SIM curs 10.pdf

17
1 CURS 10 Cuprins 2.8. Titanul şi aliajele sale 2.8.1. Titanul 2.8.2. Aliaje de titan 2.9. Magneziul şi aliajele sale 2.9.1. Magneziul 2.9.2. Aliaje pe bază de magneziu 2.9.2.1. Aliaje de magneziu pentru turnătorie. 2.9.2.2. Aliaje deformabile pe bază de magneziu 2.9.2.3. Aliaje cu proprietăţi speciale 2.10. Zincul şi aliajele sale 2.10.1. Zincul 2.10.2. Aliaje de zinc 2.10.2.1. Aliaje de zinc pentru turnătorie. 2.10.2.2. Aliaje de zinc deformabile 2.10.2.3. Aliaje antifricţiune pe bază de zinc 2.10.2.4. Aliaje de lipit pe bază de zinc

Transcript of SIM curs 10.pdf

  • 1

    CURS 10 Cuprins 2.8. Titanul i aliajele sale 2.8.1. Titanul

    2.8.2. Aliaje de titan 2.9. Magneziul i aliajele sale 2.9.1. Magneziul 2.9.2. Aliaje pe baz de magneziu

    2.9.2.1. Aliaje de magneziu pentru turntorie. 2.9.2.2. Aliaje deformabile pe baz de magneziu 2.9.2.3. Aliaje cu proprieti speciale

    2.10. Zincul i aliajele sale 2.10.1. Zincul 2.10.2. Aliaje de zinc

    2.10.2.1. Aliaje de zinc pentru turntorie. 2.10.2.2. Aliaje de zinc deformabile 2.10.2.3. Aliaje antifriciune pe baz de zinc 2.10.2.4. Aliaje de lipit pe baz de zinc

  • 2

    2.8. Titanul i aliajele sale 2.8.1. Titanul Dei extrem de rspndite n scoara terestr, titanul a nceput s fie utilizat sub form metalic abia prin anii 1950, datorit numeroaselor dificulti legate de metalurgia sa extractiv, fapt pentru care explic ntr-o oarecare msur preurile mai mari n raport cu alte materiale metalice. Caracteristicile deosebite ale titanului i aliajelor sale determin utilizarea preponderent a acestuia n industriile aeronautic, aerospaial i chimic. Densitatea titanului este de 4540 Kg/m3, situndu-se ntre aluminiu i fier; pe de alt parte raportul rezisten mecanic/densitate este, pentru aliajele de titan, net superior celorlaltor materiale metalice. Rezistena la coroziune a titanului i aliajelor sale este excelent, superioar oelurilor inoxidabile, datorit formrii la suprafa a unui strat compact, aderent i protector de TiO2. La aciunea clorurilor aliajele de titan sunt, practic, inerte, ca i anumite forme de coroziune (n pete i n puncte). Aliajele de titan prezint o bun rezisten mecanic, chiar la temperaturi ridicate i o foarte bun rezisten la coroziune. La temperaturi ridicate, structura cristalin a titanului este cubic cu volum centrat (Ti); la 882 C prezint o transformare alotropic trecnd n celula hexagonal compact (Ti). Transformarea se realizeaz printr-un mecanism de tip martensitic, fr germinare i cretere prin difuziune, ca n cazul transformrii alotropice a fierului ( ). Acest fenomen exercit o influen deosebit asupra structurii Ti i aliajelor sale. Datorit raportului c/a al celulei hexagonale (c/a = 1,587) se asigur suficiente sisteme de alunecare (pe planele de baz i pe planele prismatice), fapt pentru care asigur ductilitatea la orice temperatur i elimin fenomenul de tranziie ductil-fragil. Dei limita la oboseal nu este precis definit, se apreciaz c la 108 cicluri acesta este de aproximativ egal cu jumtate din rezistena la traciune. Titanul este foarte sensibil la prezena impuritilor soluiile de inserie (H, C, O i N). Aceste elemente, datorit solubilitii mai mari n faza dect n faza , nu pot fi puse n soluii suprasaturate prin clire i nu exercit dect un slab efect de durificare. Datorit formrii unor compui intermetalici (hidruri, carburi, etc.), aceste elemente au o influen nefavorabil asupra tenacitii i ductilitii titanului i n consecin este necesar ca s se limiteze coninutul n acestea la minimum posibil. Titanul pur este utilizat pe scar larg n industria aeronautic i n criogenie. 2.8.2. Aliaje de titan n aliajele de titan, elementele de aliere influeneaz asupra stabilitii fazelor i . Acestea sunt clasificate n elemente alfagene (Al i elementele care formeaz soluii de inserie, O, C i N) i care au ca efect creterea temperaturii de transformare , elemente betagene care, dimpotriv, micoreaz aceast temperatur de transformare. Elementele betagene pot fi izomorfe (V, Mo, Nb i Ta) sau eutectoide (Fe, Cr, Mn i Si). Cteva elemente de aliere pot fi neutre (Sn i Zr). Aliajele industriale de titan conin, obinuit, mai puin de 2 elemente de aliere i sunt clasificate dup microstructur la temperatura mediului ambiant, n aliaje , + i (tab.2.17.).

  • 3

    Tab.2.17. Compoziia chimic i proprietile mecanice medii ale unor aliaje de titan.

    Tipul aliaj Compoziia chimic [%] Starea Rp 0,2 [MPa] Rm

    [MPa] A

    [%] 99,2% Ti R 450 525 25 5% Al- 2,5% Sn R 800 900 20

    Super 8% Al 1% Mo 1%V C.Rv 950 1000 15 + 6% Al 4% V R 950 1000 15 + 6% Al 4% V C.Rv 1120 1200 10 + 6% Al 6% V 2% Sn R 1000 1100 14 + 6% Al 6% V 2% Sn C.Rv 1200 1300 10 13% V 11% Cr 3% Al C.Rv 1200 1250 8

    R recopt; C.Rv clit i revenit Aliajele conin n principal elemente de aliere alfagene i neutre; uneori pot conine mici adaosuri de elemente betagene care determin formarea unor mici cantiti de faz (aliaje super ). Aliajele au o mare rezisten la fluaj (pn la 650 C) i la oxidare (pn aproape de 1100 C), fapt pentru care pot fi prelucrate prin forjare. n acelai timp au deformabilitate sczut la rece i nu pot fi tratate termic. Aliajele + , bifazice, sunt cele mai utilizate. Prin tratament termic, aceste aliaje asigur caracteristici mecanice ridicate, pstrndu-i o ductilitate ridicat. Rezistena la fluaj este de pn la 550 C. Aliajele conin preponderent elemente betagene. Pot fi deformate plastic la rece dar, datorit structurii cubice cu volum centrat, prezint o tranziie ductil-fragil pe la 60 C. Utilizarea lor la temperaturi ridicate nu este recomandabil deoarece faza devine instabil la aproximativ 350 C. Dup cum s-a precizat anterior, transformarea alotropic a titanului este o transformare de tip martensitic, ce confer aliajelor de titan structuri particulare. Pentru studiul transformrilor i structurilor rezultate prin aplicarea diverselor tehnologii de tratament termic, sunt prezentate structurile aliajului Ti-6% Al-4% V. Acest aliaj este utilizat pe scar larg, reprezentnd circa 50% din producia de aliaje de titan, deoarece asigur cea mai bun combinaie ntre rezistena mecanic i tenacitate. Sunt utilizate n special n industria aerospaial pentru fabricarea recipientelor sub presiune, elemente de structur, rotoare de turbine i compresoare; datorit rezistenei excepionale la coroziune i inerie chimice, se utilizeaz de asemenea pentru proteze chirurgicale. 2.9. Magneziul i aliajele sale 2.9.1. Magneziul

    Magneziul aparine grupei II A, a sistemului periodic al lui Mendeleev, avnd numrul atomic 12 i masa atomic 24,312. Cristalizarea n sistemul hexagonal compact, avnd parametrii reelei: a = 2,030 i c = 5,2002 . Este un metal alb argintiu cu urmtoarele proprieti fizice: densitatea: 1750 kg/m3; temperatura de topire: 651 C; temperatura de fierbere: 1107 C; cldura masic: 1029,9 J/kgK; conductibilitatea termic: 759 J/mK; rezistivitatea electric: 4,610-8 m; modulul de elasticitate longitudinal: 45000 MPa; modulul de elasticitate transversal: 18000 MPa; rezistena la rupere la traciune: 80 110 MPa; duritatea: HB 300MPa; alungirea la rupere la traciune: 8 11%.

  • 4

    Magneziul are proprieti de rezisten mecanic i plasticitate sczute, ceea ce face imposibile utilizarea lui ca material pentru construcii. Este utilizat ca dezoxidant i ca element de aliere pentru un numr mare de aliaje, n pirotehnie i pentru elaborarea aliajelor pe baz de magneziu.

    Proprieti chimice. Magneziul i aliajele sale nu sunt stabile la coroziune, iar prin nclzire, la temperaturi peste 600 C se oxideaz uor aprinzndu-se cu explozie. Aceast proprietate face ca elaborarea magneziului i a aliajelor sale s se fac n atmosfer inert sau sub zgur.

    2.9.2. Aliaje pe baz de magneziu Aliajele de magneziu, n calitate de materiale pentru construcia de maini, n ultimii

    ani i-au gsit o larg utilizare. Densitatea mic (pn la 1,8103 kg/m3), proprieti mecanice relativ bune (R = 200 300 MPa, A = 6 20%), capacitatea mare de a suporta sarcini variabile, au permis folosirea lor n diferite domenii ale tehnicii (n special n industria aeronautic, n construcia de autovehicule, etc.).

    Aliajele de magneziu se prelucreaz bine prin achiere ns se oxideaz uor i se autoaprind la temperaturi de peste 600 C, avnd totodat rezisten redus la coroziune i proprieti de turnare relativ slabe.

    Aliajele de magneziu folosite n tehnic pot fi clasificate n trei grupe: - aliaje de turntorie, destinate obinerii pieselor turnate;

    - aliaje deformabile, folosite pentru obinerea semifabricatelor, prin prelucrare la cald i la rece;

    - aliaje cu proprieti speciale. 2.9.2.1. Aliaje de magneziu pentru turntorie. Aliajele de turntorie utilizate

    industrial se pot clasifica n aliaje cu rezisten mecanic nalt i aliaje rezistente la temperaturi nalte (refractare).

    a) Aliaje cu rezisten mecanic mare. Aceste aliaje sunt destinate exploatrii ndelungate la temperaturi pn la 150 200 C.

    Cele mai bune proprieti mecanice le au aliajele n care elementul de aliere de baz formeaz cu magneziu un domeniu mare al soluiei solide (cu solubilitate limitat), cu scderea solubiliti odat cu micorarea temperaturii i, deci, care pot fi tratate termic prin clire i mbtrnire.

    Factorul de baz care conduce la creterea rezistenei soluiei solide este distorsionarea reelei cristaline, determinat de rearanjarea atomilor ca urmare a formrii, la aliere, a soluiilor solide interstiiale i a soluiilor solide de substituie, care favorizeaz creterea rezistenei i densitii, la mbtrnire, prin compactizarea atomilor. O astfel de distorsionare a reelei frneaz deplasarea dislocaiilor.

    Printre elementele care formeaz cu magneziu domenii mari de soluii solide cu solubilitate limitat sunt: aluminiul, zincul i ytriul care au diametre atomice foarte diferite de diametrul atomic al magneziului. Cele mai rspndite aliaje de turntorie care au rezisten mare aparin sistemelor Mg-Al-Zn i Mg-Zn-Zr. Cele mai bune proprieti mecanice le au aliajele din sistemele prezentate care conin elementul de aliere de baz la limita de solubilitate.

    Aliaje din sistemul Mg-Al-Zn. Compoziia chimic a unor aliaje cu rezisten mare, din sistemul Mg-Al-Zn este prezentat n tabelul 2.18.

    Principalul element care mrete rezistena mecanic a aliajelor Mg-Al-Zn este aluminiu. n stare turnat aliajele cu 8% Al au proprietile mecanice cele mai bune.

  • 5

    Tab.2.18. Compoziia chimic a unor aliaje de turntorie pe baz de magneziu.

    Elemente de aliere, % (rest Mg) Marca sau denumirea

    aliajului Al Mn Zn Zr Cd Alte elemente

    ML 4 5...7 0,15...0,5 2...3 - - - ML 55 7,5...9 0,15...0,5 0,2...0,8 - - - ML 6 9...10,2 0,1...0,5 0,6...1,2 - - - ML 8 - - 5,5...6,6 0,7...1,1 0,2...0,8 - ML 12 - - 4...5 0,6...1,1 - - ML 15 - - 4...5 0,7...1,1 - 0,6...1,2 La ML 17 - - 7,8...9,2 0,7...1,1 0,2...1,2 0,03...0,3 Nd ML 18 - - 7...8 0,7...1,1 0,4...1 1...1,6 Ag WELL CAST X 5,3...6,7 - 2,5...3,5 - - - WELL CAST Y 8,1...9,3 - 0,4...1 - - - WELL CAST 2 8,3...9,7 - 1,8...2,4 - - - DOLER- MA6 9 - 0,6 - - 0,1...0,3 Cu ML 3 2,5...3,5 0,15...0,5 0,5...1,5 - - -

    ML 7-1 5...6,5 - 0,3...0,7 - - 0,2...0,5 Cu, 0,3...0,5 Si AM 100 A 9,3...10,7 0,1 < 0,3 - - - AZ 63 A 5,3...6,7 0,15 2,5...3,5 - - - AZ 81 A 7...8 0,13 0,4...1 - - - AZ 91 C 8,1...9,3 0,13 0,4...1 - - - AZ 92 A 8,3...9,7 0,1 1,7...2,3 - - -

    - 8,5...9,5 0,2...0,5 1,5...2 - - 0,4...0,7 Cu - 3,5...7 < 1 0,45 - - B M L 1 - - 4...5 0,7...1 - 0,6...1,2 La 2 K 51 A - - 3,5...6,5 0,5...1 - - 2 K 61 A - - 3,5...6,5 0,6...1 - -

    Aliajele Mg-Al-Zn se pot trata termic prin clire i clire plus mbtrnire. Efectul

    maxim al clirii se constat la aliajele cu peste 7% (Al+Zn). Aliajele cu 1 4% Zn au rezistena mecanic cea mai mare. Limita de curgere se mrete la creterea coninutului de zinc, n special dup tratamentul termic. Alierea cu peste 1% Zn conduce la creterea tendinei aliajelor spre formarea microporozitilor i a fisurilor la cald.

    Structura aliajelor turnate const din soluia solid de Al i Zn n Mg i compus Mg17Al12 care se situeaz de obicei la limitele grunilor. Proporia de faz Mg17Al12 se mrete odat cu creterea coninutului de Al n aliaje. La creterea coninutului de Zn n aliaje (la un raport Zn/Al > 1/3) poate aprea faza ternar Mg32(Al,Zn)49, mai ales n aliajele ML 4. La limita grunilor acestor aliaje apare manganul sub form de particule mici, de culoare albstruie.

  • 6

    Aliajele ML 4 au tendin mare de a forma microporoziti. Dei au n general

    proprieti de turnare bune, manifest tendin de formare a fisurilor la cald, au volum mare de retasur concentrat i deci se recomand s fie turnate n special n forme din amestecuri de formare.

    Aliajul ML 5 cel mai reprezentativ pentru sistemul Mg-Al-Zn are proprieti de turnare foarte bune. Se poate turna n amestecuri de formare, n forme coji, n cochile i sub presiune. Prin micorarea coninutului de aluminiu i creterea temperaturii i a duratei de nclzire la clire se pot mbuntii proprietile mecanice ale acestui aliaj.

    Aliajul ML 6 are cele mai bune proprieti de turnare din sistemul Mg-Al-Zn; are tendina cea mai sczut de formare a fisurilor la cald, cea mai bun rezisten mecanic, dar i cea mai sczut plasticitate. Aliaje din sistemul Mg-Zn-Zr. Proprietile mecanice ale aliajelor Mg-Zn-Zr sunt mai bune dect ale aliajelor din sistemul Mg-Al-Zn. Pe lng zinc i zirconiu, aceste aliaje mai conin mici adaosuri de alte elemente (n special elemente rare), care le mbuntesc proprietile. Adaosul de cadmiu mrete mult valorile proprietilor mecanice i mbuntete proprietile tehnologice.

    Adaosul de neodim pn la 0,3% conduce la creterea rezistenei mecanice la rupere i a limitei de curgere, dup tratamentul termic, dar plasticitatea acestor aliaje este sczut. Adaosul concomitent de cadmiu i neodim determin mbuntirea proprietilor mecanice ale aliajelor din sistemul Mg-Zn-Zr. Pentru mbuntirea plasticitii aliajelor Mg-Zn-Zr, se recomand adaosul de argint. Proprietile cele mai bune le au aliajele cu 6% Zn i 4% Ag.

    n stare turnat, structura aliajelor Mg-Zn-Zr conine soluia solid ternar (Zr i Zn n Mg), la limita grunilor aflndu-se o anumit cantitate de faz Mg2Zn3 i particule de faze ZnZr3 sau ZnZr.

    n stare tratat termic, structura aliajelor const din soluie solid cu particule de ZnZr3 (sau ZnZr) i Zr elementar. n aliajele bogate n zinc este posibil i existena fazei Mg2Zn3. Aliajele Mg-Zn-Zr-Cd-Ag, n stare turnat, constau din soluia solid i compus MgZn. Structura aliajelor Mg-Zn-Zr-Ag se deosebete de cea a aliajelor Mg-Zn-Zr prin aceea c n stare turnat lipsesc particulele cu coninut de zinc (ZnZr3 sau ZnZr).

    n aliajele tratate termic se mrete cantitatea de soluie solid i se constat prezena fazelor MgZn i Mg2Zn3, precum i a altor faze grobe sub form de plci.

    Aliajele Mg-Zn-Zr au urmtoarele avantaje fa de aliajele din sistemul Mg-Al-Zn: - valori mai mari ale rezistenei la rupere i a limitei de curgere; - raportul Rc/R = 2/3 este mai mare dect la aliajele Mg-Al-Zn (1/3); - sensibilitatea mic a proprietilor mecanice la microporoziti. Aliajele din aceast grup, ML 8, ML 12, ML 15, ML 18 au proprieti bune de

    turnare, rezisten mecanic ridicat. ML 15 este aliajul cel mai refractar dintre toate aliajele cu baz de Mg. Are sudabilitatea bun, fiind utilizat la execuia reperelor care lucreaz la presiune mare. ML 12 are o bun plasticitate, att n stare turnat ct i n stare mbtrnit.

    b) Aliaje refractare. Aceste aliaje sunt recomandate pentru exploata-rea de lung durat la temperaturi pn la 250 350 C, iar la exploatarea de scurt durat pn la 400 C.

    Cele mai utilizate aliaje refractare de magneziu fac parte din sistemul Mg-MR-Zr (n care MR nseamn metale rare, ca: Ce(58); Nd(60); Yv(70)). Ca elemente de adaos se utilizeaz zincul, indiul i alte metale. Refractaritatea mare a acestor aliaje se explic prin:

    - formarea soluiei solide complexe, stabile; - durificarea cu particule disperse care se separ din soluia solid n procesul de

    mbtrnire i care au rolul de frnare a micrii dislocaiilor n condiiile fluajului; - creterea stabilitii termice i a temperaturii de coagulare a fazelor durificatoare; - consolidarea limitelor de gruni care conduce la stabilitatea termic a fazelor.

  • 7

    Printre factorii care determin refractaritatea nalt a aliajelor de magneziu cu metale

    rare, pe lng temperatura nalt de topire, se remarc diferena ntre caracterul descompunerii soluiei solide, stabilitatea relativ a soluiei solide i viteza mai redus de coagulare a fazelor durificatoare, la temperatura de exploatare.

    Aliajele refractare de magneziu se trateaz termic prin clire urmat de mbtrnire, pentru creterea valorii rezistenei mecanice.

    2.9.2.2. Aliaje deformabile pe baz de magneziu. Aliajele deformabile se pot

    clasifica n trei categorii: aliaje cu rezisten mecanic mare, aliaje refractare i aliaje superuoare.

    a). Aliaje cu rezisten mecanic mare. Aceste aliaje fac parte din sistemele Mg-Mn, Mg-Al-Zn-Mn i Mg-Zn-Zr.

    Aliaje Mg-Mn. n sistemul Mg-Mn la 652 C are loc o transformare peritectic. n echilibru cu soluia solid pe baz de Mg se afl magneziul pur sau . Compoziia chimic a unor aliaje Mg-Mn este prezentat n tabelul 2.19.

    Tab.2.19. Compoziia chimic a aliajelor Mg-Mn.

    Compoziia chimic, % (rest Mg) Marca aliajului Mn Ce

    MA 1 1,32,5 - MA 8 1,32,2 0,150,35

    n sistemul Mg-Mn-Ce (fig.2.127.), n echilibru cu soluia solid pe baz de magneziu,

    se afl dou faze: cristalele de mangan i compusul Mg9Ce. La temperatura de 585 C are loc o transformare eutectic:

    Fig.2.127. Domeniul bogat n Mg din diagrama de echilibru a sistemului

    Mg-Mn-Ce.

    Adaosul de ceriu n aceste aliaje conduce la mrunirea grunilor i la creterea

    rezistenei mecanice i a plasticitii. Solubilitatea manganului scade la creterea adaosului de ceriu. Aliaje Mg-Al-Zn-Mn. n aceste aliaje coninutul de mangan este n general ntre 0,15 0,5%. Pe lng o durificare suplimentar, manganul mrete rezistena la coroziune. Compoziia chimic a unor aliaje din acest sistem se d n tabelul 2.20.

    MnCeMgL 9C585o ++

  • 8

    Tab.2.20. Compoziia chimic a unor aliaje Mg-Al-Zn-Mn.

    Componeni, % (rest Mg) Marca aliajului Al Zn Mn Alte elemente

    MA 2 MA 2-1 MA 2-1 p* MA 3 MA 5 WHITELIGHT A 210

    34 3,85 3,85 5,57

    7,89,2

    1,5

    0,20,8 0,81,5 0,81,5 0,51,5 0,20,8

    0,5

    0,15...0,5 0,3...0,7 0,2...0,6 0,15...0,5 0,15...0,5

    -

    - - - - - -

    ALCOA TA 54 ELECTRON A 8 DOMAL A 231 X DOMAL A 261 X DOMAL A 280 X

    - - -

    3,5 7,99

    2,53,5 5,87,2 7,59,2 410

    2,83,2

    8,89,4

    5 0,31

    0,41,5 0,41,5 0,20,8 0,53

    0,91,2

    11,3

    0,5 0,150,4

  • 9

    Tab.2.21. Compoziia aliajelor deformabile Mg-Zn-Zr.

    Compoziia, % (rest Mg)

    Marca aliajului Zn Cd Nd La Ce Zr

    Alte ele-

    mente MA 14 MA 15 MA 19

    5,06,0

    2,53,5

    5,57,0

    -

    1,2 2,0

    0,2 1,0

    - -

    1,4 2,0

    -

    0,7 1,1 -

    - - -

    0,300,90

    0,450,90

    0,500,90

    - - - -

    MA 20 WHITELIGHT 2 K 30 A WHITELIGHT 2 K 20 A WHITELIGHT 2 K 60 A MAGNESIUM 2 K 62 ELECTRON Z R E 1 DOMAL ZK 31

    1,0 1,5

    3,0

    3,2

    5,7

    6,0

    0,83,0

    2,53,2

    - - - - - - -

    - - - - - - -

    - - - - - - -

    0,12 0,25

    - - - - - -

    0,050,12

    0,7

    0,55

    0,55

    0,5 0,41,0

    0,51,0

    - - - -

    MM2 MR

    2,54-

    MM mischmetal; MR metale rare.

    rezistente aliaje deformabile, cu limit de curgere mare (330 360 MPa). Aliajele de tip WHITELIGHT i MAGNESIUM se utilizeaz n stare extrudat n construcii aeronautice avnd proprietile: R = 270 360 MPa; R0,2 = 200 300 MPa; HB = 75 82 daN/mm2.

    Aliajele ELECTRON au rezisten mare la temperaturi nalte i rezisten mare la oboseal, fiind utilizate pentru construcia turbinelor n aviaie.

    Aliajul DOMAL ZK 31 are n stare extrudat R = 280 MPa i R0,2 = 200 MPa, fiind utilizat n construcia de avioane.

    b) Aliaje refractare. Aliajele deformabile refractare se utilizeaz pentru lucrul de lung durat la temperaturi de 250 300 C i fac parte din sistemul Mg-Nd-Mn, Mg-Nd-Zr, Mg-Th-Mn i Mg-Th-Zn-Zr.

    Compoziia chimic a unor aliaje refractare este prezentat n tabelul 2.22. Toate aliajele au structur eterogen (fig.95) care const din soluia solid pe baz de

    Mg i faze secundare n exces care n compui greu fuzibili de tipul Al2Ca, Mg912Nd, Mg5Th, Mg24Y5 etc. n stare turnat fazele secundare sunt sub form de reea care formeaz o carcas dur n jurul grunilor ce ngreuneaz deformarea plastic a aliajelor la temperaturi nalte i confer acestora o refractaritate mare.

    Ytriul i scandiul mresc mult rezistena magneziului i aliajelor la sarcini de scurt durat.

    Thoriul mrete mult rezistena la fluaj, dar are influen redus asupra rezistenei la sarcini de scurt durat.

    Neodimul are o influen medie asupra proprietilor mecanice, n raport cu ytriul i thoriul.

  • 10

    Tab.2.22. Compoziia chimic a aliajelor refractare, deformabile.

    Compoziia, % (rest % Mg)

    Marca aliajului Nd Mn Zr Ni Th Zn

    Alte ele-

    menteMA 11 MA 12 MAGNESIUM 2 H 62 A DOMAL ZK 62 MAGNESIUM HM 11 A WELLCAST T MAGNESIUM MT 2 MELTROM 2 T X DOMAL H 232 MAGNESIUM KH 31 DOW METAL

    - - - - - -

    ELECTRON ZT 1 2 A 62 A

    2,53,5 2,53,5

    - - - - - - - - - - - - -

    1,5 - - -

    1,52,5 - - -

    1,0 - - -

    0,7 - - -

    0,40,8 -

    1,75 1,5 1,5

    - -

    - 0,30,8

    0,5 0,7

    -

    0,41,0

    0,2

    0,6 -

    0,50,7 0,50,7 0,451

    - 0,7 - - -

    0,7 0,51,0

    0,10,22 - - - - - - - - - - - - - - - - - -

    - -

    1,42,2 1,8

    1,0

    2,54,0

    3,0

    2,5 3,0

    2,54

    3,0 2,54,0 1,52,5

    3,5 1,0 3,0 3,0

    0,7

    1,42,4

    - -

    4,86,2 5,8

    - - -

    1,0 2,3

    - - - - - - - -

    0,5 5,26,2

    - - - - - - - - - - - - - - - -

    1 Ce - -

    Adaosul de mangan n aliajele refractate cu metale rare i thoriu mrete mult

    rezistena la fluaj. Adaosuri mici de nichel pn la 0,2% mbuntesc proprietile mecanice ale aliajelor de magneziu cu metale rare i n special rezisten la fluaj.

    Zirconiul adugat n aliajele refractate mrete foarte mult plasticitatea datorit efectului su de modificare a structurii.

    Aliajul MA 11 se poate utiliza pn la temperaturi de 350 C. Aliajele MA 11 i MA 12 se pot trata termic prin clire, urmat de mbtrnire artificial. Temperatura de clire a aliajului MA 11 este 490 500 C, rcirea se face n ap sau aer. mbtrnirea are loc la 175 C timp de 24 ore.

    Clirea aliajului MA12 se realizeaz la 530 540 C i rcirea n ap, iar mbtrnirea la 200 C, timp de 16 ore.

    Forjarea i matriarea aliajului MA 11 se face la 430 460 C, iar a aliajului MA 12 la 450 480 C. Aliajul MA 12 se sudeaz foarte bine. Aliajul MA 11 are proprieti mecanice bune la temperaturi nalte; la 20 C; R = 260 MPa; R0,2 = 130 MPa; A = 6 % iar la 200 C, R = 210 MPa, R0,2 = 110 MPa, A = 13 %.

    Aliajele de tip MAGNESIUM (cu coninut de thoriu) sunt utilizate n special n construcii aeronautice, avnd urmtoarele proprieti mecanice la 20 C: R = 310 450 MPa, R0,2 = 180 MPa, A = 4-20 %.

  • 11

    Aliajele de tip DOMAL, MELTROM, DOW METAL au rezisten mecanic mare

    pn la temperatura de 250 350 C, fiind utilizate la fabricarea unor componente pentru rachete i aviaie supersonic.

    c) Aliaje superuoare. Aliajele Mg-Li cu densitatea 1,3 1,65103 kg/m3 se cunosc sub denumirea de aliaje superuoare (tab.2.23.). Aceste aliaje se caracterizeaz prin: plasticitate i deformabilitate mari, modulul de elasticitate mare, limit de curgere la compresiune mare, anizotropie redus a proprietilor mecanice, proprieti mecanice bune la temperaturi criogenice, conductibilitate termic mare, rezisten mare la ncovoiere, rezilien mare, sudabilitate bun.

    n sistemul Mg-Li (fig.2.128.) se formeaz un eutectic cu 8% Li la 580 C. n stare solid sudabilitatea maxim a litiului n magneziu este de 5,5% i practic nu se modific la scderea temperaturii.

    Tab.2.23. Compoziia unor aliaje superuoare Mg-Li.

    Compoziia, % (rest % Mg) Marca aliajului Li Al Zn Mn Sn Cd Ce Alte ele-mente IMV 1

    MA 21

    MA 18

    - - -

    IMV 3 LAZ 933 LA 141 A

    MAGNESIUM LA 91

    MAGNESIUM LA 141

    - -

    4,5... 6,0

    7,0... 10,0

    10,0... 11,5 5,0... 8,0

    0,3... 16,2 1,4... 9,0 15,0 9,0 14,0 9,0

    14,1

    12,0... 15,0

    10,5... 16,0

    5,0... 6,0

    4,0... 6,0

    0,5... 1,0 - -

    1,3... 8,0 -

    3,0 1,0 1,0

    1,5

    0,5... 3,0

    0,3... 3,0

    0,6... 1,2

    0,8... 2,0

    2,0... 2,5 - -

    1,3... 8,0 5,5 3,0 - - - -

    1,0... 3,0

    0,2... 0,8

    0,1... 0,5

    0,1... 0,4 - - - - - - - -

    0,05... 0,2

    0,1... 0,5

    0,6... 1,2 - - - - -

    0,3 - - - - - -

    -

    3,0... 5,0 - - - - - - - - - - -

    - -

    0,15... 0,35

    - - - - - - - - -

    0,1... 0,3

    - - -

    2...8 Y - - - - - - -

    1,5... 5,0 In; 0,005... 0,5 Cr. 0,1...

    1,0 Sc; 0.001... 0,01 B; 0,01... 0,3 Hf; 0,05... 0,4 Nb.

  • 12

    Tab.2.23. (continuare).Compoziia, % (rest % Mg) Marca

    aliajului Li Al Zn Mn Sn Cd Ce Alte ele-mente - - - - -

    14,0... 16,0

    6,0... 11,0 14,0 14,0 14,0

    1,0... 2,0

    1,0... 6,0 - - -

    3,5... 6,0

    0,2... 2,0 - 5 5

    0,2... 0,6

    0,05... 0,5 - - -

    - - - - -

    -

    3,0... 5,0 - - -

    0,1... 0,4

    - - - -

    0,1... 0,5 La; 0,2...

    1,0 Pr. 0,05...

    0,15 MM 0,5 Si 3,0 Ag 3,0 Ag; 2,0 Si

    n sistemul ternar Mg-Li-Al (fig.2.129.) soluia solid ternar pe baz de Mg se

    nvecineaz cu trei domenii trifazice: + + AlLi; + AlLi + MgLiAl2 i + MgLiAl2 + Mg17Al12. Compusul MgLiAl2 are reea cubic cu parametrul a = 20,2 . Compusul Mg17Al12 poate dizolva o cantitate nsemnat de litiu.

    Fig.2.128. Diagrama de echilibru a sistemului Mg-Li.

    Fig.2.129. Seciune izotermic prin diagrama

    sistemului Mg-Li-Al, la 100 C.

    n sistemul Mg-Li-Zn (fig.2.130.) are loc o transformare peritectic la 317 C:

    - soluie solid pe baza de Li; - soluie solid pe baza compusului LiZn. n acest sistem se formeaz compuii MgLi2Zn (metastabil) i MgLiZn. Aceste aliaje se mpart n trei categorii: - aliaje cu pn la 5,7% Li, cu baza soluie solid cu structur hexagonal compact, caracterizate prin proprieti mecanice bune de ordinul proprietilor mecanice ale aliajelor de magneziu de medie rezisten;

    ++L

  • 13

    Fig.2.130. Seciune izoterm prin diagrama de echilibru a sistemului Mg-Li-Zn

    la 300 C (a) i la 100 C (b).

    - aliaje cu 5,7 10,3% Li cu structur bifazic (+) caracterizate prin tendin de cretere nsemnat a plasticitii i scderea rezistenei mecanice cu creterea coninutului de Li; - aliaj cu peste 10,3% Li, avnd ca baz soluia solid de magneziu n litiu cu reea cubic cu volum centrat caracterizate prin densitate foarte redus, plasticitate i rezisten mare.

    Proprietile mecanice la temperatur obinuit ale aliajelor de tip IMV i MA sunt cuprinse n intervalele: R = 180 260 MPa, R0,2 = 150 220 MPa, A = 5 31%; HB = 60 87 daN/mm2. Aceste aliaje sunt superioare materialelor plastice i celorlalte aliaje de magneziu prin rezisten specific (R0,2/) i rigiditatea specific (E/).

    Aliajele MA 18 i MA 21 se supun recoacerii la 150 175 C timp de 6 16 ore, pentru creterea rezistenei la coroziune i stabilizarea proprietilor mecanice. Aliajul MA 18 se recomand pentru construcii care lucreaz la temperaturi normale i criogenice.

    Aliajele superioare cu peste 9% Li se utilizeaz n construcia sateliilor artificiali. Aliajele cu 10,5 16% Li, cu adaosuri de zinc, aluminiu, mangan, scandiu, hafniu, bor, niobiu, ceriu au o excelent fluiditate i rezisten la coroziune.

    2.9.2.3. Aliaje cu proprieti speciale. Unele aliaje de magneziu se utilizeaz pentru

    fabricarea conductelor acustice ale liniilor de amortizare a ultrasunetelor i n construciile care absorb intens vibraiile mecanice. Aliajele utilizate n aceste domenii au la baz sistemele Mg-Ce i Mg-Nd.

    n sistemul Mg-Ce, n echilibru cu soluia solid pe baz de Mg se afl compusul Mg9Ce care se topete congruent la 616 C. n aliajele mai bogate n ceriu apar trei compui: Mg3Ce care se topete congruent la 798 C, Mg2Ce i MgCe care se formeaz prin reacii peritectice la 750 C i respectiv 711 C.

    Adaosurile de metale rare, aluminiu i zinc n aceste aliaje conduc la scderea nsemnat a capacitii de amortizare.

    O serie de aliaje din sistemele Mg-Zr i Mg-Zr-Pb se utilizeaz n energetica nuclear ca material suport pentru elementele de combustie din reactoarele nucleare. Plumbul limiteaz difuzia plutoniului fixnd acest element sub forma compusului intermetalic PlPb3 insolubil n Mg.

    a b

  • 14

    2.10. Zincul i aliajele sale 2.10.1. Zincul Zincul este plasat n grupa a II-a a sistemului periodic, perioada a IV-a. Are 5 izotopi

    stabili i 7 izotopi radioactivi. Cristalizeaz n sistem hexagonal compact H.1 [A3] avnd urmtorii parametri: a = 2,6595 i c/a = 1,8563. Raza atomic a Zn este de 1,33 i distana interatomic minim de 2,6593 .

    Zincul se dizolv bine n acizi i alcalii, iar nclzit la rou descompune energic vaporii de ap. Interacioneaz cu acizii: cromic, feromanganic i molibdenic i trece srurile metalice de la stri de valen superioar la stri de valen inferioar. Oxizii unor metale (Cd, Pb, Cu, Ni) sunt redui de zinc. n atmosfer uscat nu se oxideaz, iar n oxigen uscat se oxideaz foarte lent chiar la 400 C. n stare lichid se oxideaz repede, suprafaa acoperindu-se cu o pelicul de culoare cenuie. Zincul formeaz cu sulful combinaia stabil ZnS, iar cu azotul, la 600 C se combin foarte energic formnd combinaia Zn3N2 care are o vitez de disociere att de mare nct nu poate fi obinut n stare pur.

    2.10.2. Aliaje de zinc Funcie de domeniile de utilizare, aliajele zincului se mpart n patru grupe: - aliaje pentru turntorii; - aliaje deformabile; - aliaje pentru lagre; - aliaje de lipit. 2.10.2.1. Aliaje de zinc pentru turntorie. Sunt utilizate, n special, pentru obinerea,

    prin turnare sub presiune, a unor piese mici fasonate. Aceste aliaje pot fi mprite, convenional, n trei grupe: aliaje Zn-Al; aliaje Zn-Cu; aliaje Zn-Al-Cu.

    Aliajele Zn-Al conin ntotdeauna un adaos de cca. 0,05% Mg pentru mbuntirea rezistenei la coroziune. Zincul formeaz cu aluminiu un eutectic cu un coninut de 5% Al, avnd temperatura de topire 380 C. Aluminiul mbuntete proprietile mecanice ale zincului. Un adaos de 4% Al mrete rezistena la rupere la traciune de la 100 la 300 MPa i alungire relativ de la 5 la 30%. De asemenea, acest element mrete apreciabil fluiditatea zincului i deci capacitatea sa de turnare.

    Aliajele Zn-Cu. Sistemul Zn-Cu (fig.2.131.) prezint o diagram de echilibru cu transformare peritectic, punctul peritectic aflndu-se la 2,6% Cu i 423 C.

    Fig.2.131. Diagrama de echilibru Zn-Cu (pn la 10% Cu).

  • 15

    Soluia solid cu baz de Zn este simbolizat prin , deoarece n diagrama binar prin s-a notat soluia solid cu baza de Cu. Faza reprezint faza intermetalic pe baza compusului CuZn3, cu reea hexagonal compact, avnd domeniul de existen ntre 78-87,5% Zn. Reacia peritetic are forma:

    Aceast transformare este nsoit de micorarea volumului. Cuprul acioneaz asupra

    procesului de mbtrnire i de modificare a dimensiunilor pieselor turnate, mai ales dac are un coninut mai mare dect 0,6 0,8% Cu. Procesul poate fi accelerat i consecinele sale eliminate printr-un tratament termic de mbtrnire artificial (meninere 10 ore la 60 C, 5 ore la 85 C sau 3 ore la 100 C).

    Aliaje Zn-Al-Cu sunt cele mai utilizate aliaje pentru turnarea sub presiune deoarece au proprieti de turnare superioare altor categorii de aliaje i un pre mai mic. Aliajele cu 4% Al i 0,1 1% Cu au utilizare multipl, fiind folosite att pentru turnarea sub presiune ct i gravitaional, fiind destinate pentru elementele aparaturii de precizie i msur. Compoziia cu 3% Cu, 4% Al i restul zinc are proprieti mecanice mai bune i rezisten la coroziune mai ridicat dect precedentele, dar are o stabilitate dimensional mai sczut (dup 7 ani creterea dimensiunilor poate s ajung pn la 0,5%). Caracteristici asemntoare are i compoziia cu 6% Al i 1% Cu, utilizat aproape exclusiv pentru turnarea n forme nemetalice. Pentru matrie sunt utilizate aliajele care conin 4,6 5% Al, 3,4 4% Cu, 0,4 1% Mg, 0,4 1% Si, 0,2 0,3% Cr, 0,02 0,2% Sb, rest zinc i respectiv 10 30% Al, 5 20% Cu, Ni i/sau Fe < 2%, rest zinc.

    Aliajele Zn-Al-Cu sunt rezistente la aciunea apei din reea, a alcoolului concentrat i a amestecurilor lor, a gazului de iluminat, a uleiurilor minerale, sub 100 C, dar sunt atacate de apa distilat, apa fierbinte (peste 70 C), soluiilor acizilor organici i ale bazelor, gaze umede cu sulf, soluii fierbini de spunuri. Rezistena la fluaj este redus iar lipirea dificil.

    n ultimul timp o atenie deosebit este acordat aliajelor de zinc cu mangan (Zinkal), avnd ca elemente de aliere Al, Cu, Cd i care sunt caracterizate prin proprieti mecanice foarte bune i rezisten la coroziune mult mai mare. Sunt destinate industriei automobilelor, pentru matrie i pentru armturi n instalaiile de alimentare cu ap.

    2.10.2.2. Aliaje de zinc deformabile. Se bazeaz tot pe sistemele tratate anterior i se

    caracterizeaz prin proprieti mecanice foarte bune. De exemplu, aliajul Zn-Al cu 15% Al are o rezisten la rupere prin traciune de 320 MPa i alungirea relativ de 5% i este utilizat n industria automobilelor. Pentru mbuntirea proprietilor mecanice i rezistenei la coroziune, aliajele deformabile, pe baza sistemului Zn-Al-Cu-Mg, sunt microaliate cu bismut, beriliu, nichel, titan, argint, etc. Astfel, n compoziia: 18 30% Al, 0,01 1% Mg, 0,01 10% Cu, se adaug 0,01 3% Bi, n aa fel nct raportul Mg/Bi s asigure formarea compusului Bi2Mg3, care contribuie la durificarea materialelor prin tratament termic.

    Pentru deformare la rece, n vederea obinerii unor produse cu rezisten de durat mare i o bun plasticitate, se utilizeaz zincul microaliat cu 0,05 0,25% Ti, 0,02 0,2% Cu, 0,005 0,05% Al. Dac este necesar un tratament termic, acesta const dintr-o meninere de dou ore la 120 180 C.

    Numeroase aliaje pe baz de zinc sunt superplastice, proprietate folosit pe larg n tehnologia de deformare, compoziiile cele mai utilizate fiind: 9% Sn, rest Zn (staniol); 22% Al, 1 2,75% Cu, rest Zn; 22% Al, 0,02 0,05% Mg, rest Zn; 22% Al, 1,4 2,75% Cu, 0,05% Mg, rest Zn.

    Cu%68,2C5,424

    Cu%5,12Cu%9,1o

    L +

  • 16

    2.10.2.3. Aliaje antifriciune pe baz de zinc. Au ca elemente de aliere aluminiul, cuprul, staniul, plumbul, stibiul, nichelul, titanul, zirconiul, etc. Cele mai valoroase proprieti mecanice le au materialele din sistemul Zn Al Cu, cu compoziia: 5 12% Al, 1 10% Cu, rest Zn, destinate uzinajului lagrelor mainilor unelte, pieselor mici ale mainilor de ridicat, etc.

    Lagrele confecionate din aceste materiale pot funciona n urmtoarele condiii: pmax = 600 800 MPa, vmax = 4 7 m/s; coeficientul de frecare n prezena lubrifianilor este 0.009, iar n lipsa acestora 0,25; temperatura maxim de lucru: 80 100 C. De asemenea, la prelucrarea acestor aliaje trebuie luat n considerare, coeficientul de dilatare mai mare comparativ cu bronzurile i babbiturile, fiind admis un joc ntre lagr i fus de 0,12 0,15% din diametrul fusului.

    n ultimul timp au fost elaborate i alte aliaje antifriciune pe baz de zinc: 17 27% Al, 2 4% Si, 0,1 0,5% Ti, rest Zn, respectiv 17 27% Al, 2 4% Si, 0,3 1% Zr, rest Zn, care pot funciona pn la presiuni de 1700 MPa.

    Aliajul cu 6% Cu, 18% Sn, rest Zn (metal alb englezesc) este utilizat pentru fabricarea lagrelor de alunecare la mainile miniere, la mainile de ridicat i la motoarele pentru automobile.

    2.10.2.4. Aliaje de lipit pe baz de zinc. Fac parte din sistemele Zn-Cd i Sn-Zn i

    sunt destinate lipirii magneziului, aluminiului i aliajelor sale, precum i pentru lipirea diferitelor materiale pe ceramic. Din prima categorie de aliaje, n tehnic se utilizeaz aliajul cu 40% Cd, care are rezistena la rupere prin traciune de 100 MPa i alungirea la rupere de 5%. Din sistemul Zn-Sn sunt utilizate aliajele cu 10, 20, 30 i 40% Zn i care mai conin n compoziia chimic 3 20% Al, 2 20% Cd, 5 20% Pb, 2 20% Cu i 3% Mg. Temperatura de topire a acestor aliaje crete cu creterea coninutului de zinc.

    Dintre aliajele pentru lipire tare fac parte aliajele Cu-Zn-Ag i alamele cu un coninut mai ridicat de zinc.

    Bibliografie

    1. Bncescu, N., Dulucheanu, C., Materiale i tehnologii, vol.I, Editura Didactic i Pedagogic, R.A., Bucureti, 2004. 2. Bibu, M., Metalografia aliajelor feroase i neferoase, Editura Universitii Lucian Blaga, Sibiu, 2000. 3. Bolundu, I.L. tiina i ingineria materialelor, Editura Tehnic Info, Chiinu, 2010. 4. Colan, H., s.a., Studiul metalelor, E.D.P., Bucureti, 1968. 5. Gdea, S., Protopopescu, M., Aliaje neferoase, Editura Tehnic, Bucureti, 1965. 6. Gdea, S., Geru, N., s.a., Metalografie, E.D.P., Bucureti, 1974. 7. Geru, N., Metalurgie fizic, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981.

    8. Geru, N., s.a., Materiale metalice. Structur, proprieti, utilizri, Editura Tehnic, Bucureti, 1985. 9. Gramaticu, M., Bncescu, N., Dulucheanu, C., Metalografia metalelor i aliajelor neferoase, Universitatea tefan cel Mare Suceava, 1994. 10. Protopopescu, H., Metalografie i tratamente termice, E.D.P., Bucureti, 1983. 11. Rdulescu, M., Studiul metalelor, E.D.P., Bucureti, 1982. 12. erban, V.A., Rdu, A., tiina i ingineria materialelor, Editura Politehnica, Timioara, 2012.

  • 17

    13. ontea, S., s.a., Metale i aliaje neferoase de turntorie, Editura Scrisul romnesc, Craiova, 1981. 14. Truculescu M., Huiu, Gh., Materialotehnica. Metale i aliaje neferoase, (vol.IV), Editura Politehnica, Timioara, 2009. 15. * * *, Tratat de tiina i ingineria materialelor metalice, vol.3. Metale. Aliaje. Materiale speciale. Materiale compozite, AGIR, Bucureti, 2009.