2.3. NICHELUL I ALIAJELE SALE

2.3.1.NICHELUL ELEMENTAR

Nichelul a fost descoperit n anul1751 i se utilizeaz pe scar larg n industrie, att n stare

pur, ct i sub form de aliaje cu alte metale. Se caracterizeaz printr-o rezisten bun la coroziune

n diferite medii, prin rezisten la rupere suficient de ridicat i o plasticitate mare, putndu-se

prelucra cu uurin prin deformare la cald i la rece.

n natur este mai rspndit dect cuprul, dar ceva mai puin ca zincul. Coninutul su n

scoara terestr este de 1,8102 %. Forma sub care se gsete este extrem de variat prin urmare i

metodele folosite pentru extragerea sa sunt numeroase. Minereurile cele mai importante conin

oxizi, sulfuri i silicai.

Nichelul cristalizeaz n sistemul cubic cu fee centrate, avnd parametrul reelei a = 3,5167 ,

distana interatomic de 2,486 i numrul de coordinaie 12.

Exist o modificaie cu structur hexagonal care se obine prin condensarea vaporilor acestui

metal sau prin aciunea unui curent gazos format dintr-un amestec de oxid de carbon i hidrogen, la

presiunea atmosferic i temperatura de 175 C asupra nichelului cu reea cubic cu fee centrate.

Ambele modificaii alotropice pot fi ntlnite la temperatur obinuit, ns la nclzire n vid peste

250 C forma hexagonal (nichel ) se transform n modificaia cu structur cubic (nichel ). n intervalul de temperatur 340...380 C nichelul sufer o transformare nsoit de

schimbarea proprietilor magnetice.

Cele mai importante proprieti fizice, tehnologice i mecanice ale nichelului sunt:

- temperatura de topire: 1455 C;

- temperatura de fierbere: 2730 C;

- cldura latent de topire: 1 400 cal/g;

- cldura specific, la 20 C: 0,112 cal/Cg;

- densitatea:8,9 g/cm3

;

- coeficient de dilatare liniar la 20...100 C: 13,7106

;

- modulul de elasticitate: 21 000 daN/mm 2 ;

- limita de curgere: 60...70 daN/mm 2 ;

- rezistena la rupere la traciune: 75...90 daN/mm 2 ;

- alungirea relativ (recopt): 35...40 %;

- duritatea Brinell, recopt: 70...90 daN/mm 2 ;

- temperatura de turnare : 1550...1650 C;

- temperatura de recristalizare: 300 C;

- contracia liniar la turnare: 1 %..

Proprieti chimice. Nichelul este din punct de vedere chimic un element puin activ. La

temperatura obinuit aerul, apa sau mpreun nu au nici o aciune asupra lui.

Fiind foarte rezistent la aciunea mediului nconjurtor i n raport cu o serie de ageni chimici,

nichelul se folosete pentru protejarea altor metale mai puin nobile, prin acoperiri galvanice.

2.3.1.1. Influena elementelor nsoitoare asupra structurii i proprietilor nichelului

Plumbul, bismutul i seleniul practic nu se dizolv n nichel i formeaz cu acesta eutectice

uor fuzibile la fel ca i sulful, degradnd la coninuturi mai mari de 0,002...0.003 % proprietile i

prelucrabilitatea prin deformare.

Stibiul, arsenul i cadmiul n cantiti extrem de mici 0,003...0,005 % nrutesc brusc

prelucrabilitatea prin deformare a nichelului i a aliajelor sale.

Sulful este cea mai duntoare mpuritate n nichel. ntre

nichel i sulf, aa cum se constat din diagrama de echilibru

termic prezentat n figura 2.26, se formeaz o serie de

combinaii: Ni 2 S, Ni 3 S 2 , Ni 7 S 6 , NiS, Ni 3 S 4 , NiS 2 . Sistemul

prezint un eutectic la un coninut de 20,01 % sulf.

Fig. 2.26. Diagrama de echilibru termic a sistemului

nichel-sulf.

Pentru a nltura influena duntoare a sulfului asupra nichelului i aliajelor sale, n tehnic

se practic pe scar larg adugarea unei cantiti de 1,5 % Mn i 0,1 % Mg. Rezultate mai bune se

obin, n ceea ce privete eliminarea sulfului printr-o desulfurare suplimentar cu un adaos de

0,004...0,006 % litiu.

Hidrogenul se dizolv mai mult n nichel dect n cupru. Cercetrile fcute asupra sistemului

nichel-hidrogen au demonstrat existena unor hidruri de tipul NiH, NiH 2 i NiH 4 . Toate aceste hidruri

au proprietatea de a forma soluii solide cu hidrogenul.

Tabelul 2.7

Solubilitatea hidrogenului n nichelul solid

Temperatura [C] 200 400 600 1000 1400

Solubilitatea [cm 3 H 2 /100 g metal] 1,7 3,15 5,25 9,8 16,2

Hidrogenul provoac n nichel, la fel ca i n cupru, boala de hidrogen, favoriznd astfel

apariia suflurilor care conduc la scderea proprietilor mecanice i fizice ale metalului.

Oxigenul se dizolv n nichelul metalic, producnd la cantiti mai mari de 0,22...0,24 %

scderea brusc a plasticitii. Conform diagramei de echilibru, prezentat n figura 2.27, ntre nichel

i oxigen pot s apar urmtorii compui: Ni 2 O, NiO, Ni 2 O 3 ,

Ni 3 O 4 , Ni 4 O 5 i NiO 2 .

Fig. 2.27. Diagrama de echilibru termic a sistemului

nichel-oxigen.

La solidificare, NiO se separ ca faz independent, la marginea grunilor i provoac fragilitatea

metalului.

Azotul formeaz cu nichelul o combinaie chimic nestabil, Ni 3 N. n nichel i n marea

majoritate a aliajelor sale, azotul chiar dac se dizolv, nu are nici o influen duntoare.

Fosforul: Diagrama de echilibru a sistemului nichel

-fosfor, prezentat n figura 2.28, explic motivul pentru

care la elaborarea nichelului i aliajelor sale nu se

utilizeaz ca dezoxidant acest element, folosit pe scar

larg la eleborarea majoritii aliajelor de cupru.

Fig. 2.28. Diagrama de echilibru termic pentru

sistemul nichel-fosfor.

Carbonul. Caracterul interaciunii dintre nichel i carbon prezint o mare importan practic,

deoarece metalul este nsoit n permanen de acest element.

Fig.2.29. Diagrama de echilibru termic

pentru sistemul nichel-carbon.

Din diagrama de echilibru prezentat n fig.

2.29., rezult c ntre nichel (soluia saturat de

carbon n nichel) i carbon se formeaz un

eutectic, la concentraia de 2,22 % C i

temperatura de 1318 C.

La precipitarea carbonului sub form de

grafit, nichelul i pierde maleabilitatea i capacitatea de a fi prelucrat prin deformare plastic, att la

cald ct i la rece. Aa se explic de ce limita superioar de carbon admis n nichel este de numai

0,15 %. La un coninut de 1 % carbon, nichelul devine att de casant, nct poate fi pulverizat.

Fierul, cobaltul, cuprul i manganul formeaz cu nichelul soluii solide care mresc puin

rezistena mecanic i rezistivitatea electric, dar nu au influen negativ asupra prelucrrii prin

deformare plastic.

Cromul confer rezisten la oxidare ca urmare a apariiei peliculei de oxizi (Cr 2 O 3 i

Cr 2 NiO 4 ) compact, cu o mare rezisten la coroziune; formeaz carburi intergranulare de tipul

Me23 C 6 i Me 7 C 3 ; mbuntete refractaritatea i valoarea rezistivitii.

2.3.2 ALIAJELE NICHELULUI

Aliajele pe baz de nichel sunt materiale metalice de o importan covritoare n tehnic,

datorit proprietilor deosebite pe care le posed, dintre care putem aminti: caracteristici mecanice

foarte bune att la temperaturi ridicate ct i la temperaturi sczute, refractaritate i rezisten la

coroziune, proprieti magnetice (permeabilitate magnetic variabil sau constant, pentru magnei

permaneni), rezisten la uzur i proprieti de antifriciune corespunztoare, coeficient de dilatare

practic nul n domeniul de temperatur 0...100 C sau apropiat de cel al platinei i sticlei, rezistivitate

electric, for termoelectromotoare ridicat etc.

Dup proprieti i domeniile de utilizare, aliajele pe baz de nichel pot fi convenional

mprite n: - aliaje pentru industria construciilor de maini;

- aliaje pentru industria electrotehnic i electronic;

- aliaje cu proprieti fizice speciale (aliaje refractare, aliaje cu memorie,

aliaje pentru industria aerospaial, energetic, nuclear, chimic, alimentar i criogenie).

n industria constructoare de maini, unde se cer materiale cu o nalt rezisten mecanic i o

mare stabilitate la coroziune se utilizeaz mai ales aliajele nichelului cu cupru, fiind prezente i alte

elemente de aliere precum i aliaje pe baza altor sisteme.

2.3.2.1. ALIAJE NICHEL - CUPRU I MAI COMPLEXE

Proprietile caracteristice ale aliajelor pe baza acestui sistem sunt rezistena foarte mare la

coroziune, stabilitatea ridicat pn la 500 C; se comport mai bine dect nichelul n mediu

reductor i dect cuprul n mediu oxidant i posed o rezisten la fluaj superioar n intervalul

250...500 C. n comparaie cu aliajele pe baz de cupru i fier.

Conform diagramei de echilibru prezentat n figura 2.30, aceste dou elemente, fiind

izomorfe i avnd razele atomice de dimensiuni

foarte apropiate, se aliaz n orice proporie, avnd

o miscibilitate total n stare lichid.

Fig.2.30. Diagrama de echilibru termic

pentru sistemul nichel-cupru.

Rezistena la traciune crete odat cu

mrirea coninutului de nichel i atinge un maxim la

60...70 % Ni, fiind nsoit de scderea plasticitii,

dar totui alungirea rmne mai mare de 40 %,

figura 2.31. Ca urmare a acestui fapt, aceste

materiale metalice sunt apreciate pentru

proprietile lor bune de prelucrare, att la cald ct

i la rece, putnd fi ambutisate adnc, matriate, extrudate, trefilate etc., dar au proprieti de

achiabilitate reduse.

n sistemul Ni-Cu rezistivitatea electric i atinge valoarea maxim la 50 % cupru, iar

coeficientul de temperatur a rezistivitii devine minim la aceast compoziie.

Fig. 2.31. Variaia rezistenei la rupere i a

alungirii n sistemul cupru-nichel.

Aceste materiale metalice au proprieti de

turnare dificile: temperatur ridicat (1400...1500 C),

tendin mare de absorbie a gazelor, de a forma

retasuri i incluziuni de zgur, o fluiditate mic etc.

Aceste aliaje sunt preferabil s fie elaborate n cuptoare electrice cu inducie, pentru a se

scurta ct mai mult timpul. Topirea optim se realizeaz n vid, dac nu este posibil, n mediu neutru,

n cel mai ru caz n atmosfer oxidant, dar se interzice elaborarea n atmosfer reductoare.

2.3.2.1.1. ALIAJE .NICHEL - CUPRU - ZINC

Aceste aliaje cunoscute sub numeroase denumiri comerciale (alpaca, neusilber, argentan etc.)

au o culoare argintie atunci cnd coninutul de nichel este mai mare de 20 %. La adugarea nichelului

n alame este posibil schimbarea culorii de la galben, respectiv rou, prin verzui, alb, argintiu,

albstrui pn la albastru.

Zincul acioneaz favorabil att asupra plasticitii i fluiditii ct i a rezistenei la rupere la

traciune.

Staniul i plumbul sunt adugate pentru mbuntirea fluiditii, a proprietilor de achiere

i antifriciune, fcnd apte aliajele pentru obinerea cuzineilor, pistoanelor pentru pompe, a

lagrelor de alunecare.

n timpul elaborrii, pentru a se evita impurificarea cu gaze, se recomand folosirea unor

fondani de protecie formai din amestecuri care conin NaCl, Na 2 CO 3 , Na 2 B 4 O 7 , sprturi de

sticl i nisip cuaros uscat.

Turnarea se realizeaz la 1100...1300 C n forme metalice sau nemetalice, pudrate n interior

cu o vopsea pe baz de grafit.

2.3.2.1.2. ALIAJE NICHEL - CUPRU - ALUMINIU

2.3.2.2. ALIAJE NICHEL - MANGAN

Pot fi binare sau complexe i sunt caracterizate printr-o mare refractaritate i rezisten la

oxidare, au o temperatur nalt de volatilizare chiar la un vid naintat, posed putere de emisie de

electroni n tuburi catodice i se prelucreaz uor prin deformare la cald i la rece.

n calitate de elemente de aliere sunt utilizate Al, Fe, Si i C care n cantitile adugate nu

formeaz faze noi, dizolvndu-se integral n nichel.

2.3.2.3. ALIAJE NICHEL - FIER

Dezvoltarea tehnicii n domeniul telecomunicaiilor, automatizrii n industria msurtorilor i

aparaturii electrice, n electronic i a instalaiilor de nalt precizie, necesit aliaje cu proprieti

deosebite, care s se modifice foarte puin cu temperatura sau s rmn constante n anumite limite

ale acestuia. n acest sens, proprietile cele mai valoroase (coeficieni de dilatare constani n

domeniul de temperaturi 0...100 C, sau apropiai de ai platinei i sticlei; permeabilitate magnetic

mare i for coercitiv mic; magnetizare permanent; proprieti magnetice care sunt constante

ntr-un domeniu de temperatur; rezisten ridicat la coroziune i oxidare etc.) le posed aliajele pe

baza sistemului nichel - fier.

La temperaturi peste 1000 C, fig. 2.33, nichelul cu fierul formeaz un ir nentrerupt de soluii

solide care cristalizeaz n sistemul cubic cu fee centrate.

Fig. 2.33. Diagrama de echilibru termic pentru sistemul nichel-

fier.

Aceste aliaje sunt utilizate pentru construcia releelor foarte

sensibile, transformatoarelor i bobinelor de oc care lucreaz n

cmpuri slabe, n aparate de precizie, ecrane magnetice,

transformatoare de frecven joas i ridicat, inductori care funcioneaz la frecven nalt,

amplificatoare magnetice care funcioneaz n gama frecvenelor acustice, aparate de msur etc.

2.3.2.4. ALIAJE NICHEL - CROM

Aceste aliaje ndeplinesc n cele mai bune condiii cerinele impuse materialelor folosite

pentru confecionarea elementelor de nclzire ale cuptoarelor electrice: refractaritate ridicat i o

rezisten la coroziune deosebit n atmosfer oxidant i la aciunea altor gaze cu care vin n

contact; o durat de funcionare ndelungat la temperatura de regim; rezistivitate electric mare i

un coeficient mic de variaie a acesteia cu temperatura; proprieti mecanice, tehnologice

satisfctoare; posibiliti de prelucrare i de sudare prin toate metodele cunoscute i pre de cost

relativ redus.

proprietilor mecanice i reduce progresiv temperatura punctului Curie, odat cu creterea

coninutului su, aceasta atingnd 0 C la 15 % Cr.

Aliajele care sunt utilizate n mod curent n practica industrial (cromel, nicrom) au un

coninut de crom de pn la 30 % Cr, avnd o structur tipic de soluie solid, ceea ce permite o

prelucrare uoar prin deformare la cald i la rece.

2.3.2.5. ALIAJE REFRACTARE PE BAZ DE NICHEL

Aceste aliaje pot funciona n domeniul temperaturilor 800...1000 C, avnd n compoziie, ca

elemente de aliere: Cr, Co, Fe, Al, Ti, Mo, Wo, Nb, Ta, Be, metale din grupa platinei; beriliu, cupru,

argint ca modificatori i adausuri de rafinare (B, Zr, Hf, Mg, Mn, Th, Ce, Ca, La, Y, Li, Si, C); vanadiu

precum i oxizi ai metalelor din grupa pmnturilor rare

2.4. ZINCUL I ALIAJELE PE BAZ DE ZINC

2.4.1. ZINCUL ELEMENTAR

Zincul este unul din metalele industriale importante, fiind utilizat n industria chimic,

industria poligrafic, n galvanotehnie i n alte domenii ale tehnicii, att sub form metalic, ct i

sub form de aliaje.

Zincul se caracterizeaz printr-o plasticitate bun la cald, proprieti mecanice medii i o

rezisten ridicat la coroziune.

Face parte din grupa a doua a sistemului lui Mendeleev, cu numrul de ordine 30 i cu o greutate

atomic de 65,38. Are 12 izotopi a cror mas atomic variaz ntre 62 i 73, unii din ei fiind

radioactivi. Cristalizeaz n sistemul hexagonal compact i nu prezint transformri alotropice.

Cele mai importante proprieti fizico-mecanice ale zincului sunt date n tabelul2.8.

Tabelul 2.8

Proprietile fizico-mecanice ale zincului

Nr. crt. Proprietatea U.M. Valoarea

1 Temperatura de topire C 419,5

2 Temperatura de fierbere C 906,4

3 Densitatea metalului turnat kg/dm 7,13

4 Densitatea metalului topit kg/dm 6,92

5 Cldura latent de topire kcal/mol 0,153

6 Cldura specific la 20 kJ/gC4,18 0,0910

7 Coeficient de dilatare liniar ntre 20...250 J/cmsC4,18 39,510

8 Rezistena la rupere la traciune, n stare turnat [daN/mm] 8...10

9 Rezistena la rupere la traciune, n stare

deformat

[daN/mm] 11...15

10 Rezistena la rupere la traciune, n stare recoapt [daN/mm] 7...10

11 Rezistena la curgere a zincului turnat [daN/mm] 7,5

12 Rezistena la curgere a zincului deformat [daN/mm] 8...10

13 Alungirea relativ a zincului turnat % 0,3...0,5

14 Alungirea relativ a zincului deformat % 10...20

15 Alungirea relativ a zincului recopt % 40...50

16 Duritatea Brinell n stare turnat [daN/mm] 30...40

17 Duritatea Brinell n stare deformat [daN/mm] 35...45

Proprieti chimice. Zincul se dizolv bine n acizi i alcalii, iar nclzit la rou descompune

energic vaporii de ap. Oxizii unor metale (Cd, Pb, Cu, Ni) sunt redui de zinc.

Pn la temperaturi de 600 C dizolv hidrogenul, att n stare solid, ct i dup trecerea n

stare lichid.

Zincul n atmosfer uscat nu se oxideaz, pstrndu-i suprafaa strlucitoare mult timp;

numai la temperaturi peste 150C ncepe s se formeze n mod vizibil oxidul de zinc. n oxigen perfect

uscat oxidarea metalului are loc foarte lent, chiar la 400C, ns, trecut n stare lichid se oxideaz

repede i se acoper la suprafa cu o crust de culoare cenuie.

2.4.1.1. Influena elementelor nsoitoare asupra zincului

Staniul formeaz cu zincul un eutectic uor fuzibil, care se separ la limitele grunilor i

provoac apariia fisurilor la prelucrarea plastic la cald a metalului. De aceea, zincul destinat pentru

laminare nu trebuie s conin mai mult de 0,002 % Sn.

Plumbul are o influen redus asupra caracteristicilor mecanice

Fierul mrete duritatea, dar scade puternic plasticitatea.

Cadmiul, dei formeaz cu zincul un eutectic uor fuzibil, la 266C, influeneaz n mic

msur proprietile de plasticitate.

Magneziul produce durificarea i fragilitatea zincului, datorit formrii de faze intermetalice

dure.

Prezena simultan n zinc a elementelor Pb, Sn i Cd provoac o reducere brusc a rezistenei

la coroziune.

Cea mai mare cantitate de zinc este folosit la obinerea alamelor. De asemenea este utilizat

n diferite domenii ale tehnici, n special n industria constructoare de maini, galvanotehnie,

metalurgia aurului i plumbului.

n afara folosirii n stare metalic, zincul este ntrebuinat adesea n industria vopselelor, a

cauciucului, n ceramic i n industria mtsii artificiale, sub form de oxid i sruri ale diferiilor

acizi. n ultimul timp, clorura de zinc (ZnCl 2 ) a cptat o mare ntrebuinare la rafinarea aliajelor

metalelor neferoase.

2.4.2. ALIAJE DE ZINC

Aliajele pe baz de zinc, se pot clasifica dup destinaie, n urmtoarele categorii: - aliaje de

turntorie ( n special pentru turnare sub presiune);

- aliaje deformabile;

- aliaje de antifriciune;

- aliaje tipografice;

- aliaje de lipit.

n funcie de sistemele binare i ternare, care stau la baz, aliajele de zinc se pot clasifica n

urmtoarele grupe:

- aliaje cu baz de zinc cu aluminiu;

- aliaje cu baz de zinc cu cupru;

- aliaje cu baz de zinc cu aluminiu i cupru;

- aliaje cu baz de zinc cu aluminiu i magneziu;

- aliaje cu baz de zinc cu mangan;

- aliaje cu baz de zinc cu litiu;

- aliaje cu baz de zinc cu cadmiu.

2.4.2.1. ALIAJE DE ZINC DE TURNTORIE

Se folosesc, n special, pentru obinerea prin turnarea sub presiune a unor piese mici,

fasonate.

Aceste aliaje pot fi mprite convenional, n trei grupe: aliaje zinc-aluminiu, aliaje zinc-cupru

i aliaje zinc-aluminiu-cupru.

Aliaje zinc-aluminiu. Din diagrama de echilibru termic a sistemului Zn-Al, prezentat n fig.

2.35, se constat c zincul formeaz cu aluminiul un eutectic cu un coninut de 5,1 % Al, avnd

temperatura de topire de 382 C. Soluia solid (Zn), bogat n zinc, dizolv mai mult aluminiu la temperaturi ridicate dect la temperaturi joase.

Fig.2.35. Diagrama de echilibru termic

pentru sistemul zinc-aluminiu.

Solubilitatea aluminiului n zinc la

temperatura eutectic este de 1,02 % i

se micoreaz la 0,05 la temperatura

mediului ambiant. Ca urmare domeniul

soluiei solide se simbolizeaz i cu Zn, datorit concentraiei sczute a

aluminiului n acesta.

Faza ZnAl se formeaz n urma

reaciei peritectice:

L + 420

C (2.29)

Aceast faz la temperatura de 275 C sufer o descompunere eutectoid:

ZnAl 275

C + (2.30)

Soluia solid , bogat n aluminiu, cristalizeaz n sistemul cubic cu fee centrate.

Aluminiul mbuntete proprietile mecanice ale zincului, mai ales n cazul aliajelor presate.

Un adaus de 4 % Al ridic rezistena de rupere la traciune de la 10 la 30 daN/mm 2 i alungirea

relativ de la 5 % la 30. De asemenea, acest element mbuntete apreciabil fluiditatea zincului i

deci capacitatea sa de turnare.

Aliajele de zinc-aluminiu, datorit tendinei de corodare, conin ntotdeauna un adaos de circa

0,05 % Mg.

Nichelul prezent n aceste aliaje mrete stabilitatea lor la mbtrnire.

Aliajele Zn-Al-Cu (cunoscute sub denumirea de zamak) sunt cele mai rspndite aliaje pentru

turnarea sub presiune, avnd proprieti mecanice bune i proprieti tehnologice de turnare foarte

bune. Aceste materiale metalice prezint avantaje foarte importante fa de alte aliaje utilizate n

acest scop. Astfel, n comparaie cu aliajele pe baz de aluminiu, ele au proprieti de turnare i

mecanice superioare i nu se lipesc de forma metalic, iar fa de cele pe baz de cupru sunt mai

ieftine, iar formele metalice utilizate la turnare au o durabilitate mult mai ridicat.

n acelai timp elaborarea zamakurilor se realizeaz cu consumuri energetice mult mai mici

dect a celor pe baz de aluminiu i cupru.

n cazul n care piesele nu trebuie s ndeplineasc condiii speciale, n ceea ce privete

greutatea specific i funcionarea la temperaturi ridicate, aliajele de zinc pot s fie utilizate pentru

producerea celor mai importante organe de maini.

Compoziiile precum i proprietile aliajelor de zinc pentru turntorii sunt reglementate prin

STAS 6025. Este de menionat faptul c norma amintit cuprinde doar dou mrci de aliaje, fiecare cu

4 % Al. Au fost cercetate i stabilite noi compoziii pentru turnare, cu 9, 12 respectiv 27 % Al.

Totui, aceste aliaje pentru a corespunde cerinelor este necesar s nu conin o cantitate de

impuriti duntoare: Pb, Cd, Sn etc., deoarece prezena lor contribuie la intensificarea coroziunii

intercristaline i la mdificarea dimensiunilor pieselor turnate, ceea ce provoac apariia fisurilor.

2.4.2.2. ALIAJE DE ZINC DEFORMABILE

Aceste aliaje se bazeaz tot pe sistemele tratate mai nainte i sunt caracterizate prin

proprieti mecanice foarte bune.

Pentru mbuntirea proprietilor mecanice, a rezistenei la coroziune, aliajele deformabile,

pe baza sistemului Zn-Al-Cu-Mg, sunt microaliate cu bismut, beriliu, nichel, titan, argint etc.

Numeroase aliaje pe baz de zinc sunt superplastice, proprietate folosit pe larg n tehnologia

de deformare, compoziia cea mai caracteristic este: 9 % Sn, rest % Zn - cunoscut sub denumirea de

staniol.

2.4.2.3. ALIAJE ANTIFRICIUNE PE BAZ DE ZINC

Cele mai valoroase proprieti mecanice i de antifriciune le au aliajele din sistemul Zn-Al-Cu,

fiind destinate obinerii lagrelor mainilor unelte, piese mici la mainile de ridicat, a forjelor i

laminoarelor.

2.4.2.4. ALIAJE DE LIPIT PE BAZ DE ZINC

Aliajele de lipit pe baz de zinc se utilizeaz pentru mbinarea produselor metalice. n funcie

de destinaia lor, aliajele de lipit trebuie s aib o temperatur de topire relativ joas, aderen bun

fa de alte metale sau aliaje, capacitate mare de difuzie i s dea o mbinare destul de rezistent.

n funcie de temperatura de topire i de destinaie, aliajele de lipit se mpart n aliaje moi i

tari. Din grupa aliajelor de lipit moi fac parte i aliajele pe baz de zinc.

n tehnic sunt utilizate aliaje de lipit din sistemul Zn-Cd i Sn-Zn, destinate pentru lipirea

magneziului, aluminiului i aliajelor sale, precum i pentru lipirea diferitelor metale pe ceramic.

2.5. PLUMBUL, STANIUL I ALIAJELE PE BAZ DE

PLUMB I STANIU

2.5.1. PLUMBUL I STANIUL ELEMENTAR

Plumbul i staniul fac parte din grupa metalelor neferoase care se caracterizeaz printr-o

temperatur de topire relativ sczut, o duritate mic i o bun stabilitate la coroziune. Ca urmare a

proprietilor lor, aceste dou metale au gsit o larg utilizare n diferite domenii ale tehnicii, att n

stare metalic, ct mai ales sub form de aliaje.

Staniul prezint dou modificri alotropice:

- -staniu alb, are nsuiri metalice, cristalizeaz n sistemul tetragonal, este stabil la temperaturi mai mari de 13,2 C i

- -staniu cenuiu, are nsuiri semiconductoare, cristalizeaz ntr-o reea de tip

diamant, este stabil sub temperatura de 13,2 C.

Trecerea staniului n staniu este ntrziat de prezena impuritilor (elementelor nsoitoare):Bi, Sb, Pb, Cd etc., i n acelai timp, aceste elemente, coboar i temperatura de

transformare. Astfel, de exemplu, prezena a 0,5 % Bi ntrzie transformarea staniului n staniu . Prin urmare, transformarea alotropic se va produce la o temperatur mult inferioar, i n acelai

timp la viteze mrite, cnd modificarea de volum poate s ajung pn la 27 %. Acest modificare de

volum duce la pulverizarea staniului, fenomenul este cunoscut sub denumirea de ciuma staniului.

Plumbul nu prezint fenomenul de polimorfism, cristalizeaz n sistemul cubic cu fee

centrate.

2.5.1.1.Proprietile chimice, fizice, mecanice i tehnologice

Staniul este un metal foarte stabil n condiii obinuite, deoarece nu reacioneaz cu apa

dulce, de mare, acizi organici, produse alimentare, se oxideaz destul de lent chiar n prezena

umiditii i se dizolv greu n acizii diluai. Oxidarea metalului nu se intensific la temperaturi mai

mari de 150 C, cnd se formeaz la suprafaa sa o pelicul de oxid dens i rezistent, foarte subire,

care-l protejeaz de oxidarea ulterioar.

Stabilitatea la coroziune a plumbului depinde n mare msur de puritatea metalului.

Caracteristicile fizice, mecanice i tehnologice ale plumbului i staniului sunt prezentate n

tabelul 2.9.

Tabelul 2.9

Caracteristicile fizice, mecanice i tehnologice ale plumbului i staniului

Caracteristici U.M Starea Staniu Plumb

Greutatea specific la 20 C kg/dm 3 - 5,85 7,2984 11,3915

Temperatura de topire sau de transformare C - 13,2 231.9 327,4

Temperatura de fierbere C - - 2270 1744

Cldura specific la 0 C cal/gC - - 0,0541 0,0305

Coeficient de dilatare liniar ntre 0...100 C 106 /C - - 23 29,5

turnat - 1,9...2,1 1,1...1,3

Rezistena la rupere la traciune [daN/mm 2 ] deformat - 1,7 1,5

recopt - 1,2 1,12

Limita de curgere [daN/mm 2 ] turnat - 1,2 0,5

turnat - 4,9...5,2 3,2...4,5

Duritatea Brinell [daN/mm 2 ] deformat - 5,4 3...4,8

recopt - 5,2 -

turnat - 35...60 30...40

Alungirea relativ % deformat - 37 -

recopt - 80...90 60...70

Temperatura de turnare C - - 350..40

0

445..480

Contracia la turnare % - - 2,8 3,5

Temperatura de nceput de recristalizare C - - 10...25 15...20

Plumbul i staniul au o larg utilizare n technic, mai ales sub form de aliaje uor fuzibile,

aliaje antifriciune i aliaje de lipit. De altfel, dintre metalele nepreioase, plumbul este singurul metal

antiacid i din aceast cauz nu se poate concepe o industrie chimic modern fr utilizarea lui.

Aceste dou metale sunt componenii principali de aliere ai cuprului, att pentru obinerea

alamelor speciale, ct i pentru bronzurile cu staniu sau plumb, materiale metalice excelente pentru

producerea lagrelor, cuzineilor i a altor piese care lucreaz sub sarcin la frecri mari

O parte important din consumul total de staniu se utilizeaz pentru cositorirea tablelor,

fabricarea foielor de staniu i a tuburilor, n industria chimic i n scopul cositoririi electrolitice.

n afar de acestea, staniul este elementul principal ale aliajelor decorative, iar plumbul

reprezint elementul de baz pentru compoziiile tip babbit.

Plumbul se consum, de asemenea, n cantiti mari la fabricarea alicelor i gloanelor. n

toate aceste cazuri se adaug n plumb stibiu sau arsen, pentru a-i mri tensiunea superficial i

duritatea.

2.5.2. ALIAJE PE BAZ DE STANIU I PLUMB

Aliajele acestor dou metale n funcie de compoziie i domeniile de utilizare se pot clasifica

n urmtoarele grupe: - aliaje de lipit;

- aliaje antifriciune;

- aliaje tipografice;

- aliaje pentru acumulatoare, armturi i cabluri electrotehnice;

- aliaje uor fuzibile;

- aliaje cu destinaie special.

2.5.2.1. ALIAJE DE LIPIT

Aliajele pentru lipirea materialelor metalice, ceramice sau produse din sticl, n funcie de

destinaia lor, trebuie s aib o temperatur de topire relativ joas, proprieti bune de umectare, o

aderen perfect, o mare capacitate de difuzie, permind n acelai timp obinerea unor mbinri

suficient de rezistente. De asemenea, aceste materiale metalice trebuie s posede o fluiditate foarte

bun, pentru a umple toate interstiiile de lipit, o stabilitate ridicat la coroziune, coeficieni de

dilatare aproape egali cu ai materialelor de mbinat, o rezisten de contact ct mai mic i o

conductibilitate electric ct mai ridicat (pentru domeniul electronic, electrotehnic i radiotehnic),

precum i un pre de cost relativ sczut.

Dintre aliajele de lipit ale staniului i plumbului, uor fuzibile, cele mai rspndite n tehnic

sunt pe baza urmtoarelor sisteme: Sn-Pb; Sn-Pb-Cd; Sn-Pb-Zn i Pb-Ag, fiind utilizate pentru lipirea

oelurilor, cuprului, aluminiului i aliajelor lor, materialelor metalice cu ceramic sau sticl, lipituri

fine n electrotehnic, radiotehnic, electronic, n instalaiile medicale etc.

2.5.2.1.1. Aliaje staniu-plumb. Conform diagramei de echilibru prezentat n figura 2.38, ntre

aceste dou metale se formeaz un eutectic i dou soluii solide i . Eutecticul de compoziia 61,9 % Sn + 38,1 % Pb are o temperatur de topire de 183 C i se caracterizeaz printr-o bun fluiditate.

Avnd n vedere aceast caracteristic, materialele metalice cu o compoziie apropiat de eutectic se

utilizeaz pentru lipirea pieselor care nu trebuie s se nclzeasc prea mult sau unde sunt interstiii

numeroase i extrem de fine n care poate s ptrund numai un aliaj foarte fluid.

Fig. 2.38. Diagrama de echilibru termic a

sistemului staniu-plumb.

Soluia solid conine la temperatura eutecticului 2,5 % Pb, iar la temperatura mediului

ambiant solubilitatea plumbului n staniu se

micoreaz, ajungnd la 0,4 %. Materialele metalice

cu structur au proprietatea de a lipi n bune condiiuni majoritatea oelurilor i aliajelor de cupru. Ele au o temperatur sczut de topire, o bun stabilitate la coroziune i, datorit coninutului mic de

plumb, sunt inofensive pentru organism i ca atare se pot utiliza n calitate de materiale metalice de

lipit n industria alimentar i la aparatura medical.

2.5.2.1.2. Aliaje staniu-zinc. Sunt folosite pentru lipirea aluminiului i aliajelor sale, a zincului,

cuprului, alamei, bronzurilor i a oelului galvanizat. Conform diagramei de echilibru, figura 2.39, cele

dou metale sunt complet miscibile n stare lichid, dar parial miscibile n stare solid. La

temperatura eutectic, 199 C, solubilitatea zincului n staniu i a staniului n zinc este de 1,1 %,

respectiv 0,1 % (valoare neglijabil- ca urmare n diagrama de echilibru nici nu apare soluia solid pe

baz de zinc). Materialele metalice cu cea mai larg utilizare n tehnic pe baza acestui sistem, au

urmtoarele compoziii: - 92 % Sn + 8% Zn (staniol);

- 70 % Sn + 30 % Zn;

- 60 % Sn + 40 % Zn, cu sau fr adaosuri de cadmiu,

plumb, aluminiu, magneziu sau cupru.

Fig. 2.39. Diagrama de echilibru termic

pentru sistemul staniu-zinc.

2.5.2.1.3. Aliaje plumb-argint. Conform diagramei de echilibru, figura 2.40, ntre aceste

dou elemente se formeaz un eutectic cu

compoziia 97,5 % Pb i 2,5 % Ag, avnd o

temperatur de topire de 304 C. Prezena argintului

n plumb favorizeaz mbuntirea proprietilor de

lipire a acestuia, reduce temperatura de topire i

amelioreaz conductivitatea electric.

Fig. 2.40. Diagrama de echilibru termic

pentru sistemul plumb-argint.

2.5.2.2. ALIAJE ANTIFRICIUNE

Aliajele antifriciune pe baz de staniu sau plumb sunt considerate printre cele mai bune

materiale pentru lagre, fiind caracterizate prin:

- temperatur sczut de topire;

- proprieti bune de turnare;

- rezisten ridicat la frecare i compresiune la presiuni i viteze mari;

- stabilitate nalt la coroziune n diferite substane folosite pentru ungere;

- conductivitate termic suficient;

- aderen corespunztoare la pereii lagrului;

- rezisten mare la uzur;

- o uoar prelucrare prin achiere.

De asemenea, posed o mare plasticitate i o duritate suficient pentru a asigura valori mici

coeficienilor de frecare, avnd o structur heterogen, alctuit dintr-o baz moale (metal pur,

soluie solid sau eutectic) n care se gsesc distribuii uniform compui intermetalici duri, figura 2.41.

Dezavantajul cel mai important al acestor materiale metalice l reprezint proprietile

mecanice foarte sczute, ceea ce implic folosirea unui suport din font, oel, alam sau bronz,

pentru turnarea compoziiilor de lagr.

Fig. 2.41. Reprezentare pentru structura

aliajelor de antifriciune.

Toate aliajele de antifriciune pe baz

de staniu i plumb conin stibiu, deoarece

contribuie la durificarea lor, conferindu-le

proprieti de antifriciune.

Aceste materiale metalice pot fi mprite convenional n trei grupe:

- aliaje pe baz de staniu;

- aliaje pe baz de plumb;

- aliaje pe baz de staniu i plumb.

2.5.2.3. ALIAJE TIPOGRAFICE

Ca materiale metalice tipografice se utilizeaz mai ales aliajele pe baz de plumb, cu adausuri

de stibiu, staniu, cupru i arsen. Ele sunt, n general, aliaje de compoziie eutectic, deoarece astfel se

realizeaz o fluiditate optim la turnare. n funcie de destinaia lor, aliajele tipografice se mpart n

aliaje pentru maini de cules i pentru turnarea literelor, fiind caracterizate prin urmtoarele

proprieti:

- duritate i rezisten la uzur ridicat, astfel nct dup utilizri repetate caracterele

tipografice s nu devin neclare;

- fluiditate bun la supranclziri i o tmperatur joas de topire (sub 300 C), avnd n

vedere c aliajul trebuie s fie retopit de mai multe ori, fr pierderi nsemnate;

- capacitate foarte bun de umplere a formei, pentru a reda cu fidelitate toate detaliile

literelor;

- contracie ct mai mic la solidificare i o compactitate suficient;

- stabilitate mare la coroziune fa de substanele cu care vin n contact;

- caracteristici mecanice medii, pentru a nu suporta deformri n timpul funcionrii.