, Mecatronica si Robotica, semigrupa 4111 a. Studiul aliajelor neferoase Cuprul si aliajele sale Cuprul Cuprul este un metal neferos folosit in tehnica (electrotehnica, termotehnica, etc.) mai ales sub forma de produse laminate, presate, trefilate si mai putin sub forma de piese turnate. Cuprul are o greutate specifica ridicata (8,96 g/cm ), o foarte buna plasticitate si proprietatii fizico-chimice deosebite: conductivitate termica si electrica foarte ridicate, rezistenta inalta la coroziune, atat in atmosfera cat si in agentii organici si gaze de combustie, iar temperature de topire este situate la 1083 grade C. Proprietatile mecanice ale acestui material metallic depend de starea de prelucrrare. Astfel, rezistenta la rupere a cuprului laminat si recopt este MPa, iar duritatea Brinell este HB= 35 50 daN/mm . prin deformare plastica la rece cuprul se ecruizeaza si caracteristicile de rezistenta cresc la R MPa si HB=100 daN/mm ; plasticitatea scade foarte mult, de la A=400% la A= 1 . Coprul ecruizat devine din nou moale in urma unui tratament termic de recoacere la 600 800 grade C.
Transcript
, Mecatronica si Robotica, semigrupa 4111 a.
Studiul aliajelor neferoase
Cuprul si aliajele sale
Cuprul Cuprul este un metal neferos folosit in tehnica (electrotehnica, termotehnica, etc.) mai ales sub forma de produse laminate, presate, trefilate si mai putin sub forma de piese turnate. Cuprul are o greutate specifica ridicata (8,96 g/cm ), o foarte buna plasticitate si proprietatii fizico-chimice deosebite: conductivitate termica si electrica foarte ridicate, rezistenta inalta la coroziune, atat in atmosfera cat si in agentii organici si gaze de combustie, iar temperature de topire este situate la 1083 grade C. Proprietatile mecanice ale acestui material metallic depend de starea de prelucrrare. Astfel, rezistenta la rupere a cuprului laminat si recopt este
MPa, iar duritatea Brinell este HB= 35 50 daN/mm . prin deformare plastica la rece cuprul se ecruizeaza si caracteristicile de rezistenta cresc la R MPa si HB=100 daN/mm ; plasticitatea scade foarte mult, de la A=400% la A= 1 . Coprul ecruizat devine din nou moale in urma unui tratament termic de recoacere la 600 800 grade C. Cuprul ethnic (99,0%....99,9% Cu) contine o serie de impuritati. Unele ii sunt avantajoase (Fe, Ni, P, As, Mn) deoarece ii ridica caracteristicile de rezistenta; altele (S, Se, Bi, O, Te, Pb), care coboara aceste caracteristici sunt considerate dezavantajoase. Cele mai daunatoare sunt bismutul si plumbul deoarece formeaza eutectice usor fuzibile care se aseaza in jurul grauntilor de cupru si acesta devine fragil la cald. La continuturi mai mari de bismuth sau plumb cuprul este fragil si la rece. Cuprul prezinta o structura poliedrica, iar daca a fost deformat plastic la rece si apoi recopt structura este formata din cristale poligonale cu macle (de recoacere), marimea grauntilor fiind in functie gradul de deformare si temperature de recoacere.
Alame (aliaje cupru-zinc)
, Mecatronica si Robotica, semigrupa 4111 a.
Aliajele de cupru a caror element principal de aliere este zincul se numesc alame.Aceste aliaje se clasifica dupa mai multe criterii:
- dupa numarul de faze:-alame monofazice ,-alame bifazice ( );
- dupa modul de prelucrare: -alame pentru deformare plastica; -alame pentru turnatorie; - dupa compozitie: -alame obisnuite (Cu-Zn); -alame speciale (Cu-Zn – elemente de aliere). Alamele obisnuite sunt aliaje Cu – Zn cu cel putin 55% Cu. Continuturi de 58….62% Cu se folosesc doar la alamele pentru lipit. Din diagrama de echilbru Cu – Zn ( fig 8.2 din anexa) se constata ca pana la 37% Zn structura este formata din faza , aceasta este o solutie solida de substitutie a zincului in cupru, cu retea CFC. La temperature ordinara, limita de solubilitate este de 39% Zn; ea nu se modifica prin incalzire pana la 45 grade C, insa apoi scade la 32,5% Zn, la temperature peritectica de 903 grade C. Dupa o racier lenta sau in stare recoapta solutia solida prezinta o structura poliedrica daca racirea este rapida (dupa turnare), structura este dentritica. Alamele monofazice sunt plastice putand fi deformate la rece. Daca continutul de cupru depaseste 80%, ele se mai numesc tombac; sunt foarte maleabile, insa se prelucreaza mai greu prin aschiere. Alamele au un continut mai mare de 37% Zn au in structura pe langa solutia solida si o faza intermediara ; faza este o solutie solida intermediara pe baza compusului electronic CuZn cu o concentratie electronica 3/2 si o retea CVC. La temperature de 454 grade C, faza stabile la temperaturi mai ridicate sufera un fenomen de ordonare a atomilor in reteaua cristalina; rezulta faza ; o solutie solida ordonata, mai dura si o plasticiate mai scazuta de cat faza , care are domeniul de existenta la temperature ambianta cuprins intre 45,5 si 49% Zn. Din aceasta cauza alamele bifazice ( ) sunt dure si fragile si pot fi prelucrate prin deformare plastica doar la cald.
Bronzuri
, Mecatronica si Robotica, semigrupa 4111 a.
Aliajele cuprului cu o serie de elemente ca staniu, aluminiu, mangan, beriliu, plumb, nichel etc. poarta numele de bronzuri. Aliajele Cu-Sn se numesc bronzuri obisnuite, iar cele care au in componenta celelalte elemente se numesc bronzuri speciale.
Bronzuri cu staniu Bronzurile cu staniu (aliaje Cu-Sn_ se studiaza cu ajutorul diagramei de echilibru Cu-Sn (Fig. 8.6 din anexa). Pana la 14% Sn bronzurile au structura formata din solutia solida de substitutie a staniului in cupru. In stare turnata structura are un aspect dentritic, adica solutia solida este neomogena; in stare recoapta structura este format din graunti poliedrici de solutie solida
. Bronzurile se clasifica in:
- bronzuri monofazice si bronzuri bifazice );- bronzuri deformabile si bronzuri de turnatorie;- bronzuri binare (aliaje Cu-Sn) si bronzuri complexe (aliate), care pe
langa staniu mai au si alte elemente de aliere.
Bronzuri cu aluminiu Bronzurile cu aliaje Cu –Al cu un continut pana la 15% Al, care pot contine si alte adaosuri (fier, siliciu, plumb, mangan, nichel, etc.) in scopul imbunatatirii anumitelor caracteristici fizico-chimice. Au o utilizare destul de larga, in special cele cu un continut de 4…9% Al. Bronzurile cu aluminiu prezinta o diagrama de echilibru asemanatoare cu cea a sistemului Cu-Sn (fig 8.8 din anexa). aliajele Cu-Al cu pana la 9,8 % Al au structura formata din solutia solida (solutie solida de substitutie de aluminiu in cupru, cu retea CFC); la continuturi de peste 9,8 % Al in structura acestor bronzuri pe langa solutia solida , apare si amestecul mecanic eutoctoid ( dur si fragil (fig 8.9 din anexa) Bronzurile cu aluminiu se clasifica in:
- bronzuri cu aluminiu deformabile (monofazice );- bronzuri cu aluminiu de turnatorie (bifazice
Bronzuri cu plumb Bronzurile cu plumb (aliaje Cu-Pb) au o diagrama de echilibru cu solubilitate partiala in stare lichida si insolubilitate totala in stare solida (Fig.8.10 din anexa). La temperature ambianta structura bronzurilor cu plumb este formata dintr-o matrice de solutie solida (foarte bogata in cupru), de culoare deschisa, in care sunt incluse particule de plumb, de
, Mecatronica si Robotica, semigrupa 4111 a.
culoare inchisa, repartizate neregulat in cadrul acestei matrice (Fig. 8.11 din anexa). Aliajele Cu-pb prezinta proprietati antifrictiune foarte bune si sunt utilizate la confectionarea lagarelor.
Bronzuri cu siliciu Bronzurile cu siliciu sunt aliaje Cu-Si la care se adauga mangan, zinc, fier, nichel sau aluminiu. Prezinta o buna plasticitate la cald si la rece, au inalte caracteristici mecanice si antifrictiune, se sudeaza si se lipesc foarte usor, au bune proprietati de turnare si anticorozive. Se utilizeaza in conditii de frecare grea ( temperaturi inalte, presiune mare de contact, ungere intermitenta, etc.). deoarece au un cost mai mice le tind sa inlocuiasca bronzurile cu staniu. Bronzurile cu siliciu deformabile contin pana la 3,5% Si si sunt monofazice (solutie solida ); bronzurile de turnatorie au pana la 5% Si, iar structura este alcatuita din faza (aliaje monofazice) sau din eutectoid ( ) intr-o matrice moale de solutie solida .
Simbolizarea aliajelor de cupru Aliajele pe baza de cupru se simbolizeaza prin simbolul chimic al cuprului si al elementului principal de aliere, urmate de concentratia acestuia, apoi simbolurile si concentratiile celorlalte elemente de aliere; concentratiile sub 1% nu se indica.
Aluminiul si aliajele pe baza de aluminiu
AluminiulAluminiul este un metal usor, densitatea fiind de 2,72 g/72cm ; se
topeste la 658 grade C si cristalizeaza in reteaua CFC, fara a avea forme alotropice. Prezinta conductivitate termica si electrica ridicata si o buna plasticitate. Are o mare rezistenta la coroziune datorita formarii unei pelicule superficiale foarte subtiri, dar compacte de Al o . Proprietatile sale anticorozive se pot imbunatati prin oxidare anodica (eloxare) in urma careia se obtine o pelicula compacta, fara defecte. Rezistenta la coroziune se diminueaza insa, odata cu cresterea continutului de impuritati.
Aluminiul pur se utilizeaza in industria electronica, pentru conductori electrici si in industria alimentara sau chimica, sub forma de foite subtiri, ca material de placare pentru protectie anticorozica.
, Mecatronica si Robotica, semigrupa 4111 a.
Spre deosebire de alte metale ce cristalizeaza in reteaua CFC (cuprul), microstructura aluminiului este alcatuita din graunti poliedrici fara macle. Deformarile plastice duc la aparitia liniilor de alunecare si la alungirea grauntilor. Prin ecruisare, rezistenta la rupere si duritatea cresc relativ putin fata de valorile lor in stare recoapta. De aceea, imbunatatirea proprietatilor mecanice se realizeaza in special prin aliere cu alemente care formeaza cu aluminiul fie solutii solide, fie compusi intermetalici.
Aluminiul tehnic se obtine electrolitic si poate contine 0,3...0,5% impuritati, dintre care principalele sunt fierul si siliciul, impuritati ce provin din bauxita utilizeaza in procesul de elaborare. Dace aluminiul contine si fier si siliciul, se formeaza compusi intermetalici ternari care maresc mult fragilitatea materialului. In fig. 9.1 din anexa este prezentata microstructura aluminiului tehnic, cu impuritati de fier si siliciu.
Aliajele pe baza de aluminiu, se clasifica in: aliaje binare si aliaje complexe, aliaje deformabile si aliaje pentru turnatorie, aliaje care nu se durifica prin tratament termic si aliaje care se durifica prin tratament termic.
Aliajele de aluminiu deformabileAliajele de aluminiu deformabile fac parte din sistemele Al-Cu, Al-
Mg, Al-Zn, Al-Si binare sau complexe aliate
Aliaje care nu se durifica prin tratament termicDin aceasta grupa fac parte aliajele Al-Mn, cu 1,0...1,6% Mn si Al-
Mg cu un continut de magneziu mai mic de 7%.Manganul din aliajele al – Mn imbunatateste rezistenta mecanica si la
coroziune, micsoreaza temperatura de recristalizare si conduce la o structura fina in pisele ecruisate si recoapte. Cresterea cantitatii de mangan penste limita maxima determina scaderea plasticitatii si marirea fragilitatii prin formarea unor cristale foarte dure de compus Al Mn.
Aliaje durificabile prin tratament termicMaterialele din aceasta categorie sunt aliaje Al-Cu complexe, care mai
contin si magneziu, mangan, eventual nichel sau titan, fier si siliciu ca impuritati (in cantitati sub 0,7% fiecare) si care pot fi durificate prin precipitate (calire de punere in solutie urmata de imbatranire naturala sau artificiala); acesre aliaje (Al-Cu-Mg-Mn) mai sunt cunoscute si sub denumirea de duraluminiu.
, Mecatronica si Robotica, semigrupa 4111 a.
In functie de continutul elementelor de aliere, aliajele de tip duraluminiu se impart in tei grupe:
- slab aliate;- mediu aliate;- bogat aliate.Odata cu cresterea gradului de aliere creste rezistenta mecanica si
duritatea, dar scad proprietatile de plasticitate. De aceea, duraluminurile bogat aliate se prelucreaza mult mai greu prin laminare.
Microstructurile unui duraluminiu laminat si tratat termic prin calire si imbatranire sunt prezentate in fig. 9.2 din anexa.
In afara de aliajele de tip duraluminiu, in industrie mai sunt utilizate aliaje de aluminiu durificabile prin tratament termic:
- aliaje Al-Mg-Si (avial); aceste materiale sunt supuse numai imbatranirii artificiale la 100 200 grade C. Aliajul avial isi datoreaza bunele proprietati mecanice bune durificarii prin precipitarea compusului Mg Si. In fig. 9.3 din anexa este prezentata microstructura acestui aliaj dupa deformare si tratament termic. Aliajul are plasticitae buna, rezistenta la coroziune si capacitate de lustruire.
- aliaje de inalta rezistenta Al-Cu-Mg-Mn-Zn(cu 6% Zn);- aliaje Al-Cu-Mg-Mn-Zn rezistente la temperaturi ridicate.
Aliaje de aluminiu pentru turnatorieAliajele de aluminiu pentru turnatorie fac parte din sistemele Al-Si,
A-l-Cu, Al-Mg, Al-Zn, binare si mai ales complex aliate. Continutul de alemente de aliere este mai ridicat decat la aliajele deformabile, permitand aparitia in structura a unei cantitati apreciabile de amestec mecanic eutectic care confera fluiditate, compactitate, tendinta de segregatie mica si rezistenta la tensiunile de contractie dupa turnare.
Un loc aparte intre aliajele de aluminiu pentru turnatorie il ocupa aliajele din sistemul Al-Si denumite siluminiuri care pot fi binare sau complexe.
Siluminurile binale utilizate in tehnica sunt aliaje hipereutectice care nu se pot durifica prin tratament termic. Conform diagramei de echilibru a sistemului Al-Si (fig 9.4 din anexa), intre aceste doua elemente se formeaza un eutectic la 577 grade C cu un continut de 11,7% Si si o solutie solida al carui procent de siliciu scade cu temperatura. Siluminurile contin 12...13% Si si au o structura formata dintr-o masa de baza eutectica ( si cristale primare de siliciu (fig. 9.5 a din anexa).
, Mecatronica si Robotica, semigrupa 4111 a.
Dupa modificare, structura este formata din cristale prrimare, dentritice, de solutie solida de culoare deschisa, pe fond de eutectic globular fin , fig. 9.5 b din anexa).
Siluminiul prezinta proprietati de turnare foarte bune: porozitate practic nula, contractie mica; nu este fragil la racirea in urma solidificarii, din siluminiu se pot turna piese complicate.
Aliajele pentru turnatorie din sistemul Al-Cu sunt mai putin utilizate in industrie deoarece se toarna mai greu si manifesta o tendinta de fisurare la racire. Aliajele Al-Cu pentru turnatorie contin in mod obisnuit 812% Cu (fig 9.6 din anexa). In stare turnata, structura acestora este formata din cristale de solutie solida inconjurate de o retea de compus Al Cu (fig. 9.7 din anexa).
Dupa calire imbatranire artificiala compusul Al Cu se prezinta sub forma unor mici incluziuni globulare fin dispersate in solutie solida suprasaturata. Aceste aliaje ating rezistente le rupere ridicate si se prelucreaza bine prin aschiere.
