1

2.10 Metale neferoase =i aliajele lor

2.10.1 Metale neferoase u=oare =i aliajele lor

}n categoria metalelor neferoase u=oare sunt ]ncadrate, ]n mod

conven\ional, metalele cu densitatea mai mic[ de 5 kg/dm3 : litiu, sodiu,

potasiu, rubidiu, cesiu, beriliu,magneziu, calciu, stron\iu, bariu,

aluminiu, scandiu, seleniu, titan =i ytriu.

Aluminiul =i aliajele sale

Aluminiul este un metal u=or (ρ = 2.7 kg /dm 3), alb - argintiu,

re\ea cristalin[ CFC, f[r[ transform[ri polimorfe. Este foarte r[sp`ndit ]n

natur[ (clarkul 8.8) sub form[ de minerale ca: micele (aluminosilica\i de

fier =i magneziu sau metale alcaline), feldspa\i (aluminosilica\i de

potasiu sau sodiu), caolin (silicat de aluminiu hidratat), corindonul

(trioxid de aluminiu), criolit (hexafloroaluminat trisodic), bauxita (hidrat

de aluminiu =i fier).

De=i foarte r[sp[ndit, utilizarea lui tehnic[ este relativ recent[.

Procedeele industriale de ob\inere a aluminiului, bazate pe

descompunerea electrolitic[ a aluminei dizolvat[ ]n criolit[ tipit[ (AlF3

3NaF) au fost brevetate simultan ]n anul 1886 ]n Europa de Heroult =i ]n

SUA de Hall, procedeul fiind cunoscut ast[zi sub denumirea Heroult -

Hall.

Analizat din punct de vedere energetic (pentru producerea unei

tone de aluminiu rafinat se consum[ 33 MW h energie electric[, din care

15 MW h este consumul pentru electroliza aluminei) aluminiul face parte

din categoria metalelor energofage, al[turi de Ti, Ni =i Cu. El prezint[,

]ns[ un complex de propriet[\i care au determinat o enorm[ aplicabilitate

industrial[ a lui, at`t sub form[ de metal pur, c`t mai ales sub form[ de

aliaje.

Principalele caracteristici ale aluminiului sunt :

2

- mai u=or de aproape trei ori dec`t o\elul, rezult`nd =i un foarte

bun raport ]ntre rezisten\a mecanic[ =i greutate specific[, denumit

rezisten\[ specific[. Calculele efectuate au demonstrat c[ prin utilizarea

la fabricarea elementelor auto =i material rulant ( locomotive, vagoane)

a unei tone de aluminiu, aduce o economie, la 100 000 tone kilometrice

de 12 t benzin[, economie mai mare dec`t energia consumat[ pentru

ob\inerea respectivei tone de aluminiu.

- caracteristici mecanice bune : rezisten\a mecanic[ la unele aliaje

comparabil[ cu a o\elurilor carbon obi=nuite, elasticitate ridicat[,

tenacitate la temperaturi scazute, propriet[\i tehnologice cel fac apt

pentru ob\inerea pieselor at`t prin turnare (temperatura de turnare de

710...7300 C, contrac\ia la solidificare de 1,7%) c`t =i prin deformare

plastic[ la cald sau la rece (deformabilitate bun[ - se pot ob\ine prin

laminare folii cu grosimea sub 5 μm);

- rezisten\[ la coroziune (datorit[ pasiviz[rii) ]n medii ca: acizi,

apa de mare, aer umed, aer industrial, etc.

-conductibilitate termic[ (material excelent pentru vase, pistoane,

blocuri motor) =i electric[ (60%din cea a Cu) foarte bune;

-capacitate mare de reflexie a luminii.

Aliaje pe baz[ de aluminiu

Alierea aluminiului poate ]mbun[t[\i considerabil propieta\ile de

rezisten\[. Este evident ]ns[ c[ prin aliere propiet[\i ca plasticitatea,

conductibilitatea electric[ etc. se mic=oreaz[. Ca urmare la adoptarea

unui aliaj se admite un compromis ]ntre propiet[\ile care se exclud ,

astfel ]nc`t s[ se pun[ ]n eviden\[ propietatea necesar[ pentru o aplica\ie

bine definit[.

Principalele elemente de aliere sunt Cu, Mg, Si =i mai rar sau ca

elemente secundare de aliere : Mn, Ni, Fe, Cr =i Zn ; cele mai utilizate

sunt aliajele complexe.

3

Consider`nd diagrama de echilibru Al-element de aliere, care are,

]n general, aliura prezentat[ ]n figura 2.85, aliajele aluminiului se

clasifica ]n :

-aliaje deformabile, aliaje cu concentra\ii mai mici de a2 %

element de aliere;

-aliaje pentru turn[torie, aliaje hipoeutectice =i eutectice .

Aliajele deformabile sunt nedurificabile prin tratament termic

(cele care nu prezint[ transform[ri de faz[ ]n stare solid[, deci cu

concentra\ii ale elementului de aliere mai mici de a1 %) =i durificabile

prin tratament termic (aliaje care prezint[ varia\ie cu temperatura a

solubilit[\ii ]n aluminiu a elementului de aliere ).

Tratamentul termic aplicat aliajelor durificabile const[ ]n c[lirea

de punere ]n solu\ie urmat[ de ]mb[tr`nire .

Fig. 2.85 Diagrama de echilibru Al - element de aliere

C[lirea de punere ]n solu\ie are ca scop ]mpiedicarea separ[rii

fazei secundare =i const[ ]n ]nc[lzirea aliajului ]n domeniul monofazic

(la temperatura tcs ) urmat[ de r[cire cu vitez[ mare de r[cire. Se ob\ine

la temperatura ambiant[ o solu\ie solid[ suprasaturat[ ]n element de

aliere .

}mb[tr`nirea este un fenomen evolutiv natural, de obicei de lung[

durat[, datorit[ c[ruia un material metalic ]=i modific[ anumite

4

caracteristici fizico-mecanice prin precipitare ]n timp de faze noi, dintr-o

solu\ie solid[ suprasaturat[. Ca tratament termic, ]mb[tr`nirea se aplic[

dup[ c[lirea de punere ]n solu\ie =i const[ ]n ]nc[lzirea solu\iei solide

suprasaturate astfel ]nc`t procesele de precipitare a fazei noi s[ fie

accelerate.

}nc[lzirea la temperaturi inferioare t]mb (v. fig. 8.1) va conduce la

formarea unor aglomer[ri de atomi numite zone Guinier - Preston (dup[

numele celor doi cercet[tori care le-au descoperit ]n mod independent).

Aceste zone au aceea=i re\ea cristalin[ ca =i matricea solu\iei solide, dar

diferen\a dintre diametrele atomice ale aluminiului =i elementului de

aliere provoac[ distorsiuni locale ]ntre planele atomice, care determin[ o

apreciabil[ deformare elastic[ a acesteia. Acest lucru conduce la o form[

lamelar[ (discuri) a zonelor G-P cu dimensiuni de ordinul 10 ... 100Å (]n

diametru). De mare importan\[ practic[ este faptul c[ zonele G-P se

formeaz[ cu mare u=urin\[ ]n ]ntregul volum al solu\iei solide =i au un

foarte mare grad de dispersie (un centimetru cub de solu\ie solid[

con\ine 1017 ... 10 18 zone G-P).

}nc[lzirea peste temperatura de solubilitate a zonelor G-P (v. fig.

8.1) va avea ca efect dizolvarea acestora =i germinarea unor faze

metastabile (la temperaturi apropiate de t]mb) sau faze stabile (la

temperaturi apropiate de curba de solubilitate - tls). Diferen\a dintre

aceste faze =i zonele G-P const[ ]n faptul c[ cele din urm[ nu sunt faze,

conform defini\iei cunoscute, ci numai zone ale unei solu\ii solide

suprasaturate, cu grosime comparabil[ cu parametrul re\elei cristaline,

care are compozi\ia chimic[ ]n element de aliere mai mare dec`t

compozi\ia chimic[ medie a acesteia.

Prin ]mb[tr`nire se m[resc rezisten\a =i duritatea mic=or`ndu-se

caracteristicile de plasticitate, efectul cel mai puternic fiind dat de zonele

G-P =i de precipitatele coerente cu solu\ia solid[.

Temperatura =i durata de men\inere la ]mb[tr`nire sunt parametrii

de baz[ care determin[ propriet[\ile materialului. }n general, rezisten\a la

5

rupere, limita de curgere =i duritatea unui aliaj cresc cu cre=terea duratei

(sau temperaturii) ating`nd un maxim dup[ care scad. Procesul care are

loc ]naintea atingerii maximului de rezisten\[ este denumit durificare

prin ]mb[tr`nire, iar continuarea men\inerii va avea ca efect

supra]mb[tr`nirea.

Aliaje de aluminiu deformabile, nedurificabile prin tratament

termic

Din aceast[ categorie fac parte aliajele din sistemele Al - Mn, Al - Mg =i Al - Mn - Mg. Pentru cazul sistemului Al - Mn punctul a1 corespunde unei concentra\ii de 1.82 % Mn, temperatura transform[rii eutectice este de 658 OC, iar faza θ este compusul Al6Mn. }n prezen\a fierului (impuritate acceptat[ p`n[ la 0.7 %) se formeaz[ compusul ternar Al6(MnFe) care nu mai este solubil ]n Al, f[c`nd aliajele nedurificabile prin tratament termic. Aliajele utilizate con\in maxim 1.5 % Mn =i se folosesc pentru laminare sub form[ de table. Acestea prezint[ o bun[ rezisten\[ la coroziune (Mn spre deosebire de celelalte elemente ]mbun[t[\e=te rezisten\a la coroziune a aluminiului) fiind utilizate, ]n special pentru executarea obiectelor casnice =i a recipientelor pentru industria alimentar[. Pentru cazul sistemului Al - Mg, punctul a1 corespunde unei concentra\ii de 1.4 % Mg iar punctul a2 la 17.4 % Mg; temperatura transform[rii eutectice este de 450 OC iar faza θ este compusul Al3Mg2. Rezult[ deci, c[ aliajele cu maxim 1.4 % Mg nu sunt durificabile; la con\inuturi mai mari, p`n[ la 3 % Mg, aliajele se pot durifica, dar efectul tratamentului termic este foarte mic. Alierea cu Mg reduce greutatea specific[ a aluminiului, m[re=te rezisten\a mecanic[, ]mbun[t[\e=te a=chiabilitatea =i prelucrabilitatea prin lustruire. Aliajele se utilizeaz[ la fabricarea robine\ilor, ]n construc\ii navale, la producerea tablelor pentru vagoane =i elemente de caroserii, rezervoare =i conducte, la confec\ionarea obiectelor de menaj =i ]n scopuri decorative. Aliajele Al - Mg - Mn con\in 1 ... 1,5 % Mn =i maxim 3 % Mg. Ele se deformeaz[ plastic la rece foarte u=or, ecruis`ndu-se (]n stare recoapt[ Rm ≅ 150 N/mm2 , A5 ≅ 25 % iar ]n stare ecruisat[ - Rm ≅ 250 N/mm2 , A5 ≅ 5 %). Sunt utilizate sub form[ de semifabricate ca: table, bare, profile etc.

Aliaje de aluminiu deformabile, durificabile prin tratament termic

Reprezentatul tipic al aliajelor din aceast[ grup[ este sistemul Al -

Cu. Punctul a1 al diagramei de echilibru are concentra\ea de 0.2 % Cu iar

punctul a2 de 5.7 % Cu; temperatura transform[rii eutectice este de 548 OC; faza θ este compusul Al2Cu. Aceste aliaje sunt relativ pu\in utilizate.

Cele mai ]nt`lnite aliaje deformabile, durificabile prin tratament termic

6

sunt aliaje complexe, apar\in`nd sistemelor Al - Cu - Mg, Al - Mg - Si,

Al - Cu - Ni - Mg etc.

Aliajele Al-Cu-Mg care con\in 0.5 ... 5 % Cu, 0.2 ... 0.7 % Mg, 0.2

... 1.5 % Mn =i mici propor\ii de Mn, Si =i Fe (maxim 0.7 % fiecare)

sunt cunoscute sub denumirea de DURALUMINIU.

Semifabricatele din duraluminiu se ob\in sub form[ de bare prin

turnare continu[. Acestea se supun unui tratament termic de recoacere

pentru omogenizare =i detensionare la o temperatur[ de 440 ... 480 OC.

Structura de echilibru este format[ din solu\ie solid[ α, compu=ii

intermetalici solubili in α: faza θ (Cu2Al), faza S (Al2CuMg) , Mg2Si =i

compu=i intermetalici de fier =i mangan, insolubili. Dup[ tratamentul

termic de c[lire (ti = 505 ... 510 OC, r[cire ]n ap[ cald[) se ob\ine o

solu\ie solid[ suprasaturat[ ]n Cu =i Mg =i compu=i intermetalici

primari, nedizolva\i.

Procesele de ]mb[tr`nire ]ncep spontan, imediat dup[ c[lire =i ca

urmare durificarea se realizeaz[, de obicei, pe cale natural[. De altfel

fenomenul a fost descoperit ]nt`mpl[tor ]n anul 1906 , c`nd metalurgistul

german Alfred Wild cerceta posibilit[\ile de c[lire a unor astfel de aliaje.

Descoperirea a fost hot[r`toare pentru construc\ia de avioane, ]ntruc`t la

nici un alt material cunoscut p`n[ ]n acel moment rezisten\a specific[ nu

era a=a de mare. Duraluminiul (c[lit =i revenit) are propriet[\i mecanice

asem[n[toare o\elurilor moi : Rm ≅ 500 N/mm2, Re ≅ 300 N/mm2 =i A5 ≅

15 %.

Dintre aliajele aluminiului durificabile prin tratament termic se

mai citeaz[ :

- aliajele Al - Mg - Si (AVIAL) care se ]mb[tr`nesc numai

artificial la temperatura de 100 ... 200 OC;

- aliajele Al - Mg - Si - Mn (ALDREY) folosite pentru conductori

electrici;

- aliajele de ]nalt[ rezisten\[ Al - Cu - Mg - Mn - Zn (p`n[ la 6 %

Zn) folosite la fabricarea pr[jinilor de foraj din aluminiu;

7

- aliajele rezistente la temperaturi ridicate Al - Cu - Ni - Fe - Mg

cu 1 ... 2.3 % Ni care asigur[ un coeficient de dilatare redus =i o bun[

refractaritate.

Aliaje de aluminiu pentru turn[torie Aluminiul nu prezint[ propriet[\i bune de turnare : are tensiune superficial[ mare =i fluiditate redus[. }mbun[t[\irea propriet[\ilor de turnare (contrac\ie la solidificare mic[, susceptibilitate sc[zut[ de fisurare la cald =i de formare a porilor etc.) se ob\ine ]n cazul ]n care ]n structur[ exist[ eutectic. Dintre aliajele pentru turn[torie, cele mai larg utilizate sunt cele din sistemul Al - Si denumite SILUMINURI. La concentra\ii de aproximativ 9 % Si (aproape de concentra\ia de 11,6 % Si a transform[rii eutectice) fluiditatea lor este foarte bun[. Conform diagramei de echilibru generale, faza θ este Si pur. La solidificarea eutecticului α + Si, cristalele de Si se depun la limitele cristalelor de solu\ie solid[ sub form[ acicular[, ceea ce afecteaz[ caracteristicile mecanice. Propriet[\ile acestor aliaje se pot ]mbun[t[\i prin introducerea ]n topitur[ a unui modificator (de exemplu, 0.005 ... 0.150 % Na), care impiedic[ segrega\iile grosolane de Si, finiseaz[ eutecticul =i structura dendritic[ . Aceste aliaje au rezisten\[ bun[ la coroziune =i sunt utilizate pentru piese supuse ]n exploatare la solicit[ri mecanice sc[zute sau la condi\ii de mediu corozive ca : produse casnice, corpuri de pomp[, r[citori, fitinguri etc. Adaosuri de Cu, Mg, Ni, Mn chiar ]n procente mici, fac posibil[ aplicarea tratamentelor termice =i deci, ob\inerea de propriet[\i mecanice superioare. Dintre cele mai r[sp`ndite aliaje din aceast[ categorie fac parte : -aliajele Al - Si - Mg - Mn (10 % Si, 0.3 % Mg, 0.4 % Mn, simbolizat ]n normativele rom`ne=ti AT Si10Mg) care se toarn[ u=or, asigur[ dup[ c[lirea de la 510 OC =i ]mb[tr`nirea la 180 OC o rezisten\[ de minim 220 N/mm2; este utilizat ]n fabrica\ia de motoare (cartere, cutii de vitez[) =i aparataj electric; - aliajele Al - Si - Cu - Mg - Ni - Mn (12 % Si, 1.2% Mg, 1.2 % Cu, 1.1 % Ni, 0.3 % Mn - At Si12CuMgNi) care au pe l`ng[ o capacitate de turnare foarte bun[ =i coeficient de dilatare redus, stabilitate la cald, ceea ce ]l face potrivit pentru turnarea pistoanelor motoarelor cu ardere intern[; - aliajele Al - Si - Cu - Mn (5% Si, 3 % Cu, 0.5 % Mn - AT Si5Cu3) ]=i p[streaz[ calit[\ile destul de bune de turnare, asigur[ prin tratament termic rezisten\e mecanice ridicate (minim 260 N/mm2) =i prezint[ o prelucrabilitate bun[; se utilizeaz[ la fabricarea pieselor cu solicit[ri ridicate: carcase, corpuri de ma=ini etc. Aliajele din sistemul Al - Cu pentru turn[torie sunt mai pu\in utilizate pentru c[ se toarn[ greu prin procedeele clasice =i prezint[ tendin\a de fisurare la cald; ]n schimb se trateaz[ termic asigur`nd rezisten\e mecanice peste 350 N/mm2 =i se prelucraz[ bine prin a=chiere, fapt pentru care sunt utilizate ]n construc\ii de performan\[. Aliajele din sistemul Al -Mg (cu maxim 12 % Mg) sunt cele mai u=oare aliaje de aluminiu, cu rezisten\[ mecanic[ acceptabil[, se prelucreaz[ foarte bine prin a=chiere =i au rezisten\[ ridicat[ la coroziune; prezint[ dezavantaje tehnologice importante : se elaboreaz[ greu, au propriet[\i de turnare sc[zute, iar piesele prezint[ tendin\[ de fisurare (la cald =i la rece). Din ele se toarn[ totu=i piese de importan\[ pentru industria chimic[, avia\ie, decora\iuni etc.

8

2.10.2 Metale neferoase grele =i aliajele lor

Din categoria metalelor neferoase grele fac parte metalele cu

densitate mai mare de 5 kg/dm3, except`nd fierul care, ]mpreun[ cu

aliajele sale formeaz[ o categorie separat[. Cel mai greu metal neferos

este osmiu cu densitatea de 22.70 kg/dm 3, cu densit[\i apropiate fiind =i

platina (21.45 kg/dm 3), wolframul (19.32 kg/dm 3), aurul (19.30

kg/dm3) =.a. numite metale supragrele. Din punct de vedere al

temperaturii de topire ]n aceast[ grup[ sunt cuprinse at`t metale u=or

fuzibile (mercur, staniu, cadmiu, plumb, zinc) c`t =i metale greu

fuzibile (cupru, nichel, cobalt, crom).

Cuprul =i aliajele sale

Cuprul, primul metal folosit de om ]n scopuri practice este =i

ast[zi unul dintre cele mai utilizate metale, ocup`nd, din acest punct de

vedere locul trei dup[ fier =i aluminiu. Cu toate c[ se caut[ metale,

aliaje sau materiale nemetalice mai ieftine care s[-l ]nlocuiasc[, aproape

c[ nu exist[ domeniu de activitate tehnico-industrial[ care s[ poat[

renun\a la utilizarea lui =i aceasta datorit[ propriet[\ilor pe care le

prezint[ : excep\ionala conductibilitate termic[ =i electric[, maleabilitate

=i ductilitate asociate cu o bun[ rezisten\[ mecanic[ =i la coroziune.

Cuprul este un metal mai greu dec`t fierul av`nd densitatea de 8.9

kg/dm3, de culoare ro=ie caracteristic[, temperatura de topire 1083 OC,

re\ea cristalin[ CFC, f[r[ transform[ri polimorfe.

Propriet[\ile cuprului sunt puternic influen\ate de puritate. Din

punct de vedere al conductibilit[\ii termice =i electrice cele mai

d[un[toare impurit[\i sunt P, Si, As =i Al iar cele mai pu\in d[un[toare

Ag, Cd =i Zn. Conductibilitatea electric[ este afectat[ =i prin

ecruisarea datorat[ deform[rii plastice la rece. Din punct de vedere al

deformabilit[\ii cele mai d[un[toare impurit[\i sunt Bi =i Pb. Aceste

9

metale, practic sunt insolubile ]n cupru =i datorit[ faptului c[ au

temperatura de topire sc[zut[ la ]nc[lzirea ]n vederea deform[rii plastice

la cald se topesc determin`nd fragilitate la cald. Din acest motiv, ]n

calit[\ile superioare de cupru nu se admite mai mult de 0.005 % Bi =i

maxim 0.02 % Pb. Cu oxigenul cuprul formeaz[ un eutectic care are

temperatura de topire de 1065 OC, motiv pentru care este considerat ]n

general o impuritate relativ inofensiv[; cu toate acestea prezen\a

oxigenului determin[ fragilitate la cald denumit[ =i “boala de

hidrogen”. Aceast[ fragilitate se explic[ prin faptul c[ la ]nc[lzirea ]n

vederea deform[rii plastice la cald, dac[ atmosfera cuptorului con\ine

gaze reduc[toare H2, CO, CH4 etc. aceste gaze p[trund ]n cupru

reac\ioneaz[ cu oxigenul con\inut de acesta =i formeaz[ vapori de ap[

care creeaz[ presiuni locale foarte mari ce conduc la fisurarea

materialului.

Cuprul este utilizat pe scar[ larg[ pentru conductori electrici,

schimb[toare de c[ldur[, radiatoare, r[citoare etc. Ca material pentru

construc\ii de ma=ini este pu\in folosit ]n principal datorit[

caracteristicilor de rezisten\[ relativ sc[zute (]n stare turnat[ Rm = 20

daN/mm2, laminat =i recopt Rm = 25 daN/mm2, ecruisat Rm = 40

daN/mm2), fiind ]ns[ foarte folosit sub form[ de aliaje.

Aliaje cupru - zinc (alame)

Conform diagramei de echilibru Cu - Zn prezentat[ ]n figura 2.86,

fazele sistemului sunt:

- α : solu\ie solid[ de Zn ]n Cu, moale =i plastic[, cu re\ea

cristalin[ CFC (aproximativ 60 HB duritate =i alungire la rupere de 40

%), se poate prelucra prin deformare palstic[ la cald =i la rece;

- β : solu\ie solid[ format[ pe baza compusului electronic CuZn,

cu re\ea cristalin[ CVC; sub temperatura de 454 ... 468 OC devine o

10

solu\ie solid[ ordonat[, β‘ ; este mai dur[ =i mai fragil[ (75 HB, A5 =

5%) deformabil[ plastic numai la cald;

- γ : solu\ie solid[ pe baza compusului electronic Cu5Zn8; este dur[

=i fragil[ av`nd re\ea cristalin[ cubic[ complex[.

Cre=terea con\inutului de Zn, conduce la cre=terea fragilit[\ii

aliajelor, acestea devenind neutilizabile a=a cum este prezentat ]n figura

2.86. Ca urmare utilizare practic[ au aliajele cu maxim 45 % Zn.

Alamele cu p`n[ la 25 % Zn sunt cunoscute =i sub denumirea de

TOMBAC.

Alamele au propriet[\i mecanice superioare cuprului fiind ]n

acela=i timp =i mult mai ieftine. Ele se caracterizeaz[ printr-o mare

rezisten\[ la coroziune, de=i ]n anumite condi\ii pot suferii dou[ forme de

coroziune : coroziunea sezonier[, care se produce ]n timpul

anotimpurilor umede =i const[ ]n atacul limitelor gr[un\ilor sub ac\iunea

atmosferei umede =i a tensiunilor remanente de la opera\iile de

deformare plastic[ la rece =i pittingul - un fenomen de coroziune

localizat[, punctual[ produs[ ]n prezen\a apei calcaroase sau a apei de

mare.

Alamele se pot utiliza sub form[ semifabricate turnate sau

deformate plastic. Propriet[\ile de turnare bune sunt consecin\a formei

diagramei de echilibru care se caracterizeaz[ printr-o distan\[ mic[ ]ntre

liniile lichidus =i solidus ceea ce determin[ o tendin\[ redus[ de

segrega\ie, fluiditate bun[ =i contrac\ie redus[ la solidificare. Din punct

de vedere structural alamele pot fi alame monofazice α caracterizate

printr-o mare capacitate de deformare plastic[ la rece =i alame bifazice

α + β care se pot deforma plastic la cald.

Alamele utilizate ]n practic[ pot fi alame binare, con\in`nd alte

elemente numai sub form[ de impurit[\i sau alame aliate - aliaje

complexe ]n care se introduc =i alte elemente de aliere ca Al, Sn, Mn,

Si, Ni, Pb atc.

11

Fig. 2.86 Sistemul Cu -Zn

a - diagrama de echilibru; b - varia\ia propriet[\ilor mecanice func\ie de compozi\ia chimic[

Alame binare

- tombac ro=u : este o alam[ cu 2 ... 10 % Zn , monofazic[, foarte

plastic[ =i cu o mare rezisten\[ la coroziune. Alamele cu 2 ... 6 % Zn

sunt utilizate pentru \evi de radiatoare iar cele cu 10 % Zn sub form[ de

semifabricate deformate plastic : table, benzi fire sau pentru ornamente.

- tombac galben : este o alam[ cu 15 ... 20 % Zn, de asemeni cu

plasticitate foarte ridicat[ =i rezisten\[ la coroziune . Datorit[ culorii se

utilizeaz[ =i pentru imitarea bijuteriilor din materiale nobile.

- alama pentru cartu=e : este o alam[ cu 30 % Zn, monofazic[,

care poate fi prelucrat[ prin deformare plastic[ la rece cu grade mari de

deformare. Propriet[\i asem[n[toare are =i alama cu 37 % Zn, care ]n

stare turnat[ are structur[ bifazic[.

12

- alama pentru monede (metal Muntz) este o alam[ bifazic[ cu 40

% Zn, care prezint[ cea mai bun[ asocia\ie ]ntre propriet[\ile de

rezisten\[ =i de plasticitate. }n general alamele bifazice utilizate ]n

practic[ con\in 39 ... 46 % Zn =i sunt utilizate fie pentru turnare ]n piese,

fie pentru deformare plastic[ la cald.

Alame aliate (alame speciale)

}mbun[t[\irea diferitelor propriet[\i ale alamelor ca rezisten\a mecanic[, propriet[\ile de plasticitate, tenacitatea, rezisten\a la coroziune, rezisten\a la oxidarea la cald, prelucrabilitatea prin a=chiere etc. se realizeaz[ prin aliere. Toate elementele de aliere, cu execep\ia Ni mic=oreaz[ solubilitatea Zn ]n Cu afect`nd microstructura ]n acela=i mod ca =i zincul, adic[ favoriz`nd apari\ia fazei β. Capacitatea elementelor de a ]nlocui Zn atunci c`nd sunt ad[ugate ]n alame se exprim[ prin echivalentul ]n Zn, care este de exemplu 10 pentru Si (1 % Si are acela=i efect cu un procent de 10 % Zn) =i 1.2 pentru Ni. }n practic[ sunt utilizate urm[toarele tipuri de alame aliate : - alame cu Pb : sunt alame bifazice utilizate pentru ob\inerea de semifabricate turnate sau deformate plastic, plumbul ad[ug`ndu-se pentru ]mbun[t[\irea prelucrabilit[\ii prin a=chiere. - alame cu Al : sunt caracterizate prin rezisten\[ mecanic[ ridicat[, rezisten\[ la coroziune =i la oxidare la temperaturi ]nalte. Un exemplu de alam[ cu aluminiu este alama cu 76 % Cu, 22 % Zn =i 2 % Al utilizat[, datorit[ rezisten\ei mari la coroziune pentru \evi de condensatoare. - alame cu Sn : prezint[ o mare rezisten\[ la coroziune; un astfel de aliaj este alama AMIRAL care con\ine 70 % Cu, 29 % Zn =i 1 % Sn. - alame cu Si : con\in ]n mod obi=nuit 3 % Si =i la un procent de 37 % Zn structura este aproape integral faz[ β. Aceste alame sunt caracterizate printr-o fluiditate foarte ridicat[ fiind folosite la turnarea pieselor cu pere\i sub\iri; au o rezisten\[ bun[ ]n apa de mare, petrol, benzin[, alcool etc. - alame cu Ni . Sunt dou[ clase de alame cu nichel : alame α =i alame α + β. Alamele monofazice con\in de la 7 la 30 % Ni, aproximativ de la 5 la 30 % Zn. Pentru culoarea lor (la aproximativ 20 % Ni alama are o culoare alb argintie) aceste alame poart[ numele de argint german sau argint de nichel. Aceste aliaje se lustruiesc foarte bine, au mare rezisten\[ la coroziune, sunt deformabile la rece =i la cald, au carecteristici mecanice bune; sunt utilizate la fabricarea tac`murilor =i ornamentelor, ]n telefonie =i radiotelegrafie pentru contacte =i arcuri, sub form[ de benzi =i fire pentru rezisten\e electrice, fitinguri pentru nave, grupuri sanitare, edificii publice etc. Alamele bifazice cu Ni au compozi\ia chimic[ aproximatv[ : 45 % Zn, 10 % Ni =i se pot prelucra u=or prin extrudare; se utilizeaz[ ]n scopuri arhitecturale fiind cunoscute =i sub denumirea de bronzuri de argint. O grup[ important[ de alame aliate o reprezint[ alamele complex aliate numite =i alame de ]nalt[ rezisten\[. Sunt alame bifazice aliate cu Al, Fe, Mn =i Ni elemente care cresc puternic rezisten\a f[r[ a afecta ductilitatea. Se utilizeaz[ la fabricarea elicelor =i c`rmelor pentru nave maritime.

13

Aliaje cupru - staniu (bronzuri obi=nuite)

Aliajele Cu - Sn se numesc bronzuri obi=nuite. Sistemul Cu - Sn

prezint[ o diagram[ de echilibru complex[ (]n figura 2.87 a, este

prezentat[ o form[ simplificat[ a acestei diagrame; de altfel unele

aspecte ale acestei diagrame nu sunt complet elucidate). Fazele

sistemului sunt : α - solu\ie solid[ de Sn ]n Cu, care ]n condi\ii de

echilibru poate dizolva maxim 14 % Sn; β - solu\ie solid[ pe baza

compusului Cu5Sn, cu re\ea cristalin[ CVC; solu\ia solid[ β ordonat[ se

noteaz[ β‘; δ - compus definit Cu31Sn8 cu re\ea chimic[ complex[. La

temperatura de 520 OC se formeaz[ eutecticul (α+δ) la o concentra\ie de

26.8 % Sn.

Cu cre=terea con\inutului de Sn fazele devin foarte dure =i fragile

(v. fig. 2.87 b) astfel ]nc`t utilitate practic[ au aliajele cu maxim 25 %

Sn.

Forma diagramei de echilibru Cu -Sn este puternic influen\at[ de

viteza de r[cire la solidificare. La vitezele de r[cire obi=nuite domeniul

monofazic se ]ngusteaz[ la maxim 6 ... 7 % Sn. Bronzurile tehnice, ]n

func\ie de concentra\ie vor fi monofazice (α) sau bifazice (α+(α+δ)).

Bronzurile au fluiditate bun[, contrac\ie la solidificare redus[ dar au o

puternic[ tendi\[ de segregare datorit[ intervalului mare de solidificare;

propriet[\ile cele mai bune de turnare le au bronzurile bifazice cu

con\inut hipoeutectoid. Bronzurile monofazice sunt plastice =i se pot

prelucra bine prin deformare plastic[.

Dup[ con\inutul ]n staniu se deosebesc mai multe grupe de

bronzuri =i anume :

- bronzuri cu 6 ... 7 % Sn, sunt bronzuri monofazice care con\in

pentru dezoxidare maxim 0.1 % P. Sunt utilizate pentru ob\inerea de

piese prin deformare plastic[ (la rece), pentru monede =i obiecte de

art[.

14

- bronzuri cu 6 ... 7 % Sn aliate cu Zn =i Pb, a=a numitele

bronzuri universale, de exemplu aliajul 5/5/5 care con\ine 5 % Sn , 5 %

Zn =i 5 % Pb.

- bronzuri pentru construc\ii mecanice con\in de la 8 la 10 % Sn

=i propro\ii diferite de alte elemente de aliere. Din punct de vedere

structural sunt bifazice fiind utilizate pentru cuzine\i, angrenaje etc.

Fiind vreme ]ndelungat[ utilizat pentru turnarea de tunuri mai este, ]nc[

cunoscut sub denumirea de bronz de tunuri.

- bronzuri fosforoase sunt bronzuri cu 6 ... 14 % Sn, 0.1 ... 0.6 % P

=i eventual alte elemente de aliere ca Ni =i Pb. Sunt utilizate ]n stare

brut[ turnat[ la confec\ionarea cuzine\ilor =i a ro\ilor din\ate; av`nd

propriet[\i mecanice bune =i rezisten\[ mare la coroziunea ]n apa de

mare sunt utilizate ]n construc\ii navale.

- bronzuri cu mult staniu con\in de la 16 la 22 % sau chiar p`n[ la

30 % Sn =i procente mici de Zn =i Pb. Sunt aliaje bifazice ]n care

cantitatea mare de eutectoid le confer[ fragilitate ridicat[, dar propriet[\i

bune de turnare. Sunt pu\in utilizate, de exemplu la turnarea clopotelor

de unde =i denumirea de bronz de clopote.

}n concluzie bronzurile sunt aliaje cu utilizare practic[ foarte mare

at`t sub form[ de piese ob\inute prin deformare plastic[ (din bronzuri

laminabile ) : arcuri, membrane, lamele arcuitoare, piese de alunecare,

piese de aparatur[ pentru industria chimic[ =i petrochimic[, c`t =i sub

form[ de piese ob\inute prin turnare (din bronzuri pentru turn[torire) :

organe de ma=ini supuse la frecare uzare, lag[re, ro\i melcate, piese de

articula\ie, arm[turi, carcase, corpuri de pompe etc.

Bronzuri f[r[ staniu

Aliajele cuprului cu Al, Si, Be, Pb etc. cu con\inut sc[zut ]n aceste

elemente se numesc tot bronzuri : bronzuri de aluminiu, bronzuri de

siliciu, bronzuri de beriliu, bronzuri de plumb etc.

15

Bronzuri de aluminiu

Bronzurile de aluminiu au rezisten\[ bun[ la coroziune =i

propriet[\i mecanice =i tehnologice ridicate. La con\inuturi de Al p`n[

la 7 % se prelucreaz[ u=or prin deformare plastic[ la rece , iar la

con\inuturi mai ridicate de p`n[ la 10 ... 11 % Al prin deformare palstic[

la cald. Propriet[\ile bune de turnare ale acestor materiale permit

utilizarea lor la turnarea ]n blocuri sau piese.

}n practic[ sunt utilizate at`t bronzuri de aluminiu binare c`t =i

bronzuri de aluminiu aliate cu Fe, Ni =i Mn cu procente de p`n[ la 5 %

fiecare. Fierul finiseaz[ granula\ia =i amelioreaz[ propriet[\ile mecanice

=i de antifric\iune; nichelul ]mbun[t[\e=te propriet[\ile mecanice la rece

=i la cald =i cre=te rezisten\[ la uzur[; manganul m[re=te rezisten\a la

coroziune.

Aceste aliaje se utilizeaz[ pentru ob\inerea de table, benzi, bare,

profile extrudate, \evi, s`rme, piese forjate, piese turnate ca de exemplu

pentru industria chimic[ =i alimentar[, arm[turi, utilaje chimice, pompe

de ap[ pentru mine, rotori de pompe centrifuge, cuzine\i, angrenaje

elicoidale, elice =i flan=e pentru industria naval[.

Bronzuri de siliciu

Dintre aliajele sistemului Cu -=i importan\[ practic[ prezint[

aliajele cu con\inut de 1.5 ... 5 % Si, aliaje care se disting prin

propriet[\i mecanice =i prin rezisten\[ la coroziune foarte bun[. Nichelul

=i manganul amelioreaz[ propriet[\ile acestor bronzuri. Ele se pot

prelucra prin deformare plastic[, se pot suda =i prelucra prin a=chiere

bine. Cracteristicile de elasticitate fac aceste aliaje recomandate pentru

fabricarea arcurilor =i elementelor elastice ale aparatelor =i

echipamentelor radio. De asemenea bronzurile de siliciu se utilizeaz[ la

fabricarea unor piese destinate lucrului la temperaturi p`n[ la 250 OC sau

]n medii corozive (ap[ dulce =i ap[ de mare).

16

a b

Fig. 2.87 Sistemul Cu - Sn

a - diagrama de echilibru (forma simplificat[);

b - varia\ia propriet[\ilor mecanice la cre=terea con\inutului ]n staniu

Bronzuri de beriliu

Dintre aliajele sistemului Cu - Be interes practic prezint[ aliajele

cu 2 % Be, aliaje durificabile prin tratament termic const`nd ]n c[lire de

la 800 OC urmat[ de ]mb[tr`nire artificial[ la 300 ... 350 OC. }n urma

aplic[rii acestui tratament termic se ob\in durit[\i de 300 ... 400 HB.

Rezisten\a mecanic[, la coroziune, la deform[ri elastice mari,

sudabilitatea =i prelucrabilitatea prin a=chiere bune fac ca aceste bronzuri

s[ fie utilizate la confec\ionarea arcurilor, diafragmelor, contactelor

arcuite etc. }n afar[ de aceasta bronzurile de beriliu sunt ]ntrebuin\ate la

confec\ionarea sculelor antisc`ntei utilizate ]n combinate petrochimice

sau rafin[ri =i ]n lucr[rile de minerit.

17

Bronzuri de plumb

Cuprul =i plumbul sunt par\ial solibile ]n stare lichid[ =i complet

insolubile ]n stare solid[. Din acest sistem sunt utilizate ]n construc\ia de

ma=ini pentru propriet[\ile lor de antifric\iune ridicate, la confec\ionarea

de lag[re, bronzurile cu 25 ... 30 % Pb; structura unui astfel de aliaj este

format[ din gr[n\i de cupru ]n care sunt dispersate particule de plumb.

Bronzurile de plumb pot con\ine =i staniu p`n[ la 10 %, un astfel de

material prezent`nd propriet[\i anticorozive bune.

Aliaje cupru – nichel

Cuprul =i nichelul formeaz[ o serie continu[ de solu\ii solide cu

re\ea CFC. Alierea cuprului cu nichel duce la cre=terea net[ a

propiet[\ilor mecanice, la m[rirea rezisten\ei la coroziune, a rezistivit[\ii

electrice =i a propiet[\ilor termoelectrice ale cuprului. Dintre aliajele

cuprului cu nichelul se men\ioneaz[ cupronichelurile =i constantanul.

Cupronichelurile sunt aliaje care con\in de la 15 la 35% Ni: sunt

caracterizate prin capacitate mare de a se deforma plastic la rece =i la

cald, prin rezisten\a la coroziune foarte ridicat[, prin refractaritate =i

rezisten\[ la oxidare la cald. Din aceast[ grup[ fac parte:

a - aliaje cu circa 20% Ni numite =i maillechort, extrem de

plastice, asem[n[toare cu alama de cartu=e dar mai rezistente la

coroziune =i de culoare alb[:

b - aliaje cu circa 25% Ni utilizate pentru monede av`nd

culoarea, de asemenea alb[;

c - aliaje cu circa 32% Ni numite nichelin[, caracterizate prin

rezistivitate mare. Cupronichelurile sunt utilizate la confec\ionarea

instrumentelor medicale, tac`murilor,bijuteriilor etc.

Aliajele de tip constantan con\in 40-45% Ni. Ele posed[ o mare

rezistivitate electric[ =i o for\[ termoelectric[ ridicat[. Sunt utilizate la

18

fabricarea reostatelor, cuplurilor termoelectrice =i a aparatelor de

]nc[lzire care lucreaz[ p`n[ la 500..7000C.

Aliaje cupru-mangan

Aliajele cuprului cu manganul utilizate ]n practic[ sunt aliaje

solu\ii solide. Dintre acestea se men\ioneaz[ aliajele cu 5 =i 12% Mn,

caracterizate prin rezistivitate electric[ mare, motiv pentru care au

utiliz[ri similare nichelinei =i constantului. Ad[ug`nd 2- 4% Ni aliajului

Cu-Mn cu 12 % Mn se ob\ine aliajul numit manganin caracterizat prin

rezistivitate electric[ foarte mare (0.43Ω mm2/m) =i un coeficient de

temperatur[ al rezistivit[\ii electrice foarte mic, caracteristic[ care face

ca manganinul s[ fie utilizat la confec\ionarea reostatelor. }n afar[ de

rezistivitate, aliajele cuprului cu manganul se caracterizeaz[ =i printr-o

rezisten\[ deosebit[ la coroziunea ]n apa de mare =i la oxidare la

temperaturi ]nalte.

Nichelul =i aliajele sale

Nichelul este un metal greu (ρ = 8.89 kg/dm3) , alb cenu=iu, cu

re\ea cristalin[ CFC, feromagnetic =i cu conductivitate electric[ sc[zut[

(14 % din cea a Ag). Poate fi forjat, laminat =i trefilat. Este rezistent

=i tenace. Rezisten\a la rupere variaz[ ]ntre 40 =i 75 daN/mm2, ]n

func\ie de procedeul de prelucrare la care a fost supus.

Utilizarea nichelului este determinat[ ]n principal de marea sa

rezisten\[ la coroziune.

Nichelul este foarte mult folosit sub form[ de aliaje fie ca element

de baz[ fie ca element de aliere (aproximativ 50 % din produc\ia

mondial[ de Ni este folosit[ pentru ob\inerea o\elurilor aliate).

Propriet[\ile de utilizare ale aliajelor de nichel difer[ foarte mult de la un

aliaj la altul : rezisten\[ foarte mare la coroziune, rezistivitate electric[

ridicat[, propriet[\i remarcabile la temperaturi ridicate, permeabilitate

19

magnetic[ mare sau constant[ la varia\ia c`mpului magnetic, coeficient

de dilatare termic[ mic etc.

Ob\inerea nichelului se realizeaz[ din minereuri oxidice sau

sulfidice dup[ procedee tehnologice asem[n[toare metalurgiei cuprului.

Aliaje nichel - cupru

Cele mai importante aliaje ale nichelului cu cuprul sunt aliajele de

tip MONEL. Aceste aliaje con\in 67 ... 70 % Ni, 26 ... 30 % Cu =i mici

propor\ii de Fe =i Mn. Sunt solu\ii solide; dup[ laminare =i recoacere

au rezisten\a la rupere de 46 ... 60 daN/mm2, alungirea la rupere de 35 ...

53 % =i g`tuirea la rupere de 65 ... 75 %. Aceste aliaje au rezisten\a la

coroziune comparabil[ cu cea a nichelului pur; se pot lustrui, au

propriet[\i mecanice superioare =i sunt mai ieftine dec`t acesta. Sunt

folosite la fabricarea pieselor de ma=ini care lucreaz[ ]n mediu coroziv

(pompe, turbine, aparate pentru industria chimic[ =i petrochimic[ etc.)

=i la obiecte de menaj.

Aliaje nichel - fier

Aliajele nichel - fier cu con\inut ridicat de nichel posed[

propriet[\i magnetice, termice sau elastice deosebit de interesante. Ca

urmare principalele aliaje nichel - fier se ]mpart ]n aliaje cu propriet[\i

magnetice speciale, aliaje cu propriet[\i termice speciale =i aliaje cu

propriet[\i elastice speciale.

Din grupa aliajelor cu propriet[\i magnetice speciale se

men\ioneaz[ aliajele de tip PERMALLOY (aproximativ 78.5 % Ni restul

fier) =i aliaje de tip PERMINVAR (45 % Ni, 30 % Fe, 25 % Co)

utilizate ]n electronic[ =i automatiz[ri.

Dintre aliajele cu propriet[\i termice speciale se men\ioneaz[

aliajele INVAR, SUPERINVAR, KOVAR =i PLATINIT. Invarul =i

superinvarul, carcaterizate prin coeficient de dilatare foarte mic =i

constant la cre=terea temperaturii, sunt utilizate pentru producerea

20

instrumentelor de m[sur[, etaloane pentru m[surarea lungimii, piese de

ceasornic[rie etc. Kovarul =i platinitul au un coeficient de dilatare egal

cu al platinei.

Dintre aliajele cu propriet[\i elastice speciale se men\ioneaz[

ELINVARUL care are modulul de elasticitate constant de la 0 la 400 OC.

Este utilizat la fabricarea instrumentelor de precizie, resoarte pentru

ceasuri etc.

Aliaje nichel - crom =i nichel - crom - fier

Aliajele Ni - Cr =i Ni - Cr - Fe sunt aliaje refractare. Rezisten\a la

oxidare a aliajelor din sistemul Ni - Cr este dat[ de con\inutul de crom.

La procente peste 20 % Cr prelucrarea lor este dificil[. }n practic[ sunt

utilizate aliaje Ni - Cr cu aproximativ 15 ... 20 % Cr numite

cromonicheluri.

Din sistemul Ni - Cr - Fe sunt utilizate aliajele cu 50 ... 70 % Ni,

10 ... 30 % Cr =i 10 ... 30 % Fe numite cromonicheluri cu fier. Aceste

materiale sunt mai ieftine dec`t cromonichelurile binare ]ns[ sunt mai

pu\in stabile la oxidare la temperaturi ridicate, put`nd fi utilizate p`n[ la

temperatura de 900 OC. Se utilizeaz[ la confec\ionarea rezisten\elor

electrice, cutiilor de cementare =i de recoacere =i ca materiale pentru

fabricarea unor piese pentru cuptoarele electrice.

Aliaje complexe pe baz[ de nichel durificabile structural

Aliajele complexe pe baz[ de nichel durificabile structural sunt

aliaje ale nichelului cu elemente ca Mn, Be, Al, Si, Ti, =i Mo care

formeaz[ compu=i ce precipit[ provoc`nd efecte de durificare prin

tratamentul termic de c[lire (de la 800 ... 1200 OC, ]n ap[) =i revenire

(la 600 ... 800 OC). Principalele grupe din aceast[ categorie sunt aliajele

de tip : MONEL, INCONEL, HASTELLOY, NIMONIC =i UDIMET.

Aliajele monel sunt formate ca =i aliajele monel binare din nichel

=i cupru, con\in`nd =i aproximativ 3 % Al =i uneori circa 4 % Si.

21

Aliajele inconel sunt aliaje ternare Ni - Cr - Fe cu adaosuri de

circa 2 % Ti.

Aliajele hastelloy sunt aliaje complexe Ni -Fe - Mo care pot

con\ine Cr =i W.

Aliajele nimonic sunt aliaje complexe Ni - Cr - Fe - Ti - Al =i

uneori Co =i Mo.

Aliajele udimet sunt aliaje complexe Ni - Cr - Co - Fe - Mo - Ti -

Al care con\in =i alte elemente C, Mn, Si, B.

Aliajele complexe pe baz[ de nichel durificabile structural sunt

caracterizate prin propriet[\i mecanice ridicate, refractaritate mare =i

rezisten\[ la coroziune foarte bun[.