STIINTA MATERIALELOR CURS 10 ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIU CUPRUL SI ALIAJELE CU BAZA CUPRU ALTE ALIAJE NEFEROASE

STIINTA MATERIALELOR CURS 10 ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIU CUPRUL SI ALIAJELE CU BAZA CUPRU ALTE ALIAJE NEFEROASE

ALUMINIUL - Al treilea element ca raspandire (dupa O si Si) - Cel mai utilizat metal dupa Fe - Extractie: din compusi (bauxita), in final electrolitic Ex. Metoda Bayer: bauxita >>> (rafinare) alumina

ALUMINIUL Metoda Hall -Héroult electroliza ignee: Al [catod] + O [anod, reactie cu C] electrolit: Na 3 AlF 6

ALUMINIUL Metal usor ρ = 2.7 x 10 3 kg/m 3, grupa III T topire = 660 C, c.f.c. (a = 0.404 nm) fara transformari alotropice >>> f. ductil Foarte bun conductor electric (dupa Ag, Cu, Au) ρ el 0.23 μω m termic (dupa Ag, Cu, Au) Impuritati: Fe (Al 3 Fe la limitele de graunti) Si (ca impuritate, dizolvat) Proprietati mecanice: E = 66-69 GPa; Rm = 50-180 MPa (in functie de grad de ecruisare si continut de impuritati)

ALUMINIUL Modulul de elasticitate Maserati A6GCS/53 Pinin Farina Sasiu tubular din otel (E = 210 GPa)

ALUMINIUL Modulul de elasticitate

ALUMINIUL Proprietati la temperatura ambianta Puritate [%] Stare Rm [MPa] Proprietati mecanice Rp0.2 [MPa] A [%] HB 99.997 Recopt 50 20 60 14 Ecruisat dur 130 90 10 43 99.3 Recopt 80 40 42 20 Ecruisat dur 180 150 5 47

ALUMINIUL Rezistenta la coroziune Afinitate mare fata de oxigen; formeaza oxizi amfoteri In atmosfera: protejat complet de pelicula oxidica aderenta/ impermeabila/ stabila chimic; aprox. 10 nm grosime Rezista: atmosfere corozive, acizi organici, apa (si de mare), H 2 SO 4 fumans!!! Intre 0-100 C nu se corodeaza in apa (se formeaza pelicula de boehmit = Al 2 O 3 x H 2 O) Peste 100 C grosimea boehmit-ului creste >>> exfoliere (+ intergranular) ATENTIE: cuplu electrolitic cu alte metale!!! Imbunatatire: anodizare (eloxare) creste si rezistenta la uzare

ALUMINIUL Eloxarea

ALUMINIUL Lipirea pentru evitarea coroziunii electrochimice Al / Oţel

ALUMINIUL Utilizare tehnica (nu aliat) - placare pe aliaje mai putin rezistente la coroziune (duralumin) - industria chimica - cabluri electrice, folii, - armaturi condensator, oglinzi telescop, vase,

ALIAJE DE ALUMINIU PLACATE PRIN DIFUZIE

Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope (FAST) - China

ALIAJELE CU BAZA ALUMINIU. CLASIFICARE Dupa tehnologia de obtinere a produselor de turnatorie deformabile - nu se intaresc prin TT - se intaresc prin TT Aliajele de turnatorie complexe: cantitate maxima / nr. maxim de elemente de aliere 1 deformabile la rece; 2 deformabile la cald;

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIU Aliaje de turnatorie Au fluiditate buna si contractie mica de solidificare Cea mai buna turnabilitate: Al Si (siluminuri) Aliaje hipoeutectice: α + E Aliaje hipereutectice: Si (foarte fragil) + E Modificare: eutectic fin (fibre in loc de lamele) Modificator: Na (NaF, NaCl) sub 0.02% Diagrama Al - Si Efect secundar: eutecticul la 13 14%

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIU Aliaje de turnatorie Silumin eutectic nemodificat Silumin hipoeutectic (9% Si) modificat 12% Si: Rm = 180 200 MPa; A = 5 8 % Prin aliere (Cu, Mg) aliajele se pot trata termic : Aliaje Al-Si-Mg : compusii Mg 2 Si si Al 8 Mg 5 in urma TT Ex. pt. auto / aero: 7%Si, 0.3%Mg, rest Al :Rm min =280MPa; Amin=10%; Al Si Cu: Cu creste rezistenta mecanica prin TT, aschiabilitatea Scade rezistenta la coroziune!!!

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIU Aliaje de turnatorie Aliaje Al-Mg: densitate mica, rezistenta buna la coroziune Aliajele industriale intre 3 12%Mg, auto / aero Avantaje: Rm max = 500 520MPa; A max = 20 25% Dezavantaje: turnabilitate scazuta, OMOGENIZARE LUNGA!!! Aliaje Al-Zn: rezistenta mare la coroziune, aschiabilitate buna Aplicatii: in industria chimica (si eloxare), hidraulica, Aliaje Al-Cu: 4 14%Cu, in general nu binare (turnabilitate scazuta) REZISTENTA SLABA LA COROZIUNE!!! Al-Cu-Mg: compusi ternari cresc rezistenta la cald (+Ni) >>> pistoane Diesel, chiulase racite cu aer (vechi) Al-Cu-Ni (aliaje Y) [Hiduminium Y] Rezistenta la coroziune + temp. inalte >>> pistoane solicitate intens

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIU B. Aliaje deformabile B.1 Aliaje deformabile care nu se intaresc / durifica prin TT Aliaje monofazice (in general), cu plasticitate f. buna (profiluri laminate, piese extrudate / ambutisate,...): Al tehnic, Al Mn (max. 1.6%), Al Mg (max. 7%)

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIU B.2 Aliaje deformabile care se intaresc / durifica prin TT Aliaje in care la echilibru se formeaza compusi secundari care la cald se dizolva in solutia solida. Tratamentul termic dublu: 1. calire pentru punere in solutie (aducerea solutiei solide la temperatura ambianta); 2. imbatranire (intarire / durificare prin precipitarea de faze in dezechilibru) naturala la temperatura ambianta artificiala prin incalzire;

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIU B.2 Aliaje deformabile care se intaresc / durifica prin TT Duraluminurile aliaje tipice Aliaje Al Cu Mg Mn: 2 5.2% Cu; 0.2 1.8% Mg; 0.2 1.2% Mn Efectul elementelor de aliere: Cu cresterea rezistentei prin TT dar scaderea rezistentei la coroziune Mg cresterea rezistentei prin TT dar si a duratei de omogenizare Mn eliminarea efectului negativ al Fe

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIU B.2 Aliaje deformabile care se intaresc / durifica prin TT Diagrama de echilibru Al - Cu Pentru TT: compusi solubili in α Θ Al 2 Cu Fazele cu Mg Calire: structura α (plasticitatea maxima), stabila in primele 2-3 ore Imbatranire: se formeaza pre-precipitate (zone Guinier-Preston) tensiuni in retea rezistenta / duritate Prin incalzire se pierd tensiunile - SUPRAIMBATRANIRE pierderea rezistentei / duritatii

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIU B.2 Aliaje deformabile care se intaresc / durifica prin TT Analiza imbatranirii: curbe de imbatranire Dezavantajele duraluminurilor: - rezistenta mica la coroziune (sub tensiuni) - fragilitate la sudarea prin topire -tensiuni reziduale mari dupa TT Curbe de imbatranire pentru duralumin cu 4%Cu Aliaje care nu au ac. dezavantaje: Al Zn Mg Al Mg Si

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIU Standardizarea aliajelor de aluminiu SR EN 1780-1:2003 Simbolizarea lingourilor de aluminiu nealiat si aliat pentru retopire, a prealiajelor si a pieselor turnate. Sistem numeric de simbolizare EN A B xxxxx C M B brut (pt. retopire); C piese turnate; M prealiaj Prima cifra: 1 Al nealiat; 2 Cu; 4 Si; 5 Mg; 7 Zn; Daca prima cifra 1: cifra 2 = 0; cifrele 3,4 = zecimalele cont. de Al Pt. aliaje: a doua cifra = grupa de aliaje Ex. 41xxx = Al-Si-Mg-Ti; 42xxx = AlSi7Mg; 43xxx = AlSi10Mg Cifrele 3,4 nu semnificatie speciala Cifra 5 = 0 aplicatii generale; 0 lingou cu aplicatii speciale

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIU Standardizarea aliajelor de aluminiu SR EN 573-1:2005 Simbolizarea aluminiului si aliajelor de aluminiu deformabile. Simbolizarea numerica EN AW-xxxx (X) Prima cifra: 1 Al nealiat (identic al. de turnatorie); 2 Cu; 3 Mn; 4 Si; 5 Mg; 6 Mg si Si; 7 Zn; 8 alte elemente; 9 serii neuzuale A doua cifra : modificarile aliajului Daca prima e 1 modificari in limitele de impuritati sau microalieri Cifrele 3, 4 nu semnificatie speciala (nu seria 1) A, B, - variante nationale Ex. EN AW-5052; EN AW-5154 A (SR EN 573/2:1995 Sistem de simbolizare bazat pe simboluri chimice SR EN 573/3:2004 Compozitia chimica)

ALUMINIUL SI ALIAJELE CU BAZA ALUMINIU Standardizarea aliajelor de aluminiu SR EN 515:1994 Simbolizarea starilor pentru aliajele de aluminiu destinate deformarii F Brut de fabricatie O Recopt (rezistenta cea mai mica) H Ecruisat H1, 2, 3, 4 x Ecruisat [+ tratament in volum / de suprafata] x indica gradul final de ecruisare: 8 cel mai dur; 4 ½ intre O si Hx8 W calit pentru punere in solutie (numai pt. aliajele care se imbatranesc natural) T tratat termic pt. obtinerea unor stari stabile diferite de F, O sau H T1,2,3,4 T.T cu imbatranire naturala T5,6,7,8 T.T. cu imbatranire artificiala

CUPRUL SI ALIAJELE CU BAZA CUPRU Cuprul : metal rosiatic, foarte bun conductor electric / termic, foarte plastic Densitate: 8950 kg/m 3 Temperatura de topire: 1083 C Sistem de cristalizare: c.f.c. Foarte bun conductor electric (dupa Ag) ρel 0.015 Ω m termic (dupa Ag) Rezistenta mecanica: 200 240 MPa (recopt, in functie de puritate) Rezistenta la coroziune: buna in atmosfera, apa (si de mare)

CUPRUL SI ALIAJELE CU BAZA CUPRU Alamele = aliaje Cu Zn Alamele tehnice: max.45% Zn Structura α pana la 39% Zn α + β peste 39% Zn (β = solutie / comp. CuZn) Turnabilitate buna, deformabilitate f. buna (monofazice) Se introduce Pb pentru aschiabilitate

CUPRUL SI ALIAJELE CU BAZA CUPRU Bronzuri = aliaje in care predomina cuprul (cu exceptia alamelor) Bronzurile cu Sn cele mai vechi aliaje utilizate Tehnice: max. 25% Sn Structura α pana la 5-6% Sn - plastice α + (α +δ) dure, rezistente la uzare Rezistenta max.: 400 500 MPa Rezistenta la coroziune: buna in apa (si de mare), solutii neutre slaba in HCl, HNO 3 Bronzuri cu Al Rm > 560 MPa, rezistenta la coroziune > decat Cu-Sn Bronzuri cu Si ieftine, fluide, rezistente la coroziune si eroziune Bronzuri cu Be Rm > 700 MPa, antiscantei, elastice

Simbolizarea cuprului si aliajelor de cupru SR EN 1412: 1997 Cupru si aliaje de cupru. Sistem european de simbolizare numerica [1 2 3 4 5 6] 1 = C 2 = B lingou pentru retopire C produs turnat F adaos pentru lipire / sudare M prealiaje R Cu brut rafinat S materii prime recirculabile W produs deformat X nestandardizat 3, 4, 5 = cifre fara semnificatie speciala

Simbolizarea cuprului si aliajelor de cupru 6 = grupa de aliaje A, B Cu tehnic C, D Cu slab aliat ( 5%) E, F aliaje diverse ( 5%) G aliaje Cu-Al H aliaje Cu-Ni J aliaje Cu-Ni-Zn K aliaje Cu-Sn L, M aliaje Cu-Zn N, P aliaje Cu-Zn-Pb R, S aliaje Cu-Zn complexe

Magneziul Metal usor: ρ = 1738 kg / m 3 T top = 651 C, h.c., fara transf. alotropice; Foarte activ chimic: reduce oxizi / descompune hidroxizi / carbonati ai metalelor alcaline / alcalinopamantoase; >>> se autoaprinde in aer in stare pulverulenta (si aliajele) + umiditate / CH 3 CH 2 OH >>> exploziv Proprietati mecanice nealiat: Rmax = 250 MPa (ecruisat) A = 3 17 % < 50 HB E = 45 GPa

Aliaje cu baza Mg Clasificare I. turnatorie II. deformabile III. cu proprietati (pt. aplicatii) speciale I. Aliaje de turnatorie a. cu rezistenta mecanica ridicata: RM >300MPa dupa T.T. b. refractare: max. 400 C (timp scurt) II. Aliaje deformabile a. rezistenta mecanica mare: Rm > 340MPa, Mg-Al-Zn-Mn (Elektron) b. refractare: max. 250 300 C pt. durate lungi c. superusoare: Mg-Li (1140 1570 kg / m 3 ) sateliti III. Aliaje cu aplicatii speciale Ex. Conductori acustici pt. ultrasunete

Intrebari de autoevaluare 1. Care este temperatura de topire a aluminiului? Ce sistem de cristalizare are? 2. Care sunt caracteristicile aluminiului? 3. Cum se comporta aluminiul la coroziune? 4. De cate tipuri sunt aliajele aluminiului? 5. Care aliaje de aluminiu au cea mai buna turnabilitate? 6. De ce se efectueaza modificarea siluminului? Cu ce se realizeaza? Care este efectul structural al modificarii? Dar asupra prorietatilor? 7. Care sunt etapele tratamentului termic al aliajelor de aluminiu care se intaresc astfel? 8. Ce sunt duraluminurile? Care este rolul fiecaruia dintre elementele de aliere? 9. Care sunt avantajele si dezavantajele imbatranirii artificiale a duraluminurilor? 10. Care sunt dezavantajele duraluminurilor? Ce aliaje nu prezinta aceste dezavantaje? 11. Ce tip de aliaje sunt 3003 si 6100? Se preteaza vreunui tratament termic?

Intrebari de autoevaluare 12. La ce temperatura se topeste cuprul? Care sunt sistemul de cristalizare si densitatea lui? 13. Ce sunt alamele? 14. Care sunt constituentii structurali in alamele de uz industrial? 15. Ce structura au cele mai rezistente alame? Dar cele mai ductile? 16. Care este diferenta intre intervalele de cristalizare ale alamelor si bronzurilor cu staniu? Care este consecinta acesteia asupra structurii de turnare? 17. Care sunt constituentii structurali in bronzurile cu staniu de uz industriali? 18. Care este structura bronzurilor celor mai rezistente la uzare? 19. Care sunt caracteristicile generale ale bronzurilor cu Al, Si sau Be? 20. Care sunt caracteristicile magneziului? 21. De cate tipuri sunt aliajele de magneziu?