ALIAJE

ALIAJE

Aliaje. Generalitati

Prin aliaje intelege un material obtinut prin topirea impreuna a doua sau mai multe elemente, in special metale.

Elementele ce formeaza un aliaj se numesc componenti. Totalitatea aliajelor alcatuite din acesti componenti in diferite proportii se numeste sistem.

Componentul principal se numeste dizolvant (solvent), iar ceilalti se numesc dizolvati (solviti).

Procesele metalurgice se desfasoara in sisteme complexe, multifazice:

Ø      Faza gazoasa: in atmosfera agregatului metalurgic

Ø      Faze solide: componentii materiilor prime sau auxiliare

Ø      Faza metalica: metalul brut sau aliajul

Ø      Topitura de oxizi: zgura

Elaborarea aliajelor neferoase

In timpul elaborarii au loc o serie de procese fizico-chimice:

a)      Procese fizice care au loc la topirea si supraincalzirea metalelor si aliajelor

b)      Reactia aliajelor topite cu oxigenul

c)      Reactia aliajelor topite cu gaze solubile

d)      Reactia aliajelor topite cu fondantii, zgura si captuseala cuptorului

e)      Temperatura de topire a aliajelor neferoase e foarte variata in comparatie cu cea a aliajelor feroase

f)        Majoritatea materialelor neferoase au afinitate pentru oxigen ele formand pelicule compacte de oxizi la suprafata baii

g)      Cel mai important gaz solubil in cazul aliajelor neferoase este H₂ care poate proveni din umiditatea continuta in incarcatura metalica, in captuseala si in combustibil; deci se va folosi o atmosfera neutra sau chiar oxidanta

Degazarea aliajelor neferoase se reduce la indepartarea H₂ (in proportie de 90 - 98% din intreaga cantitate de gaze) care se face prin:

Ø      Metode fizice: sulfare cu gaze inerte

tratare cu fondanti

cu ultrasunete

Ø      Metode chimice: topirea oxidanta - reducatoare

h)      Pentru a proteja baia de metal lichid de actiunea oxidanta a mediului se folosesc materiale pentru acoperire: mangalul macinat sau fondanti (cei bazici au si rol de rafinare).

Aluminiul si aliajele pe baza de aluminiu

Clasificarea aliajelor neferoase (dupa greutatea specifica):

Grupa metalelor si aliajelor grele (δ > 4g/ cm³): Cu, Yn, Pb, Sn, Ni si aliajele lor

Grupa metalelor si aliajelor usoare (δ < 4g/ cm³): Al, Mg si aliajele lor.

Elaborarea aliajelor de Al

Pentru elaborare se utilizeaza materialele metalice: Al in blocuri, deseuri proprii, piese uzate, fondanti: cloruri si floruri ale metalelor alcaline si diversi modificatori pentru obtinerea unor piese compacte si cu structura fina.

Utiliaje folosite:

Ø      cuptoare cu creuzet

Ø      cuptoare rotative cu flacara

Ø      cuptoare electrice

Pentru a evita oxidarea si absortia de gaze se utilizeaza un strat de fondant sau se face o rafinare cu gaze.

Aluminiul se utilizeaza in turnatorii numai sub forma de aliaje, deoarece in stare pura prezinta proprietati mecanice scazute, el are o contractie mare la solidificare si o fluiditate scazuta.

Aliajele de Al turnate in piese folosiote in Romania se grupeaza dupa felul de turnare si compozitia chimica, marcile fiind simbolizate:

Ø      ATN: aliaje turnate in amestec de formare

Ø      ATC: aliaje turnate in cochila

Ø      ATP: aliaje turnate sub presiune

Din punct de vedere chimic marcile se simbolizeaza in functie de elementul principal de aliere care poate fi: Cu, Si, Mg, Yn etc. Aliajele Al - Si se folosesc foarte mult in turnatorii datorita proprietatilor de turnare superioare in comparatie cu alte aliaje ale Al. Aliajele eutectice (cu 11,7% Si) sunt cele mai fluide.

In general la aliajele cu interval de solidificare care formeaza solutii solide, cristalele cresc intr-un interval de temperatura in anumite directii preferentiale (apare segregatia dentritica); se formeaza un schelet continuu care impiedica curgerea aliajului lichid.

Aparitia segregatiilor (neuniformitatile e compozitie) este o consecinta a redistribuirii elementelor de aliere intre faza solida si cea lichida in timpul formarii structurii primare.

Microsegregarea apare ca urmare a transportului de masa prin difuzie pe distante mici si poate fi: celulara, dentritica sau la limita grauntilor.

Segregatia celulara se obtine ca urmare a scoaterii elementului dizolvat dintr-o solutie solida si imbogatirea in aceasta a fazei lichide.

Segregatia cea mai mare se va obtine la punctele de jonctiune ale celulelor. Aceasta segregatie se poate elimina de la sineprin difuzia ce are loc si in faza solida, in timpul racirii.

Segregatia entritica apare ca variatii de concentratii intre centrul si partea exterioara a ramurilor dentritice.

Sistemul de aliaje Al - Cu

Aliajele Al-Cu au proprietati tehnologice inferioare siluminurilor ca urmare a existentei in structura lor a fazei fragile θ (CuAl₂) care favorizeaza aparitia fisurilor la turnare si prelucrare, incetinesc procesul de difuzie si nu permit obtinerea unei structuri omogene.

Pentru a imbunatati propritatile tehnologice si deci cele mecanice trebuie ca sa se modifice depunerile fazei θ (CuAl₂), sa se disperseze mai uniform in volumul piesei turnate.

Pentru ca aceasta faza cristalizeaza secundar si mai ales spatiile interaxiale ale dentritelor de Al, pentru a se realiza dispersia ceruta trebuie modificata structura interna a acestuia. S-a studiat influenta urmatoarelor elemente: Mo, W, Va, St, Br, Li, Na, Ca, Be, Cr, Sn, Pb, Zn introduse in cantitati de 0,005%, 0,01%, 0,05%, 0,1%, 0,2%.

Adaosurile cu cea mai mare eficacitate asupra dispersarii fazei fragile θ (CuAl₂) sunt metalele greu fuzibile: Yr, Vn, Ta, W, Cr, Br si metale usor fuzibile: Na, Ca, Pb, Li, P.

Modificatorii, absorbindu-se in structurile dendritelor in crestere (adaosurile solubile), creeaza o anumita bariera pentru alimentarea atomilor substantei in curs de cristalizare, favorizand astfel obtinerea unor dendrite sub forma de cristale cu axe subtiri, puternic ramificate, intre care se depun fazele fragile si astfel se realizeaza o structura cu cristale fine. Astfel sunt imbunatatite proprietatile mecanice si tehnologice ale sistemelor de aliaje Al - Cu folosite la turnarea sau deformarea plastica.

Aliajele de Al care contin o faza secundara pot fi superplastice la anumite temperaturi. Astfel aliajele Al - Cu (33%Cu) care contin compusul CuAl₂ devin superplastice peste temperatura de 400⁰C, ajungand la o alungire de 2000%. Deformarea la cald a acestui aliaj, in apropierea temperaturii de topire, conduce la aparitia unei structuri cu graunti fini echiaxiali de solutie solida pe baza de Al si compus CuAl₂ care poate fi deformat superelastic pana la o alungire de 400%, la o viteza de deformare de10^-2s^-1, la o temperatura de520⁰C, reprezentand 90% din cea de topire.

Exista aliaje superelastice eutectice Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si si Al-Si-Mg la o fractie de faza secundara de ~ 50%, realizand o structura fina cu o distributie uniforma a fazei secundare, prin racire cu viteze moderate (la turnare).

In conditiile coexistentei solutiei solide cu particule de faza secundara, se reduc foarte mult limitele intre graunti pana cand cresterea grauntilor inceteaza. Pentru a obtine graunti stabili (<10m) necesari pentru aparitia plasticitatii, se recomanda utilizarea unei fractii voluminice mari a particulelor secundare cu dimesiuni relativ mari. Asa se explica faptul ca aliajele de compozitie eutectica sau eutectoida pot fi superplatice in anumite conditii.

In cazul grauntilor si al particulelor de faza secundara sferice, dimensiunea maxima a grauntilor este:

r = raza particulelor secundare in m

F = fractia volumica a particulelor secundare in %

In cazul aliajului Supral 150 (Al-Cu-Zr de compozitie 6% Cu, 0,5%Zr, rest %Al) stabilizarea dimensiunilor grauntilor de solutie solida se realizeaza cu un volum redus de particule fine cu continut de Zr (Zr Al₃) care nu coaguleaza. Aliajul Supral 150 are alungirea de ~1000% dar poate atinge si valoarea de ~2000%. Temperatura de deformare a acestui aliaj: 450⁰C.

Aliaje Al-Cu:

Aliaje pentru turnatorii (pana la 5% Cu+adaosuri mici Mg, Mn)

Aliaje pentru turnatorii (cu 78% Cu+Fe si Si + adaosuri mici de Mn, Cr, Zn, St)

Aliaje pentru turnatorii (de 10% Cu+Mg in cantitati mici (0,1 - 0,3% + Fe (1,5%) + Si (5%) + adaosuri mici de Ni, Mn, Cr

Aliaje pentru deformare plastica: 56% Cu+ adaosuri mici de Mn, Si, Cd, St, Vn, Li, Zr

Aliaje cu adaosuri de Ni: tip y cu o compozitie4Cu2Ni, 1,5Mg+Mn, Ni, Fe.

Adaosurile de Cu maresc rezistenta la rupere a Al astfel incat cu 1% Cu rezistenta la rupere a Al creste de la 14 la 21 daN/mm² iar aliajele cu continut mare de Cu se pot durifica prin calire si imbatranire; cu 5% Cu, 95% Al rezulta dupa calire o rezistenta la rupere de 31daN/mm²; 79%Cu, restul % Al rezistenta la rupere poate ajunge la 25daN/mm², limita de curgere pana la 10daN/mm² si alungirea relativa pana la 2%.

Aliajele binare Al-Cu au fluiditate scazuta si tendinta mare de fisurare, astfel se introduc adaosuri suplimentare si tratamente cu Be, Zr, Ti, Cd si alte metale cu solubilitate scazuta in Al. Adaosul de 1,2% Si+ 1,5% Fe mareste rezistenta la temperaturi inalte.

Aliajul AlCu₄Ti are caracteristici mecanice deosebite cum nu exista la nici un aliaj pentru turnatorii. Pentru acest aliaj se recomanda o racire rapida, dirijata, ca principal mijloc de imbunatatire a caracteristicilor. Adaosul de Si de pana la 1,2% si de Fe pana la 1,5% in aliajele binare Al - Cu mareste rezistenta la temperaturi inalte.

In sistemul Al - Cu - Fe se formeaza compusi ternari (CuFe)Al₆, respectiv FeCu₂Al₇. La viteze mari de racire este prezent in structura FeCu₂Al₇, iar faza (CuFe)Al₆ contribuie la modificarea combinatiei FeAl₃. Manganul asigura aparitia fazelor (CuFeMn)Al₆ sau Cu₂Mn₂Al₂₀.

Siliciu micsoreaza rezistenta aliajelor de turnatorie, mareste fluiditatea, reduce plasticitatea, formeaza compusi FeSiAl₃, FeSiAl₅ sau Cu₂FeAl₇.

Compozitiile de 4,5%Cu, 0,8 %Si rest %Al respectiv4,5%Cu, 2,5% Si rest %Al au fost mult timp folosite pentru turanrea pieselor in forme metalice deoarece au proprietati mecanice mai bune si tendinta redusa la fisurare la cald. Aceste aliaje au fost inlocuite cu siluminiuri care au proprietati mecanice similare, densitate mai mica, rezistenta mai buna la coroziune si caracteristici superioare de turnare.

Prezenta Li in aliajele Al-Cu imbunatateste rezistenta la fluaj si la temperaturi inalte. Aliajele 2% Cu, 12% Li, rest % Al dupa imbatranire au R = 35daN/mm², A=23%, prin deformare la rece si o noua imbatranire se obtin R = 50daN/mm², A=1% si proprietati de rezistenta la coroziune comparabile cu aliaje tip duraluminiuri.

Prezenta Mn reduce teninta acestor aliaje de a forma fisuri la cald in piesele turnate si imbunatateste rezistenta lor la temperaturi inalte.

Prezenta Mg mareste rezistenta la rupere si duritatea acestora, dar micsoreaza alungirea. Mg imbunatateste rezistenta la temperaturi inalte astfel compozitia 10%Cu, 0,2%Mg, rest % Al si 10%Cu, 4%Si, 0,3%Mg, rest %Al au fost folosite pentru turnarea pistoanelor, in prezent fiind inlocuite de siluminurile complexe; aliajele 4%Cu, 2%Ni, 1,5%Mg, rest %Al si 8%Cu, 6%Mg, 0,5%Ni, rest %Al si 4%Cu, 2%Mg, 2%Ni, rest %Al sunt utilizate pentru turnarea pistoanelor la motoare Diesel si a chiuloaselor racite cu aer la motoare de avion.

Sistemul Al-Cu-Mg-Ag este foarte folosit in industria aeronautica.

Aliajele pe baza sistemului Al-Cu sunt durificabile prin imbatranirea artificiala si ajung la valori mari ale rezistentei. Durificarea prin imbatranirea artificiala nu este intotdeauna posibila, respectiv o incalzire ulterioara e nedorita. Daca la aliajele Al-Cu se adauga 11,5%Mg ele devin durificabile prin imbatranire naturala. Aliajele de tip AlCuMg (duraluminuri) necesita pentru a se realiza durificarea prin precipitarea o buna deformare plastica prealabila intrucat in stare turnata nu este posibila o durificarea sensibila.

Aliaje pentru turnatorie pe baza sistemului Al-Cu