Lucrri de laborator

76

L U C R A R E A N R . 9

S T U D I U L M E T A L O G R A F I C A L M E T A L E L O R I A L I A J E L O R

N E F E R O A S E . C U P R U L I A L I A J E L E S A L E

Exist o mare diversitate de metale i aliaje neferoase; lucrarea aceasta i propune studiul acelor materiale ce au o larg ntrebuinare n electrotehnic, cum sunt cuprul i aliajele lui (alamele i bronzurile), aliajele uoare de aluminiu i magneziu, aliajele antifrictiune pentru cuzinei i aliajele de lipit.

9.1. Microstructura cuprului i aliajelor sale Cuprul este un metal moale, de culoare roie, cristalizat n sistemul CFC. Prezint o slab prelucrabilitate prin achiere, proprieti de turnare mediocre, ns proprieti de deformare plastic excelente. Nu prezint transformri alotropice, lucru care mpiedic aplicarea tratamentului termic de clire; el se ecruiseaz prin deformare plastic la rece, ecruisare care dispare n urma recoacerii de recristalizare. Rezistena mecanic i duritatea sunt relative reduse ns cresc considerabil prin ecruisare, micorndu-se plasticitatea. Prezint o conductibilitate termic i electric foarte ridicat, de aceea n stare pur, se folosete la executarea conductorilor electrici, cazane, etc. Cel mai des este utilizat la elaborarea unor aliaje pe baz de Cu: alame, bronzuri, etc.

a b c

Fig. 9.1.a-Cu deformat la rece i recopt (gruni poliedrici maclai); b-Cu puin deformat (macle mecanice); c-Cu dezoxidat (0,05% O2). Eutectic (Cu+Cu2O)

punctiform, separat interdendritic. Neatacat. 250:1

Studiul metalografic al metalelor i aliajelor neferoase. Cuprul i aliajele sale

77

Proprietile fizico-chimice ale Cu sunt puternic influenate de impuriti Prezena impuritilor n Cu influeneaz puternic conductibilitatea electric reducnd-o; mai puin Ag i Cd, cel mai mult P, As, Sb, Si. Impuritile se pot dizolva n Cu formnd soluii solide (Au, Ni, Al, Zn, Sn), pot fi insolubile n acesta (Pb, Bi) sau pot reaciona chimic cu Cu formnd compui definii (O, S, P). Cuprul produs n ara noastr se livreaz sub urmtoarele caliti: - cuprul de convertizor, obinut prin convertizarea matelor

cuproase, este de calitatea A (CuA~98%), cu impuriti de Fe, Pb, Sb, Bi, As, Sn, destinat rafinrii termice i calitatea B (CuB~97,5%) cu coninut mai mare de impuriti (circa 1% Pb i 0,35% Bi) destinat facbricrii sulfatului de Cu sau elaborrii bronzurilor de calitate inferioar;

- cuprul rafinat termic se livreaz sub form de lingouri, blocuri sau bare turnate, dintre care: Cu0 (99% Cu) destinat pentru elaborarea aliajelor; Cu5 (99,5% Cu) pentru diverse semifabricate; Cu9 (99,9% Cu) pentru aliaje fine laminabile i semifabricate;

- cuprul rafinat electrolitic livrat sub form de catozi de 50-70 kg i puritate 99,95% Cu (CuE), folosit pentru trefilarea conductorilor electrici sau elaborarea aliajelor fine (alam laminabil).

Pregtirea probelor metalografice din Cu necesit o atenie deosebit, fiind vorba de un metal moale, care se zgrie uor. Polizarea se face cu vitez mic, folosind alumin metalografic fin i un postav moale. Pentru degresarea suprafeei se folosete o soluie slab de sod caustic. Dup lustruire, uscarea este bine s se fac prin tamponare pe o hrtie de filtru foarte moale, umezit cu benzen sau aceton. La microscopul optic, Cu n urma atacului cu soluie apoas de acid azotic 70%, apare sub form de gruni poligonali, unii fiind maclai (fig. 9.1). Impuritile (cel mai des Cu2O) apar sub forma unor insule globulare negre dispersate uniform n masa de Cu sau formnd mpreun cu aceasta eutectice.

Lucrri de laborator

78

9.1.1. Aliajele Cu-Zn (alame) Alamele obinuite sunt aliaje binare ale Cu cu Zn. Alamele tehnice conin 45% Zn; peste acest procent alamele devin inutilizabile datorit constituienilor foarte fragili care se formeaz. Sistemul binar al aliajelor Cu-Zn este reprezentat de o diagram de echilibru cu cinci peritectice i cu formare a ase soluii solide (fig. 9.2). Alamele tehnice

n funcie de structura de echilibru la temperatura ambiant pot fi: Monofazice (ntre 039,2% Zn), cnd exist soluie solid de

substituie (Rm=300 N/mm2, A=40%, HB=60), moale, plastic; Bifazice (intre 39,245% Zn) cnd n structur apare i

soluia solid intermediar (: Rm=430 N/mm2, A=5%, HB=75) pe baza compusului intermetalic CuZn, reordonat sub temperatura de 453C, este mai dur. Alamele monofazice pot fi prelucrate prin deformare plastic la rece, n timp ce alamele bifazice pot fi deformate plastic numai la cald sau prelucrate prin turnare.

Fig. 9.2. Diagrama de echilibru Cu-Zn

Fig. 9.4. Alam bifazic (+) turnat

(soluie solid -gruni albi i -gruni de culoare nchis) cu 37% Zn (Am63). Atac persulfat de amoniu 10%

(250:1)

Fig. 9.3. Alam monofazic Cu cu 20% Zn (Am80-tombac) n stare

deformat la rece i normal recoapt. Atac clorur cupric amoniacal 10%.

(250:1)

Studiul metalografic al metalelor i aliajelor neferoase. Cuprul i aliajele sale

79

Aplicarea tratamentului termic de clire se poate face numai alamelor cu mai mult de 32,5% Zn, care prezint transformri secundare n diagrama de echilibru (variaia solubilitii). Alamele monofazice dup turnare prezint o structur dendritic, iar dup recoacere sau deformare plastic n structur apar gruni poligonali maclai. Fig. 9.3 reprezint structura unei alame monofazice cu 80% Cu (Am80-tombac) format din soluie solid omogen sub form de gruni poligonali, unii dintre ei fiind maclai. n structura alamelor bifazice, n urma atacului cu persulfat de amoniu 10% grunii de soluie solid apar de culoare nchis; fig. 9.4 reprezint structura unei alame bifazice n stare turnat (Am 63). STAS 95-90, SR ISO 197-1, 2, 3, 4 :1994 prezint mrcile de alame laminabile i de turntorie folosite la noi n ar. Simbolul alamelor const din grupul de litere Am urmat de un numr care indic procentul de Cu (Am 90), numr precedat de litera T pentru alamele turnate. Alamele speciale sunt alame care pe lng Cu i Zn conin i alte elemente cum ar fi: Mn, Ni, Al, Pb, Fe, Si, etc. Adugarea acestor elemente se face n vederea obinerii anumitor proprieti mbuntite. Astfel, Ni purific soluia solid , ridic reziliena, termostabilitatea i rezistena la coroziune; Mn mrete rezistena la coroziune n abur i ap de mare; Al conduce la frmiarea achiilor; Si este un puternic dezoxidant n alamele pentru lipit etc.

9.1.2. Aliajele Cu-Sn (bronzuri) Bronzurile sunt aliaje ale Cu cu Sn (bronzuri obinuite) sau ale Cu cu Al, Si, Mn, Cr, Be, Pb, etc n prezena sau n absena Sn (bronzuri speciale). Bronzurile obinuite folosite n tehnic au un coninut de max. 25% Sn. Sistemul binar Cu-Sn prezint o diagram de echilibru complex cu mai multe peritectice n

Fig. 9.5. Diagrama de echilibru Cu-Sn

Lucrri de laborator

80

care apar apte soluii solide (fig. 9.5). Se observ din diagram c intervalul de solidificare este mai mare dect la alame; deci bronzurile au o tendin mai accentuat de segregaie dendritic, iar omogenizarea soluiei solide se produce foarte greu. Apariia eutectoidului (+) n structura bronzurilor determin creterea fragilitii, micornd tenacitatea ntregului aliaj.

Bronzurile monofazice (014% Sn, practic 08% Sn) pot fi prelucrate prin deformare plastic. n stare laminat sau recoapt au o structur asemntoare cu a alamelor monofazice, gruni poligonali, unii maclai (fig. 9.6). Sunt folosite pentru realizarea paletelor de turbin, monezi, etc.

Bronzurile bifazice (peste 14% Sn, dar n mod practic, datorit segregaiei puternice la rciri normale, de la 10% Sn) se folosesc pentru turnare. SR ISO 197-1,2,3,4:1994 i STAS 2841-80 dau calitile de bronzuri laminabile i de turnare folosite n ara noastr, ct i modul de simbolizare: un grup de litere Bz urmat de un numr ce indic procentul de Sn i litera T n cazul aliajelor turnate (Bz 10 T). Proprietile de turnare sunt inferioare alamelor.

Figura 9.7 reprezint microstructura unui bronz bifazic, marca Bz 17 T, unde cristalele dendritice de soluie solid sunt de culoare deschis, iar eutectoidul (+) de culoare nchis. Bronzurile bifazice ce conin 14-16% Sn pot fi supuse tratamentului termic de clire pentru punere n soluie, deoarece prezint transformri secundare de variaie a solubilitii. n urma clirii se obine o structur acicular. Tot din cadrul bronzurilor obinuite fac parte bronzurile de Sn cu Zn i Pb (bronzuri roii) care sunt mai ieftine dar au rezisten mai redus. Cele mai importante proprieti fizico-mecanice i tehnologice ale bronzurilor obinuite sunt:

Fig. 9.6. Bronz bifazic cu 14% Sn, turnat

Fig. 9.6. Bronz monofazic cu 6% Sn

(Bz 6 Zn), deformat la rece i recristalizat. Atac clorur cupric

amoniacal (250:1)

Fig. 9.7. Bronz bifazic cu 17% Sn,

turnat. Atac clorur cupric amoniacal (250:1)

Studiul metalografic al metalelor i aliajelor neferoase. Cuprul i aliajele sale

81

coeficient de dilatare redus; rezisten mare la coroziune; rezisten bun la frecare; conductibilitate termic i electric mare; fluiditate foarte bun; prelucrabilitate ridicat.

Bronzurile speciale sunt aliaje binare de tipul Cu-Al, Cu-Pb, Cu-Be, Cu-Si, Cu-Mn sau aliaje ternare Cu-Sn-Al, Cu-Sn-Pb, Cu-Sn-Ni, Cu-Sn-Be, Cu-Sn-Mn care conin pn la 80% Cu care lucreaz dup aceeai diagram Cu-Sn (cu excepia diagramei Cu-Pb) i prezint proprieti fizico-mecanice i tehnologice asemntoare bronzurilor obinuite. Majoritatea elementelor din bronzurile speciale se dizolv n Cu formnd soluii solide.

Bronzurile cu Al se folosesc n tehnic cu coninut de maxim 15% Al; peste aceast cantitate n structur apar faze dure, n cantitate mare, care imprim aliajului fragilitate i-l face inutilizabil. Bronzurile cu Al deformabile conin 511% Al, cele monofazice sunt deformabile la rece, cele bifazice sunt deformabile la cald n domeniul (+). Bronzurile de turntorie (STAS 198/2:1992) conin 911% Al au proprieti de turnare i rezisten la coroziune superioare bronzurilor cu Sn. Pot fi clite obinndu-se o soluie solid suprasaturat n Al, dur, similar martensitei din oeluri. Aliajele Cu-Al posed o rezisten mecanic ridicat, o rezisten la coroziune bun, au o fluiditate mare i conductibilitate termic i electric ridicat. Microstructura unui bronz cu Al, marca Bz Al 10T n stare turnat este dat n fig. 9.8; cristalele albe de soluie solid i

Fig. 9.8. Bronz cu 10% Al, turnat. Atac

clorur cupric amoniacal (250:1)

Fig. 9.9. Bronz cu 11,2% Al, recopt la

550C. Atac cu clorur cupric amoniacal (500:1)

Lucrri de laborator

82

zone ntunecate de eutectoid (+). Acelai aliaj n stare recoapt capt o structur lamelar (fig. 9.9) asemntoare perlitei. Bronzurile cu Al se folosesc ca nlocuitor al bronzurilor cu Sn pentru piese de frecare, elici pentru vapoare, palete de turbin, carcase, pompe, etc. Bronzurile cu Pb sunt aliaje ale Cu cu Pb folosite ca materiale antifriciune. Cu i Pb formeaz un sistem de aliaje cu insolubilitate total n stare solid, iar peste 36% Pb, insolubilitate i n stare lichid. Structura acestor bronzuri va fi format din gruni de Pb nglobai n masa de baz de Cu. Bronzurile cu Pb prezint o puternic tendin de segregare dup greutatea specific, care se combate alegnd o vitez mare de rcire. Bronzurile cu Pb tehnice conin max. 25% Pb i au o structur monofazic cu particule insolubile de Pb. Sunt bronzuri antifriciune pentru lagre care lucreaz n condiii de presiune ridicat (250-300 daN/mm2) i viteze periferice mari (8-10 m/s) cu conductivitate termic ridicat i termostabilitate pn la 300C. Bronzurile cu Be sunt aliaje ale Cu cu beriliul. Aliajele tehnice conin 23% Be i prezint fazele:

faza soluie solid de Be n Cu cu reea CFC; faza soluie solid pe baza compusului CuBe, dur i

fragil. Solubilitatea beriliului n Cu se micoreaz cu scderea temperaturii, lucru ce face posibil ca aliajele cu pn la 2,5% Be s poat fi durificate prin clire i precipitare (clire i mbtrnire). Dup clire aliajul este moale (HB=130), iar dup o revenire la 300C duritatea crete la HB=400, datorit precipitrii din soluia solid suprasaturat n Be a fazei dure CuBe. Aceste bronzuri prezint unele proprieti deosebit de importante:

rezisten mare la rupere; limit ridicat de elasticitate; rezisten bun la coroziune; prelucrabilitate bun prin deformare, achiere, sudare; nu produce scntei prin lovire.

Sunt folosite pentru dli de mn, ciocane, arcuri, piese de ceas, etc. Sunt ns foarte scumpe.

Studiul metalografic al metalelor i aliajelor neferoase. Cuprul i aliajele sale

83

9.2. Aparatur i materiale Se folosesc microscoape optice, metalografice cu diverse puteri de mrire, probe metalografice pregtite n prealabil (STAS 4203-74). Puterile de mrire folosite la identificarea probelor i explicaiile necesare privind reactivii de atac folosii, constituienii prezeni, natura aliajului probelor se vor prezenta la ora de laborator.

9.3. Modul de lucru Se vor studia probe prelevate i pregtite din Cu, alame, bronzuri, se vor reda grafic i se vor identifica constituienii metalografici.