STRUCTURA ALIAJELOR DE ALUMINIU

STRUCTURA ALIAJELOR DE ALUMINIU

1. Aspecte teoretice

Aluminiul este un metal usor (r = 2,7 g/cm³), se topeste la 660 C si cristalizeaza in retea CFC, ceea ce ii confera plasticitate si rezistenta mecanica redusa (R_m = 8 daN/mm², A = 35%). In stare pura prezinta conductibilitate electrica si termica ridicate si rezistenta la coroziune prin formarea peliculei compacte de Al₂O₃. Se utilizeaza in industria electrotehnica pentru conductori electrici, in industria chimica si alimentara pentru placari anticorozive.

Pentru imbunatatirea caracteristicilor mecanice sau de turnare se aliaza cu Cu, Si, Mg, Mn, Zn. Aliajele de aluminiu pot fi binare sau complexe, deformabile (STAS 7608-80) sau de turnatorie (STAS 201/12-80), durificabile sau nu prin tratament termic.

Aluminiul tehnic pur (99,8%) are o structura dendritica de turnare cu o cantitate redusa de eutectic (Al + Al₃F) la limita de graunte. La concentratii de Fe> 0,4% se produce fragilitatea aluminiului. Dupa laminare structura este poliedrica fara macle.

1.1. Aliaje Al-Cu

Aliajele Al-Cu cristalizeaza conform diagramei de echilibru Al-Cu (fig. 1) unde a - solutie solida de Cu in Al, cu solubilitate variabila cu temperatura si retea CFC iar q - compusul Al₂Cu dur si fragil. Aliajele industriale contin pana la 12% Cu si se clasifica in aliaje deformabile (2-6% Cu) si de turnatorie (4-12% Cu).

Aliajele Al-Cu deformabile sunt complex aliate pentru cresterea rezistentei mecanice (Mg, Mn, Si, Fe) si la coroziune (Ni, Mn).

Dintre cele mai utilizate sunt: aliajele de tip duraluminiu (Al - Cu - Mg - Mn):

-slab aliat: 2,0-3,5% Cu; 0,2-0,5% Mg; 0,2-0,5% Mn;

-normal aliat: 3,5-4,5% Cu; 0,3-0,8% Mg; 0,3-0,8% Mn;

-bogat aliat:4,6-5,2% Cu; 0,6-1,8% Mg; 0,6-1,2% Mn.

Sunt aliaje usoare, susceptibile de durificare prin tratament termic. Cele slab aliate sunt cu plasticitate marita, cele bogat aliate sunt inalt rezistente.

In stare de echilibru duraluminiul are structura formata din solutie solida a pe baza de aluminiu si o serie de compusi intermetalici solubili (Al₂Cu, Mg₂Si, Al₂Cu Mg (faza S), Al₃Mg₂, Al₅Cu Mg (faza T) etc, si compusii insolubili (Al₆Mn, Al₂Cu₂Fe, etc).

Datorita solubilitatii variabile cu temperatura a compusilor in solutia solida a, duraluminul se poate durifica prin calire de punere in solutie, urmata de imbatranire.

Calirea consta din incalzire la 495-505 C pentru solubilizarea compusilor si omogenizarea fazei a, urmata de o racire in apa. Se obtine o structura monofazica a suprasaturata in elemente de aliere, cu o buna plasticitate care permite prelucrarea acestor aliaje prin deformare la rece. Aceasta structura metastabila are tendinta de a ajunge in timp la o stare mai apropiata de echilibru. Acest proces poarta denumirea de imbatranire si este insotit de o puternica durificare (R_m = 45-55 daN/mm²; A = 15-20%). Imbatranirea poate fi naturala, cand are loc la temperatura ambianta si are loc in 4-5 zile. Imbatranirea artificiala, prin incalzire la 70-150 C, este mai rapida, dar durificarea este mai redusa.

Prin incalzire 2-3 min. la 230 C are loc separarea fazelor in exces, insotita de inmuirea materialului, ca in stare calita. Acest tratament numit reversiune este utilizat pentru refacerea plasticitatii aliajelor imbatranite in vederea prelucrarii lor prin nituire, stantare, etc. Duraluminiul se foloseste in industria aeronautica.

Un alt aliaj deformabil, durificabil prin tratament termic este aliajul (Al-Cu-Ni-Fe-Mg), utilizat pentru pistoane, unde Ni asigura refractaritatea si o dilatatie termica redusa.

Aliajele Al-Cu de turnatorie contin 4-10% Cu si pot fi simple sau complexe (Mg, Ni, Ti). Au proprietati de turnare mai reduse (fluiditate mica, tendinta de a forma crapaturi la cald, dar pot fi durificate prin tratament termic.

1.2. Aliaje Al-Si

Aceste aliaje cristalizeaza dupa diagrama de echilibru Al-Si.

Aliajele Al-Si deformabile au 1% Si si adaosuri de Mg, Mn, Ti pentru cresterea rezistentei. Sunt aliaje durificabile prin tratament termic de calire si imbatranire artificiala, ca urmare a formarii compusului Mg₂Si cu solubilitatea variabila.

Aliajele Al-Si de turnatorie, cunoscute sub numele de siluminuri au cele mai bune proprietati de turnare dintre aliajele de Al. Sunt aliaje cu 4-18% Si, simple sau complex aliate cu Cu, Mg, Fe, Ni, Mn.

Cele mai utilizate sunt aliajele cu 11-14% Si. La racirea lenta (turnare in amestec deformabil) a aliajelor cu 13% Si, in structura apar cristale primare de Si, eutectic grosier de solutie solida a de Si in Al si cristale aciculare de Si .

Proprietatile de rezistenta si tenacitate sunt reduse (R_m=15 daN/mm²; A =3%).

Pentru finisarea granulatiei se recurge la turnarea aliajelor in cochila, sub presiune sau la modificare.

Modificarea se efectueaza prin adaugarea in topitura a 0,1% Na, care intarzie cristalizarea primara a Si, coboara temperatura eutectica si deplaseaza punctul eutectic de la 11,7 la 14% Si. Totodata Na adsorbit pe suprafata cristalelor le franeaza cresterea. Aliajele capata o structura hipereutectica fina, rezistenta si tenace (Rm = 30 daN/mm², A = 8-10%).

Siluminurile hipereutectice 18%Si se modifica cu prealiaj Cu-P care formeaza compusul AlP cu rol de germene eterogen la cristalizarea Si primar si efect de finisare a granulatiei.

1.3Aliaje Al-Mg

Aliajele Al-Mg tehnice contin pana la 10% Mg si au structura conform diagramei de echilibru Al-Mg (fig. 3). Se remarca solubilitatea variabila cu temperatura a Mg in Al si formarea unor compusi intermetalici: Al₃Mg₂, AlMg, etc. Sunt eficiente la durificarea prin tratament termic numai aliajele cu > 3% Mg.

Aliajele deformabile Al-Mg contin 1-7% Mg si 0,1-0,6% Mn. Sunt mai usoare decat Al, dure, cu rezistenta mecanica si prelucrabilitatea prin aschiere superioare, rezistenta la coroziune marina si in solutii slab alcaline, deformabilitate la rece si in stare ocruisata. Se folosesc ca inlocuitor al Al in constructia de avioane, in industria chimica, alimentara, navala;

Aliajele deformabile Al-Mg-Si numite "avial" sunt durificabile prin calirea de punere in solutie a compusului Mg₂Si si imbatranire artificiala la 100-200 C.

Aliajele de turnatorie, cu 3-9% Mg au proprietati de turnare inferioare siluminurilor.

1.4. Aliaje Al-Mn

Aliajele Al-Mn (fig. 4) sunt aliaje deformabile cu 1-1,5% Mn folosite ca inlocuitor al aluminiului. Rolul Mn este de a mari rezistenta mecanica, rezistenta la coroziune si de a ridica temperatura de recristalizare. La continuturi mici, impiedica formarea acelor fragile de Al₃Fe dar la concentratii mai mari se produce fragilizarea aliajelor prin aparitia compusului Al₆Mn. Sunt aliaje care nu se durifica prin tratament termic si sunt deformabile prin ambutisare (vase, tacamuri, etc).

1.5.Simbolizare

Aliajele de Al deformabile (STAS 7608-71) se simbolizeaza prin simbol chimic al aluminiului urmat de simbolul si concentratia elementelor de aliere in ordinea descrescatoare a concentratiei. Ex: duraluminiul AlCuMg1,5Mn.

Aliajele de turnatorie (STAS 201-80) se indica prin grupul de litere AT, simbolul procedeului de turnare: N-in forme de nisip, C-in cochilie; P-sub presiune, urmat de simbolul chimic si concentratia elementelor de aliere. Ex: ATN Si12MnFe.

2.Descrierea lucrarii

Scopul lucrarii este cunoasterea principalelor aliaje de aluminiu si corelarea structurii cu tratamentul termic si proprietatile mecanice si tehnologice.

2.1.Pregatirea probelor metalografice

Trebuie sa se aibe in vedere obtinerea unei suprafete plane fara zgarieturi, evitandu-se smulgerea fazelor intermetalice dure. De aceea la slefuire se recomanda hartia metalografica imbibata in parafina, iar la lustruire alumina 3 cu granulatie fina, iar in final lustruire pe catifea fara agent de lustruire. Structurile monofazice se pot lustrui si electrolitic.

Pentru identificarea compusilor intermetalici din aliaje complex aliate se folosesc reactivi diferiti. Pentru evidentierea structurii se folosesc reactivi care sa dizolve pelicula de Al₂O₃.

2.2.Microstructura aliajelor de aluminiu

Aluminiul tehnic pur(99,8%) are o structura dendritica de turnare cu o cantitate redusa de eutectic(Al+ Al₃Fe) lalimita de graunte(fig.5).La concentratii de Fe>0,4% se produce fragilizarea aluminiului. Dupa laminare structura este poliedrica fara macle.

Duraluminiul AlCu4SiMg in stare laminata, are structura alcatuita din graunti de solutie solida a si precipitate de Al₂Cu; Mg₂Si; Al₂CuMg (fig.6). In aceasta stare plasticitatea si rezistenta sunt moderate.

Dupa calire, cea mai mare parte a compusilor se dizolva in aluminiu, obtinandu-se o structura a suprasaturata in elemente de aliere cu o cantitate redusa de compusi intermetalici nedizolvati. Plasticitatea este ridicata.

Imbatranirea naturala produce durificarea prin precipitare la 100-200 C si are la baza durificarea prin precipitarea compusului Mg₂Si.

Siluminul ATNSi12, turnat in amestec de formare si nemodificat are o structura grosiera formata din cristale cenusii mari, colturoase sub forma de placi sau ace de siliciu primarsi un eutectic denaturat format din a+Si acicular,cu un grad redus de dispersie. Rezistenta de rupere la tractiune Rm=10-12 daN/mm²; A=3-5%.

Prin modificare cu 0,1% Na, structura devine hipoeutectica cu cristale primare dendritice de solutie solida a de culoare deschisa pe fondul unui eutectic (a+Si) globular fin.Rezistenta de rupere s-a marit la 18-24 daN/mm², iar A=10-15%.

3. Conditii de lucru

Metoda de lucru:

analiza metalografica in camp luminos;

determinare de duritate.

Aparatura:

microscop metalografic, marire300x

durimetru Brinell

Probe metalografice din aliaje de aluminiu, cu atac chimic cu reacriv Keller.

4. Mod de lucru

Se va analiza structura diferitelor aliaje de aluminiu, se va schita structura si se vor identifica constituentii structurali.

Se va determina duritatea HB ca indicaror al rezistentei la deformare. Se vor analiza proprietatile de deformare(dupa structura si duritate) si cele de turnare(dupa intervalul de solidificare din diagrama de echilibru). Rezultatele se vor prezenta tabelar.