Studii si cercetari asupra aliajelor de lipit

1. Aliaje de lipit uzuale

Aliajele pentru lipirea materialelor metalice, ceramice sau produse din sticla, in functie de destinatia lor, trebuie sa aiba o temperatura de topire relativ joasa, proprietati bune de umectare, o aderenta perfecta, o mare capacitate de difuzie, permitand in acelasi timp obtinerea unor imbinari suficient de rezistente. De asemenea, aceste materiale metalice trebuie sa posede o fluiditate foarte buna, pentru a umple toate interstitiile de lipit, o stabilitate ridicata la coroziune, coeficienti de dilatare aproape egali cu ai materialelor de imbinat, o rezistenta de contact cat mai mica si o conductibilitate electrica cat mai ridicata (in domeniul electronic, electrotehnic si radiotehnic), precum si un pret de cost relativ scazut.

Dintre aliajele de lipit ale staniului si plumbului, usor fuzibile, cele mai raspandite in tehnica sunt pe baza urmatoarelor sisteme: Sn-Pb; Sn-Pb-Cd; Sn-Pb-Zn si Pb-Ag, fiind utilizate pentru lipirea otelurilor, cuprului, aluminiului si aliajelor lor, materialelor metalice cu ceramica sau sticla, lipituri fine in electrotehnica, radiotehnica, electronica, in instalatiile medicale etc.

2. Elaborarea si turnarea plumbului, staniului si aliajelor lor

Plumbul, staniul si aliajele lor se elaboreaza in creuzete de otel sau fonta, incalzite cu combustibili lichizi sau gazosi (fig. 1). De obicei sunt executate din fonta, care contine pana la 0,55% Cr si 0,270,37% Ni, avand o durata in exploatare de cel putin 100 de incarcaturi. Capacitatea acestor agregate variaza, putand ajunge pina la 10 tone.

Fig. 1. Cuptor cu creuzet cu flacara pentru eleborarea aliajelor pe baza de plumb: 1 - carcasa metalica (otel); 2 - injector (arzator); 3 - capruseala refractara; 4 - oala de fonta; 5 - agitator mecanic; 6 - hota.

Ca materie prima pentru elaborarea aliajelor de plumb si staniu se utilizeaza in afara de metale primare si prealiaje, diverse deseuri din productia proprie sau din exterior.

Nu se admite introducerea in agregat a deseurilor sub forma de aschii, pilituri sau neidentificate, fara o retopire prealabila.

Ca fondant de acoperire se foloseste manganul calcinat, care are rolul de a proteja baia metalica de actiunea gazelor oxidante din atmosfera cuptorului.

In functie de compozitia materialului metalic elaborat, ordinea de introducere a componentilor incarcaturii in agregat este diferita.

Astfel, la elaborarea aliajelor Pb-Sb-Cu, la inceput se incarca in agregat, care in prealabil a fost incalzit, 3/4 din cantitatea de plumb si deseuri din productia proprie. Dupa supraincalzirea topifurii pana la temperatura de 550C se introduce stibiul sau prealiajul cupru-stibiu, iar la sfirsit restul de plumb si deseuri din productia proprie.

Pentru indepartarea incluziunilor de oxizi si de zgura, si pentru crearea unei atmosfere inerte la suprafata, care sa previna oxidarea ulterioara in timpul topirii, metalul se dezoxideaza.

Daca aliajul contine impuritati nedorite (fier, nichel, zinc, aluminiu etc.), el se supune rafinarii cu ajutorul vaporilor de apa sau al sulfului.

Astfel, zincul si aluminiul se indeparteaza din baia metalica prin tratarea acesteia cu vapori de apa, la temperatura de 500550C, iar fierul, nichelul si cuprul, prin introducerea sulfului in topitura supraincalzita la 600.. .700C.

3. Particularitatile turnarii aliajelor de plumb si staniu

Aliajele de plumb au proprietati bune de turnare. Piesele din aceste aliaje se toarna in forme din amestec de formare, in cochile si sub presiune.

Formele din amestec de formare se executa din amestecuri utilizate si in cazul aliajelor de cupru. Este necesar insa sa se evite vopsirea formelor cu pulbere de grafit, recomandandu-se faina de porumb, respectiv argila grasa calcinata si fin macinata. Deoarece aliajele de plumb nu absorb gazele, este posibila indesarea mai accentuata a amestecului de formare.

Uscarea foarte buna si preancalzirea formelor pentru reproducerea corecta a cavitatii formei este absolut necesara din cauza temperaturii joase de turnare.

Reproducarea precisa a cavitatii de configuratie complicata se realizeaza mai bine pentru aliajele cu continut de stibiu.

Aliajele de staniu se toarna in forme din amestec de formare, in cochile si sub presiune.

Aliajele de cuzineti pe baza de staniu pentru lagare de alunecare pot fi utilizate numai sub forma unui strat turnat pe cuzineti sau bucse din aliaje de cupru, fonta sau otel. Aceste aliaje sunt rezistente la coroziune, se toarna usor si se prelucreaza mecanic usor.

Cuzinetii pe care se toarna acest aliaj se incalzesc la 250.. .270C. Temperatura cochilei si a miezului este de 150.. .200C, iar temperatura aliajului turnat este de 380C.

Cuzinetii mici se toarna vertical, iar cei mari in sifon. Temperatura aliajului nu trebuie sa fie prea inalta, deoarece se va obtine o structura cu graunti mari.

4. Aliaje staniu-plumb - caracterizare structrala

Conform diagramei de echilibru prezentata in figura 2, intre aceste doua metale se formeaza un eutectie si doua solutii solide a si b. Eutecticul de compozitia 61,9% Sn + 38,1% Pb are o temperatura de topire de 183C si se caracterizeaza printr-o buna fluiditate.

Fig.    2. Diagrama de echilibru Pb-Sn.

Avand in vedere aceasta caracteristica, materialele metalice cu o compozitie apropiata de eutectic se utilizeaza pentru lipirea pieselor care nu trebuie sa se incalzeasca prea mult sau unde sunt interstitiile numeroase si extrem de fine si poate sa patrunda numai un aliaj foarte fluid.

Solutia solida a contine la tempcratura eutecticului 19,2% Sn, iar la tem-peratura mediului ambiant solubilitatea staniului in plumb se micsoreaza, ajungand la 1,9% Sn. Aliajele care la temperatura eutecticului au o structura monofazica (a) sunt moi si poseda un interval de solidificare ridicat. Din aceasta cauza ele se folosesc in special pentru imbinarea subansamblurilor care nu sunt supuse la solicitari mari.

Solutia solida b contine la temperatura eutecticului 2,5% Pb, iar la tem-peratura mediului ambiant solubilitatea plumbului in staniu se micsoreaza, ajungand la 0.4 %. Materialele metalice cu structura b au proprietatea de a lipi in bune conditiuni majoritatea otelurilor si aliajelor de cupru. Ele au o temperatura scazuta de topire, o buna stabilitate la coroziune si, datorita continutului mic de plumb sunt inofensive pentru organism si ca atare se pot utiliza in calitate de materiale metalice dc lipit in industria alimentara si la aparatura medicala.

Adaosurile de stibiu in aliajele Sn Pb, de ordinul 16%, maresc rezistenta si duritatea acestora, insa la un continut mai ridicat provoaca fragilitatea materialului metalic, ii reduce stabilitatea la coroziune si intr-o serie de cazuri micsoreaza rezistenta lipiturii.

Cadmiul micsoreaza temperatura de topire a aliajelor Sn Pb, deoarece poate sa apara in sistem - asa cum se constata in diagrama din figura 3, eutccticul ternar, cu compozitia 50% Sn, 32% Pb si 18% Cd, avand temperatura de topire de 145C.

Totodata, acest element imbunatateste caractcristicile mecanice, tensiunea superficiala si inlocuieste staniul. Conform cercetarilor experimentale, un procent de cadmiu confera materialului metalic aceleasi proprietati ca 35% Sn.

Fig. 3.    Diagrama de echilibru Sn-Pb-Cd.

Prezenta argintului in aliajele de lipit Sn Pb, in cantitati relativ mici (1,73%), in special ca inlocuitor al staniului, bismutului sau cadmiului, le mareste rezistenta la oboseala.

Un grup de aliaje mai diferit este cel pe baza sistemului Pb-Sn-Bi, destinat pentru imbinarea sticlei cu alama, la seringile medicale. In ultimul timp sunt utilizate aliajele pe baza sistemului Sn-Pb-In, ultimul pana la 25%, imbunatatindu-se rezistenta la coroziune in agenti bazici. Daca continutul de indiu este de 40%, aderenta pe sticla devine perfecta, ceea ce permite folosirea lipiturilor in instalatiile cu vid.

In tabelul 4.1. au fost prezentate compozitia chimica, caracteristicile mecanice si fizice ale celor mai importante aliaje de lipit pe baza de staniu si plumb.

x 150

Fig.    4. Aliaj 70 Sn - 30 Pb. Atac 2% HCl + 5 % HNO₃ in apa. Dendrite de solutie solida bogata in staniu (alb) intr-o matrice de eutectic Sn-Pb. Structura eutectica poate fi observata mai bine in imagine urmatoare.

x 375

Fig.     Aliaj 70 Sn - 30 Pb. Atac 2% HCl + 5 % HNO₃ in apa. Aceeasi structura observata la o magnitudine marita. Se poate observa structura eutecticului Sn Pb. Liniile negre bine conturatesunt formate din eutectic dispersat.

x 375

Fig. 6. Aliaj 63 Sn - 37 Pb. Atac natal 2%. Solutie solida bogata in Plumb de forma globulara (culoare neagra).Structura dendritica fina in matrice de staniu.

x 375

Fig. 7. Aliaj 63 Sn - 37 Pb. Atac natal 2%. Aceeasi structura ca in imaginea anterioara, doar ca topitura incalzita a fost racita lent. Strucura prezinta lamele de staniu (alb) si solutie solida bogata in plumb (negru).

x 150

Fig. 8. Aliaj 60 Sn - 40 Pb. Atac natal 2%. Structura mici dendrite de solutie solida bogata in plumb, aflate intr-o matrice eutectica fina de forma globulara.

x 150

Fig. 9. Aliaj 50 Sn - 50 Pb. Atac natal 2%. Dendrite de solutie solida bogata in plumb (negru), intr o matrice fina de eutectic lamelar de solutie solida bogata in plumb (negru) si staniu (alb).