2.2.2.3. BRONZURILE

Dup cum s-a menionat deja, bronzurile sunt aliaje ale cuprului cu alte elemente de aliere dect zincul i nichelul i se mpart n dou subgrupe:

- bronzuri cu staniu, la care principalul element de aliere al cuprului este staniul i

- bronzuri fr staniu, la care ca elemente principale de aliere apar elemente n afar de staniu.

2.2.2.3.1. ALIAJELE CUPRU - STANIU (bronzurile obinuite)

Bronzurile cu staniu pot fi bronzuri binare (simple) care au ca element de aliere numai Sn, precum i bronzuri complexe, care au n compoziia lor, pe lng Cu i Sn i alte elemente de aliere ca Zn, Pb, P, Ni etc.

Diagrama de echilibru termic a sistemului Cu-Sn prezentat n fig. 2.12 are o construcie complex, cu solubilitate parial a componenilor n stare solid i se caracterizeaz prin transformri peritectice i eutectoide n procesul crora se formeaz diferite faze.

Fig. 2.12. Diagrama de echilibru termic pentru sistemul Cu-Sn.

Prin interaciunea celor doi componeni n stare solid se formeaz, n funcie de concentraia staniului, opt faze intermetalice, dintre care prima i ultima sunt soluii solide de substituie, izomorfe cu metalele de baz, iar celelalte soluii solide intermediare pe baza unor compui electronici.

Deoarece n practica industrial la bronzurile folosite, concentraia staniului ajunge maxim la 25...30 %, n continuare vor fi prezentate numai fazele ce apar pn la aceast concentraie a staniului.

Faza , cristalizeaz n sistemul cubic cu fee centrate, este o soluie solid de

staniu n cupru, la 798 C conine maxim 13,5 % Sn, iar la 586 C 15,8 %, apoi solubilitatea staniului n cupru scade, ajungnd n condiii de echilibru termic, pn la

1,3 % la 200 C. Neomogenitatea fazei , dup turnare, este foarte mare, datorit

intervalului larg de solidificare, aa se explic apariia fazei n structura bronzurilor cu un coninut mai mic de 13,5 % Sn.

Faxa , este o soluie solid intermediar, stabil numai la temperaturi mai mari

de 586 C, se formeaz n urma reaciei peritectice:

L + 798 C (2.17)

Cristalizeaz n sistemul cubic cu volum centrat, corespunde compusului electronic Cu5 Sn, se caracterizeaz printr-o mare maleabilitate, graie creia aliajele cu mai mult de 13,8 % Sn pot fi prelucrate la cald sau chiar la rece, dac sunt supuse n

prealabil unui proces de clire la 650 C, cu rcire n ap, tratement prin care este stabilizat n structur aceast faz.

La temperatura de 586 C i concentraia de 24,6 % Sn sufer descompunerea eutectoid:

586 C + (2.18)

Faza este, de asemenea, stabil numai la temperaturi ridicate i provine din recia peritectic:

L + 755 C (2.19)

La temperatura de 520 C i concentraia de 27 % Sn i aceast faz sufer o descompunere eutectoid:

520 C + (2.20)

Faza , nu rezult niciodat direct din stare lichid ci se formeaz numai prin

descompunerea eutectoid a fazei ( reacia de mai sus) sau prin reacia peritectoid a

fazelor i la 582 C:

+ 582 C (2.21)

Este faza care confer duritate bronzurilor cu coninuturi mai mari de staniu, corespunde compusului intermetalic Cu31Sn8 , cu circa 32 % Sn, cristalizeaz n sistemul cubic complex, cu 416 atomi n celula elementar.

Prin scderea temperaturii, faza sufer, de asemenea o descompunere eutectoid:

350 C + (2.22)

Aceast descompunere eutectoid, datorit vitezei mici de difuziune a staniului n cupru la temperaturi sczute, se produce cu o vitez de transformare att de mic, nct

formarea eutectoidului ( + ) nu se obine practic n bronzurile tehnice, n care, astfel cea mai important transformare n stare solid(la bronzurile cu mult staniu) rmne

descompunerea eutectoid a fazei , ntr-un amestec mecanic de ( + ), reacia 2.20.

Vitezele mari de rcire ntlnite n practic pe lng faptul c elimin transformarea eutectoid conform relaiei 2.22, n acelai timp determin i deplasarea liniei ce reprezint variaia solubilitii staniului n cupru funcie de temperatur, adic

modific domeniul soluiei solide , din diagrama de echilibru Cu-Sn. Astfel, n practic, la studierea structurii bronzurilor cu staniu sunt folosite diagramele de echilibru modificate, figura 2.13.

Constitunii structurali ai bronzurilor, n funcie de compoziie i condiiile de rcire, sunt indicai n tabelul 2.5.

Fig. 2.13. Diagrama Cu-Sn:

a.) simplificat;

b.) la recoaceri cu menineri n limite normale;

c.) la turnare n forme de nisip (linie continu) i n cochil (linie punctat).

Tabelul 2.5

Constituni structurali n bronzurile cu staniu

Compoziia aliajului [%] Constitueni rezultai la rcire nceat

Constitueni rezultai la rcire rapid

Cu Sn Recoacere Clire

100...87 0...13

87...86 13...14 +

86...78 14...22 + +

78...74 22...26 + +

Particularitatea caracteristic a bronzurilor cu staniu (spre deosebire de alame) este intervalul mare de cristalizare, datorit distanrii dintre curbele lichidus i solidus. n condiii practice de cristalizare a bronzurilor, viteza de rcire este insuficient de lent pentru a permite ajustarea (omogenizarea) continu prin difuzie a compoziiei fazei solide n scopul meninerii sale n echilibru cu compoziia fazei lichide. Ca urmare

cristalele de soluie solid nu-i pot omogeniza continuu compoziia prin difuzie i dendritele rmn cu un miez mai bogat n cupru, dect compoziia aliajului, iar ultimul strat solidificat la suprafaa dendritei va fi mai bogat n staniu dect compoziia aliajului.

n condiii practice de solidificare cristalele de soluie solid rezult deci neomogene, fiecare cristal prezentnd o compoziie stratificat, numit segregaie dendritic, fig. 2.14. O alt consecin a cristalizrii n afar de echilibru, n condiii practice de solidificare a bronzurilor, este deplasarea sfritului solidificrii spre temperaturi mai joase dect temperatura solidus indicat de diagrama de echilibru fazic.

Fenomenul este ilustrat n figura 2.14., n care pentru diverse temperaturi din intervalul de solidificare.

Fig. 2.14. Deplasarea echilibrului la

solidificarea real a aliajelor monofazice de

tip soluie solid .

Deplasarea sfritului cristalizrii de la t 3 la t 4 trebuie luat n considerare la renclzirea ulterioar a aliajelor solide executat n scopul eliminrii

segregaiei dendritice (recoacere de omogenizare). nclzirea la o temperatur t exagerat

de nalt ( t 4 < t < t 3 ) comport riscul topirii stratului exterior al dendritelor de

compoziie si! (l 4 ), dac nclzirea se execut n atmosfer oxidant se produce o

oxidare a acestor pelicule, fenomen numit arderea aliajului, aliajul ars este neutilizabil i se returneaz la topire, ca deeu.

Deci n condiiile unor viteze mari de rcire are loc o segregaie puternic a staniului la formarea structurii primare. Concentraia acestuia crete continuu de la ax

spre periferia cristalelor dendritice de soluie solid , ajungnd uneori pn la 25 % Sn.

Poriunile de soluie solid bogate n staniu peste 15 % (n condiii reale de turnare,

peste 6...8 %) conduc la separarea eutectoidului ( + ), ntre axele dendritelor de

soluie solid .

Cu ct viteza de rcire este mai mare, cu att segregaia devine mai important i

cu att crete proporia de eutectoid ( + ) n structur. Deci, la una i aceeai compozoie chimic a bronzului cu staniu, la piesele cu perei subiri sau turnate n forme metalice, proporia de amestec eutectoid va fi mai mare.

n condiii practice de turnare numai la bronzurile cu pn la 5...6 % Sn se

constat o structur constituit n ntregime din gruni de soluie solid .

2.2.2.3.1.1. Proprietile bronzurilor Cu- Sn (obinuite). Bronzurile cu staniu sunt foarte rezistente la uzur, au o mare duritate i o nalt rezisten la oboseal, proprieti de antifriciune, de prelucrabilitate prin achiere, sudabilitate i proprieti de turnare satisfctoare.

Proprietile mecanice i fizice ale acestor bronzuri depind de coninutul de staniu. Staniul mrete duritatea i rezistena cuprului, dar micoreaz alungirea relativ (mult mai puternic dect zincul), la nceput n mai mic msur, pn la 5...6 % Sn, apoi brusc. Rezistena atinge un maxim la 15 % Sn, apoi la 23 % Sn scade din nou, din cauza

apariiei cristalelor fragile. Duritatea crete continuu, fig. 2.15.

Fig. 2.15. Diagrama variaiei caracteristicilor mecanice ale

bronzurilor cu staniu, n funcie de concentraia elementului de aliere.

Influena staniului asupra cuprului este asemntoare, ca sens, cu cea a carbonului asupra fierului.

Structurile eutectoide se caracterizeaz, ca i n cazul aliajelor feroase, printr-o

duritate i rezisten ridicat i printro plasticitate sczut, deoarece faza din amestecul eutectoid este cu mult mai dur (cca. 150 HB) i fragil, n comparaie cu

soluia solid . Prin urmare, rolul fazei la bronzuri este asemntor celui al cementitei, din aliajele feroase.

La majoritatea bronzurilor cu staniu, industriale, nu se urmrete obinerea fazei libere i de aceea coninutul de staniu se limiteaz la 14 %.

Rezistena la coroziune a acestor materiale metalice se datorete formrii la suprafa a unei pelicule de oxizi compacte i impermeabile la gaze. Creterea coninutului de staniu mrete rezistena la coroziune n atmosfer, iar adaosul de fosfor n ap de mare, n schimb n prezena plumbului i zincului rezistena se micoreaz.

Bronzurile posed o conductibilitate termic i electric ridicat care se micoreaz odat cu creterea coninutului de staniu i al celorlalte elemente de aliere sau impuriti metalice.

Dei au un interval de solidificare apreciabil (peste 150 C), o temperatur de topire relativ nalt, tendin de a absorbi gazele, aceste materiale metalice au permis din cele mai ndeprtate timpuri obinerea pieselor turnate, fr retasuri interioare i exterioare, putndu-se renuna adesea la maselote, datorit n special fluiditii lor ridicate.

n figura 2.16 se prezint fluiditatea bronzurilor cu staniu n funcie de coninuturile de staniu i de fosfor.

Fig. 2.16. Fluiditatea bronzurilor cu staniu.

2.2.2.3.1.2. Influena impuritilor asupra proprietilor bronzurilor cu staniu. Adaosurile n bronzurile cu staniu influeneaz diferit structura i proprietile, n funcie de solubilitatea lor n sistemul Cu-Sn. Aa cum se cunoate (din studiul diagramelor de echilibru binare), cuprul formeaz eutectice cu aluminiul la 8,5 % Al la

temperatura de 1037 C, cu siliciul la 555C cu 5,2 % Si, cu stibiul la 685 C cu 31 %

Sb, iar arsenul se dizolv n cupru la 200 C n proporie de 6,9 % As. Prezena n compoziia bronzurilor cu staniu a acestor elemente nu provoac apariia n structur a fazelor noi, dac suma lor este sub 10 %, n schimb bismutul, sulful i fierul produc schimbri importante ale structurii.

Zincul micoreaz intervalul de cristalizare, mrete fluiditatea aliajului, reduce tendina lui de saturare cu gaze i mpiedic formarea macro i microsuflurilor, ns micoreaz proprietile de antifriciune.

Fosforul este folosit, sub form de prealiaj cupru fosforos, la dezoxidarea cuprului, operaie prin care se evit i formarea incluziunilor de oxid de staniu (SnO 2 ) dure i fragile. Fosforul adugat n bronzurile cu staniu (10 % Sn) conduce la mbuntirea rezistenei cu pn la 30 %, la un coninut de 0,02...0,2 % P, ca urmare a apariiei n structur a compusului Cu 3 P, dur i fragil i a unui eutectic ternar. Dac coninutul de staniu variaz n limitele 5...30 %, adaosul de fosfor poate ajunge pn la 1 %, far s micoreze fluiditatea, fig. 2.16. De asemenea, acest element micoreaz tendina de saturare cu gaze a bronzului, mrete intervalul de cristalizare i fluiditatea lui, uurnd lipirea i sudarea.

Plumbul se gsete n aliaj sub forma unui constituent structural moale. Bronzurile cu staniu cu un coninut de plumb pn la 2 % nu-i schimb caracteristicile mecanice, n schimb i mbuntete proprietile de prelucrare prin achiere i rezistena la coroziune n mediu de acizi, dac este fin i uniform distribuit n structur. Aadar, alierea cu plumb nu urmrete mrirea valorii proprietilor mecanice, ci mbuntirea unor proprieti tehnologice i de exploatare (de turnare i de uzur).

Nichelul formeaz cu cuprul soluii solide, iar cu staniul compui Ni 3 Sn 4 ,

Ni 3 Sn, i Ni 3 Sn 2 , favoriznd mbuntirea att a proprietilor mecanice, ct i a refractaritii. La elaborarea acestor materiale metalice trebuie s se lucreze cu atenie deoarece nichelul intensific procesul de impurificare cu gaze i mai ales cu compui ai carbonului i sulfului.

Antimoniul (stibiul) pn la un procent de 0,3 % nu influeneaz proprietile bronzurilor; la un procent mai mare le face casante (se sfrm prin lovire), deoarece formeaz cu cuprul i staniul compui fragili, care se separ la limita grunilor. Tendina de formare a unui compus intermetalic, ntr-un aliaj dat, este cu att mai mare cu ct solubilitatea elementului respectiv n aliaj este mai mic, deci cu ct gradul de aliere a metalului de baz cu elemente solubile este mai mare.

Bismutul are o influen puternic asupra proprietilor bronzurilor. Odat cu creterea coninutului de bismut scade plasticitatea, elasticitatea i rezistena mecanic a bronzului, datorit apariiei eutecticului uor fuzibil i fragil, care se separ ca faz independent la limita grunilor. Ca procent maxim de bismut se poate admite 0,1 % Bi.

Manganul are o aciune favorabil asupra bronzurilor cu staniu, n sensul c permite obinerea unui material metalic dens cu proprieti mecanice mbuntite, avnd totodat o aciune dezoxidant.

Magneziul are o aciune favorabil asupra bronzurilor cu staniu i poate fi utilizat ca dezoxidant al cuprului atunci cnd se urmrete ca aceste materiale metalice s aib o conductibilitate electric ridicat.

Aluminiul micoreaz temperatura de topire, reduce tendina de gazare i de fisurare la cald, ngusteaz domeniul de solidificare, mrete fluiditatea i mbuntete proprietile mecanice.

Siliciul scade puternic proprietile elastice chiar la coninuturi de ordinul zecimilor de procente i din aceast cauz se consider c este necesar s se evite rmnerea lui n baia metalic sub form elementar, dac se utilizeaz n calitate de dezoxidant. Totui, acest element mbuntete compactitatea i proprietile mecanice ale pieselor.

Proprietile mecanice ale bronzurilor cu staniu pot fi influenate negativ de aluminiu, siliciu i magneziu, deoarece chiar n proprii mici (0,005 %) ele se oxideaz n timpul topirii i ca urmare, n aliajele rafinate n mod necorespunztor, ele se gsesc la limita dendritelor sub form de incluziuni nemetalice solide (filme) de Al 2 O 3 , Si 2 O, MgO, care nu sunt solubile nici n aliajul lichid i nici n cel solid.

Prezena acestor filme micoreaz substanial proprietile mecanice, precum i compactitatea pieselor. Cu ct viteza de solidificare este mai mic, cu att dimensiunile incluziunilor oxidice sunt mai mari i modul lor de repartizare mai nefavorabil. La

turnarea cu viteze mari de solidificare (n forme metalice) incluziunile sunt mai disperse i de aceea proporia lor sau a elementelor nocive, poate fi mai mare.

Fierul. Un coninut redus de fier permite obinerea unui material cu structur fin, ceea ce duce la mbuntirea caracteristicilor mecanice, iar celelalte proprieti nu se schimb. La un coninut mai mare de fier proprietile mecanice ale bronzurilor sunt reduse, pentru c fierul nu se dizolv n componenii aliajului, ci apare sub form de cuiburi sau fier oxidat.

Titanul, borul, zirconiul, cromul, vanadiul i elementele din grupa lantanidelor acioneaz favorabil asupra proprietilor bronzurilor cu staniu dac sunt adugate n cantiti mici, deoarece ele pot s ndeplineasc rolul de modificatori, dezoxidani i degazani, prezena lor fiind indicat mai ales n aliajele destinate prelucrrii prin deformare plastic.

Bioxidul de staniu. n bronzurile obinuite se ntlnesc adesea poroziti i incluziuni sub form de oxizi. Extrem de duntoare sunt incluziunile de bioxid de staniu, care sunt dure i fragile.

Oxigenul i sulful sunt elemente nedorite deoarece mpreun cu cuprul formeaz eutecticele Cu-Cu 2 O respectiv Cu-Cu 2 S, care se separ la limita dendritelor de soluie

solid i prin aceasta fragilizeaz puternic masa metalic. La coninuturi mai mari de 0,01 % O2 respectiv de S, valoarea alungirii devine foarte mic.

Bronzurile cu staniu se clasific n:

- bronzuri deformabile;

- bronzuri de turntorie;

- bronzuri speciale.

Bronzurile deformabile se caracterizeaz printr-un coninut redus de staniu 8...9 %, structura lor fiind deci monofazic. Ca elemente de aliere se folosesc: Pb, Zn, As, Mg, Fe, Cr, Ti, Zr, Ni, Nb, lantanide etc. Aceste aliaje sunt utilizate pentru producerea de: table, benzi, srm, bare, evi necesare confecionrii arcurilor, pieselor pentru rulmeni, racordurilor pentru manometre, arcurilor n mecanica fin, uruburilor, membranelor, elementelor pentru utilaje i echipamente din industria chimic, diafragme etc.

Bronzurile cu staniu de turntorie conin pe lng staniu i alte elemente de aliere: Zn, Pb, Ni, P, Al, Si, Fe, Ti, Zr, B, V etc. Din punct de vedere structural aceste aliaje pot fi att monofazice ct i bifazice.

Bronzurile cu staniu de turntorie sunt utilizate la producerea pieselor, aparatelor hidraulice, armturilor pentru instalaii de abur i ap, lagrelor care sunt uor solicitate, elementelor supuse la uzur, armturilor pentru material rulant, carcaselor pentru pompe i turbine, elementelor de maini i de motoare expuse la solicitri mari alternative i la frecare, pieselor n utilaje i echipamente din industria ceramic etc.

Bronzurile au culoarea n funcie de coninutul de staniu i anume:

- galben roietic la 8 % Sn;

- galben la 14 % Sn;

- cenuiu la 27 % Sn (cazul bronzurilor pentru clopote);

- la coninuturi i mai mari de staniu, culoarea se apropie treptat de culoarea alb a staniului.

2.2.2.4.1. ALIAJELE CUPRU-ALUMINIU (bronzurile cu aluminiu)

Aliajele Cu-Al constituie grupa cea mai valoroas, a bronzurilor speciale care pot nlocui multe materiale metalice i pot atinge valori ale proprietilor mecanice comparabile cu ale aliajelor pe baz de titan, wolfram, molibden, nichel, cobalt i ale oelurilor speciale.

n ce privete rezistena la coroziune, bronzurile cu aluminiu sunt considerate printre cele mai bune aliaje pe baz de cupru, fiind n multe cazuri superioare oelurilor inoxidabile i aliajelor Cu-Ni, preferate din considerente economice. Aceste aliaje rezist bine n atmosfere de hidrogen sulfurat, bioxid de sulf, n soluii de cloruri i clorai, n acizi minerali i organici, n ap dulce i ap de mare etc., ca urmare a formrii peliculei de Al 2 O 3 care se comport excelent la aciunea substanelor reductoare, dar rezist mai puin n prezena oxidanilor puternici.

Numeroasele aplicaii n tehnic a acestor materiale metalice necesit cunoaterea tot mai aprofundat a caracteristicilor fizico-mecanice i a transformrilor de faz care se produc n timpul tratamentelor termice.

Rspndirea larg a acestor aliaje este ntrziat de dificultile ce apar n timpul elaborrii.

Conform diagramei de echilibru termic a sistemului Cu-Al, prezentat n fig. 2.17, ntre aceste dou metale se formeaz mai multe soluii solide i compui

intermetalici, cele mai importante faze fiind: , i .

Faza , reprezint o soluie solid de aluminiu n cupru. Este izomorf cu cupru, cristalizeaz n sistemul cubic cu fee centrate, avnd un coninut de aluminiu de 7,4 % la

temperatura de 1035 C i de 9,4 % la

585 C. Acest faz se caracterizeaz printr-o ordine apropiat.

Fig. 2.17. Diagrama de echilibru termic a sistemului cupru -

aluminiu.

Faza , reprezint o soluie solid de aluminiu n cupru, pe baza

compusului intermetalic Cu 3 Al, cu un coninut de 9...15 % Al, cristalizeaz n sistemul

cubic cu volum centrat, fiind maleabil. La temperatura de 565 C sufer o transformare eutectoid (fiind stabil numai la temperaturi ridicate):

565 C + 2 (2.23)

Descompunerea eutectoid a fazei este foarte lent i pentru viteze de rcire

mai mari de 2 C / minut, aceast faz sufer transformri brute de tip martensitic,

dnd natere la o serie de faze metastabile: 1 - cu reea cubic cu volum centrat,

ordonat cu un coninut de 11,9 % Al; ! - cu reea cubic cu fee centrate, foarte

deformat; 1! - ordonat cu un coninut de 11,86 % Al; 1

!!! - cu reea ortorombic

ordonat cu un coninut de 13,6 % Al. Exist i o faz ! ! , asociat cu faza 1! ; aspectul

caracteristic al ei, sub form de rozete, a fost pus n eviden cu ajutorul unor reactivi speciali.

Faza 2 , este pe baza compusului intermetalic Cu32Al19 , cristalizeaz n sistemul

cubic complex, provine din faza 1 , stabil numai la temperaturi ridicate, este dur i fragil i are o slab conductibilitate.

Din diagram se observ c intervalul de solidificare este foarte mic (mai mic

dect la alame), 10...13 C, i din aceast cauz bronzurile cu aluminiu au o bun fluiditate, dau piese compacte, cu o retasur concentrat. n tabelul 2.6 sunt prezentate fluditile, determinate cu proba spiral, pentru principalele aliaje neferoase de turntorie.

Tabelul 2.6

Fluiditatea principalelor aliaje neferoase

Aliajul Lungimea probei [

cm]

Cu-Zn (alame) 50...85

Cu-Sn (bronzuri obinuite) 35...60

Cu-Al (bronzuri cu aluminiu) 60...120

Al-Si (siluminuri) 57...80

Fonte 70...110

Bronzurile cu aluminiu conin pn la 20 % Al. Cele care au pn la 7,4 % Al prezint o structur asemntoare cu bronzurile cu staniu, fiind alctuite din dendrite de

soluie solid i nu sufer transformri de faz n stare solid, neputnd fi clite. La un

coninut mai mare de aluminiu, n aliajul rcit puternic apar fazele i ; cu ct este

mai mare proporia de faz , cu att este mai ridicat duritatea i mai sczut plasticitatea.

Aliajele Cu-Al care au un coninut de maximum 7 % Al au o plasticitate bun, fiind apte pentru obinerea celor mai diverse semifabricate (table, srme, profile, benzi

etc.) prin deformare la cald sau la rece, iar cele care conin ntre 7...10 % Al suport bine deformarea la cald i sunt mai ales, utilizate pentru realizarea pieselor prin presare.

Cu creterea coninutului de aluminiu se mbuntesc proprietile de turnare, caracteristicile mecanice i proprietile antifriciune. Variaia caracteristicilor mecanice ale bronzurilor cu aluminiu, n funcie de coninutul de aluminiu i starea materialului sunt prezentate n diagramele din figura 2.18.

Un alt neajuns al acestor aliaje const n apariia la turnare a defectului cunoscut

sub denumirea de autorecoacere. Autorecoacerea se datorete separrii fazei 2 ,

fragil (la rcirea nceat a pieselor turnate), sub forma unei reele la marginea grunilor. Datorit acestui fenomen piesele turnate au o structur cristalin grosolan i sunt fragile.

Fig. 2.18.

Variaia caracteristicilor mecanice ale bronzurilor cu aluminiu, n funcie de coninutul de aluminiu:

a.)- turnate b.)- recoapte.

De asemenea, contracia mare la solidificare i absorbia gazelor contribuie la formarea n piesele turnate a unor microretasuri i incluziuni de oxizi, care se aglomereaz la limita grunilor, favoriznd fisurarea sau micornd valorile proprietilor mecanice. n plus, aceste materiale metalice prezint dificulti la sudare i au o rezisten de coroziune insuficient n abur supranclzit.

Multe din aceste neajunsuri pot fi anihilate sau reduse prin alierea bronzurilor binare cu diferite elemente cum sunt: Fe, Ni, Mn, Co, Be, Zr, Ti, B, Sn, Zn, Si, Pb, V, Nb, Ta, C, Cr etc.

2.2.2.4.1.1. Influena elementelor nsoitoare asupra structurii i proprietilor bronzurilor cu aluminiu

Prezena unor elemente n aliajele binare cupru - aluminiu provenite din materia prim, introduse accidental sau n mod intenionat, are urmtoarele influene asupra structurii i caracteristicile aliajului.

Fierul finiseaz structura, mrete rezistena i duritatea, dar micoreaz fluiditatea aliajului. Modificarea structurii aliajelor Cu - Al sub aciunea fierului se datorete formrii n topitur a particulelor compusului intermetalic Al 3 Fe, care

constituie centrii de cristalizare pentru soluia solid . n afar de aceasta, fierul mpiedic recristalizarea fazic a bronzului cu aluminiu, iar la o rcire lent frneaz

formarea eutectoidului ( + 2 ).

Fierul se utilizeaz ca element de aliere n multe bronzuri deformabile i de turntorie, care au nalte caracteristici mecanice, de antifriciune i o bun rezisten la coroziune, fiind recomandate, n special, ca nlocuitoare ale bronzurilor cu staniu pentru turnarea pieselor care sunt destinate s lucreze la frecri mari n medii corozive.

Manganul mrete rezistena, plasticitatea i proprietile de antifriciune, ns micoreaz apreciabil fluiditatea. Un procent de mangan ridic rezistena aliajelor Cu-Al cu circa 4 daN / mm 2 . Spre deosebire de fier, manganul joac rolul de stabilizator,

dizolvndu-se n soluia solid i nu provoac modificri ale structurii cu apariia unor faze noi.

Bronzurile cu aluminiu aliate cu mangan posed o rezisten bun la coroziune, proprieti mulumitoare de turnare i se pot prelucra prin deformare la cald i la rece.

Adaosul simultan de fier i de mangan mbuntete substanial caracteristicile mecanice i fizice ale bronzurilor cu aluminiu. n acest caz fierul favorizeaz obinerea unei structuri fine i mpiedic transformrile de faz, iar manganul se dizolv n soluia

solid .

Proprietile mecanice ale bronzurilor de aluminiu cu fier i mangan pot fi mult mbuntite pe calea introducerii n aliaj a microadaosurilor (sutimi i miimi de procente ) de vanadiu, titan, wolfram i bor.

Nichelul, este adaosul cel mai eficient al bronzurilor cu aluminiu, mbuntete caracteristicile mecanice, mrete compactitatea i rezistena la temperaturi ridicate. n stare solid nichelul se dizolv n aceste aliaje pn la un coninut de 5 % i poate s formeze faze noi, de tipul NiAl 3 , care mrete temperatura de topire i lrgete intervalul de solidificare. Dac alturi de nichel se introduce i fierul, limita solubilitii

aluminiului n soluia solid se deplaseaz spre dreapta, lrgind domeniul monofazic. Acest fenomen este sesizat numai dac coninutul elementelor de aliere este de minimum 5 % Fe, respectiv 5 % Ni. La coninuturi mai mari de fier i de nichel

concentraia aluminiului n soluia solid este de 8...8,5 %, ceea ce determin diminuarea transformrii eutectoidice i odat cu aceasta se evit nrutirea proprietilor mecanice i se elimin fragilitatea. De asemenea, n aceste aliaje pot s se

formeze diferite faze noi: Al 3 Fe, NiAl 3 , FeNiAl8 , precum i faza , care conduc la mbuntirea proprietilor mecanice, ca urmare a posibilitilor de aplicare a tratamentelor termice (clire + revenire).

Plumbul practic nu se dizolv nici n componenii de baz ai aliajului (Cu i Al), nici n alte elemente de aliere. Din aceast cauz acest metal se gsete n structur sub form de incluziuni, influennd negativ proprietile mecanice, rezistena la coroziune i fcnd imposibil prelucrarea acestora prin deformare plastic.

Totui, dac coninutul su este sub 1,5 %, diminuarea proprietilor mecanice este insesizabil, dar se mbuntesc prelucrabilitatea prin achiere, proprietile antifriciune i fluiditatea, fiind recomandat s fie adugat n bronzurile pentru turnarea pieselor.

Cobaltul are o aciune similar cu nichelul n bronzurile cu aluminiu, mbuntindu-le caracteristicile mecanice, proprietile anticorozive i refractaritatea.

Cromul are o aciune puternic asupra caracteristicilor bronzurilor cu aluminiu dac este adugat n proporie de 0,5...2,7 %, mrind proprietile mecanice, refractaritatea i mai ales rezistena la coroziune n diferite medii, ca rezultat al formrii la suprafaa produselor a compuilor oxidici impermeabili la fluide i a dispersiei fazelor fragile aprute n structur.

Staniul este un element din ce n ce mai mult prezent n bronzurile cu aluminiu, deoarece conduce la o cretere evident a proprietilor de plasticitate i n mai mic

msur a rezistenei. La adaosuri mai mari n structur poate apare faza (Cu31Sn8 ), care provoac fragilitatea materialului. De asemenea, staniul mbuntete rezistena la coroziune.

Siliciul se adaug ca nlocuitor al nichelului, mbuntind proprietile de antifriciune, rezistena la coroziune i fluiditatea, ntruct se dizolv pn la 3 %.

Beriliul este elementul de aliere cu cea mai puternic aciune asupra aliajelor Cu-Al, n sensul c prezena sa favorizeaz mbuntirea spectaculoas a caracteristicilor fizico-mecanice, n special a rezistenei la coroziune prin cavitaie, a proprietilor mecanice, a refractaritii, a fiabilitii n exploatare, putndu-se obine materiale metalice antiscntei i antimagnetice.

Titanul, borul, vanadiul, zirconiul, litiul i lantanidele acioneaz favorabil asupra proprietilor bronzurilor cu aluminiu, dac sunt adugate n cantiti mici, deoarece ele pot s ndeplineasc rolul de modificatori, dezoxidani i degazani.

Fosforul, stibiul, arsenul i bismutul sunt impuriti duntoare, prezena lor n compoziia bronzurilor cu aluminiu conducnd la reducerea compactitii pieselor turnate, nrutirea caracteristicilor mecanice, a rezistenei la coroziune i ngreuneaz prelucrarea plastic.

Bronzurile cu aluminiu utilizate n tehnic, n funcie de structur, proprieti i mod de prelucrare, pot fi clasificate n trei grupe: - deformabile la rece;

- deformabile la cald;

- pentru turnarea pieselor.

Din prima categorie fac parte aliajele cu un coninut sub 8 % Al, cu adaosuri de elemente n cantiti mici, fiind destinate obinerii de semifabricate, bare, benzi, table etc., folosite n industria electrotehnic, pentru monezi, pentru echipament n industria

chimic, pentru produse care lucreaz la temperaturi pn la 500 C, la presiuni i viteze mari.

Aliajele din a doua categorie au un coninut de aluminiu ce variaz n limitele 8...11 %, adaosuri de elemente de aliere n limite de ordinul procentelor, fiind destinate pentru realizarea schimbtoarelor de cldur, n construcii navale, n industria petrolului, pentru armturi de aburi i ap, pentru construcia de aparate i n alte domenii ale industriei constructoare de maini, putnd nlocui oelurile inoxidabile n medii ca: ap de mare, hidrogen sulfurat, bioxid de sulf, soluii de cloruri i de clorai.

Bronzurile pentru turnarea pieselor au un coninut de aluminiu i elemente de aliere de regul maxim posibil, fiind caracterizate printr-o bun fluiditate; se prelucreaz uor prin achiere i sunt deosebit de rezistente la coroziune, oboseal i temperaturi ridicate, avnd n acelai timp o culoare aurie frumoas. Sunt utilizate pentru obinerea pieselor supuse simultan la solicitri mari i la coroziune, piese decorative i pentru construcii de aparate speciale, echipament n industria chimic i naval, roi dinate, roi de friciune, angrenaje cu melc, lagre greu solicitate etc., fiind nlocuitoare ale bronzurilor cu staniu i a unor categorii de oeluri inoxidabile.

2.2.2.4.2. BRONZURI CU PLUMB

Dintre aliajele de cupru, bronzurile cu plumb au cele mai bune proprieti de antifriciune, pot s lucreze la presiuni mari (250...300 daN / mm 2 ), la viteze periferice ridicate (8...10 m /sec), beneficiind de o nalt conductivitate termic ( de patru ori mai mare dect a bronzurilor cu staniu i de ase ori mai mare dect a babbitului), admind

n timpul funcionrii temperaturi pn la 300 C i prelucrndu-se excelent prin achiere.

Dup compoziia lor, bronzurile cu plumb se pot mpri convenional n dou subgrupe: - bronzuri binare , cupru - plumb (30...42 % Pb);

- bronzuri cu plumb aliate ( cu staniu, nichel, argint, sulf, stibiu etc.).

Conform diagramei de echilibru termic a sistemului cupru-plumb prezentat n figura 2.19, aceste dou metale au o miscibilitate parial n stare lichid. Structura bronzului cu plumb care conine pn la 36 % Pb se compune din cristale de cupru i de plumb, aproape pure. Peste aceast limit se constat c apare o stratificare a aliajului n stare lichid.

Aliajele de cupru - plumb se solidific ntr-un interval de temperatur

foarte larg, peste 700 C. La nceput

cristalizeaz soluia solid , bogat n cupru, formnd un schelet ramificat, mpregnat cu soluie bogat n plumb.

La temperatura de 327 C cristalizeaz restul soluiei. care este compus aproape numai din plumb pur.

Fig. 2.19. Diagrama de echilibru termic pentru sistemul cupru-plumb.

Lipsa de solubilitate n stare solid, intervalul mare de solidificare i diferena ntre densitile fazelor separate, provoac apariia fenomenului de segregare n timpul elaborrii i turnrii. Pentru a se evita pe ct este posibil acest fenomen sunt necesare urmtoarele msuri: agitarea permanent a bii metalice n timpul eleborrii; la turnare

n intervalul de temperatur 1050...450 C viteza de rcire s fie de minimum 400 C / minut; alegerea corect a elementelor de aliere etc.

Bronzurile cu plumb binare, avnd caracteristici mecanice reduse pot s fie folosite pentru lagre i buce, numai sub form de strat subire depus pe un suport metalic mai rezistent.

Pentru mbuntirea proprietilor de antifriciune ale bronzurilor cu plumb, pentru ridicarea rezistenei mecanice i micorarea segregaiei la solidificare, se introduc n cantiti mici diferite elemente de aliere care acioneaz n urmtoarele direcii: - limiteaz domeniul de existen a celor dou faze lichide (nichel, arsen, argint, sulf, bismut, mangan etc.);

- finiseaz structura att prin formarea de noi germeni de cristalizare, ct i prin influenarea cristalizrii primare a cuprului (fier, cobalt, zirconiu, litiu, bariu, calciu, lantan, ceriu);

- favorizeaz eleiminarea incluziunilor de oxizi sau gaze (aluminiu, siliciu, mangan).

Nichelul (1,3...6 %) se adaug la bronzurile cu coninut ridicat de plumb pentru eliminarea zonelor de segregare, pentru repartizarea uniform a plumbului n aliaj i pentru mbuntirea caracteristicilor mecanice.

Fosforul se utilizeaz n calitate de dezoxidant. El mbuntete caracteristicile mecanice i proprietile de antifriciune ale aliajului, ns la un coninut mai mare de 0,3 % nrutete repartizarea uniform a plumbului.

Unele caliti de bronz cu plumb conin i adaosuri de staniu. La un coninut de 5...6 % Sn bronzul are o rezisten mecanic suficient, permind fabricarea lagrelor fr utilizarea de supori.

2.2.2.4.3. BRONZURI CU SILICIU

Aliajele Cu - Si, i mai complexe, sunt caracterizate prin proprieti mecanice ridicate: o nalt rezisten la coroziune, o bun sudabilitate i o mare uurin la prelucrarea prin achiere. Ele pot s nlocuiasc n multe domenii bronzurile cu staniu, depindu-le din punct de vedere al proprietilor mecanice i a rezistenei la coroziune, n plus au o densitate mai mic, sunt mai ieftine, se preteaz la retopiri repetate fr modificri eseniale ale compoziiei chimice i ale proprietilor, avnd i posibiliti mai largi de a lucra n condiii grele (temperaturi ridicate i presiuni de regim mari).

Primele cercetri asupra sistemului Cu-Si au fost fcute n 1907. Pe baza lor s-a trasat diagrama de echilibru a sistemului Cu-Si, figura 2.20, care prezint un punct peritectic la temperatura

de 862 C, dou puncte eutectice la

temperaturile de 824 C i 802 C, compusul intermetalic Cu5 Si i soluia

solid cu maximum 5,3 % Si n greutate. Ulterior s-a determinat un nou compus cu formula Cu7 Si, care reprezint faza k.

Fig. 2.20. Diagrama de echilibru termic pentru sistemul cupru - siliciu.

Domeniul din diagram, folosit n practica industrial, este cuprins ntre 0...6 % Si. La temperatura normal bronzurile cu siliciu au structur monofazic, cnd coninutul elementului de aliere este sub 3 %.

2.2.2.4.4. BRONZURI CU MANGAN

2.2.2.4.5. BRONZURI CU BERILIU

Fig. 2.22. Diagrama de echilibru termic a sistemului cupru - beriliu.

2.2.2.4.6.2. BRONZURI CU ARGINT.

Aliajele Cu-Ag i mai complexe, datorit proprietilor lor de arcuire n stare ecruisat au o larg utilizare, pentru producerea arcurilor conductoare de curent, unde se solicit proprieti mecanice bune i o rezisten ridicat la coroziune i fluaj.

Cu toate c: cuprul i argintul fac parte din subgrupa I a sistemului lui Mendeleev; sunt izomorfe din punct de vedere cristalochimic; au diametre atomice i puncte de topire apropiate, nu formeaz o serie continu de soluii solide, ci un sistem cu miscibilitate parial n stare solid, figura 2.24.

Fig. 2.24 Diagrama de echilibru termic a sistemului cupru-argint.