-
1
CURS 10 Cuprins 2.8. Titanul i aliajele sale 2.8.1. Titanul
2.8.2. Aliaje de titan 2.9. Magneziul i aliajele sale 2.9.1.
Magneziul 2.9.2. Aliaje pe baz de magneziu
2.9.2.1. Aliaje de magneziu pentru turntorie. 2.9.2.2. Aliaje
deformabile pe baz de magneziu 2.9.2.3. Aliaje cu proprieti
speciale
2.10. Zincul i aliajele sale 2.10.1. Zincul 2.10.2. Aliaje de
zinc
2.10.2.1. Aliaje de zinc pentru turntorie. 2.10.2.2. Aliaje de
zinc deformabile 2.10.2.3. Aliaje antifriciune pe baz de zinc
2.10.2.4. Aliaje de lipit pe baz de zinc
-
2
2.8. Titanul i aliajele sale 2.8.1. Titanul Dei extrem de
rspndite n scoara terestr, titanul a nceput s fie utilizat sub form
metalic abia prin anii 1950, datorit numeroaselor dificulti legate
de metalurgia sa extractiv, fapt pentru care explic ntr-o oarecare
msur preurile mai mari n raport cu alte materiale metalice.
Caracteristicile deosebite ale titanului i aliajelor sale determin
utilizarea preponderent a acestuia n industriile aeronautic,
aerospaial i chimic. Densitatea titanului este de 4540 Kg/m3,
situndu-se ntre aluminiu i fier; pe de alt parte raportul rezisten
mecanic/densitate este, pentru aliajele de titan, net superior
celorlaltor materiale metalice. Rezistena la coroziune a titanului
i aliajelor sale este excelent, superioar oelurilor inoxidabile,
datorit formrii la suprafa a unui strat compact, aderent i
protector de TiO2. La aciunea clorurilor aliajele de titan sunt,
practic, inerte, ca i anumite forme de coroziune (n pete i n
puncte). Aliajele de titan prezint o bun rezisten mecanic, chiar la
temperaturi ridicate i o foarte bun rezisten la coroziune. La
temperaturi ridicate, structura cristalin a titanului este cubic cu
volum centrat (Ti); la 882 C prezint o transformare alotropic
trecnd n celula hexagonal compact (Ti). Transformarea se realizeaz
printr-un mecanism de tip martensitic, fr germinare i cretere prin
difuziune, ca n cazul transformrii alotropice a fierului ( ). Acest
fenomen exercit o influen deosebit asupra structurii Ti i aliajelor
sale. Datorit raportului c/a al celulei hexagonale (c/a = 1,587) se
asigur suficiente sisteme de alunecare (pe planele de baz i pe
planele prismatice), fapt pentru care asigur ductilitatea la orice
temperatur i elimin fenomenul de tranziie ductil-fragil. Dei limita
la oboseal nu este precis definit, se apreciaz c la 108 cicluri
acesta este de aproximativ egal cu jumtate din rezistena la
traciune. Titanul este foarte sensibil la prezena impuritilor
soluiile de inserie (H, C, O i N). Aceste elemente, datorit
solubilitii mai mari n faza dect n faza , nu pot fi puse n soluii
suprasaturate prin clire i nu exercit dect un slab efect de
durificare. Datorit formrii unor compui intermetalici (hidruri,
carburi, etc.), aceste elemente au o influen nefavorabil asupra
tenacitii i ductilitii titanului i n consecin este necesar ca s se
limiteze coninutul n acestea la minimum posibil. Titanul pur este
utilizat pe scar larg n industria aeronautic i n criogenie. 2.8.2.
Aliaje de titan n aliajele de titan, elementele de aliere
influeneaz asupra stabilitii fazelor i . Acestea sunt clasificate n
elemente alfagene (Al i elementele care formeaz soluii de inserie,
O, C i N) i care au ca efect creterea temperaturii de transformare
, elemente betagene care, dimpotriv, micoreaz aceast temperatur de
transformare. Elementele betagene pot fi izomorfe (V, Mo, Nb i Ta)
sau eutectoide (Fe, Cr, Mn i Si). Cteva elemente de aliere pot fi
neutre (Sn i Zr). Aliajele industriale de titan conin, obinuit, mai
puin de 2 elemente de aliere i sunt clasificate dup microstructur
la temperatura mediului ambiant, n aliaje , + i (tab.2.17.).
-
3
Tab.2.17. Compoziia chimic i proprietile mecanice medii ale unor
aliaje de titan.
Tipul aliaj Compoziia chimic [%] Starea Rp 0,2 [MPa] Rm
[MPa] A
[%] 99,2% Ti R 450 525 25 5% Al- 2,5% Sn R 800 900 20
Super 8% Al 1% Mo 1%V C.Rv 950 1000 15 + 6% Al 4% V R 950 1000
15 + 6% Al 4% V C.Rv 1120 1200 10 + 6% Al 6% V 2% Sn R 1000 1100 14
+ 6% Al 6% V 2% Sn C.Rv 1200 1300 10 13% V 11% Cr 3% Al C.Rv 1200
1250 8
R recopt; C.Rv clit i revenit Aliajele conin n principal
elemente de aliere alfagene i neutre; uneori pot conine mici
adaosuri de elemente betagene care determin formarea unor mici
cantiti de faz (aliaje super ). Aliajele au o mare rezisten la
fluaj (pn la 650 C) i la oxidare (pn aproape de 1100 C), fapt
pentru care pot fi prelucrate prin forjare. n acelai timp au
deformabilitate sczut la rece i nu pot fi tratate termic. Aliajele
+ , bifazice, sunt cele mai utilizate. Prin tratament termic,
aceste aliaje asigur caracteristici mecanice ridicate, pstrndu-i o
ductilitate ridicat. Rezistena la fluaj este de pn la 550 C.
Aliajele conin preponderent elemente betagene. Pot fi deformate
plastic la rece dar, datorit structurii cubice cu volum centrat,
prezint o tranziie ductil-fragil pe la 60 C. Utilizarea lor la
temperaturi ridicate nu este recomandabil deoarece faza devine
instabil la aproximativ 350 C. Dup cum s-a precizat anterior,
transformarea alotropic a titanului este o transformare de tip
martensitic, ce confer aliajelor de titan structuri particulare.
Pentru studiul transformrilor i structurilor rezultate prin
aplicarea diverselor tehnologii de tratament termic, sunt
prezentate structurile aliajului Ti-6% Al-4% V. Acest aliaj este
utilizat pe scar larg, reprezentnd circa 50% din producia de aliaje
de titan, deoarece asigur cea mai bun combinaie ntre rezistena
mecanic i tenacitate. Sunt utilizate n special n industria
aerospaial pentru fabricarea recipientelor sub presiune, elemente
de structur, rotoare de turbine i compresoare; datorit rezistenei
excepionale la coroziune i inerie chimice, se utilizeaz de asemenea
pentru proteze chirurgicale. 2.9. Magneziul i aliajele sale 2.9.1.
Magneziul
Magneziul aparine grupei II A, a sistemului periodic al lui
Mendeleev, avnd numrul atomic 12 i masa atomic 24,312.
Cristalizarea n sistemul hexagonal compact, avnd parametrii reelei:
a = 2,030 i c = 5,2002 . Este un metal alb argintiu cu urmtoarele
proprieti fizice: densitatea: 1750 kg/m3; temperatura de topire:
651 C; temperatura de fierbere: 1107 C; cldura masic: 1029,9 J/kgK;
conductibilitatea termic: 759 J/mK; rezistivitatea electric:
4,610-8 m; modulul de elasticitate longitudinal: 45000 MPa; modulul
de elasticitate transversal: 18000 MPa; rezistena la rupere la
traciune: 80 110 MPa; duritatea: HB 300MPa; alungirea la rupere la
traciune: 8 11%.
-
4
Magneziul are proprieti de rezisten mecanic i plasticitate
sczute, ceea ce face imposibile utilizarea lui ca material pentru
construcii. Este utilizat ca dezoxidant i ca element de aliere
pentru un numr mare de aliaje, n pirotehnie i pentru elaborarea
aliajelor pe baz de magneziu.
Proprieti chimice. Magneziul i aliajele sale nu sunt stabile la
coroziune, iar prin nclzire, la temperaturi peste 600 C se oxideaz
uor aprinzndu-se cu explozie. Aceast proprietate face ca elaborarea
magneziului i a aliajelor sale s se fac n atmosfer inert sau sub
zgur.
2.9.2. Aliaje pe baz de magneziu Aliajele de magneziu, n
calitate de materiale pentru construcia de maini, n ultimii
ani i-au gsit o larg utilizare. Densitatea mic (pn la 1,8103
kg/m3), proprieti mecanice relativ bune (R = 200 300 MPa, A = 6
20%), capacitatea mare de a suporta sarcini variabile, au permis
folosirea lor n diferite domenii ale tehnicii (n special n
industria aeronautic, n construcia de autovehicule, etc.).
Aliajele de magneziu se prelucreaz bine prin achiere ns se
oxideaz uor i se autoaprind la temperaturi de peste 600 C, avnd
totodat rezisten redus la coroziune i proprieti de turnare relativ
slabe.
Aliajele de magneziu folosite n tehnic pot fi clasificate n trei
grupe: - aliaje de turntorie, destinate obinerii pieselor
turnate;
- aliaje deformabile, folosite pentru obinerea semifabricatelor,
prin prelucrare la cald i la rece;
- aliaje cu proprieti speciale. 2.9.2.1. Aliaje de magneziu
pentru turntorie. Aliajele de turntorie utilizate
industrial se pot clasifica n aliaje cu rezisten mecanic nalt i
aliaje rezistente la temperaturi nalte (refractare).
a) Aliaje cu rezisten mecanic mare. Aceste aliaje sunt destinate
exploatrii ndelungate la temperaturi pn la 150 200 C.
Cele mai bune proprieti mecanice le au aliajele n care elementul
de aliere de baz formeaz cu magneziu un domeniu mare al soluiei
solide (cu solubilitate limitat), cu scderea solubiliti odat cu
micorarea temperaturii i, deci, care pot fi tratate termic prin
clire i mbtrnire.
Factorul de baz care conduce la creterea rezistenei soluiei
solide este distorsionarea reelei cristaline, determinat de
rearanjarea atomilor ca urmare a formrii, la aliere, a soluiilor
solide interstiiale i a soluiilor solide de substituie, care
favorizeaz creterea rezistenei i densitii, la mbtrnire, prin
compactizarea atomilor. O astfel de distorsionare a reelei frneaz
deplasarea dislocaiilor.
Printre elementele care formeaz cu magneziu domenii mari de
soluii solide cu solubilitate limitat sunt: aluminiul, zincul i
ytriul care au diametre atomice foarte diferite de diametrul atomic
al magneziului. Cele mai rspndite aliaje de turntorie care au
rezisten mare aparin sistemelor Mg-Al-Zn i Mg-Zn-Zr. Cele mai bune
proprieti mecanice le au aliajele din sistemele prezentate care
conin elementul de aliere de baz la limita de solubilitate.
Aliaje din sistemul Mg-Al-Zn. Compoziia chimic a unor aliaje cu
rezisten mare, din sistemul Mg-Al-Zn este prezentat n tabelul
2.18.
Principalul element care mrete rezistena mecanic a aliajelor
Mg-Al-Zn este aluminiu. n stare turnat aliajele cu 8% Al au
proprietile mecanice cele mai bune.
-
5
Tab.2.18. Compoziia chimic a unor aliaje de turntorie pe baz de
magneziu.
Elemente de aliere, % (rest Mg) Marca sau denumirea
aliajului Al Mn Zn Zr Cd Alte elemente
ML 4 5...7 0,15...0,5 2...3 - - - ML 55 7,5...9 0,15...0,5
0,2...0,8 - - - ML 6 9...10,2 0,1...0,5 0,6...1,2 - - - ML 8 - -
5,5...6,6 0,7...1,1 0,2...0,8 - ML 12 - - 4...5 0,6...1,1 - - ML 15
- - 4...5 0,7...1,1 - 0,6...1,2 La ML 17 - - 7,8...9,2 0,7...1,1
0,2...1,2 0,03...0,3 Nd ML 18 - - 7...8 0,7...1,1 0,4...1 1...1,6
Ag WELL CAST X 5,3...6,7 - 2,5...3,5 - - - WELL CAST Y 8,1...9,3 -
0,4...1 - - - WELL CAST 2 8,3...9,7 - 1,8...2,4 - - - DOLER- MA6 9
- 0,6 - - 0,1...0,3 Cu ML 3 2,5...3,5 0,15...0,5 0,5...1,5 - -
-
ML 7-1 5...6,5 - 0,3...0,7 - - 0,2...0,5 Cu, 0,3...0,5 Si AM 100
A 9,3...10,7 0,1 < 0,3 - - - AZ 63 A 5,3...6,7 0,15 2,5...3,5 -
- - AZ 81 A 7...8 0,13 0,4...1 - - - AZ 91 C 8,1...9,3 0,13 0,4...1
- - - AZ 92 A 8,3...9,7 0,1 1,7...2,3 - - -
- 8,5...9,5 0,2...0,5 1,5...2 - - 0,4...0,7 Cu - 3,5...7 < 1
0,45 - - B M L 1 - - 4...5 0,7...1 - 0,6...1,2 La 2 K 51 A - -
3,5...6,5 0,5...1 - - 2 K 61 A - - 3,5...6,5 0,6...1 - -
Aliajele Mg-Al-Zn se pot trata termic prin clire i clire plus
mbtrnire. Efectul
maxim al clirii se constat la aliajele cu peste 7% (Al+Zn).
Aliajele cu 1 4% Zn au rezistena mecanic cea mai mare. Limita de
curgere se mrete la creterea coninutului de zinc, n special dup
tratamentul termic. Alierea cu peste 1% Zn conduce la creterea
tendinei aliajelor spre formarea microporozitilor i a fisurilor la
cald.
Structura aliajelor turnate const din soluia solid de Al i Zn n
Mg i compus Mg17Al12 care se situeaz de obicei la limitele
grunilor. Proporia de faz Mg17Al12 se mrete odat cu creterea
coninutului de Al n aliaje. La creterea coninutului de Zn n aliaje
(la un raport Zn/Al > 1/3) poate aprea faza ternar
Mg32(Al,Zn)49, mai ales n aliajele ML 4. La limita grunilor acestor
aliaje apare manganul sub form de particule mici, de culoare
albstruie.
-
6
Aliajele ML 4 au tendin mare de a forma microporoziti. Dei au n
general
proprieti de turnare bune, manifest tendin de formare a
fisurilor la cald, au volum mare de retasur concentrat i deci se
recomand s fie turnate n special n forme din amestecuri de
formare.
Aliajul ML 5 cel mai reprezentativ pentru sistemul Mg-Al-Zn are
proprieti de turnare foarte bune. Se poate turna n amestecuri de
formare, n forme coji, n cochile i sub presiune. Prin micorarea
coninutului de aluminiu i creterea temperaturii i a duratei de
nclzire la clire se pot mbuntii proprietile mecanice ale acestui
aliaj.
Aliajul ML 6 are cele mai bune proprieti de turnare din sistemul
Mg-Al-Zn; are tendina cea mai sczut de formare a fisurilor la cald,
cea mai bun rezisten mecanic, dar i cea mai sczut plasticitate.
Aliaje din sistemul Mg-Zn-Zr. Proprietile mecanice ale aliajelor
Mg-Zn-Zr sunt mai bune dect ale aliajelor din sistemul Mg-Al-Zn. Pe
lng zinc i zirconiu, aceste aliaje mai conin mici adaosuri de alte
elemente (n special elemente rare), care le mbuntesc proprietile.
Adaosul de cadmiu mrete mult valorile proprietilor mecanice i
mbuntete proprietile tehnologice.
Adaosul de neodim pn la 0,3% conduce la creterea rezistenei
mecanice la rupere i a limitei de curgere, dup tratamentul termic,
dar plasticitatea acestor aliaje este sczut. Adaosul concomitent de
cadmiu i neodim determin mbuntirea proprietilor mecanice ale
aliajelor din sistemul Mg-Zn-Zr. Pentru mbuntirea plasticitii
aliajelor Mg-Zn-Zr, se recomand adaosul de argint. Proprietile cele
mai bune le au aliajele cu 6% Zn i 4% Ag.
n stare turnat, structura aliajelor Mg-Zn-Zr conine soluia solid
ternar (Zr i Zn n Mg), la limita grunilor aflndu-se o anumit
cantitate de faz Mg2Zn3 i particule de faze ZnZr3 sau ZnZr.
n stare tratat termic, structura aliajelor const din soluie
solid cu particule de ZnZr3 (sau ZnZr) i Zr elementar. n aliajele
bogate n zinc este posibil i existena fazei Mg2Zn3. Aliajele
Mg-Zn-Zr-Cd-Ag, n stare turnat, constau din soluia solid i compus
MgZn. Structura aliajelor Mg-Zn-Zr-Ag se deosebete de cea a
aliajelor Mg-Zn-Zr prin aceea c n stare turnat lipsesc particulele
cu coninut de zinc (ZnZr3 sau ZnZr).
n aliajele tratate termic se mrete cantitatea de soluie solid i
se constat prezena fazelor MgZn i Mg2Zn3, precum i a altor faze
grobe sub form de plci.
Aliajele Mg-Zn-Zr au urmtoarele avantaje fa de aliajele din
sistemul Mg-Al-Zn: - valori mai mari ale rezistenei la rupere i a
limitei de curgere; - raportul Rc/R = 2/3 este mai mare dect la
aliajele Mg-Al-Zn (1/3); - sensibilitatea mic a proprietilor
mecanice la microporoziti. Aliajele din aceast grup, ML 8, ML 12,
ML 15, ML 18 au proprieti bune de
turnare, rezisten mecanic ridicat. ML 15 este aliajul cel mai
refractar dintre toate aliajele cu baz de Mg. Are sudabilitatea
bun, fiind utilizat la execuia reperelor care lucreaz la presiune
mare. ML 12 are o bun plasticitate, att n stare turnat ct i n stare
mbtrnit.
b) Aliaje refractare. Aceste aliaje sunt recomandate pentru
exploata-rea de lung durat la temperaturi pn la 250 350 C, iar la
exploatarea de scurt durat pn la 400 C.
Cele mai utilizate aliaje refractare de magneziu fac parte din
sistemul Mg-MR-Zr (n care MR nseamn metale rare, ca: Ce(58);
Nd(60); Yv(70)). Ca elemente de adaos se utilizeaz zincul, indiul i
alte metale. Refractaritatea mare a acestor aliaje se explic
prin:
- formarea soluiei solide complexe, stabile; - durificarea cu
particule disperse care se separ din soluia solid n procesul de
mbtrnire i care au rolul de frnare a micrii dislocaiilor n
condiiile fluajului; - creterea stabilitii termice i a temperaturii
de coagulare a fazelor durificatoare; - consolidarea limitelor de
gruni care conduce la stabilitatea termic a fazelor.
-
7
Printre factorii care determin refractaritatea nalt a aliajelor
de magneziu cu metale
rare, pe lng temperatura nalt de topire, se remarc diferena ntre
caracterul descompunerii soluiei solide, stabilitatea relativ a
soluiei solide i viteza mai redus de coagulare a fazelor
durificatoare, la temperatura de exploatare.
Aliajele refractare de magneziu se trateaz termic prin clire
urmat de mbtrnire, pentru creterea valorii rezistenei mecanice.
2.9.2.2. Aliaje deformabile pe baz de magneziu. Aliajele
deformabile se pot
clasifica n trei categorii: aliaje cu rezisten mecanic mare,
aliaje refractare i aliaje superuoare.
a). Aliaje cu rezisten mecanic mare. Aceste aliaje fac parte din
sistemele Mg-Mn, Mg-Al-Zn-Mn i Mg-Zn-Zr.
Aliaje Mg-Mn. n sistemul Mg-Mn la 652 C are loc o transformare
peritectic. n echilibru cu soluia solid pe baz de Mg se afl
magneziul pur sau . Compoziia chimic a unor aliaje Mg-Mn este
prezentat n tabelul 2.19.
Tab.2.19. Compoziia chimic a aliajelor Mg-Mn.
Compoziia chimic, % (rest Mg) Marca aliajului Mn Ce
MA 1 1,32,5 - MA 8 1,32,2 0,150,35
n sistemul Mg-Mn-Ce (fig.2.127.), n echilibru cu soluia solid pe
baz de magneziu,
se afl dou faze: cristalele de mangan i compusul Mg9Ce. La
temperatura de 585 C are loc o transformare eutectic:
Fig.2.127. Domeniul bogat n Mg din diagrama de echilibru a
sistemului
Mg-Mn-Ce.
Adaosul de ceriu n aceste aliaje conduce la mrunirea grunilor i
la creterea
rezistenei mecanice i a plasticitii. Solubilitatea manganului
scade la creterea adaosului de ceriu. Aliaje Mg-Al-Zn-Mn. n aceste
aliaje coninutul de mangan este n general ntre 0,15 0,5%. Pe lng o
durificare suplimentar, manganul mrete rezistena la coroziune.
Compoziia chimic a unor aliaje din acest sistem se d n tabelul
2.20.
MnCeMgL 9C585o ++
-
8
Tab.2.20. Compoziia chimic a unor aliaje Mg-Al-Zn-Mn.
Componeni, % (rest Mg) Marca aliajului Al Zn Mn Alte
elemente
MA 2 MA 2-1 MA 2-1 p* MA 3 MA 5 WHITELIGHT A 210
34 3,85 3,85 5,57
7,89,2
1,5
0,20,8 0,81,5 0,81,5 0,51,5 0,20,8
0,5
0,15...0,5 0,3...0,7 0,2...0,6 0,15...0,5 0,15...0,5
-
- - - - - -
ALCOA TA 54 ELECTRON A 8 DOMAL A 231 X DOMAL A 261 X DOMAL A 280
X
- - -
3,5 7,99
2,53,5 5,87,2 7,59,2 410
2,83,2
8,89,4
5 0,31
0,41,5 0,41,5 0,20,8 0,53
0,91,2
11,3
0,5 0,150,4
-
9
Tab.2.21. Compoziia aliajelor deformabile Mg-Zn-Zr.
Compoziia, % (rest Mg)
Marca aliajului Zn Cd Nd La Ce Zr
Alte ele-
mente MA 14 MA 15 MA 19
5,06,0
2,53,5
5,57,0
-
1,2 2,0
0,2 1,0
- -
1,4 2,0
-
0,7 1,1 -
- - -
0,300,90
0,450,90
0,500,90
- - - -
MA 20 WHITELIGHT 2 K 30 A WHITELIGHT 2 K 20 A WHITELIGHT 2 K 60
A MAGNESIUM 2 K 62 ELECTRON Z R E 1 DOMAL ZK 31
1,0 1,5
3,0
3,2
5,7
6,0
0,83,0
2,53,2
- - - - - - -
- - - - - - -
- - - - - - -
0,12 0,25
- - - - - -
0,050,12
0,7
0,55
0,55
0,5 0,41,0
0,51,0
- - - -
MM2 MR
2,54-
MM mischmetal; MR metale rare.
rezistente aliaje deformabile, cu limit de curgere mare (330 360
MPa). Aliajele de tip WHITELIGHT i MAGNESIUM se utilizeaz n stare
extrudat n construcii aeronautice avnd proprietile: R = 270 360
MPa; R0,2 = 200 300 MPa; HB = 75 82 daN/mm2.
Aliajele ELECTRON au rezisten mare la temperaturi nalte i
rezisten mare la oboseal, fiind utilizate pentru construcia
turbinelor n aviaie.
Aliajul DOMAL ZK 31 are n stare extrudat R = 280 MPa i R0,2 =
200 MPa, fiind utilizat n construcia de avioane.
b) Aliaje refractare. Aliajele deformabile refractare se
utilizeaz pentru lucrul de lung durat la temperaturi de 250 300 C i
fac parte din sistemul Mg-Nd-Mn, Mg-Nd-Zr, Mg-Th-Mn i
Mg-Th-Zn-Zr.
Compoziia chimic a unor aliaje refractare este prezentat n
tabelul 2.22. Toate aliajele au structur eterogen (fig.95) care
const din soluia solid pe baz de
Mg i faze secundare n exces care n compui greu fuzibili de tipul
Al2Ca, Mg912Nd, Mg5Th, Mg24Y5 etc. n stare turnat fazele secundare
sunt sub form de reea care formeaz o carcas dur n jurul grunilor ce
ngreuneaz deformarea plastic a aliajelor la temperaturi nalte i
confer acestora o refractaritate mare.
Ytriul i scandiul mresc mult rezistena magneziului i aliajelor
la sarcini de scurt durat.
Thoriul mrete mult rezistena la fluaj, dar are influen redus
asupra rezistenei la sarcini de scurt durat.
Neodimul are o influen medie asupra proprietilor mecanice, n
raport cu ytriul i thoriul.
-
10
Tab.2.22. Compoziia chimic a aliajelor refractare,
deformabile.
Compoziia, % (rest % Mg)
Marca aliajului Nd Mn Zr Ni Th Zn
Alte ele-
menteMA 11 MA 12 MAGNESIUM 2 H 62 A DOMAL ZK 62 MAGNESIUM HM 11
A WELLCAST T MAGNESIUM MT 2 MELTROM 2 T X DOMAL H 232 MAGNESIUM KH
31 DOW METAL
- - - - - -
ELECTRON ZT 1 2 A 62 A
2,53,5 2,53,5
- - - - - - - - - - - - -
1,5 - - -
1,52,5 - - -
1,0 - - -
0,7 - - -
0,40,8 -
1,75 1,5 1,5
- -
- 0,30,8
0,5 0,7
-
0,41,0
0,2
0,6 -
0,50,7 0,50,7 0,451
- 0,7 - - -
0,7 0,51,0
0,10,22 - - - - - - - - - - - - - - - - - -
- -
1,42,2 1,8
1,0
2,54,0
3,0
2,5 3,0
2,54
3,0 2,54,0 1,52,5
3,5 1,0 3,0 3,0
0,7
1,42,4
- -
4,86,2 5,8
- - -
1,0 2,3
- - - - - - - -
0,5 5,26,2
- - - - - - - - - - - - - - - -
1 Ce - -
Adaosul de mangan n aliajele refractate cu metale rare i thoriu
mrete mult
rezistena la fluaj. Adaosuri mici de nichel pn la 0,2% mbuntesc
proprietile mecanice ale aliajelor de magneziu cu metale rare i n
special rezisten la fluaj.
Zirconiul adugat n aliajele refractate mrete foarte mult
plasticitatea datorit efectului su de modificare a structurii.
Aliajul MA 11 se poate utiliza pn la temperaturi de 350 C.
Aliajele MA 11 i MA 12 se pot trata termic prin clire, urmat de
mbtrnire artificial. Temperatura de clire a aliajului MA 11 este
490 500 C, rcirea se face n ap sau aer. mbtrnirea are loc la 175 C
timp de 24 ore.
Clirea aliajului MA12 se realizeaz la 530 540 C i rcirea n ap,
iar mbtrnirea la 200 C, timp de 16 ore.
Forjarea i matriarea aliajului MA 11 se face la 430 460 C, iar a
aliajului MA 12 la 450 480 C. Aliajul MA 12 se sudeaz foarte bine.
Aliajul MA 11 are proprieti mecanice bune la temperaturi nalte; la
20 C; R = 260 MPa; R0,2 = 130 MPa; A = 6 % iar la 200 C, R = 210
MPa, R0,2 = 110 MPa, A = 13 %.
Aliajele de tip MAGNESIUM (cu coninut de thoriu) sunt utilizate
n special n construcii aeronautice, avnd urmtoarele proprieti
mecanice la 20 C: R = 310 450 MPa, R0,2 = 180 MPa, A = 4-20 %.
-
11
Aliajele de tip DOMAL, MELTROM, DOW METAL au rezisten mecanic
mare
pn la temperatura de 250 350 C, fiind utilizate la fabricarea
unor componente pentru rachete i aviaie supersonic.
c) Aliaje superuoare. Aliajele Mg-Li cu densitatea 1,3 1,65103
kg/m3 se cunosc sub denumirea de aliaje superuoare (tab.2.23.).
Aceste aliaje se caracterizeaz prin: plasticitate i deformabilitate
mari, modulul de elasticitate mare, limit de curgere la compresiune
mare, anizotropie redus a proprietilor mecanice, proprieti mecanice
bune la temperaturi criogenice, conductibilitate termic mare,
rezisten mare la ncovoiere, rezilien mare, sudabilitate bun.
n sistemul Mg-Li (fig.2.128.) se formeaz un eutectic cu 8% Li la
580 C. n stare solid sudabilitatea maxim a litiului n magneziu este
de 5,5% i practic nu se modific la scderea temperaturii.
Tab.2.23. Compoziia unor aliaje superuoare Mg-Li.
Compoziia, % (rest % Mg) Marca aliajului Li Al Zn Mn Sn Cd Ce
Alte ele-mente IMV 1
MA 21
MA 18
- - -
IMV 3 LAZ 933 LA 141 A
MAGNESIUM LA 91
MAGNESIUM LA 141
- -
4,5... 6,0
7,0... 10,0
10,0... 11,5 5,0... 8,0
0,3... 16,2 1,4... 9,0 15,0 9,0 14,0 9,0
14,1
12,0... 15,0
10,5... 16,0
5,0... 6,0
4,0... 6,0
0,5... 1,0 - -
1,3... 8,0 -
3,0 1,0 1,0
1,5
0,5... 3,0
0,3... 3,0
0,6... 1,2
0,8... 2,0
2,0... 2,5 - -
1,3... 8,0 5,5 3,0 - - - -
1,0... 3,0
0,2... 0,8
0,1... 0,5
0,1... 0,4 - - - - - - - -
0,05... 0,2
0,1... 0,5
0,6... 1,2 - - - - -
0,3 - - - - - -
-
3,0... 5,0 - - - - - - - - - - -
- -
0,15... 0,35
- - - - - - - - -
0,1... 0,3
- - -
2...8 Y - - - - - - -
1,5... 5,0 In; 0,005... 0,5 Cr. 0,1...
1,0 Sc; 0.001... 0,01 B; 0,01... 0,3 Hf; 0,05... 0,4 Nb.
-
12
Tab.2.23. (continuare).Compoziia, % (rest % Mg) Marca
aliajului Li Al Zn Mn Sn Cd Ce Alte ele-mente - - - - -
14,0... 16,0
6,0... 11,0 14,0 14,0 14,0
1,0... 2,0
1,0... 6,0 - - -
3,5... 6,0
0,2... 2,0 - 5 5
0,2... 0,6
0,05... 0,5 - - -
- - - - -
-
3,0... 5,0 - - -
0,1... 0,4
- - - -
0,1... 0,5 La; 0,2...
1,0 Pr. 0,05...
0,15 MM 0,5 Si 3,0 Ag 3,0 Ag; 2,0 Si
n sistemul ternar Mg-Li-Al (fig.2.129.) soluia solid ternar pe
baz de Mg se
nvecineaz cu trei domenii trifazice: + + AlLi; + AlLi + MgLiAl2
i + MgLiAl2 + Mg17Al12. Compusul MgLiAl2 are reea cubic cu
parametrul a = 20,2 . Compusul Mg17Al12 poate dizolva o cantitate
nsemnat de litiu.
Fig.2.128. Diagrama de echilibru a sistemului Mg-Li.
Fig.2.129. Seciune izotermic prin diagrama
sistemului Mg-Li-Al, la 100 C.
n sistemul Mg-Li-Zn (fig.2.130.) are loc o transformare
peritectic la 317 C:
- soluie solid pe baza de Li; - soluie solid pe baza compusului
LiZn. n acest sistem se formeaz compuii MgLi2Zn (metastabil) i
MgLiZn. Aceste aliaje se mpart n trei categorii: - aliaje cu pn la
5,7% Li, cu baza soluie solid cu structur hexagonal compact,
caracterizate prin proprieti mecanice bune de ordinul proprietilor
mecanice ale aliajelor de magneziu de medie rezisten;
++L
-
13
Fig.2.130. Seciune izoterm prin diagrama de echilibru a
sistemului Mg-Li-Zn
la 300 C (a) i la 100 C (b).
- aliaje cu 5,7 10,3% Li cu structur bifazic (+) caracterizate
prin tendin de cretere nsemnat a plasticitii i scderea rezistenei
mecanice cu creterea coninutului de Li; - aliaj cu peste 10,3% Li,
avnd ca baz soluia solid de magneziu n litiu cu reea cubic cu volum
centrat caracterizate prin densitate foarte redus, plasticitate i
rezisten mare.
Proprietile mecanice la temperatur obinuit ale aliajelor de tip
IMV i MA sunt cuprinse n intervalele: R = 180 260 MPa, R0,2 = 150
220 MPa, A = 5 31%; HB = 60 87 daN/mm2. Aceste aliaje sunt
superioare materialelor plastice i celorlalte aliaje de magneziu
prin rezisten specific (R0,2/) i rigiditatea specific (E/).
Aliajele MA 18 i MA 21 se supun recoacerii la 150 175 C timp de
6 16 ore, pentru creterea rezistenei la coroziune i stabilizarea
proprietilor mecanice. Aliajul MA 18 se recomand pentru construcii
care lucreaz la temperaturi normale i criogenice.
Aliajele superioare cu peste 9% Li se utilizeaz n construcia
sateliilor artificiali. Aliajele cu 10,5 16% Li, cu adaosuri de
zinc, aluminiu, mangan, scandiu, hafniu, bor, niobiu, ceriu au o
excelent fluiditate i rezisten la coroziune.
2.9.2.3. Aliaje cu proprieti speciale. Unele aliaje de magneziu
se utilizeaz pentru
fabricarea conductelor acustice ale liniilor de amortizare a
ultrasunetelor i n construciile care absorb intens vibraiile
mecanice. Aliajele utilizate n aceste domenii au la baz sistemele
Mg-Ce i Mg-Nd.
n sistemul Mg-Ce, n echilibru cu soluia solid pe baz de Mg se
afl compusul Mg9Ce care se topete congruent la 616 C. n aliajele
mai bogate n ceriu apar trei compui: Mg3Ce care se topete congruent
la 798 C, Mg2Ce i MgCe care se formeaz prin reacii peritectice la
750 C i respectiv 711 C.
Adaosurile de metale rare, aluminiu i zinc n aceste aliaje
conduc la scderea nsemnat a capacitii de amortizare.
O serie de aliaje din sistemele Mg-Zr i Mg-Zr-Pb se utilizeaz n
energetica nuclear ca material suport pentru elementele de
combustie din reactoarele nucleare. Plumbul limiteaz difuzia
plutoniului fixnd acest element sub forma compusului intermetalic
PlPb3 insolubil n Mg.
a b
-
14
2.10. Zincul i aliajele sale 2.10.1. Zincul Zincul este plasat n
grupa a II-a a sistemului periodic, perioada a IV-a. Are 5
izotopi
stabili i 7 izotopi radioactivi. Cristalizeaz n sistem hexagonal
compact H.1 [A3] avnd urmtorii parametri: a = 2,6595 i c/a =
1,8563. Raza atomic a Zn este de 1,33 i distana interatomic minim
de 2,6593 .
Zincul se dizolv bine n acizi i alcalii, iar nclzit la rou
descompune energic vaporii de ap. Interacioneaz cu acizii: cromic,
feromanganic i molibdenic i trece srurile metalice de la stri de
valen superioar la stri de valen inferioar. Oxizii unor metale (Cd,
Pb, Cu, Ni) sunt redui de zinc. n atmosfer uscat nu se oxideaz, iar
n oxigen uscat se oxideaz foarte lent chiar la 400 C. n stare
lichid se oxideaz repede, suprafaa acoperindu-se cu o pelicul de
culoare cenuie. Zincul formeaz cu sulful combinaia stabil ZnS, iar
cu azotul, la 600 C se combin foarte energic formnd combinaia Zn3N2
care are o vitez de disociere att de mare nct nu poate fi obinut n
stare pur.
2.10.2. Aliaje de zinc Funcie de domeniile de utilizare,
aliajele zincului se mpart n patru grupe: - aliaje pentru
turntorii; - aliaje deformabile; - aliaje pentru lagre; - aliaje de
lipit. 2.10.2.1. Aliaje de zinc pentru turntorie. Sunt utilizate, n
special, pentru obinerea,
prin turnare sub presiune, a unor piese mici fasonate. Aceste
aliaje pot fi mprite, convenional, n trei grupe: aliaje Zn-Al;
aliaje Zn-Cu; aliaje Zn-Al-Cu.
Aliajele Zn-Al conin ntotdeauna un adaos de cca. 0,05% Mg pentru
mbuntirea rezistenei la coroziune. Zincul formeaz cu aluminiu un
eutectic cu un coninut de 5% Al, avnd temperatura de topire 380 C.
Aluminiul mbuntete proprietile mecanice ale zincului. Un adaos de
4% Al mrete rezistena la rupere la traciune de la 100 la 300 MPa i
alungire relativ de la 5 la 30%. De asemenea, acest element mrete
apreciabil fluiditatea zincului i deci capacitatea sa de
turnare.
Aliajele Zn-Cu. Sistemul Zn-Cu (fig.2.131.) prezint o diagram de
echilibru cu transformare peritectic, punctul peritectic aflndu-se
la 2,6% Cu i 423 C.
Fig.2.131. Diagrama de echilibru Zn-Cu (pn la 10% Cu).
-
15
Soluia solid cu baz de Zn este simbolizat prin , deoarece n
diagrama binar prin s-a notat soluia solid cu baza de Cu. Faza
reprezint faza intermetalic pe baza compusului CuZn3, cu reea
hexagonal compact, avnd domeniul de existen ntre 78-87,5% Zn.
Reacia peritetic are forma:
Aceast transformare este nsoit de micorarea volumului. Cuprul
acioneaz asupra
procesului de mbtrnire i de modificare a dimensiunilor pieselor
turnate, mai ales dac are un coninut mai mare dect 0,6 0,8% Cu.
Procesul poate fi accelerat i consecinele sale eliminate printr-un
tratament termic de mbtrnire artificial (meninere 10 ore la 60 C, 5
ore la 85 C sau 3 ore la 100 C).
Aliaje Zn-Al-Cu sunt cele mai utilizate aliaje pentru turnarea
sub presiune deoarece au proprieti de turnare superioare altor
categorii de aliaje i un pre mai mic. Aliajele cu 4% Al i 0,1 1% Cu
au utilizare multipl, fiind folosite att pentru turnarea sub
presiune ct i gravitaional, fiind destinate pentru elementele
aparaturii de precizie i msur. Compoziia cu 3% Cu, 4% Al i restul
zinc are proprieti mecanice mai bune i rezisten la coroziune mai
ridicat dect precedentele, dar are o stabilitate dimensional mai
sczut (dup 7 ani creterea dimensiunilor poate s ajung pn la 0,5%).
Caracteristici asemntoare are i compoziia cu 6% Al i 1% Cu,
utilizat aproape exclusiv pentru turnarea n forme nemetalice.
Pentru matrie sunt utilizate aliajele care conin 4,6 5% Al, 3,4 4%
Cu, 0,4 1% Mg, 0,4 1% Si, 0,2 0,3% Cr, 0,02 0,2% Sb, rest zinc i
respectiv 10 30% Al, 5 20% Cu, Ni i/sau Fe < 2%, rest zinc.
Aliajele Zn-Al-Cu sunt rezistente la aciunea apei din reea, a
alcoolului concentrat i a amestecurilor lor, a gazului de iluminat,
a uleiurilor minerale, sub 100 C, dar sunt atacate de apa distilat,
apa fierbinte (peste 70 C), soluiilor acizilor organici i ale
bazelor, gaze umede cu sulf, soluii fierbini de spunuri. Rezistena
la fluaj este redus iar lipirea dificil.
n ultimul timp o atenie deosebit este acordat aliajelor de zinc
cu mangan (Zinkal), avnd ca elemente de aliere Al, Cu, Cd i care
sunt caracterizate prin proprieti mecanice foarte bune i rezisten
la coroziune mult mai mare. Sunt destinate industriei
automobilelor, pentru matrie i pentru armturi n instalaiile de
alimentare cu ap.
2.10.2.2. Aliaje de zinc deformabile. Se bazeaz tot pe sistemele
tratate anterior i se
caracterizeaz prin proprieti mecanice foarte bune. De exemplu,
aliajul Zn-Al cu 15% Al are o rezisten la rupere prin traciune de
320 MPa i alungirea relativ de 5% i este utilizat n industria
automobilelor. Pentru mbuntirea proprietilor mecanice i rezistenei
la coroziune, aliajele deformabile, pe baza sistemului Zn-Al-Cu-Mg,
sunt microaliate cu bismut, beriliu, nichel, titan, argint, etc.
Astfel, n compoziia: 18 30% Al, 0,01 1% Mg, 0,01 10% Cu, se adaug
0,01 3% Bi, n aa fel nct raportul Mg/Bi s asigure formarea
compusului Bi2Mg3, care contribuie la durificarea materialelor prin
tratament termic.
Pentru deformare la rece, n vederea obinerii unor produse cu
rezisten de durat mare i o bun plasticitate, se utilizeaz zincul
microaliat cu 0,05 0,25% Ti, 0,02 0,2% Cu, 0,005 0,05% Al. Dac este
necesar un tratament termic, acesta const dintr-o meninere de dou
ore la 120 180 C.
Numeroase aliaje pe baz de zinc sunt superplastice, proprietate
folosit pe larg n tehnologia de deformare, compoziiile cele mai
utilizate fiind: 9% Sn, rest Zn (staniol); 22% Al, 1 2,75% Cu, rest
Zn; 22% Al, 0,02 0,05% Mg, rest Zn; 22% Al, 1,4 2,75% Cu, 0,05% Mg,
rest Zn.
Cu%68,2C5,424
Cu%5,12Cu%9,1o
L +
-
16
2.10.2.3. Aliaje antifriciune pe baz de zinc. Au ca elemente de
aliere aluminiul, cuprul, staniul, plumbul, stibiul, nichelul,
titanul, zirconiul, etc. Cele mai valoroase proprieti mecanice le
au materialele din sistemul Zn Al Cu, cu compoziia: 5 12% Al, 1 10%
Cu, rest Zn, destinate uzinajului lagrelor mainilor unelte,
pieselor mici ale mainilor de ridicat, etc.
Lagrele confecionate din aceste materiale pot funciona n
urmtoarele condiii: pmax = 600 800 MPa, vmax = 4 7 m/s;
coeficientul de frecare n prezena lubrifianilor este 0.009, iar n
lipsa acestora 0,25; temperatura maxim de lucru: 80 100 C. De
asemenea, la prelucrarea acestor aliaje trebuie luat n considerare,
coeficientul de dilatare mai mare comparativ cu bronzurile i
babbiturile, fiind admis un joc ntre lagr i fus de 0,12 0,15% din
diametrul fusului.
n ultimul timp au fost elaborate i alte aliaje antifriciune pe
baz de zinc: 17 27% Al, 2 4% Si, 0,1 0,5% Ti, rest Zn, respectiv 17
27% Al, 2 4% Si, 0,3 1% Zr, rest Zn, care pot funciona pn la
presiuni de 1700 MPa.
Aliajul cu 6% Cu, 18% Sn, rest Zn (metal alb englezesc) este
utilizat pentru fabricarea lagrelor de alunecare la mainile
miniere, la mainile de ridicat i la motoarele pentru
automobile.
2.10.2.4. Aliaje de lipit pe baz de zinc. Fac parte din
sistemele Zn-Cd i Sn-Zn i
sunt destinate lipirii magneziului, aluminiului i aliajelor
sale, precum i pentru lipirea diferitelor materiale pe ceramic. Din
prima categorie de aliaje, n tehnic se utilizeaz aliajul cu 40% Cd,
care are rezistena la rupere prin traciune de 100 MPa i alungirea
la rupere de 5%. Din sistemul Zn-Sn sunt utilizate aliajele cu 10,
20, 30 i 40% Zn i care mai conin n compoziia chimic 3 20% Al, 2 20%
Cd, 5 20% Pb, 2 20% Cu i 3% Mg. Temperatura de topire a acestor
aliaje crete cu creterea coninutului de zinc.
Dintre aliajele pentru lipire tare fac parte aliajele Cu-Zn-Ag i
alamele cu un coninut mai ridicat de zinc.
Bibliografie
1. Bncescu, N., Dulucheanu, C., Materiale i tehnologii, vol.I,
Editura Didactic i Pedagogic, R.A., Bucureti, 2004. 2. Bibu, M.,
Metalografia aliajelor feroase i neferoase, Editura Universitii
Lucian Blaga, Sibiu, 2000. 3. Bolundu, I.L. tiina i ingineria
materialelor, Editura Tehnic Info, Chiinu, 2010. 4. Colan, H.,
s.a., Studiul metalelor, E.D.P., Bucureti, 1968. 5. Gdea, S.,
Protopopescu, M., Aliaje neferoase, Editura Tehnic, Bucureti, 1965.
6. Gdea, S., Geru, N., s.a., Metalografie, E.D.P., Bucureti, 1974.
7. Geru, N., Metalurgie fizic, Editura Didactic i Pedagogic,
Bucureti, 1981.
8. Geru, N., s.a., Materiale metalice. Structur, proprieti,
utilizri, Editura Tehnic, Bucureti, 1985. 9. Gramaticu, M.,
Bncescu, N., Dulucheanu, C., Metalografia metalelor i aliajelor
neferoase, Universitatea tefan cel Mare Suceava, 1994. 10.
Protopopescu, H., Metalografie i tratamente termice, E.D.P.,
Bucureti, 1983. 11. Rdulescu, M., Studiul metalelor, E.D.P.,
Bucureti, 1982. 12. erban, V.A., Rdu, A., tiina i ingineria
materialelor, Editura Politehnica, Timioara, 2012.
-
17
13. ontea, S., s.a., Metale i aliaje neferoase de turntorie,
Editura Scrisul romnesc, Craiova, 1981. 14. Truculescu M., Huiu,
Gh., Materialotehnica. Metale i aliaje neferoase, (vol.IV), Editura
Politehnica, Timioara, 2009. 15. * * *, Tratat de tiina i ingineria
materialelor metalice, vol.3. Metale. Aliaje. Materiale speciale.
Materiale compozite, AGIR, Bucureti, 2009.