbolurile sunt alctuite la fel ca n cazul aliajelor pe baz de Al deformabile, cu adugarea la nceputul simbolului a literei G: aliaj pentru turnare.6

9.6.2. Aliajele Al Zn Aliajele aluminiului, avnd ca element principal de aliere zincul (%Znm = 5...8 %) i adaosuri de Mg (%Mgm = 2...3 %), Cu (%Cum = 1...2 %) i alte elemente (Mn, Cr, Ti, Si, Zr, introduse fiecare n concentraii masice care nu depesc 0,2 %), se folosesc n tehnic, sub denumirea de zincral sau alzimac, ca aliaje deformabile cu rezisten mecanic ridicat (Rm = 550...750 N/mm2 i A 8 %). Structura de echilibru la ta a aliajelor din aceast categorie este similar celei corespunztoare aliajelor tip duraluminiu, coninnd n plus compuii intermetalici: MgZn2, (faza M) sau Al2Mg3Zn3 (faza T). Caracteristicile de rezisten mecanic prezentate anterior corespund n mod obinuit produselor livrate n starea T6; n procesul de mbtrnire artificial al aliajelor clite se formeaz n stadiile iniiale zone GP, iar n stadiile avansate precipitate metastabile semicoerente cu matricea (de tip M, T etc.) i apoi precipitate stabile necoerente (de tip M,T etc.) Aliajele din aceast categorie folosite cu cea mai mare pondere n aplicaiile tehnice corespund mrcii AlZn6Mg2,5Cu1,5. 9.6.3. Aliajele Al Si Aliajele aluminiului avnd ca element de aliere principal siliciul se utilizeaz n tehnic, sub denumirea silumin, ca aliaje uoare pentru turnare (corpuri de maini, cartere i pistoane pentru motoare cu ardere intern i compresoare de aer, armturi i piese industriale rezistente la uzur i coroziune la temperaturi ridicate n prezena gazelor oxidante, corpuri de carburatoare pentru autovehicule etc.). Structura acestor aliaje se poate analiza apelnd la diagrama de echilibru fazic Al Si, prezentat n figura 9.5. Fazele care apar pe aceast diagram au urmtoarele semnificaii: L este soluia lichid a componentelor Al i Si; este soluia solid avnd ca solvent aluminiul i ca solut siliciul ( Al(Si)); are structur cristalin de tip CFC i prezint o bun palsticitate; este soluia solid avnd ca solvent siliciul i ca solut aluminiul ( Si(Al)); deoarece solubilitatea aluminiului n siliciu este foarte redus (concentraia masic de Al care se poate dizolva n Si este %Alm = 0,5 %, la t = 577 oC i %Alm 0 % la ta) se poate considera c Si.

a.

b.Fig. 9.5. Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Al Si Fig. 9.6. Structura de echilibru la ta a siluminului cu %Sim = 13 %: a. nemodificat; b. modificat cu Na

7

Aliajele folosite cu precdere n tehnic, datorit proprietilor lor bune de turnare (temperatura de solidificare-topire sczut, fluiditate ridicat etc.), sunt aliajele eutectice sau uor hipereutectice (cu %Sim = 11...14 % ) a cror structur de echilibru la ta este alctuit din cristale de Si (formate preeutectic) i eutectic (+), aa cum se poate observa pe micrografia din figura 9.6.a. Aliajele cu o astfel de structur nu au caracteristici mecanice convenabile (Rm = 130...150 N/mm2 i A = 1...2 %) i prezint rezisten sczut la aciunea mediilor corosive. Pentru mbuntirea caracteristicilor mecanice i tehnologice ale acestor aliaje se practic modificarea cu sodiu (care se adaug nainte de turnare, sub form de cloruri sau fluoruri, peste aliajele topite). Prezena sodiului determin micorarea temperaturii eutectice de la 577 oC la 565 oC i deplasarea concentraiei eutectice de la %Sim = 11,7 % la %Sim = 14 %, astfel c structura de echilibru a aliajelor la ta va fi alctuit din cristale de soluie solid (separate preeutectic) i eutectic (+), aa cum se poate observa pe micrografia prezentat n figura 9.6.b; n acelai timp, modificarea cu sodiu determin formarea unor particule de adsorbie pe suprafeele germenilor cristalini i asigur astfel o structur primar cu granulaie fin, caracterizat prin niveluri ridicate ale rezistenei mecanice i plasticitii (Rm = 200...260 N/mm2 i A = 6...10 %). n tehnic se utilizeaz i aliaje de tip silumin cu coninuturi sczute de Si (%Sim = 5...10 %), aliate suplimentar cu Mg (%Mgm = 0,3...0,8 %), Cu (%Cum = 1...4 %) sau Ni (%Nim = 0,3...3,0 %), care formeaz compui intemetalici cu componentele existente n aceste aliaje (Mg2Si, Al2Cu, Al3Ni) i creaz astfel posibilitatea durificrii structurale prin TT (clire de punere n soluie de la ti = 350...540 o C, urmat de mbtrnire artificial la ti = 150...160 oC, cu m = 3...12 ore) a produselor turnate realizate din astfel de aliaje. Aliajele din aceast categorie folosite de obicei n aplicaii tehnice corespund mrcilor: GAlSi12Mn, GAlSi12CuMgni, GAlSi9Cu3Mg, GAlSi8cu3Ni i GAlSi9Mg. 9.3. Cuprul i aliajele pe baz de cupru Sub form de metal pur sau sub form de component de baz al unor aliaje, cuprul este utilizat din timpuri strvechi pentru realizarea de produse. Cuprul are o bun rezisten la coroziune n multe medii de lucru: atmosfere poluate, ape reziduale i ape srate, vapori de ap supranclzii, soluii slabe, neaerate de sulfai, azotai, cloruri i acizi anorganici (sulfuric, clorhidric, azotic), substane organice (benzin, motorin, benzol, glicerin etc.). Cuprul este atacat (se corodeaz) n medii care conin hidrogen, sulf, hidrogen sulfurat, amoniac, soluii concentrate de acizi anorganici, anilin i acid acetic etc. Cuprul formeaz un numr impresionant de aliaje, principalele aliaje pe baz de cupru folosite n tehnic fiind prezentate n continuare. 9.3.1. Alamele

Aliajele pe baz de cupru, avnd drept component de aliere principal zincul sunt denumite n tehnic alame. Structura alamelor se poate analiza apelnd la diagrama de echilibru fazic a sistemului Cu Zn, prezentat n figura 9.7, punctele caracteristice ale acestei diagrame avnd coordonatele precizate n tabelul 9.2. Fazele care apar pe aceast diagram au urmtoarele semnificaii: L este soluia lichid a componentelor Cu i Zn; este soluia solid de substituie avnd ca solvent cuprul i ca solut zincul ( Cu(Zn)); deoarece prezint, ca i solventul su, structur cristalin de tip CFC, soluia solid se caracterizeaz printr-o bun plasticitate, putnd fi deformat plastic uor, att la cald, ct i la rece; este o soluie solid pe baz de compus chimic (faz bertholid), care prezint structur cristalin de tip CVC; la temperaturi ridicate, are caracteristicile unei soluii solide neordonate, prezentnd tenacitate i plasticitate bune, iar sub temperatura tCK 450 oC (temperatura Curie Kurnakov a fazei ) sufer un proces de ordonare (atomii de Cu se distribuie n nodurile situate n8

vrfurile celulelor elementare, iar atomii de Zn se poziioneaz n nodurile aflate n centrele celulelor elementare) i soluia solid ordonat (faza Kurnakov), notat , capt caracteristicile tipice compuilor intermetalici (duritate ridicat i fragilitate accentuat).

Fig. 9.7. Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Cu Zn

Fig. 9.8. Variaia caracteristicilor mecanice ale alamelor n funcie de %Znm Q 32 ta

Tabelul 9.2. Coordonatele punctelor caracteristice ale diagramei de echilibru Cu Zn Punctul A B C D M N P Abscisa, %Znm Ordonata, Co

0 1083

41 905

32 905

38 905

39 450

46 450

46 ta

n funcie de structura de echilibru i de caracteristicile mecanice pe care le prezint n aceast stare (v. fig. 9.8), care definesc procedeul tehnologic recomandat pentru realizarea semifabricatelor i pieselor, alamele se pot clasifica astfel: a. Alamele monofazice (cu structura la ta alctuit numai din cristale de soluie solid ) au %Znm 39 % i sunt alame deformabile (care se prelucreaz bine att prin deformare plastic la cald, ct i prin deformare plastic la rece); alamele monofazice , cu %Znm 25 % sunt denumite n tehnic tombacuri. Dup turnare i rcire la ta, semifabricatele sau lingourile din astfel de alame prezint o structur monofazic, alctuit din cristale dendritice de soluie solid neomogen, aa cum se observ n figura 9.9; dac semifabricatele sau lingourile turnate sunt supuse unei recoaceri de omogenizare (la ti = 800 ... 850 oC, m = 2...5 ore) sau sunt deformate plastic i supuse apoi recoacerii, structura lor la ta va fi alctuit din cristale poliedrice de soluie solida omogen, aa cum se poate observa n figura 9.10. Alamele monofazice se comport foarte bine la deformarea plastic la rece i au o comportare mai slab la deformarea plastic la cald, mai ales n prezenta impuritilor insolubile n cupru (Pb, Bi) care determin apariia unor fenomene de fragilitate sau fisurare la cald. b. Alamele bifazice, cu structura la ta alctuit din cristalele fazelor i , au %Znm (39 %; 46 %) i sunt utilizate de obicei ca alame de turnare, duritatea i fragilitatea acestora crescnd pe msur ce se mrete coninutul procentual al fazei n structur; structura la ta a semifabricatelor i pieselor turnate din astfel de alame are aspectul prezentat n figura 9.11, cristalele acestei structuri devenind poliedrice (echiaxiale), aa cum se observ n figura 9.12, dac se aplic un TT de recoacere. n unele cazuri, piesele din alame bifazice cu coninut ridicat de zinc se supun unui TT de clire n ap (de la o temperatur ti la care materialul prezint o structur monofazic , pentru obinerea structurii prezentate n fig. 9.13) i, eventual, unei reveniri, la o temperatur ti < tCK, pentru ca n structur s apar cristale de faz , n cantitatea i cu dispunerea corespunztoare obinerii unor caracteristici ridicate de rezisten 9

mecanic i tenacitate. c. Alamele monofazice , cu structura la ta alctuit numai din cristale de faz (v. fig. 9. 14), au %Znm (46 %; 50 %] i se pot utiliza att ca alame de turnare, ct i ca alame deformabile la cald (la o temperatur de deformare situat deasupra punctului tCK 450 oC, la care aceste alame prezint o structur monofazic , cu plasticitate bun).

Fig. 9.9. Structura la ta a alamelor monofazice turnate

Fig. 9.10. Structura la ta, dup recoacerea de omogenizare, a alamelor monofazice

Principalele elemente de aliere folosite la elaborarea alamelor speciale, care au structuri i proprieti favorabile aplicrii n diverse aplicaii tehnice sunt: aluminiul, introdus n concentraii %Alm 3,5 %; fierul, introdus n concentraii %Fem 1,5 %; manganul, introdus n concentraii %Mnm 5 %;. staniul, introdus n concentraii %Snm 1 %, plumbul (care este insolubil n cupru, fiind considerat o impuritate a acestuia, dar poate mbunii prelucrabilitatea prin achiere, n concentraii %Pbm 3 %); nichelul, introdus n concentraii %Nim 3 %; siliciul, introdus n concentraii %Sim 1 %. Mrcile de alame comerciale, simbolizate asemanator aliajelor pe baz de Al, corespund prescripiilor anterior formulate; de exemplu, CuZn10; CuZn15; CuZn20; CuZn30; CuZn36 sunt mrci de alame monofazice (alame binare deformabile), CuZn31Si; CuZn36Pb1; CuZn39Ni3 sunt mrci de alame speciale monofazice (alame speciale deformabile), G CuZn40Pb; G CuZn40PbSn; G CuZn38Pb2Mn2; G CuZn30Al5Fe3Mn2 sunt mrci de alame bifazice (alame pentru turnare), iar CuZn42Mn3Al2 i G CuZn30Al5Fe3Mn2 sunt mrci de alame monofazice .

Fig. 9.11. Structura la ta a alamelor bifazice turnate

Fig. 9.12. Structura la ta a alamelor bifazice recoapte dup turnare

Fig. 9.13. Structura la ta a alamelor bifazice clite si revenite

Fig. 9. 14. Structura la ta a alamelormonofazice

10

9.3.2. Aliajele Cu Ni Cuprul i nichelul, fiind metale izomorfe (cu structur cristalin de tip CFC) i prezentnd dimensiuni atomice apropiate, au solubilitate total n stare solid. Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Cu Ni, prezentat n figura 9.15, evideniaz faptul c toate aliajele acestui sistem au la ta o structur monofazic, alctuit din cristale de soluie solid de substituie Cu(Ni) Ni(Cu), aa cum se poate observa n figura 9.16. Ca urmare, diagramele ce descriu dependenele dintre caracteristicile fizico mecanice ale aliajelor Cu Ni i compoziia lor chimic au un punct de maxim local al curbei rezistenei mecanice (cu ordonata la Rm = 600...800 N/mm2) i punctele de minim local ale curbelor alungirii procentuale dup rupere (cu ordonata la A = 40 ... 45 %) i coeficientului de gtuire (cu ordonata la Z = 55...60 %) avnd abscisa situat la %Nim 65 %, iar curba care red dependena dintre rezistivitatea electric i compoziia acestor aliaje prezentnd un punct de maxim local cu abscisa %Nim 50 %. Datorit structurii monofazice i proprietilor fizico mecanice pe care le prezint, aliajele Cu Ni se prelucreaz bine prin deformare plastic (la rece sau la cald) sau prin achiere, prezint o bun rezisten la coroziune (n ap de mare i n soluii saline, n acizi organici, n vapori de ap etc.) i se pot utiliza la fabricarea rezistorilor electrici. Principalele reete de aliaje Cu Ni utilizate n tehnic sunt: aliajele Kunial, cu %Nim = 5...15% i adaosuri de Al (%Alm = 1 ... 3%), folosite pentru a confeciona (prin deformare plastic la rece sau la cald) elemente elastice (arcuri sau lamele) i piese rezistente la coroziune; aliaje Melchior (Maillechort), cu %Nim = 18 ... 20 % i adaosuri de Fe (%Fem = 0,6 ... 1,0 %) i Mn (%Mnm = 0,8 ... 1,3 %), folosite n aplicaiile care impun materiale anticorosive;

Fig. 9. 15. Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Cu Ni

Fig. 9. 16. Microstructura la ta a aliajului Cu Ni, cu %Nim = 20 %

aliajele Alpaca (Neusilber, Argentan), cu %Nim = 15 ... 20 % i %Znm = 20...30 % (corespunztor mrcilor comerciale CuNi18Zn20, CuNi18Zn27 sau CuNi15Zn21), folosite (ca aliaje deformabile sau pentru turnare) pentru confecionarea pieselor rezistente la coroziune, instrumentelor de msurare, pieselor de mecanic fin, rezistorilor electrici, tacmurilor i obiectelor de art sau podoab etc.; aliajele Constantan, cu %Nim = 40...50 % i aliajele Nichelin, cu %Nim = 30...35 % i adaosuri de Mn (%Mnm = 3...4 %), folosite ca materiale electrotehnice (n special pentru confecionarea rezistorilor); aliaje Monel, cu %Nim = 65...70 % i adaosuri de Fe, Mn i Si, folosite (ca aliaje deformabile, dar i ca aliaje pentru turnare) n aplicaiile care necesit materiale rezistente la coroziune.

11

9.3.3. Bronzurile

Aliajele pe baz de cupru al cror component de aliere principal este un alt element dect zincul sau nichelul sunt denumite bronzuri. Principalele tipuri de bronzuri folosite pentru realizarea pieselor din construcia de maini i pentru fabricare construciilor mecanice sunt: bronzurile cu staniu (denumite i bronzuri clasice), bronzurile cu aluminiu, bronzurile cu siliciu, bronzurile cu beriliu i bronzurile cu plumb. A. Bronzurile cu staniu folosite n tehnic au %Cum 20 % i prezint, n funcie de concentraia masic a staniului, structurile indicate de diagramele de echilibru (stabil sau metastabil) redate n figura 9.17, punctele caracteristice ale acestor diagrame avnd coordonatele precizate n tabelul 9.3. Fazele care apar pe diagramele de echilibru din figura 9.17 au urmtoarele semnificaii: L este soluia lichid a componentelor Cu i Sn; este soluia solid de substituie avnd ca solvent cuprul i ca solut sataniul ( Cu(Sn)); deoarece prezint, ca i solventul su, structur cristalin de tip CFC, faza se caracterizeaz printr-o bun plasticitate, putnd fi deformat plastic uor, att la cald, ct i la rece; este o soluie solid pa baza compusului chimic Cu5Sn (faz bertholid), cu structur cristalin de tip CVC, care apara (la rcirea bronzurilor topite) prin defurarea transformrii peritectice (la t 800 oC): L + ; este stabil numai pn la temperatura t = 586 oC, la care se descompune eutectoid: + ; este (ca i ) o soluie solid pe baza compusului chimic Cu5Sn (faz bertholid), cu structur cristalin de tip CVC; faza este stabil numai pn temperatura la t = 520 oC, la care se descompune eutectoid: + ; este o soluie solid pe baza compusului chimic Cu31Sn8 (faz bertholid), cu structur cristalin complex; faza este stabil numai pn la temperatura t = 320 oC, la care, n condiii de echilibru (care presupun menineri ndelungate), se descompune eutectoid: + ; este compusul intermetalic Cu3Sn; datorit vitezei extrem de reduse cu care se realizeaz transformarea + , aa cum rezult examinnd diagramele din figura 9.17, faza nu apare n structura semifabricatelor i pieselor din bronzuri industriale livrate n strile M sau O. n funcie de structura pe care o prezint (la ta) n starea M, de caracteristicile mecanice asigurate (redate sintetic, n funcie de concentraia masic a staniului, n diagramele din fig. 9.18) i de procedeul tehnologic recomandat pentru realizarea semifabricatelor i pieselor, bronzurile cu staniu se pot clasifica astfel:

12

Fig. 9.17. Diagramele de echilibru ale sistemului de aliaje Cu Sn pentru diferite stri: a. starea de echilibru stabil; b. starea metastabil obinut prin recoacere (starea O); c. starea metastabil obinut prin turnare (strarea F) Tabelul 9.3. Coordonatele punctelor caracteristice ale diagramelor de echilibru Cu Sn C C 13,5 9,0 800 E E 16,0 8,0 586 H H 16,0 8,0 520

PunctulAbscisa,%Snm Ordonata, oC

A 0 1083

B 25,5 800

D 22,0 800

F 24,0 586

G 26,0 586

J 27,0 520

K 11,0 350

Q 0,2 ta

a. Bronzurile monofazice (cu structura la ta alctuit numai din cristale de soluie solid ) au %Snm 8 ... 9 % i sunt bronzuri deformabile (care se pot prelucra att prin deformare plastic la cald, ct i prin deformare plastic la rece); structura de turnare a acestor bronzuri, alctuit din cristale dendritice de soluie solid neomogen, aa cum se observ pe micrografia din figura 9.19, se poate transforma prin recoacere (precedat sau nu de o operaie de prelucrare prin deformare plastic) ntr-o structur cu cristale poliedrice de soluie solid omogen, aa cum se poate vedea pe migrografia prezentat n figura 9.20. b. Bronzurile hipoeutectoide (bronzurile bifazice) au %Snm = 10...20 % i se folosesc ca bronzuri de turnare; n starea M, structurile la ta ale semifabricatelor i pieselor realizate din astfel de bronzuri conin (aa cum se poate observa n fig. 9.21) fazele i i, respectiv, constituenii (preeutectoid) i amestecul eutectoid ( + ), duritatea i fragilitatea acestor structuri crescnd pe msur ce se mrete coninutul lor procentual de eutectoid ( + ).

Fig. 9.18. Variaia caracteristicilor mecanice ale bronzurilor cu staniu n funcie de %Snm

Fig. 9.19. Structura la ta a bronzurilor monofazice turnate

Fig. 9.20. Structura la ta a bronzurilor monofazice recoapte

Fig. 9.21. Structura la ta a bronzurilor hipoeutectoide turnate

13

Bronzurile cu staniu se pot alia suplimentar la elaborare i cu alte elemente, care produc structuri i proprieti favorabile utilizrii n anmite aplicaii: fosforul, introdus n concentraii %Pm < 0,3 %; plumbul, introdus n concentraii %Pbm 2 %; zincul, n concentraii %Znm = 5...10 %. Mrcile de bronzuri cu staniu comerciale corespund prescripiilor anterior formulate; de exemplu, CuSn6; CuSn8 i CuSn4Pb4Zn4 sunt mrci de bronzuri monofazice (bronzuri deformabile), iar GCuSn14; GCuSn12Ni2 i GCuSn10Zn2 sunt mrci de bronzuri bifazice (bronzuri de turnare). B. Bronzurile cu aluminiu folosite n tehnic au %Alm 15 % i prezint, n funcie de concentraia masic a aluminiului, structurile indicate de diagrama de echilibru redat n figura 9.22, punctele caracteristice ale acestei diagrame avnd coordonatele precizate n tabelul 9.4. Fazele care apar pe diagrama de echilibru din figura 9.22 au urmtoarele semnificaii: L este soluia lichid a componentelor Cu i Al; este soluia solid de substituie Cu(Al), cu structur cristalin de tip CFC, care poate fi deformat plastic uor, att la cald, ct i la rece; este o faz bertholid pe baza compusului chimic Cu3Al, cu structur cristalin de tip CVC; aa cum se poate observa pe diagrama de echilibru, faza poate s apar n structura bronzurilor cu aluminiu, n funcie de concentraia aluminiului n aceste aliaje, ca faz separat preeutectoid (la cristalizarea primar a bronzurilor cu %Alm > 8,3 %) i/sau ca faz separat la transformarea eutectic (la t 1035 oC) L + i este stabil numai pn la temperatura t = 565 oC, la care se descompune eutectoid: + 2; este (ca i ) o faz bertholid; prezint dou modificaii (forme alotropice): 1, stabil deasupra temperaturii t = 785 oC, corespunztoare compusului Cu9Al4, cu structur cristalin cubic i 2, stabil sub temperatura t = 785 oC, corespunztoare compusului Cu32Al19, cu structur cubic complex, duritate ridicat i fragilitate accentuat. Aa cum se poate observa examinnd diagrama de echilibru din figura 9.22, bronzurile cu aluminiu (spre deosebire de bronzurile clasice) au un interval de solidificare restrns (10...15 oC); ca urmare, aceste aliaje au proprieti de turnare foarte bune (fluiditate ridicat, aptitudine de a realiza piese turnate compacte, cu retasura de contracie concentrat). Bronzurile cu aluminiu prezint ns, la solidificarea dup turnare, tendina de a forma cristale dendritice lungi (columnare), care nrutesc comportarea la deformare plastic (mresc nclinaia spre fisurare) a pieslor i semifabricatelor turnate; acest dezavantaj poate fi eliminat, dac la elaborare se face modificarea lor cu V, Ti, B i li se aplic o bun dezoxidare (pentru evitarea apariiei n structur a incluziunilor fragile de Al2O3).

Fig. 9. 22. Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Cu Al

Fig. 9. 23. Variaia caracteristicilor mecanice ale bronzurilor cu aluminiu n funcie de %Alm

14

n funcie de structura pe care o prezint (la ta) n strile M sau O, de caracteristicile mecanice asigurate (redate sintetic, n funcie de concentraia masic a aluminiului, n diagramele din fig. 9.19) i de procedeul tehnologic recomandat pentru realizarea semifabricatelor i pieselor, bronzurile cu aluminiu se pot clasifica astfel: a. Bronzurile monofazice (cu structura la ta alctuit numai din cristale de soluie solid ) au %Alm < 9 % i sunt bronzuri deformabile; b. Bronzurile hipoeutectoide (bronzurile bifazice) au %Alm 9 % i se folosesc n mod obinuit ca bronzuri de turnare; structura la ta a semifabricatelor i pieselor realizate din astfel de bronzuri conine fazele i 2 i, respectiv, constituenii (preeutectoid) i amestecul eutectoid ( + 2), duritatea i fragilitatea acestei structuri crescnd pe msur ce se mrete coninutul procentual de eutectoid ( + 2). Bronzurile bifazice cu %Alm = 9,5...10,5 % se pot prelucra i prin deformare plastic la cald, dac temperatura la care se face deformarea este situat n domeniul n care aceste aliaje prezint structur monofazic (structur care se poate menine i la ta, dac se aplic un TT de clire).Tabelul 9.4. Coordonatele punctelor caracteristice ale diagramei de echilibru Cu Al

Punctul Abscisa, %Snm Ordonata, oC

A 0 1083

B 8,3 1035

C 11,2 1048

F 7,4 1035

G 9,0 1035

K 9,4 565

M 12,0 565

P 13,6 785

Q 9,4 ta

Bronzurile cu aluminiu au, n comparaie cu bronzurile clasice, rezisten la coroziune mult mai bun (n medii ca: apa de mare i soluiile saline, soluiile de acid carbonic, soluiile unor acizi organici), densitate mai mic, caracteristici de antifriciune i rezistena la uzare mai sczute i caracteristici mecanice asemntoare. Pentru mbunirea unor caracteristici de utilizare, bronzurile cu aluminiu se pot alia suplimentar i cu alte elemente, cum ar fi Fe, Mn, Ni. Mrcile de bronzuri cu aluminiu comerciale corespund prescripiilor anterior formulate; de exemplu, CuAl10Fe3 i CuAl9Mn2 sunt mrci de bronzuri monofazice (bronzuri deformabile), iar G CuAl10Fe3; G CuAl10Mn i G CuAl9Fe5Ni5 sunt mrci de bronzuri bifazice (bronzuri de turnare). c. Bronzurile cu beriliu folosite n tehnic au %Bem 2,5 % i prezint, n funcie de concentraia masic a beriliului, structurile indicate de diagrama de echilibru redat n figura 9.24, punctele caracteristice ale acestei diagrame avnd coordonatele precizate n tabelul 9.5.

Fazele care apar pe diagrama de echilibru Cu Be au urmtoarele semnificaii: L este soluia lichid a componentelor Cu i Be; este soluia solid de substituie Cu(Be), cu structur cristalin de tip CFC, care poate fi 15

deformat plastic uor; este o faz bertholid, cu structur cristalin de tip CVC; aa cum se poate observa pe diagrama de echilibru, faza poate s apar n structura bronzurilor industriale ca urmare a desfurrii transformrii peritectice (la t = 865 oC) L + sau ca urmare a diminurii solubilitii beriliului n cupru o dat cu scderea temperaturii; este o faz bertholid pe baza compusului CuBe, cu structur cristalin de tip CVC, care rezult prin transformarea eutectoid (la t = 620 oC) + . Bronzurile cu beriliu utilizate n mod obinuit au %Bem = 1,5...2,0 % i prezint la ta, n strile M sau O, o structur alctuit din fazele i i, respectiv, din constituenii i amestecul eutectoid ( + ); n aceste stri structurale caracteristicile mecanice nu sunt foarte ridicate (caracteristicile la traciune sunt: Rm = 450 ... 500 N/mm2; Rp0,2 = 300 ... 350 N/mm2 i A = 30 ... 40 %, iar duritatea este 90 ... 110 HB). Datorit variaiei mari cu temperatura a solubilitii beriliului n cupru, semifabricatele i piesele confecionate din aceste aliaje se pot trata termic prin clire de punere n soluie (de la ti = 800 ... 820 oC), pentru obinerea unei structuri monofazice (cu cristale de suprasaturate cu beriliu), urmat de mbtrnire artificial (la ti = 300 ... 350 oC); efectele de durificare ale acestui TT se pot mri substanial, dac (dup clire) se face ecruisarea controlat a acestor bronzuri prin deformare plastic la rece. n strile care se obin aplicnd operaiile tehnologice precizate mai nainte, caracteristicile mecanice la traciune ale bronzurilor cu beriliu ating nivelurile Rm = 1100 ... 1500 N/mm2; Rp0,2 = 1000 ... 1050 N/mm2 i A = 2 ... 5 %, iar duritatea lor este 350 ... 400 HB. Pentru micorarea concentraiei beriliului (care este un element de aliere scump) n bronzurile industriale i creterea efectelor de durificare ale mbtrnirii se practic alierea suplimentar a acestora cu mangan (%Mnm = 0,5...2,5 %), a crui contribuie la durificarea structurii produselor din astfel de materiale este datorat formrii compusului MnBe2, iar pentru mbuntirea tenacitii acestor bronzuri se folosete alierea suplimentar cu Ni (%Nim = 0,2...0,5 %). Principalele mrci de bronzuri cu beriliu comerciale sunt: CuBe1,7; CuBe1,9 i CuBe0,6Mn; aceste materiale se folosesc la realizarea elementelor elastice (arcuri, lamele elastice etc.), sculelor antiscntei (care nu produc scntei prin lovire) i pieselor care trebuie s prezinte bune proprieti antifriciune sau care sunt puternic solicitate mecanic n medii de lucru active (ap de mare, abur etc.). d. Bronzurile cu plumb se folosesc n tehnic (datorit proprietilor antifriciune pe care le prezint) ca materiale pentru confecionarea cuzineilor (piese inelare, realizate dintr-o bucat sau din dou semiinele, pe care se sprijin arborii mainilor i utilajelor) lagrelor de alunecare (organe de maini alctuite din cuzinei i elementele de poziionare i susinere a acestora). Deoarece cuprul i plumbul sunt insolubile n stare solid, structura la ta a bronzurilor cu plumb este alctuit din cristale de cupru i separri intergranulare de plumb. Datorit insolubilitii n stare solid a cuprului i plumbului i diferenelor mari ntre temperaturile lor de solidificare topire i ntre densitile acestora, bronzurile cu plumb manifest o mare tendin de segregare (separare) a componentelor n structur. Pentru a anihila aceast tendin i a asigura o distribuie uniform a formaiunilor intercristaline de plumb (cu rol lubrifiant) n matricea de cupru a structurii se practic alierea lor suplimentar cu nichel (%Nim = 1,0...2,5 %) i rcirea forat la solidificare a acestor bronzuri. Cuzineii din bronzuri cu plumb se realizeaz prin turnare; deoarece bronzurile cu plumb au rezisten mecanic sczut (rezistena la rupere este Rm = 50...150 N/mm2, iar duritatea 30...50 HB), se practic turnarea cuzineilor pe supori din oel i/sau se face alierea suplimentar a bronzurilor cu 5...10 %), stibiu elemente care mresc duritatea matricei lor structurale: staniu (%Snm = (%Sbm = 1...2 %), fosfor (%Pm < 0,3 %) sau zinc (%Znm = 1...3 %). Mrcile de bronzuri cu plumb comerciale corespund prescripiilor anterior formulate; cele mai utilizate mrci sunt: G CuPb25; G CuPb20Sn5; G CuPb15Sn8 i G CuPb7Sn7Zn3. 16

9.4. Titanul i aliajele pe baz de titan Titanul i aliajele sale constituie materiale deosebit de importante pentru tehnica modern, datorit caracteristicilor mecanice ridicate (mai ales la temperaturi nalte), densitii sczute ( Ti 4500 kg/m3), comportrii foarte bune n prezena mediilor active de lucru i posibilitilor de prelucrare prin deformare plastic i de influenare a proprietilor lor prin aplicarea de tratamente termice. Pentru nelegerea corespunztoare a principalelor aspecte referitoare la titan i aliajele acestuia trebuie subliniate urmtoarele aspecte particulare: titanul prezint dou stri alotropice (modificaii): Ti, cu structur cristalin de tip HC, stabil sub temperatura tc = 882 oC i Ti, cu structur cristalin de tip CVC, stabil deasupra temperaturii tc = 882 oC i pn la temperatura ts = 1660 oC; impuritile cu grad major de nocivitate, care modific valoarea punctului critic tc, mresc rezistena mecanic i micoreaz drastic plasticitatea i tenacitatea titanului fcndu-l inapt pentru prelucrarea prin deformare plastic, sunt impuritile gazoase: oxigenul, hidrogenul, azotul i carbonul; titanul foarte pur are Rm = 220... 260 N/mm2 i A = 60...70 %, titanul tehnic (cu coninuturile de impuriti sub limitele admisibile precizate anterior) are Rm = 550...650 N/mm2 i A = 20...25 %, iar titanul impurificat peste limitele anterior precizate este fragil i nu poate fi prelucrat prin deformare plastic; deformarea plastic a titanului se realizeaz la temperaturi situate deasupra punctului critic tc = 882 oC, iar rcirea lent dup deformare conduce la obinerea unei structuri cu cristale poliedrice de Ti , aa cum se poate observa n figura 9.25; rcirea rapid (clirea) de la temperaturi ti > tc determin formarea unei structuri cu cristale aciculare (numit martensit M ), aa cum se observ pe micrografia prezentat n figura 9.26, a crei plasticitate se mbuntete considerabil dac se aplic un TT de revenire la o temperatur imediat inferioar punctului tc (n aceast stare titanul are Rm 700 N/mm2, A 18 % i Z 40%). Titanul formeaz aliaje cu diverse elemente, n general, aliajele titanului avnd concentraii reduse de elemente de aliere (%EAm 10 %). Elementele care formeaz aliaje cu titanul se pot clasifica aa cum se prezint n continuare. a. Elementele stabilizante sau elementele alfagene (Al, Sn, C, N, O) determin creterea stabilitii Ti i mresc temperatura punctului critic tc, la care se produce transformarea alotropic Ti Ti; Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare pe care le formeaz titanul cu astfel de EA au configuraia prezentat n figura 9.27, semnificaiile fazelor care apar pe aceast diagram fiind: L este soluia lichid a componentelor Ti i EA, soluia solid Ti(EA), soluia solid Ti(EA) i faza intermediar care se poate forma la rcirea aliajelor sistemului prin cristalizare din faza lichid sau prin transformarea peritectic (la t = tp) L + i care se poate descompune prin transformarea peritectoid (la t = tpe) + .

Fig. 9.25. Structura titanului deformat plastic la cald la tDP > tc i rcit lent

Fig. 9.26. Structura titanului deformat plastic la cald la tDP > tc i rcit rapid (clit)

b. Elementele stabilizante sau elementele betagene (Mo, V, Nb) sunt izomorfe cu Ti (au, ca i Ti, structur cristalin de tip CVC), au solubilitate ridicat n Ti i determin creterea stabilitii acestuia, micornd temperatura punctului critic tc. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje 17

binare pe care le formeaz titanul cu astfel de EA au configuraia prezentat n figura 9.28, semnificaiile fazelor care apar pe aceste diagrame fiind identice celor precizate n cazul diagramei din figura 9.27. n categoria elementelor betagene se ncadreaz i Mn, Fe, Cu, Cr care formeaz cu titanul sisteme de aliaje avnd diagramele de echilibru de tipul celei prezentate n figura 9.29 (foarte asemntoare cu diagrama de echilibru metastabil Fe Fe3C), faza corespunznd unui compus intermetalic TimEAn (Ti2Cu, Ti2Ni etc.); n aceste cazuri faza Ti(EA) ar trebui s se descompun eutectoid ( + ), dar, deoarece transformarea se desfoar foarte lent, la vitezele de rcire uzuale pentru aliajele tehnice nu se poate produce i faza rmne stabil pn la ta.

Fig. 9.27. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje formate de Ti cu elementele de aliere alfagene (Al, Sn, C, N, O)

Fig. 9.28. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje formate de Ti cu elementele de aliere betagene (Mo, V, Nb) care nu formeaz compui chimici cu Ti

Fig. 9.29. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje formate de Ti cu elementele de aliere betagene (Mn, Fe, Cu, Cr) care formeaz cu Ti compui chimici imn

innd seama de cele prezentate anterior, rezult c aliajele titaniului se pot clasifica n funcie de structura pe care o prezint la ta n: aliaje monofazice , n care se ncadreaz aliajele pe baz de Ti avnd ca element de aliere principal aluminiul (%Alm = 5...8 %) i mici adaosuri de alte elemente (alfagene sau betagene): Sn, Mn, Fe, Cr, Mo; cele mai utilizate aliaje tehnice din aceast categorie corespund mrcilor: TiAl5, TiAl5Sn2,5, TiAl3Mn1,5 i TiAl6Sn2Zr2Mo; aliaje bifazice + , n care se ncadreaz aliajele tehnice care conin att elemente alfagene, ca aluminiul (%Alm = 2...8 %) i Sn (%Snm = 1...2 %), ct i elemente betagene (V, Cr, Mo, etc.); cele mai folosite aliaje tehnice din aceast categorie corespund mrcilor: TiAl6V4, TiAl6Sn2V6 i TiAl5Sn2Zr4Mo6Cr4; aliaje monofazice , n care se ncadreaz aliajele tehnice care conin n concentraii mici de elemente alfagene (%Alm = 2...3 %; %Snm = 1...2 %) i sunt bogat aliate cu elemente betagene (%Crm = 3...10 %; %Vm = 12...14 %; %Mom = 3...13 %); cele mai folosite aliaje tehnice din aceast categorie corespund mrcilor: TiV13Cr11Al3; TiMo8V8Fe2Al3 i TiV10Fe2Al3. Semifabricatele i produsele realizate din aliaje pe baz de titan se pot supune unor tratamente termice sau termochimice (carburare, nitrurare, etc.) capabile s le modifice structura i s le confere proprietile fizico-mecanice impuse de condiiile lor de utilizare. Cele mai utilizate TT sunt: a. Recoacerea de recristalizare fr schimbare de faz, se aplic la produsele realizate din aliaje monofazice i bifazice n scopul refacerii plasticitii dup prelucrrile prin deformare plastic la rece, temperatura ti alegndu-se astfel nct s fie depit temperatura de recristalizare primar (trp = 650...700 oC), dar s nu se produc transformarea , care este nsoit de o cretere important a granulaiei (de obicei, ti = 750...800 oC). b. Recoacerea de detensionare se aplic la produsele din aliaje pe baz de titan n scopul diminurii nivelului tensiunilor reziduale produse de prelucrrile utilizate pentru obinerea acestora; n mod obinuit se realizeaz la ti = 550...600 oC, cu m = 1...4 ore. 18

c. Clirea martensitic, urmat de revenire (mbtrnire), se aplic la produsele realizate din aliaje bifazice n scopul creterii caracteristicilor de rezisten mecanic i meninerii unor niveluri ridicate ale caracteristicilor de plasticitate i tenacitate. Clirea martensitic se realizeaz de la o temperatur ti la care aliajul supus TT are o structur monofazic sau bifazic + ; ca i la oeluri, transformarea fazei n martensit ( M) se realizeaz la rcirea acesteia sub o temperatur Ms (numit punct martensitic superior) i se finalizeaz cnd se atinge o temperatur Mf (numit punct martensitic inferior), Ms i Mf depinznd de concentraia EA coninute n aliajul din care sunt confecionate produsele supuse tratamentului. La revenirea aliajelor clite se produce transformarea structurilor alctuite din martensit i/sau faz n structuri apropiate de echilibru, alctuite din fazele i dac aliajele aparin unui sistem avnd diagrama de echilibru (cu transformare eutectoid) de tipul prezentat n figura 9.29, sau din fazele i , dac aliajele aparin unui sistem avnd diagrama de echilibru de tipul celei din figure 9.28. Aliajele pe baz de titan clite i revenite au caracteristici de rezisten mecanic foarte ridicate (Rm = 900... 1300 N/mm2, Rp0,2 = 820...970 N/mm2) i prezint n acelai timp i bune caracteristici de plasticitate i tenacitate (A = 10...15 %, Z = 20...25 %, KV = 30...35 J). d. Tratamentele termochimice se aplic la produsele confecionate din aliaje pe baz de titan n scopul creterii rezistenei la uzare a acestora. De obicei se utilizeaz tratamentul termochimic de nitrurare (la ti = 850...950 oC, cu m = 30...60 ore, n atmosfer de azot), care conduce la obinerea unor straturi superficiale bogate n azot (n structura crora apare nitrura de titan TiN), cu grosimea x = 0,05...0,15 mm i duritatea 750...900 HV. Teste de autoevaluare T.9.11. Care dintre urmtoarele tipuri de alame se pot prelucra prin deformare plastic: a) alamele monofazice ; b) alamele bifazice; c) alamele monofazice ; d) tombacurile? T.9.14. Care dintre urmtoarele tipuri de aliaje Cu i prezint la ta o structur monofazoc: a) aliajele Kunial; b) aliajele Melchior; c) aliajele Konstantan; d) aliajele Monel? T.9.16. Care este structura la ta a semifabricatelor i pieselor turnate realizate din bronzul G CuAl10Mn: a) structur monofazic Cu(Al); b) structur alctuit din fazele CuAl i 2 (faz bertholid corespunztoare compusului Cu32Al10); c) structur alctuit din constituenii (preeutectoid) i eutectoid (+2); d) structur monofazic 2? T.9.17. Care este structura de echilibru la ta a bronzurilor cu beriliu folosite n tehnic: a) structur monofazic Cu(Be); b) structur monofazic (faz bertholid pe baza compusului CuBe; c) structur bifazic, alctuit din i ; d) structur alctuit din constituieni a (preeutectoid) i eutectoidul (+)? T.9.22. Care dintre urmtoarele aliaje are densitatea mai sczut: a) CuAl10Fe3; b) AlCu4MgMn; c) AlMg5; d) AlMg7? T.9.23. Care dintre urmtoarele aliaje este cunoscut sub denumirea de zincral sau alzimac: a) aliajul G CuZn40PbSn; b) aliajul AlZn6Mg2,5Cu1,5; c) aliajul CuZn39Ni3; d) aliajul G AlMg9MnSiTi? T.9.24. Care este structura de echilibru la ta a unui silumin industrial cu %Sim = 12,5 %, nemodificat la elaborare: a) o structur bifazic alctuit din soluie solid Al(Si) i soluie solid Si(Al); b) o structur alctuit din constituienii (preeutectoid) i eutectoidul (+); c) o structur alctuit din constituienii (preeutectic) i eutecticul (+); d) o structur monofazic ? T.9.29. Ce tratament termochimic se poate aplica pentru durificarea superficial a produselor realizate din aliaje pe baz de titan: a) carburarea; b) nitrurarea; c) carbonitrurarea; d) silicizarea? T.9.30. La care dintre urmtoarele mrci de aliaje pe baz de titan se poate realiza creterea rezistenei mecanice prin aplicarea TT de clire martensitic i revenire: a) TiAl6V4; b) TiAl5Sn2,5; c) TiAl6SnV6; d) TiV13Cr11Al3? 19