STIINTA MATERIALELOR

CURS 10ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIUCUPRUL SI ALIAJELE CU BAZA CUPRUALTE ALIAJE NEFEROASE

ALUMINIUL- Al treilea element ca raspandire (dupa O si Si)- Cel mai utilizat metal dupa Fe

- Extractie: din compusi (bauxita), in final electrolitic

Ex. Metoda Bayer: bauxita >>> (rafinare) alumina

electroliza ignee: Al [catod] + O [anod, reactie cu C]electrolit: Na3AlF6

ALUMINIUL – Metoda Hall -Héroult

ALUMINIULMetal usor – ρ = 2.7 x 103 kg/m3, grupa III

Ttopire = 660˚C, c.f.c. (a = 0.404 nm) fara transformari alotropice >>> f. ductil

Foarte bun conductorelectric (dupa Ag, Cu, Au) ρel ≈ 0.23 μΩ mtermic (dupa Ag, Cu, Au)

Impuritati: Fe (Al3Fe la limitele de graunti) Si (ca impuritate, dizolvat)

Proprietati mecanice:E = 66 - 69 GPa; Rm = 50-180 MPa

(in functie de grad de ecruisare si continut de impuritati)

ALUMINIUL – Modulul de elasticitate

Maserati A6GCS/53 Pinin Farina

Sasiu tubular din otel (E = 210 GPa)

ALUMINIUL – Modulul de elasticitate

ALUMINIUL

Proprietati la temperatura ambianta

Puritate[%]

Stare Proprietati mecanice

Rm[MPa]

Rp0.2[MPa]

A[%]

HB

99.997 Recopt 50 20 60 14

Ecruisat dur

130 90 10 43

99.3 Recopt 80 40 42 20

Ecruisat dur

180 150 5 47

ALUMINIUL – Rezistenta la coroziuneAfinitate mare fata de oxigen; formeaza oxizi amfoteri In atmosfera: protejat complet de pelicula oxidica

aderenta/ impermeabila/ stabila chimic; aprox. 10 nm grosime

Rezista: atmosfere corozive, acizi organici, apa (si de mare), H2SO4 fumans !!!

Intre 0-100˚C nu se corodeaza in apa (se formeaza pelicula de boehmit = Al2O3 x H2O)

Peste 100˚C grosimea boehmit-ului creste >>> exfoliere (+ intergranular)

ATENTIE: cuplu electrolitic cu alte metale!!!

Imbunatatire: anodizare (eloxare) – creste si rezistenta la uzare

ALUMINIUL – Eloxarea

Al / Oţel

ALUMINIUL – Lipirea pentru evitarea coroziunii electrochimice

ALUMINIULUtilizare tehnica (nu aliat)

- placare pe aliaje mai putin rezistente la coroziune (duralumin)- industria chimica- cabluri electrice, folii,…- armaturi condensator, oglinzi telescop, vase,…

ALIAJE DE ALUMINIU PLACATE PRIN DIFUZIE

Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope (FAST) - China

ALIAJELE CU BAZA ALUMINIU. CLASIFICAREDupa tehnologia de obtinere a produselor

de turnatoriedeformabile - nu se intaresc prin TT

- se intaresc prin TT

Aliajele de turnatorie complexe: cantitate maxima / nr. maxim de elemente de aliere

1 – deformabile la rece; 2 – deformabile la cald;

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIUAliaje de turnatorie

Au fluiditate buna si contractie mica de solidificareCea mai buna turnabilitate: Al – Si (siluminuri)

Aliaje hipoeutectice: α + E

Aliaje hipereutectice: Si (foarte fragil) + E

Modificare: eutectic fin (fibre in loc de lamele)

Modificator: Na (NaF, NaCl) sub 0.02%

Efect secundar: eutecticul la 13 – 14%

Diagrama Al - Si

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIUAliaje de turnatorie

Silumin eutectic nemodificat Silumin hipoeutectic (9% Si) modificat

12% Si: Rm = 180 – 200 MPa; A = 5 – 8 %Prin aliere (Cu, Mg) aliajele se pot trata termic :

Aliaje Al-Si-Mg : compusii Mg2Si si Al8Mg5 in urma TTEx. pt. auto / aero: 7%Si, 0.3%Mg, rest Al :Rmmin=280MPa; Amin=10%;

Al – Si – Cu: Cu creste rezistenta mecanica prin TT, aschiabilitateaScade rezistenta la coroziune !!!

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIUAliaje de turnatorie

Aliaje Al-Mg: densitate mica, rezistenta buna la coroziune Aliajele industriale intre 3 – 12%Mg, auto / aeroAvantaje: Rmmax = 500 – 520MPa; Amax = 20 – 25%Dezavantaje: turnabilitate scazuta, OMOGENIZARE LUNGA !!!

Aliaje Al-Zn: rezistenta mare la coroziune, aschiabilitate bunaAplicatii: in industria chimica (si eloxare), hidraulica, …

Aliaje Al-Cu: 4 – 14%Cu, in general nu binare (turnabilitate scazuta)REZISTENTA SLABA LA COROZIUNE !!!

Al-Cu-Mg: compusi ternari cresc rezistenta la cald (+Ni)>>> pistoane Diesel, chiulase racite cu aer (vechi)

Al-Cu-Ni (aliaje Y) – [Hiduminium Y]Rezistenta la coroziune + temp. inalte >>> pistoane solicitate intens

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIUB. Aliaje deformabileB.1 Aliaje deformabile

care nu se intaresc / durifica prin TT

Aliaje monofazice (in general), cu plasticitate f. buna (profiluri laminate, piese extrudate / ambutisate, ...):

Al tehnic, Al – Mn (max. 1.6%), Al – Mg (max. 7%)

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIUB.2 Aliaje deformabile care se intaresc / durifica prin TTAliaje in care la echilibru se formeaza compusi secundari

care la cald se dizolva in solutia solida.

Tratamentul termic dublu:1. calire pentru punere in solutie (aducerea solutiei solide la temperatura ambianta);2. imbatranire (intarire / durificare prin precipitarea de faze in dezechilibru)

naturala – la temperatura ambiantaartificiala – prin incalzire;

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIUB.2 Aliaje deformabile care se intaresc / durifica prin TTDuraluminurile – aliaje tipice

Aliaje Al – Cu – Mg – Mn: 2 – 5.2% Cu; 0.2 – 1.8% Mg; 0.2 – 1.2% Mn

Efectul elementelor de aliere:Cu – cresterea rezistentei prin TT dar scaderea rezistentei

la coroziuneMg – cresterea rezistentei prin TT dar si a duratei de

omogenizareMn – eliminarea efectului negativ al Fe

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIUB.2 Aliaje deformabile care se intaresc / durifica prin TT

Imbatranire: se formeaza pre-precipitate (zone Guinier-Preston) → tensiuni in retea → rezistenta / duritate

Prin incalzire se pierd tensiunile - SUPRAIMBATRANIRE→ pierderea rezistentei / duritatii

Diagrama de echilibru Al - Cu

Pentru TT: compusi solubili in αΘ – Al2CuFazele cu Mg

Calire: structura α (plasticitatea maxima), stabila in primele 2-3 ore

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIUB.2 Aliaje deformabile care se intaresc / durifica prin TT

Analiza imbatranirii: curbe de imbatranire

Curbe de imbatranire pentru duralumin cu 4%Cu

Dezavantajele duraluminurilor:- rezistenta mica la coroziune (sub tensiuni)- fragilitate la sudarea prin topire-tensiuni reziduale mari dupa TT

Aliaje care nu au ac. dezavantaje:Al – Zn – MgAl – Mg – Si

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIUStandardizarea aliajelor de aluminiu

SR EN 1780-1:2003 Simbolizarea lingourilor de aluminiu nealiat si aliat pentru retopire, a prealiajelor si a pieselor turnate. Sistem numeric de simbolizare

EN A B xxxxxCM

B – brut (pt. retopire); C – piese turnate; M – prealiaj

Prima cifra: 1 – Al nealiat; 2 – Cu; 4 – Si; 5 – Mg; 7 – Zn; Daca prima cifra 1: cifra 2 = 0; cifrele 3,4 = zecimalele cont. de Al

Pt. aliaje: a doua cifra = grupa de aliajeEx. 41xxx = Al-Si-Mg-Ti; 42xxx = AlSi7Mg; 43xxx = AlSi10Mg

Cifrele 3,4 – nu semnificatie specialaCifra 5 = 0 – aplicatii generale; ≠ 0 – lingou cu aplicatii speciale

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIUStandardizarea aliajelor de aluminiuSR EN 573-1:2005 Simbolizarea aluminiului si aliajelor de aluminiu

deformabile. Simbolizarea numerica

EN AW-xxxx (X)

Prima cifra: 1 – Al nealiat (identic al. de turnatorie); 2 – Cu; 3 – Mn; 4 –Si; 5 – Mg; 6 – Mg si Si; 7 – Zn; 8 – alte elemente; 9 – serii neuzuale

A doua cifra : modificarile aliajuluiDaca prima e 1 – modificari in limitele de impuritati sau microalieri

Cifrele 3, 4 – nu semnificatie speciala (nu seria 1)A, B, … - variante nationale

Ex. EN AW-5052; EN AW-5154 A

(SR EN 573/2:1995 Sistem de simbolizare bazat pe simboluri chimiceSR EN 573/3:2004 Compozitia chimica)

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIUStandardizarea aliajelor de aluminiuSR EN 515:1994 Simbolizarea starilor pentru aliajele de aluminiu destinate

deformarii

F – Brut de fabricatie

O – Recopt (rezistenta cea mai mica)

H – EcruisatH1, 2, 3, 4 x – Ecruisat [+ tratament in volum / de suprafata]x – indica gradul final de ecruisare: 8 – cel mai dur; 4 – ½ intre O si Hx8

W – calit pentru punere in solutie(numai pt. aliajele care se imbatranesc natural)

T – tratat termic pt. obtinerea unor stari stabile diferite de F, O sau HT1,2,3,4 – T.T cu imbatranire naturalaT5,6,7,8 – T.T. cu imbatranire artificiala

CUPRUL SI ALIAJELE CU BAZA CUPRU

Cuprul : metal rosiatic, foarte bun conductor electric / termic, foarte plastic

Densitate: 8950 kg/m3

Temperatura de topire: 1083°CSistem de cristalizare: c.f.c.Foarte bun conductor electric (dupa Ag) ρel ≈ 0.015 Ω m

termic (dupa Ag)Rezistenta mecanica: 200 – 240 MPa (recopt, in functie de puritate)Rezistenta la coroziune: buna in atmosfera, apa (si de mare)

CUPRUL SI ALIAJELE CU BAZA CUPRU

Alamele = aliaje Cu – Zn Alamele tehnice: max.45% Zn

Structura α – pana la 39% Znα + β’ – peste 39% Zn

(β’= solutie / comp. CuZn)

Turnabilitate buna, deformabilitate f. buna (monofazice)Se introduce Pb pentru aschiabilitate

CUPRUL SI ALIAJELE CU BAZA CUPRUBronzuri = aliaje in care predomina cuprul (cu exceptia alamelor)

Bronzurile cu Sn – cele mai vechi aliaje utilizateTehnice: max. 25% Sn

Structura α – pana la 5-6% Sn - plasticeα + (α +δ) – dure, rezistente la uzare

Rezistenta max.: 400 – 500 MPaRezistenta la coroziune: buna in apa (si de mare), solutii neutre

slaba in HCl, HNO3

Bronzuri cu Al – Rm > 560 MPa, rezistenta la coroziune > decat Cu-SnBronzuri cu Si – ieftine, fluide, rezistente la coroziune si eroziuneBronzuri cu Be – Rm > 700 MPa, antiscantei, elastice

Simbolizarea cuprului si aliajelor de cupru

SR EN 1412: 1997 Cupru si aliaje de cupru. Sistem european de simbolizare numerica

[1 2 3 4 5 6]1 = C2 = B – lingou pentru retopire

C – produs turnatF – adaos pentru lipire / sudareM – prealiajeR – Cu brut rafinat S – materii prime recirculabileW – produs deformatX – nestandardizat

3, 4, 5 = cifre fara semnificatie speciala

Simbolizarea cuprului si aliajelor de cupru

6 = grupa de aliajeA, B – Cu tehnicC, D – Cu slab aliat (≤5%)E, F – aliaje diverse (≥5%)G – aliaje Cu-AlH – aliaje Cu-NiJ – aliaje Cu-Ni-ZnK – aliaje Cu-SnL, M – aliaje Cu-ZnN, P – aliaje Cu-Zn-PbR, S – aliaje Cu-Zn complexe

MagneziulMetal usor: ρ = 1738 kg / m3

Ttop = 651˚C, h.c., fara transf. alotropice;

Foarte activ chimic: reduce oxizi / descompune hidroxizi / carbonati aimetalelor alcaline / alcalinopamantoase;

>>> se autoaprinde in aer in stare pulverulenta (si aliajele)+ umiditate / CH3CH2OH >>> exploziv

Proprietati mecanice nealiat: Rmax = 250 MPa (ecruisat)A = 3 – 17 %< 50 HBE = 45 GPa

Aliaje cu baza MgClasificare I. turnatorie

II. deformabileIII. cu proprietati (pt. aplicatii) speciale

I. Aliaje de turnatoriea. cu rezistenta mecanica ridicata: RM >300MPa dupa T.T.b. refractare: max. 400˚C (timp scurt)

II. Aliaje deformabilea. rezistenta mecanica mare: Rm > 340MPa, Mg-Al-Zn-Mn (Elektron)b. refractare: max. 250 – 300˚C pt. durate lungic. superusoare: Mg-Li (1140 – 1570 kg / m3) – sateliti

III. Aliaje cu aplicatii speciale Ex. Conductori acustici pt. ultrasunete

Intrebari de autoevaluare1. Care este temperatura de topire a aluminiului? Ce sistem de

cristalizare are?2. Care sunt caracteristicile aluminiului?3. Cum se comporta aluminiul la coroziune?4. De cate tipuri sunt aliajele aluminiului?5. Care aliaje de aluminiu au cea mai buna turnabilitate?6. De ce se efectueaza modificarea siluminului? Cu ce se realizeaza?

Care este efectul structural al modificarii? Dar asupra prorietatilor?7. Care sunt etapele tratamentului termic al aliajelor de aluminiu care se

intaresc astfel?8. Ce sunt duraluminurile? Care este rolul fiecaruia dintre elementele de

aliere?9. Care sunt avantajele si dezavantajele imbatranirii artificiale a

duraluminurilor?10. Care sunt dezavantajele duraluminurilor? Ce aliaje nu prezinta aceste

dezavantaje?11. Ce tip de aliaje sunt 3003 si 6100? Se preteaza vreunui tratament

termic?

Intrebari de autoevaluare12. La ce temperatura se topeste cuprul? Care sunt sistemul de

cristalizare si densitatea lui?13. Ce sunt alamele?14. Care sunt constituentii structurali in alamele de uz industrial?15. Ce structura au cele mai rezistente alame? Dar cele mai ductile?16. Care este diferenta intre intervalele de cristalizare ale alamelor si

bronzurilor cu staniu? Care este consecinta acesteia asupra structurii de turnare?

17. Care sunt constituentii structurali in bronzurile cu staniu de uz industriali?

18. Care este structura bronzurilor celor mai rezistente la uzare?19. Care sunt caracteristicile generale ale bronzurilor cu Al, Si sau Be?20. Care sunt caracteristicile magneziului?21. De cate tipuri sunt aliajele de magneziu?