METALE SI ALIAJE INDUSTRIALE

Materialele metalice se folosesc prelucrate inca din mileniul III-II i.e.n. in China,India, Egipt, la inceput aurul, argintul, staniul, bronzul, datorita in primul rand usurintei prelucrarii (temperatura de topire scazuta si plasticitate ridicata). In mileniul II i.e.n. incepe sa fie folosita fonta, in Mesopotamia si apoi in China. In perioada 1914-1918 s-au pus bazele elaborarii si turnarii pieselor din aliaje de Al, in 1920 a pieselor din aliaje de Mg, iar in perioada 1950-1960 a pieselor din aliaje greu fuzibile ( Ti, Mo, Cr, Zr, etc. )

FONTE

Sub denumirea de fonte sunt cunoscute aliajele fier-carbon continand carbon intre 2,06 si 6,67%. Este un material ieftin (3-4 lei/kg) productia mondiala atingand valori impresionante (peste 65 kg/cap de locuitor, pe an).

Fontele utilizate in industrie pentru turnarea pieselor pot fi clasificate dupa 3 criterii mai importante :

a) - continutul de carbon;b) - cantitatea de grafit;c) - forma grafitului.

a) Dupa continutul de carbon fontele pot fi :- hipoeutectice ----> Ct < Ce

- eutectice ----> Ct = Ce

- hipereutectice ----> Ct > Ce

Am notat :Ce = continutul de carbon corespunzator

punctului eutectic (4,3%);Ct = continutul total de carbon determinat pe

cale chimica.

Obs : Se stie ca anumite elemente chimice modifica valoarea lui Ce (Si, Mn, P, N, etc.). In acest caz se determina, cu ajutorul unor relatii aproximative, continutul in “carbon echivalent “ al punctului de eutectic :

Cechiv = 4,3 - 1/3 [Si% + P% ]b) Dupa cantitatea de grafit din structura, care

determina si culoarea in ruptura a pieselor, fontele se impart in :

- fonte cenusii- fonte pestrite- fonte albe

Fontele cenusii : in structura lor lipseste cementita libera, carbonul prezentandu-se sub forma de grafit in proportie de 85 ÷ 100%. Separarile de grafit pot ocupa 5...25% din suprafata sectiunii peretilor piesei, ceea ce face ca aceasta sa aiba in ruptura culoarea cenusie. In grupa fontelor cenusii intra atat fontele care au

culoarea rupturii cenusie inchisa (ex. : fonte brute de turnatorie, fonte cu grafit lamelar nealiate si aliate).

Fonte pestrite : o parte din carbon se gaseste sub forma de cementita libera, alta parte sub forma de grafit si o parte (foarte mica) dizolvata in ferita. Culoarea pestrita in ruptura se datoreste faptului ca zonele ocupate de grafit sunt cenusii iar cele ocupate de ledeburita sunt albe.

La aceste fonte, cantitatea de grafit este mai mica decat cea de cementita libera (doar 30....50% din carbon este sub forma de grafit liber).

Fonte albe : grafitul lipseste cu desavarsire, aproape tot carbonul gasindu-se legat, doar o mica parte fiind in solutie solida (practic un procent neglijabil). Aceste fonte au in structura chiar peste 50% cementita libera.

c) Dupa forma grafitului pot fi deci clasificate numai fontele cenusii si pestrite :

- fonte cu grafit lamelar* cu varfuri ascutite - l/d ≥ 50* cu varfuri rotunjite - 25 < l/d < 50

- fonte cu grafit vermicular 2 < l/d < 10- fonte cu grafit in cuiburi l/d = 1,5...2- fonte cu grafit nodular l/d 1

Aceste forme tipice de grafit se deosebesc prin compactitate, adica prin raportul intre lungimea “ l “ si grosimea “ d “

Grafitul lamelar cu varfuri ascutite (filamente) are ld = 50 (sau mai mult) ; se intalneste la toate fontele cenusii obisnuite.

Grafitul sub forma de lamele cu varfuri rotunjite are raportul ld = 50...25 ; se obtine prin introducerea unor elemente (numite modificatori) in fonta lichida.

Grafitul vermicular, cu ld = 2...10 , se obtine, de asemenea, prin modificare.

Grafitul sub forma de cuiburi, are ld = 1,5...2 ; se obtine, in principal, prin tratament termic, dupa solidificare (in cazul fontelor maleabile), dar, in unele cazuri, si la solidificare.

Grafitul nodular se caracterizeaza prin cea mai mare compactitate (ld 1) si se obtine in practica numai prin introducerea unor elemente modificatoare (ex. : magneziu) in fonta lichida.

Fonte cenusii cu grafit lamelar (85% din piesele de fonta). Lamelele de grafit (care este friabil, deci foarte fragil) creeaza discontinuitati in masa metalica, micsoreaza alungirea inainte de rupere (%) si reduc rezilienta (KCU). O fonta de buna calitate trebuie sa contina lamele de grafit cat mai fine si cat mai numeroase.

In mod obisnuit proprietatile mecanice ale acestor fonte sunt :

r = 15...25 daNmm2

duritatea = 160...220 HB = 1%

Fonte cenusii cu grafit nodular (8...10% din piesele de fonta).

Prin introducerea modificatorului (magneziu, cesiu, etc.) in fonta lichida, acesta joaca rolul unui inhibitor de scurta durata, intarziind separarea grafitului ; fonta, normal cenusie, se solidifica alb (grafit = 0) cu formarea cementitei, dar actiunea magneziului terminandu-se, cementita se descompune, rezultand grafitul care se dezvolta egal din toate directiile, ajungand la o forma aproape sferica.

Masa de baza poate fi perlita sau terita si cementita libera. Proprietatile fontei depind de alcatuirea masei metalice de baza si, in general, sunt net superioare celor ale fontelor cenusii cu grafit lamelar. Valorile obisnuite sunt :

duritatea = 220...300 HB r = 60...70 daNmm2

= 4...5 %Prelucrabilitatea lor prin aschiere este excelenta.Fonte maleabile (grafit in cuiburi) (7...8% din

productia mondiala). Maleabilitatea se poate face prin doua procedee :

- grafitizare- decarburare

Grafitizarea (procedeul american) consta in incalzirea fontei albe in cutii cu nisip sau zgura (mediu neutru), timp indelungat, la temperaturi ridicate

(~ 950oC) urmata de racire inceata. Se realizeaza o trecere spre starea de echilibru prin descompunerea cementitei :

Fe3C ----> 3Fe + CReactia continua la temperatura ridicata pana se

obtin austenita plus grafit, la racire austenita transformandu-se in grafit si ferita. In final se obtine o fonta in care grafitul este acumulat sub forma de cuiburi. Aceasta fonta se numeste fonta maleabila feritica sau neagra (cu inima neagra), din cauza culorii negre in ruptura. Ea are proprietati bune :

duritate =120...160 HB r = 30...40 daNmm2

= 6...18 %Se prelucreaza bine prin aschiere si este usor

sudabila.Fonta maleabila perlitica se obtine in acelasi mod,

numai ca viteza de racire este mai mare (racirea se face in aer sau ulei), rezultand cuiburi de grafit inrt-o masa de perlita. In cazul pieselor groase este posibil ca in jurul cuiburilor de grafit sa se formeze ferita. Proprietatile mecanice sunt foarte bune :

duritate = 170...280 HB r = 50...80 daNmm2

= 3...8 %Decarburarea (procedeul european) este de fapt

un tratament termochimic constand din incalzirea

pieselor de fonta alba intr-o atmosfera oxidanta (minereu de fier), la temperatura de ~ 950oC.

Mediul oxidant favorizeaza decarburarea stratului superficial. Cu cat grosimea pieselor creste, decarburarea este mai putin eficace ; practic se obtin rezultate bune pe piese cu grosime mai mica de 20mm. Se obtine o fonta cu miezul perlitic si stratul superficial feritic. In ruptura apare culoarea alba, de unde denumirea de fonta maleabila alba (cu inima alba). Aceasta fonta se prelucreaza prin aschiere foarte usor, avand proprietati mecanice medii :

duritate = 130...160 HB r = 40...70 daNmm2

= 5...10 %

FONTE ALIATE

Sunt fonte cenusii, albe sau maleabile la care, prin introducerea in compozitie a unor elemente de aliere, se asigura imbunatatirea unor anumite proprietati mecanice sau fizico-chimice. Tratamentele termice pot usura obtinerea acestor proprietati. Exemple de fonte aliate :

- fonte de inalta rezistenta mecanica (aliate cu Ni, Cr, V, Mo), au proprietati mecanice asemanatoare cu ale otelului :

duritate = 60 HRC r = 80 daNmm2

- fonte refractare (continut ridicat de Cr sau Ni) servesc la confectionarea pieselor ce lucreaza la temperaturi ridicate (pana la 700oC)

- fonte anticorozive (aliate cu Si, Cr, Ni, Cu) cele mai bune.

OTELURI

- definire material- clasificare- simbolizare STAS- calitatile ce fac parte din categoria respectiva- compozitie chimica- proprietati si aprecierea lor :

* fizico-chimice* mecanice* tehnologice

- forme de livrare- marcareClasificarea otelurilor :

- din punct de vedere al :* alierii* gr. de depozitare* garant. caract.

- din punct de vedere al alierii :* nealiate (oteluri carbon)* slab aliate* aliate

Oteluri turnate

Otel carbon turnat in piese - STAS 600-65 (se refera la conditiile generale ce trebuiesc indeplinite de otelurile carbon in cuptoare Siemens- Martin, electrice sau convert. Se disting 3 grupe de calitati :

- grupa 1 - oteluri cu prescriptii pentru rezistenta de rupere la tractiune si alungire;

- grupa 2 - oteluri cu prescriptii pentru rezistenta de rupere la tractiune, alungire si limita de curgere;

- grupa 3 - oteluri cu prescriptii pentru rezistenta de rupere la tractiune, alungire, limita de curgere si rezilienta sau gatuire.

Otel aliat pentru constructii de masini turnat in piese - STAS 1773-67;

Otel aliat refractar si anticoroziv turnat in piese - STAS 6855-69;

Otel austenitic manganos - STAS 3718-63;Magneti permanenti turnati - STAS 8112-68.

Oteluri deformabile

Oteluri deformabile cu destinatie generala :- oteluri carbon - STAS 500-68;- oteluri carbon de calitate;- oteluri aliate si inalt aliate de uz general.

Oteluri deformabile cu destinatie precisa :- oteluri pentru scule;- oteluri pentru tevi;- oteluri pentru arcuri.

Oteluri aliate

Otel aliat : Fe + C + Si + Mn + P + S + gaze dizolvate (O2 , N2 , H2 ) + urme de alte metale (Ni, Cr, Mg, Cu, Sn)

Alierea :- scop - modifica punctele de transformare

Elemente gamagene (oteluri austenitice): Ni, Mn, Co, Pt, Ra, Po, O3,In.

Elemente alfagene (oteluri feritice) : Cr, W, Mo, Ti (restrang ), S, B, Zr, Nb, Ce (ridica A3 si coboara A4)

Durificare structurala :N, Be, Ti, W (precipitare)Elemente care formeaza carburi : (FeMo)3C : Mn,

Cr, W, Mo, V, Ti, Zr.Elemente care se dizolva in ferita : Si, Al, Mn, Cu,

Ca.Oteluri calibile : Ni, NiCr, NiCrMo, Mn, CrMn .Oteluri sudabile :Si, Cu, Mn, Cr.Oteluri inox :

- austenitice : 10TiNiCr180, 10TiMoNiCr175, 12NiCr180.

- feritice : 8TiCr170

Super aliaje :- pe baza de Ni :

INCONEL625 (Ni+22%Cr+9%Mo+4%Cb+3%Fe+...)INCONEL718 (Ni+19%Cr+3%Mo+5%Cb+18,5%Fe+..)HASTELLOY (Ni+22%Cr+18,5%Fe+9%Mo+1,5%Co+..)WASPALLOY (Ni+19,5%Cr+13,5%Co+4,3%Mo+2%Fe+1,4%Al+3% Ti+...)RENE41 (Ni+19%Cr+11%Co+10%Mo+2,8%Fe+3%Ti+1,6%Al+...)

METALE SI ALIAJE NEFEROASE

Clasificarea principalelor aliaje neferoase se face de cele mai multe ori in functie de greutatea specifica si de elementul de baza al aliajului (element care depaseste 50% din greutate), dupa cum urmeaza :

- aliaje neferoase grele ( > 4gcm3)* pe baza de cupru* pe baza de nichel* pe baza de zinc, staniu si plumb (usor

fuzibile)- aliaje neferoase usoare ( < 4gcm3)

* pe baza de aluminiu* pe baza de magneziu

In ultimul timp au inceput sa se foloseasca tot mai mult piesele din metale si aliaje greu fuzibile care pot avea greutate specifica scazuta (titanul) sau ridicata (Cr, Mo, W, niobiu)

Principalele proprietati fizico-mecanice, de exploatare si tehnologice ale aliajelor sunt in general asemanatoare elementului de baza, cu unele exceptii ca de exemplu :

- aliajul cu 65%Cu, 20%Zn, 15%Ni - este incadrat in grupa aliajelor pe baza de Ni, deoarece poseda proprietati mai apropiate de ale acestuia;

- aliajul cu 8...13%Mg, restul Al - se comporta la elaborare si turnare in mod asemanator cu aliajele de Mg.

Aliaje pe baza de cupru:

a)- bronzuri - aliaje ale cuprului cu alte elemente decat Zn.

- bronzuri cu staniu (obisnuite)* simple - Cu + Sn (pana la 40% Sn in mod

curent)* complexe - Cu + Sn + (Zn, Pb sau fosfor)

- bronzuri fara staniu (speciale)* cu aluminiu - simple - Cu + Al

- complexe - Cu + Al +(Fe, Mn sau Ni)

* cu plumb * cu siliciu

* cu mangan* cu beriliu

b) alame:- binare - Cu + Zn- complexe - Cu + Zn + alte elemente de

aliereBronzurile cu staniu: se caracterizeaza printr-o

buna rezistenta la coroziune in aer si apa, rezistenta ridicata la uzura si durificare importanta prin deformare la rece. Unele se toarna usor, altele se lamineaza bine si in general se sudeaza usor.

Bronzurile fara staniu (speciale) Calitatile acestor aliaje deriva din proprietatile cuprului si ale elementelor de aliere, precum si din caracteristicile structurale ale fiecarui tip de aliaj, astfel:

- bronz cu plumb - sunt usor prelucrabile, rezista bine la frecare si au plasticitate buna;

- bronz cu beriliu - au caracteristici mecanice ridicate, rezistenta mare la coroziune, sudabilitate buna, se aschiaza usor, au elasticitate ridicata;

- bronz cu fosfor - nu sunt fragile si au duritate ridicata;

- bronz cu aluminiu - se prelucreaza bine prin turnare si deformare plastica.

Alamele binare - au rezistenta sporita la coroziune si proprietati tehnologice (aschiabilitate, turnabilitate, plasticitate, sudabilitate) bune.

Alamele complexe - elementele de aliere adaugate in plus asigura obtinerea anumitor proprietati:

- plumb - usureaza prelucrarea prin aschiere si micsoreaza coeficientul de frecare ;

- fier si mangan - maresc rezistenta la rupere ;- aluminiu - mareste duritatea si rezistenta la

rupere fara a micsora tenacitatea, sporeste rezistenta la coroziune si oxidare ;

- siliciu - mareste rezistenta la rupere si la coroziune ;

- nichel - amelioreaza rezistenta la rupere, alungirea si rezistenta la coroziune, mareste rezistenta la temperaturi ridicate.

Aliajele aluminiuluiSe pot imparti in functie de proprietatile

fundamentale in :- aliaje de aluminiu cu proprietati mecanice

superioare (r = 50 - 60 daNmm2)- Al - Cu - Mg - Mn (duraluminiu)- Al - Zn - Mg - Al - Zn- Al - Cu

- aliaje de aluminiu anticorozive :- Al - Mn - Si- Al - Mg - Si

- aliaje de aluminiu antifrictiune :- Al - Sn - Pb- Al - Sn- Al - Cu - Si - Fe

- aliaje de aluminiu refractare :- Al - Cu - Mg- Al - Cu - Mn- Al - Mn - Li

- aliaje de aluminiu rezistente la temperaturi scazute :

- Al - Cu - Mg - Si- Al - Zn - Mg - Cu- Al - Mg

Aliajele magneziuluiPrincipalele aliaje ale magneziului se realizeaza

cu:- Al - ii confera rezistenta mecanica sporita;- Mn - ii confera rezistenta la coroziune;- Si - ii confera stabilitate chimica.

Aliaje pe baza de nichelDin punct de vedere al domeniilor de utilizare,

aliajele de nichel pot fi clasificate in :- aliaje pentru constructia de masini ;

- aliaje cu proprietati fizice si chimice speciale ;- aliaje rezistente la cald.

Aliaje de nichel pentru constructia de masini Se caracterizeaza prin proprietati mecanice

ridicate la temperatura ambianta si rezistenta la coroziune, antifrictiune, aschiabilitate, etc.(cele mai folosite sunt aliajele Ni - Cu)

- aliaje binare Ni - Cu ( tip Monel )- aliaje Ni - Cu - Si- aliaje Ni - Cu - Sn- aliaje Ni - Cu - Pb- aliaje Cu - Ni - Zn (argint nou = Nensilber )

Aliaje de nichel rezistente la caldSunt complex aliate cu : Cr (8 - 22%), Co (0 -

18%), Mo (2,5 - 10,5%), Al (0,2 - 6,5%), Ti (0,2 - 3,5%), Fe (0 - 2%). Uneori contine si W ( pana la 10%). Continutul de Ni depaseste 60%.

Alierea se face in asa fel incat materialele obtinute sa posede o rezistenta mare la fluaj si la oxidare.

Aliajele de Ni turnate poseda o rezistenta la cald mai mare decat a celor deformate plastic, ca urmare a posibilitatii de a folosi continuturi mai ridicate ale elementelor de aliere.