UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI FACULTATEA DE STIINTA SI
INGINERIA MATERIALELOR DEPARTAMENTUL MATERIALE METALICE, METALURGIE
FIZICA
PROIECT APLICATIV :
ALIAJE DE ALUMINIU
SEF de LUCRARI: Dr. Ing. Marius Vasilescu
Student: Nastase Eusebiu Eduard Anul: I/ ZI Grupa: 1014 B
ANUL UNIVERSITAR 2011-2012 BUCURE TI
1
Generalit ii ....3 Propriet i fizice i caracteristicile mecanice
..4 Utiliz ri ..5 Aliaje pe baza de aluminiu .. 5 Aliaje de
aluminiu deformabile, nedurificabile prin tratament termic .6
Aliaje de aluminiu pentru turnatorie . 7 Aliaje de aluminiu ob
inute prin metalurgia pulberilor ..8 Aliaje de aluminiu
durificabile prin tratament termic .9 Materiale compozite pe baz de
aluminiu .. 10 Extragerea aluminiului prin electroliza aluminei
...11 Rafinarea aluminiului .12 Sudarea aluminiului i aliajelor de
aluminiu ..12 Sudarea n mediu de gaz protector ..13 Sudarea cu gaze
..15 Tratamente termice ale aliajelor de aluminiu ..16
2
Aliajele de alumniu1 Generalitati: Aluminiul este un metal de
culoare alba,usor (2,7g/cm3),care se topeste la 658 0C Este foarte
moale si plastic. conduce foarte bine caldura si electricitatea.Are
rezistenta mare la coroziune,datorita fenomenelor de
pasivizare,care consta in autoacoperirea cu o pelicula
subtire,densa si aderenta de oxid de aluminiu,care-l protejeaza
impotriva oxidarii ulterioare.Datorita acestei proprietati,precum
si plasticitatii sale,se foloseste in industria chimica si
alimentara.Datorita conductibilitatiielectrice mari se foloseste
drept conductor electric.Aluminiul are insa rezistenta mecanica mai
mica decat a cuprului.Chiar prin trefilare,el nu ajunge la o
rezistenta mai mare de 25 N/mm2;deci rezistenta ramane insuficienta
pentru conditiile de eforturi la care sunt supuse conductoarele
aeriene.Din aceasta cauza se fabrica conductoare de aluminiu cu
inima de otel sau conductoare din aliaje cu baza de aluminiu cu
tratamente termice pentru marirea rezistentei mecanice. Rezistenta
de aluminiu creste prin alierea cu diferite elemente,realizandu-se
deci aliaje cu baza de aluminiu.Aliajele de aluminiu pot fi:aliaje
deformabile prin presare si aliaje de turnatorie.Aliajele de
aluminiu deformabile prin presare se clasifica in:aliaje
anticorosive si aliaje durificabile prin tratamente termice. In
aliajele anticorosive,aluminiul aliat cu mici cantitati de magneziu
sau de mangan.Un astfel de aliaj este anticorodalul care se
utilizeaza la fabricarea pieselor carora li se cere rezistenta la
coroziune in medii chimice,fara sa li se ceara insa rezistenta
mecanica foarte mare. In aliajele durificabile prin tratament
termic,aluminiul este alait cu elemente care au proprietati de a
forma compusi definiti fie cu aluminiul,fie intre
ele.Astfel,aluminiul formeaza compusi definiti cu cuprul si cu
magneziul.Daca in aliaje se gasesc in acelasi timp,si magneziu si
siliciu,aceste 2 elem. pot forma compusul definit. Compusi
definiti,fiind duri,confera aliajului duritate mai mare.Pt. a se
obtine o asociatie optima intre rezistenta,plasticitate si
tenacitate,aliajele de aluminiu se supun unui tratament termic de
durificare,care consta din 2 tratamrnte succesive:calire si
ambatranire.De exemplu,daca un aliaj aluminiu-cupru 40% cupru este
incalzit la 5300C,structura sa va fi constituita numai din solutie
solida.Printr-o racire lenta,in structura aliajului apare compusul
definit de Al2Cu,care face ca aliajul sa fie dur si rezistent,insa
insuficient de plastic si tenace. Daca racirea de la 530 0C este
rapida,compusul Al2Cu nu se mai formeaza si aliajul ajunge la temp.
ambianta,avand in structura sa solutie solida.Pentru. a-l durifica
,aliajul se supune,in
3
continuare,unei incalziri la cca.180 0C tratament termic de
imbatranire,in cursul caruia compusul definit Al2Cu se reprecipita
in mod uniformin masa de solutie solida,astfel incat aliajul devine
rezistent,dur,plastic si tenace.
2 Proprieta i fizice i caracteristicile mecanice
Proprieta ile fizice i caracteristicile mecanice ale diferitelor
sorturi de aluminiu sunt influen ate de prezen a impurita ilor.
Cele mai frecvente impurita i din aluminiu sunt fierul si siliciul,
elemente care se pot gasi pan la 0,5-0,6% fiecare. Fierul este
practic insolubil n aluminiu, formnd cu acesta eutecticul Al-Al3Fe
care con ine doar 7% Al3Fe (1,7%Fe). Ca urmare aluminiul
impurificat cu fier prezint un aspect microscopic format din
cristale poliedrice de aluminiu i precipitate aciculare de Al3Fe.
Eutecticul din sistemul Al-Si se formeaz la 11,7% i Si este alc
tuit din solutie solid i siliciu. Dac n acela i timp sunt prezente
simultan fierul i siliciul, se formeaz dou faze noi: faza
(Fe3SiAl3) i faza (FeSiAl5), care nu exist n aliaje binare. Ace ti
compu i, situa i n mod obi nuit la limitele cristalelor de aluminiu
mic oreaz mult plasticitatea acestuia. Aluminiul face parte din
grupa IIIA a sistemului periodic al elementelor, are un singur
izotop stabil 27Al i cinci izotopi radioactivi
(24Al,25Al,26Al,28Al) cu perioadele de injumat ire cuprinse ntre
2,10 s i 94 s. Aluminiul se caracterizeaz prin plasticitate foarte
mare, rezisten mecanica mic , conductibilitate electric i termic
ridicat i rezisten mare la coroziune n aer, ap i acizi organici.
Principalele propriet i ale aluminiului care influen eaza
defavorabil sudabilitatea sunt: -conductibilitatea termic ridicat ;
deci i temperatura de topire a aluminiului este redus (6500C) totu
ii, datorit conductibilit ii de calbur i prenc lzirea intregii
piese la temperaturii ridicate; -coeficientul mare de dilatare al
aluminiului care determin probucerea de tensiunii permanente i
deforma ii mari;
4
-la nc lzire, aluminiul nu- i schimb culoarea din care cauz la
sudare nu se poateaprecia vizual gradul de ncalzire; difilcultatea
se m re te, deoarece aluminiul se tope te n mod brusc;
-fragilitatea aluminiului la temperaturi nalte; deformarea i
fisurarea pere ilor seprentampin prin fixarea piesei pe suporturi
ct mai exact; -n stare lichid , aluminiul absoarbe cu avilitate
oxigenul, reduce rezistenta imbinarii; -oxidul de aluminiu avnd
punctul de topire ridicat (20500C) formeaz o pojghi solid care
impiedic sudarea; ndepartarea oxidului se poate realiza pe cale
chimica prin utilizarea unor fluxurii carea formeaz cu oxidul o
zgur u or fluzibil i care protejeaz metalul topit.
3 Utiliz riFolosirea aluminiului ca material pentru constructii
mecanice si metalice este limitat din cauza propriet ilor de
rezistent scazute. Totu i, o serie dintre propriet ile aluminiului
fac ca acest metal s fie deosebit de apreciat pentru o serie de
aplica ii. Astfel, plasticitatea mare a aluminiului permite ca din
el s se ob in prin deformare plastic produse foarte sub iri ca
foliile utilizate pentru ambalaje n industria alimentar ;
conductibilitatea electrica mare, 65% din cea a cuprului determin
ca aluminiul s fie mult utilizat ca material pentru conductorii
electrici; rezisten a mare la coroziune permite folosirea
aluminiului n industria chimic i alimentar . Aluminiul este
utilizat pe scar larg ca baz pentru o serie important de
aliaje.
4 Aliaje pe baz de aluminiu
Principalele elemente de aliere ale aluminiului sunt Cu, Mg si
Zn, la care se adaug MN, Ni, Cr, Fe, alierea avnd ca principiu i
mbun t irea caracteristicilor de rezistent mecanice ale acestuia.
Cele mai r spndite i utilizate aliaje sunt aliajele din sistemele
Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg, AlMg-Mn, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg-Cu.
Clasificarea aliajelor pe baz de aluminiu
Aliaje pe baz de aluminiu se impart n:a) aliaje deformabile;
5
b) aliaje pentru turn torie; c) aliaje ob inute prin metalurgia
pulberilor. Aliajele deformabile se mpart n aliaje deformabile
nedurificabile prin tratament termic i aliaje deformabile
durificabile prin tratament termic.
a) Aliaje de aluminiu deformabile, nedurificabile prin tratament
termic
n aceast categorie sunt cuprinse aliajele din sistemele Al-Mg,
Al-Mn, Al-Mg-Mn, AlMn-Cu, Al-Ni-Fe, Al-Sn-Ni-Cu. Aliajele Al-Mg ce
con in mai mult de 1,4% Mg au n alc tuire structural solu ie solid
i compusul Al8Mg5. Aliajele deformabile con in pn la 7% Mg; dintre
acestea, cele ce con in pn la 5% Mg nu se durific prin tratament
termic, iar cele ce con in peste 5% Mg pot fi durificate prin
tratament termic ns efectul durific rii este foarte mic. Avnd n
vedere faptul c aliajele din acest sistem con in o serie de impurit
i, structura lor este alcatuit din solutie solid , compusul Al8Mg5
i alte faze intermediare, care se dispun de obicei la limitele
graun ilor de solu ie solid . Aliajele Al-Mg au o rezistent mecanic
ridicat asociat cu o bun plasticitate, ele putndu-se deforma
plastic la rece foarte u or, au rezisten la coroziune ridicat i o
bun sudabilitate. Propriet ile mecanice i caracteristicile
tehnologice ale aliajelor Al-Mg pot fi modificate prin alierea, cu
diferite elemente ca: Ti, B, Mn, Cr, Cu, Fe, Zr, Be, Li. Titanul i
borul ac ioneaz asupra m rimii de graunte finisnd granula ia,
manganul i cromul m resc rezisten a mecanic i rezisten a la
coroziune, siliciul m re te fluiditatea, cuprul mpiedic
susceptibilitatea la coroziune pitting, fierul i zirconiul m resc
temperatura de recristalizare, beriliu i litiu reduc gradul de
oxidare al magneziului la elaborare. Aliajele Al-Mg avnd rezisten a
mecanic ridicat n compara ie cu aluminiul au o larg utilizare n
construc ii metalice, n industria constructoare de ma ini, n
transporturi, n avia ie i n industria de armament. Aliajele Al-Mn
con in de obicei 1-1,7% Mn. Deoarece solubilitatea compusului Al6Mn
n aluminiu este variabil cu temperatura, teoretic aceste aliaje pot
fi durificate prin tratament termic. Aliajele Al-Mn au acelea i
utilizari ca i aliejele Al-Mg. Aliajele deformabile nedurificabile,
prin tratament termic din sistemul Al-Mn-Mg con in pn la 3% Mg i
1-1,5%
6
Mn; sunt caracterizate prin rezisten coroziune mare i sunt u or
sudabile.
mecanic
ridicat , plasticitate bun , rezistent
la
Aliajele deformabile nedurificabile prin tratament termic din
sistemul Al-Ni-Fe con in circa 1% Ni i 0,6% Fe; au rezisten bun la
coroziune, n ap la temperaturi i presiuni ridicate i sunt utilizate
n energetica nuclear . Aliajele deformebile nedurificabile
structural din sistemul Al-Sn-Ni-Cu au propriet i antifric iune
foarte bune fiind utilizate la confec ionarea lag relor n industria
automobilelor.
b) Aliaje de aluminiu pentru turnatorie
Aliajele de aluminiu pentru turnatorie trebuie s aib fluiditate
mare, contrac ie relativ mic , susceptibilitate scazut de fisurare
la cald i de formare a porilor, propriet i caracteristice aliajelor
care contin eutectice. Dintre aliajele pentru turnatorie se men
ioneaza aliajele: Al-Cu, Al-Mg, Al-Si, Al- Zn i Al-Mg-Cu-Ni-Cr.
Aliajele Al-Cu pentru turnatorie se mpart n: Aliaje cu 4-6% Cu i
mici adausuri de Si, Mg, Ni, Mn, Ti; Aliaje cu 6-8% Cu i adausuri
de Fe, Si, Mn, Cr, Zn si Sn; Aliaje cu 10-14% Cu ce con in pn la
0,4% Mg, 1,5% Fe, 5% Si i mici propor ii de Ni, Mn, Cr. Adaugarea
elementelor de aliere are ca scop mbun t irea propriet ilor
mecanice i a caracteristicilor tehnologice; i mbun t e te propriet
ile de turnare i n prezen a Mg face posibil aplicarea tratamentelor
termice de durificare, Mg contribuie la cre terea propriet ilor de
rezisten mecanic , Ti finiseaz granularea m rind tenacitatea, Ni m
re te rezisten la temperaturi ridicate, Mn mare te rezisten a
mecanic , dar scade plasticitatea. Aliajele Al-Cu pentru
turnatorie, ce contin 4-6% Cu deoarece nu con in eutectic, au
propriet i de turnare sc zute, n schimb aliajele cu peste 10% Cu au
propriet i de turnare foarte bune. Aliajele Al-Cu sunt utilizate
pentru turnarea unor piese puternic solicitate n construc ia de ma
ini i avia ie cum ar fi: tambure de fran , pistoane, chiulase,
blocuri motoare. Aliaje Al-Mg pentru turnatorie con in de la 1% pn
la 13%Mg i unele elemente de aliere sau nso itoare: Si pn la 2%, Mn
pn la 2%, Zn pna la 3%, Li pn la 3% i alte elemente ca : Fe, Cu,
Cr, Ni, Ti, B, Be, Zr. Ele au propriet i mecanice ridicate,
densitate mic i rezisten la coroziune n altmosfera sau mediu salin.
Propriet ile de turnare ale acestor aliaje depind de con inutul n
Mn. Manganul mare te rezisten a mecanic i ndep rteaz ac iunea
7
negativ a Fe asupra rezisten ei la coroziune, Zn mbunat e te
propriet ile de turnare, Cu, Fe, Ni mic oreaz rezisten a la
coroziune i plasticitatea, ridica refractaritatea, Ti, Zr,B
finiseaza granulatia m rind tenacitatea, Be mic oreaz
susceptibilitatea la oxidare a aliajelor topite. Aliajele din
sistemul Al-Mg sunt utilizate n industria constructoare de ma ini,
la turnarea unor piese rezistente la coroziune n atmosfer , n ap de
mare i solu ii alcaline, cu propriet i de rezisten mecanic
corespunz toare. Aliajele Al-Si cunoscute sub denumirea de
siluminuri con in obi nuit de la 2 la 14% Si i diferite impurit i:
Fe pn la aproximativ 1,4%, Mg pn la circa 0,15%, Cu maxim 0,6%.
Foarte utilizate sunt aliajele cu 10-13% Si. Al i Si sunt partial
solubili n stare solid i nu formeaz compu i. Structura aliajelor cu
11-13% Si este format din cristale primare de siliciu i mas de baz
din eutectic grosolan de +Si. La solidificare eutecticului
cristalele de siliciu se depun la limita cristalelor de sub forma
de cristale aciculare i efectueaz negativ propriet ile mecanice.
Aceste neajuns este nl turat prin modificari care produc
urmatoarele efecte: Mic orarea graun ilor dentritici; Sub iera i
fragmentarea ramurilor dentritice; Schimbarea morfologiei i formei
eutecticului. Prin urmare un aliaj cu 12% Si dup modificare are o
structur hipoeutectica, fiind alcatuit din solutie solida si
eutectic fin. Siluminurile sunt carcterizate prin propriet i bune
de turnare, sudabilitate bun i rezisten la coroziune ridicat . Sunt
utilizate n construc ia de ma ini pentru turnarea unor piese sub
iri cu sec iuni complicate care s aib caracteristici mecanice i
rezistente la coroiune bune. mbun ta irea caracteristicilor
mecanice i tehnologice a acestor aliaje poate fi realizat prin
aliere cu:Mg, Mn, Cu, Ni. Dintre aliajele Al-Si aliate se
mentioneaz aliajele Al-Si-Mg, Al-SiCu, Al-Si-Cu-Mg-Ni. Aliajele
Al-Si-Mg con in 2-14% Si, pn la 2% Mg i adausuri de Fe, Mg, Ti.
Sunt utilizate la turnatea unor piese puternic solicitate n
expluatare, n construc ii importante cum ar fi motoarele cu ardere
intern sau la turnarea unor piese cu rezisten la coroziune ridicat
. Aliajele Al-Si-Cu con in 5-12% Si pn la 5%Cu i mici adausuri de
Mn si Fe. Caracteristicile tehnologice i de exploatare ale acestor
aliaje pot fi modificate prin tratamente termice. Sunt utilizate n
industria constructoare de ma ini i avia ie, la piese turnate
supuse la solicitari mari cum ar fi: carcase capete de cilindrii,
blocuri de motor, pistoane i alte piese rezistente la solicitari la
cald n timpul exploat rii. Aliajele din sistemul Al-Zn con in
aproximativ 12% Zn, la care se mai adaug 0,1-1,0% Mg, 5-8% Si i
uneori Ti, Cr, Fe. Cre terea propor iei de Zn mic oreaz
caracteristicile de turnare. Propriet ile mecanice ale acestor
aliaje depind de procedeul de turnare i de tratamentul termic
aplicat pieselor. Sunt utilizate pentru ob inerea unor piese cu
stabilitate dimensionala ridicat i cu propriet i mecanice foarte
bune.
8
c) Aliaje de aluminiu ob inute prin metalurgia pulberilorDintre
aliajele pe baz de aluminiu ob inute prin metalurgia pulberilor,
cele mai utilizate sunt aliajele Al-Al2O3 cunoscute sub denumirea
de aliaje de tip SAP. Aliajele SAP sunt alc tuite dintr-o matrice
de aluminiu n care sunt dispersate particule de Al2O3. Propor ia de
Al2O3 variaz de la 6-9%(SAP1), pn la 18-20%(SAP4). O dat cu cre
terea con inutului n Al2O3 cre te rezisten a la rupere de la 30-32
daN/mm2, la 44-46daN/mm2 i scade alungirea de la 5-8 la 1,5-2%.
Aliajele de tip SAP n compara ie cu celelalte aliaje de aluminiu au
o nalt rezisten la coroziune i refractaritate ridicat , sunt
utilizate n industria chimic i aeronautic . Tot prin metalurgia
pulberilor se pot ob ine piese din aliaje a c ror elaborare sau
deformare este foarte dificil . n aceast categorie sunt cuprinse
aliajele de tip SAS, aliaje ale aluminiului cu: Fe, Si, Ni, Mg, Cr,
Mo, W, Ti, Zr, Be, Sn, Pb. De exemplu aliajul SAS1 cu 25-30% Si i
5-7% Ni are coeficient de dilatare mic i conductibilitate termic
scazut . Aliajele Al-Zn-MgCu-Fe-Ni-Cr cu 7,5%Zn, 2,5%Mg, 1,1%Cu,
1,1-2,2%Fe, 1-2,3%Ni i 0,2%Cr au rezisten mecanic ridicat , sunt
refractare, au rezisten la coroziune ridicat i propriet i antifric
iune. Prin metalurgia pulberilor se pot ob ine i aliaje ale Al cu
SiO2, SiC, B4C, AlPO4. De exemplu, aliajele aluminiului cu bor sau
carbura de bor sunt utilizate pentru ob inerea unor bare
modelatoare de la reactoarele nucleare.
5 Aliaje de aluminiu durificabile prin tratament termic
Aceasta grupa cuprinde aliaje cu elemente care au solubilitatea
n aluminiu relativ ridicat : Cu, Mg, Zn, varia ia solubilit ii
acestora cu temperatur permi nd aplicarea tratamentelor termice.
Din aceast clas mai des sunt utilizate aliaje din sistemele Al-Cu,
Al-CuMg, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu, Al-Cu-Ni-Mg.
Reprezentantul tipic al acestor aliaje este aliajul Al-Cu cu circa
4,0-5,5%. Aliaje deformabile, durificabile prin tratament termic
din sistemul Al-Cu sunt formate n solu ie solid i compusul CuAl2.
Deoarece aceste aliaje con in o serie de elemente ca impurit i sau
ca elemente de aliere n structura lor apar i alte faze
intermetalice, care fie se dizolv n solu ia solid favoriznd
durificarea, fie sunt insolubile dispunandu-se la limitele de graun
i. Caracteristicile tehnologice i de expluatare ale aliajelor Al-Cu
sunt puternic influen ate de prezenta elementelor de aliere.
Siliciul m re te rezistenta mecanic , mic oreaz ductilitatea i
rezisten a la oboseal , influen eaz comportarea la tratament
termic, reduce rezisten a la cald i rezisten a la fluaj. Magneziu
mare te rezisten a mecanic i duritatea, influenteaz comportarea la
tratament termic.
9
Aliajele din sistemul Al-Cu-Mg sunt formate din solu ie solid i
compu ii: CuAl2, CuMgAl2, CuMg4Al6. Compu ii intermetalici prezen i
n structur influen eaz asupra comport rii la tratamente termice,
influenta lor manifestndu-se n func ie de marimea raportului Cu:Mg.
n aliajele cu raport Cu:Mg mai mare de 8:1 faza durificatoare este
CuAl2, n cele pentru care raportul este cuprins ntre 8:1 i 4:1
fazele durificatoare sunt CuAl2 i CuMgAl2, n aliajele la care
raportul este cuprins ntre 4:1 i 1,5:1 faza durificatoare este
CuMgAl2 i n alijele pentru care raportul este sub 1,5:1 durificarea
se face prin participarea compusului CuMg4Al6. Aliajele Al-Cu-Mg
dup imb trnirea natural au o rezisten a mecanic ridicat , asociat
cu o plasticitate buna comparabil cu plasticitatea ob inut la
recoacere. Comportarea la tratamente termice i caracteristicile
mecanice ale aliajelor Al-Cu-Mg este puternic imfluen at de prezen
a impurit ilor sau elementelor de aliere astfel: manganul mare te
rezisten a mecanic dar la con inuturi mai mari de 1% mic oreaza
mult plasticitatea, siliciul m re te rezisten a mecanic i mbun t e
te comportarea la mb trnirea artificial , nichelul m re te
refractaritatea, fierul la con inuturi mai mari de 0,5 mic oreaz
rezisten a mecanic . Aliajele Al-Cu-Ni sunt aliaje cu rezistent
mecanic mare att la temperaturi joase ct i la temperaturi ridicate.
n aliajele de tip Y durificarea la mb trnire se datoreaza compu
ilor ternari (CuNi)2Al3 i Cu4NiAl7, fiind posibil i prezen a unui
compus cuaternar ce con ine n plus Mg. O alt categorie de aliaje
deformabile durificabile prin precipitare o constitue aliajele
AlMg-Si. Structura aliajelor din acest sistem este relativ simpl ,
fiind alcatuit din solu ie solid i compus Mg2Si. Aliajele Al-Mg-Si
sunt utilizate n industria constructoare de ma ini datorit
caracteristicilor de rezistent mecanic ridicate, rezisten ei la
coroziune bune, prelucrabilit ii prin a chiere i sudabilit ii
foarte bune. O parte din aceste aliaje sunt utilizate pentru
executarea unor obiecte decorative. Tot n categoria aliajelor
deformabile durificabile prin tratament termic sunt incluse si
aliajele din sistemul Al-Zn-Mg, aliaje caracterizate prin rezisten
mare la coroziune. Aceste aliaje con in 2-8% Zn, la care se mai
adaug Cu, Fe, Si, Cr, Mn, Ti, Ag.
Aliajele din acest sistem se mpart n: Aliaje de nalt rezisten ,
pentru care suma Zn+Mg+Cu>10%; Aliaje de medie rezisten , cu
suma Zn+Mg+Cu=7-9%; Aliaje cu rezisten scazut pentru care suma
respectiv este mai mic de 6%.
10
6 Materiale compozite pe baz de aluminiuAluminiul i aliajele
sale sunt utilizate i pentru ob inerea unor materiale compozite.
Aceste materiale se pot ob ine prin mai multe metode: solidificarea
unidirec ional a aliajelor eutectice bifazice cum ar fi Al-NiAl3,
CuAl2-Al, Al-Co, Al-Be, includera unor fibre de bor, B4C, Be,
grafit, Nb, Al2O3, otel, SiO2, SiC ntr-o matrice de aluminiu sau
aliaje pe baza de aluminiu; la laminarea multistrat a aluminiului
cu cadmiu i stamiu.
7 Extragerea aluminiului prin electroliza aluminei
Alumina pur , este supus electrolizei n mediu topit n vedera ob
inerii aluminiului. Alumina dizolvat n criolit topit este supus ac
iunii unui curent electric continuu, la 940-9600C, fiind descompus
n aluminiu i oxigen- reac ia general este: Al2O3=2Al+3/2O2
La catod se va depune aluminiul metalic, iar la anod se degajeaz
reac ioneaz cu anodul. Principalele teorii ale electrolizei
aluminiului sunt: a)-elecroliza florurii de sodiu cu urmatorale
reac ii secundare -la anod: 6F+Al2O3 2AlF3+3/2O2 sau: 12F+3O+2Al2O3
3CO2+4AlF3 sau: 4F+C CF4 3CF4+2Al2O3 3CO2+4AlF3 la catod: 3Na+2AlF3
Al+AlF3*3NaF sau 6Na+Al2O3 2Al+3Na2O 3Na2O+2AlF3 2AlF3
Al2O3+6NaF
O2 care
b)-electroliza florurii de aluminiu cu depozit primar de
aluminiu la catod i reac ia florului asupra aluminei la anod
c)-electroliza criolitei disociat n ionii Na+ i AlF63- i a aluminei
par ial disociat n ioii Al3+ i AlO33d)-electoliza sodei care exist
n stare ionizat ca urmare a reac iei: Al2O3+6NaF
2AlF3+6Na++3O2-
11
e)-electoliza aluminatului de sodiu format dup reac ia:
2Al2O3+AlF3*3NaF 2AlF3+3/2Al2O4Na2 Majoritatea acestor teorii admit
formarea primara a CO2 la anod.
8 Rafinarea aluminiuluiAluminiul ob inut prin electroliza
aluminei nu depa e te puritatea de 99,599,85%.Al; el con ine o
serie de impurit i metalice i nemetalice pentru eliminarea acestor
impurit i se practic rafinarea clorurant i cea electrolitic .
a) Rafinarea clorurantSe urmareste ndepartarea Mg,Na,K i a
incluziunilor nemetalice. Prin creuzetul cu metal topit se
barbateaz un curent de clor care ndepline te func ii multiple:
separ metalele respective sub form de cloruri; degazeific metalul
dac acesta e solubil; antreneaz suspensiile de alumin cu ajutorul
clorurii de aluminiu, care rezult n stare gazoas . Spre sfr itul
opera iei se introduce azot pentru a se raci baia i se elimina
urmele de clor, care ar putea r mne n topitur .
b) Rafinarea electroliticRafinarea se realizeaz n topitur de
floruri i este cunoscut sub denumirea de rafinare ntre straturi.
Procesul se desfasoar la 850 9200C, temperatur necesar ca toate
cele trei straturi s fie n intregime topite. Pe baz celulei de
electoliz se introduce topitur de aluminiu care urmeaz s fie
rafinat prin adaos de cupru (25 35%), acest strat avnd o grosime de
60 70mm. Acest electolit con ine 60%BaCl2, 23%AlF3 i 17%NaF. Cel
de-al treilea starat este format din aluminiu rafinat n stare
lichid , care se colecteaz la suprafata b ii. Stratul metalic
inferior formeaz anodul, cadodul fiind constituit de stratul
superior al aluminiului rafinat. Curentul este adus prin bare
metalice ncastrate n zid ria vetrei. Se lucreaz cu curent continu,
de mare intensitate (pana la 45000A), cu o tensiune de 6 7V i
densitate de curent de 0,5A/cm3
9 Sudura aluminiului i aliajelor de aluminiuProcedeul de sudare
cu flacara este larg folosit la sudarea aluminiului i a aliajelor
de aluminiu. n cazul folosirii unei fl c ri puternice se pot
produce strapungeri, deoarece aluminiul are o temperatur de topire
mult mai joas dect aliajele din aluminiul. Pentru sudare se
12
recomand ca flac ra s aib un foarte mic exces de acetilen ceea
ce produce formarea oxidului de aluminiu. Masa de lucru a sudorului
trebuie s aib tablia din caramizi de amot sau s fie captu it cu foi
de azbest. Suflaiurile pentru sudare se aleg cu un numar mai mare,
dect cele folosite la sudarea o elului. Pentru sudarea aluminiului
se fabric numeroase m rci de fluxuri pe baz de clorur sau fluorur
de litiu. O compozi ie corespunz toare cuprinde 79% clorur de
potasiu, 16% clorur de sodiu i 5% acid de potasiu. Pisele se vor
degrasa i decapa complect nainte de sudare pe o por iune de 30mm de
la marginile tablelor. Dup sudare tablele trebuie cur ate bine de
flux deoarece fluxurile provoaca coroziuni. Compozi ia metalului de
adaos se stabile te n func ie de cea a metalului de baz , dupa cum
urmeaz : -vergele de aluminiu pur pentru sudarea construc iilor
electrotehnice (conductoare, contacte); -vergele turnate din aliaj
de aluminiu-siliciu pentru sudarea pieselor turnate din aluminiu
sau aluminiu-siliciu; -vergele de aluminiu-magneziu i
aluminiu-titan pentru sudarea construc iilor din aceste aliaje;
-vergele din aluminiu-cupru pentru sudarea duraluminiului. n cazul
cnd nu se dispune de material de adaos corespunz tor se decupeaz fa
ii din materialul de baz . Sudarea tablelor cu margini rasfrante se
execut prin metoda spre stang , far oscila ii tranzversale. Sudarea
cap la cap la grosimi de tabla pn la 5 mm se execut tot spre
stanga, ns arz torul se ine la nceput aproape n pozi ie vertical
pan la formarea b ii de sudur . Aceast metod poate fi folosit i la
grosimi reduse de material, far oscila ii transversale. n cazul cnd
n timpul sudurii se produce un defect, se opre te sudarea, se scobe
te locul defect i se rencepe sudarea pe o lungime redus a sudurii
efectuat , spre a fi siguri c defectul a fost inl turat. Dup r
cirea complet , linia de sudura se curat i se spal cu ap fierbinte.
Piesele turnate se sudeaz cu prenc lzire la 3000C, iar dup sudarea
comlet se supun unei recoaceri foarte uniforme la temperatur de
5000C, urmate de o r cire foarte lent .
10 Sudarea n mediu de gaz protector Aliajele de aluminiu, n
principiu, pot fi sudate n atmosfer protectoare de argon; trebuie
nsa s se tin seama c rezisten a elementelor sudate se reduce n
13
zona influen at termic la cea a metanului de baz n stare moale.
Alegerea procedeului se face n func ie de grosimea tablei sau
elementelor de sudare. Procedele de sudare n atmosfer protectoare
au fat de alte procedee avantajul c pelicula de oxid este distrus
datorit efectului de cura ire a arcului. Efectul de cura ire a baii
este determinat de polaritatea curentului. Acest efect are loc
numai dac se sudeaz n curent continuu, cu electrodul la polul
pozitiv sau n cazul sud rii cu curent alternativ. Amorsarea arcului
la sudur n atmosfer inert este foarte usoar . Arcul de sudr n argon
are, datorit lungimii i stabilit ii lui asigurat de ionizarea u oar
a gazelor,avantajele mari fa de arcul n aer cu alte gaze. Acest
procedeu mai are marele avantaj ca poate fi aplicat la sudarea n
orice pozi ie.Tablele pn la 2 mm se pot asambla prin resfrngere i
se sudeaz far material de adaos. Cele cuprinse ntre 6 i 10 mm sau
cele mai groase se sudeaza n V tablele cu grosimea de peste 10 mm
se sudeaza n X sau n U. Pentru evitarea polilor att tablele ct i
electrozii trebuie s fie cura i, lipsi ii de grasimi i umezeal . n
vederea sud rii, tablele se asambleaz pe ct posibil far prinderi,
cu ajutorul dispozitivelor de prindere n pozi ia dorit , indu-se
seama de dilat ri i contrac i. Tablele pn la grosimea de 4 mm nu
trebuiesc prenc lzite. Sudarea se va ncepe tot la 50-60 mm de la
capatul tablelor n tabelul urm tor se dau valorile orientative
pentru alegerea caracteristicelor de sudare. Tabelul 1 .
Caracteristicile de sudare pt aliajele de aluminiu Grosimea
materialelor n mm 1 2 3 6 8 Intensitatea curentului n amperii 40-50
80-90 120-140 220-340 300-350 Diametrul electrodului n mm 1 1,6 2,4
4 4,8 Debit de argon n l/min Diametrul srmei de adaos n mm 2 2-4 4
4-5 Viteza de sudare n mm/min 400 300-250 260-300 200-250
120-140
4-6 4-5 6-7 8-10 12
Pentru pozi ia vertical sau pe plafon, intensitatea curentului
se reduce cu circa 10%.
14
Sudarea aluminiului i a aliajelor sale n mediu de argon cu
electrod fuzibil se aplic n sudarea tablelor cu grosimi de peste 4
mm; totdeauna se sudeaz cu curent continuu legnduse piesa de polul
negativ. Procedeul este foarte potrivit pentru mecanizare i
aumatizare. Productiviatea este foarte mare datorit unei nc rc rii
specifice cu curent mare, cuprins ntre 50 i 100 A/mm2.
11 Sudare cu gaze Sudarea aluminiului i a aliajelor
sale.Pregatirea elementelor n vederea sud rii se face asem n tor ca
pentru o el. Prin sudarea oxiacetilenic se pot mbina piese de
aluminiu cu grosimi cuprinse ntre 2 i 4mm, n cazuri speciale chiar
i table de un mm. Prinderile la tabl sub ire se fac la distan e de
50-100mm, tablele peste 5mm pe ct posibil nu se vor prinde. Sudarea
se execut cu un arz tor, cu unu sau cu dou numere mai mic, sau de
acea i marime ca i pentru sudarea otelului de acea i grosime. n
general se sudeaz spre stanga, excep ie f cnd piesele sau tablele
foarte groase. Deschiderea tablelor n capatul spre care se sudeaz
va fi pu in mai mare pentru compensarea contrac iilor. Se recomand
prenc lzirea elementelor la 200- 3000C i sudarea pe o suprafa r u
conduc toare de c ldur . Pentru a evita oxidarea b ii, arz torul nu
va fi inut prea aproape de ea. n ceea ce prive te prelucrare cus
turii dup execu ie se obi nuie te s se ecruseze i s se m reasc
duritatea cus turii executate prin ciocnire. Aceast ciocnire se
poate face n stare cald , la 3500C, sau dup ce cus tura sa r cit
complect. De asemenea, se va evita ciocnirea cusaturii la
temperaturi n jur de 5000C pentru ca aluminiul la aceasta
temperatur se sfarma u or. Se va evita ngro area mare a cus turii,
n special a aceleia care se va ciocni ulterior. n general, cus tura
forjat la cald(3500C) rezist mai mult la coroziune. Pentru
zgurificarea oxidului de aluminiu trebuie s oxiacetilenice past sau
pulberi de sudat. se foloseasc , n cazul sud rii
O pulbere sau past bun de sudat trebuie s aib urm toarele calit
i: -s dizolve repede i complet oxidul de aluminiu, trecndu-l ntr-o
zgur fluid cu punctul de topire redus; -s acopere bine suprafe ele
pregatite pentru sudare; -att zgura ct i resturile de past s se
poat ndepar u or de pe cusatur ; -s nu corodeze metalul.
15
Nu totdeauna pastele sau pulberile ndeplinesc toate aceste condi
ii i mai ales ultima, de aceea cus turile tebuie plasate astfel
ncat s permit accesul n vedera cur irilor.
12 TRATAMENTELE TERMICE ALE ALIAJELOR DE ALUMINIUTratamentele
termice care pot fi aplicate aliajelor de aluminiu sunt
urmatoarele: Recoacere; Punere in solutie; Calire; Refrigerare;
Imbatranire; Detensionare/Stabilizare; Reversie;
DEFINITIIRECOACERE Recoacerea este tratamentul termic care
elimina efectele de durificare ale unui aliajde aluminiu rezultate
ca urmare a prelucrarilor mecanice la rece sau in urma executarii
unui tratament termic anterior. Dupa prelucrare piesele in stare
recoapta trebuie sa fie puse in solutie si imbatranite. TRATAMENTUL
TERMIC DE PUNERE IN SOLUTIE SI CALIRE Tratamentul termic de punere
in solutie asigura o distributie uniforma a elementelor de aliere
in structura materialului, obtinandu-se o stare instabila la
temperatura camerei, stare care este denumita "solutie solida".
Aceasta stare obtinuta prin incalzirea aliajului la o anumita
temperatura specifica fiecarui aliaj si mentinerea la aceasta
temperatura un anumit timp, functie de grosimea materialului, poate
fi pastrata daca este urmata de o racire suficient de rapida
(calire) si daca aliajul este tinut la o temperatura scazuta la
frigider. Tratamentul termic de punere in solutie si calire confera
aliajelor de aluminiu o ductilitate marita pentru o perioada scurta
de timp.
16
IMBATRANIRE Imbatranirea reprezinta tratamentul termic de
durificare a aliajelor de aluminiu (puse in solutie si calite),
care se obtine prin realizarea unei distributii relativ uniforme a
elementelor de aliere in compozitia aliajelor (precipitare). LOT DE
TRATAMENT TERMIC Unul sau mai multe loturi de piese care sunt
tratate in acelasi utilaj, in acelasi timp. LOT DE TRATAMENT TERMIC
REBUTAT Lotul de tratament termic, pentru care in timpul
desfasurarii tratamentului termic a fost intrerupt timpul de
mentinere (de exemplu caderea temperaturii de tratament sub
valoarea minim impusa), sau nu a fost atins domeniul de temperatura
(din diverse motive) si care nu mai poate fi retratat termic.
TEMPERATURA DE TRATAMENT TERMIC Temperatura impusa de specificatia
de material pentru executarea treatmentului termic. TIMP DE
MENTINERE Timpul minim de mentinere la temperatura de tratament
termic imusa. Timpul de mentinere este calculat in functie de
grosimea maxima a piesei in momentul executarii tratamentului
termic. GROSIMEA DE TRATAMENT TERMIC Daca nu este altfel specificat
pe desen sau pe fisa tehnologica, grosimea de tratament termic
reprezinta dimensiunea cea mai mica a sectiunii transversale a
materialului in momentul tratamentului termic. ZONA DE LUCRU A
CUPTORULUI Zona calibrata a cuptorului in care sunt executate
tratamentele termice. In functie de uniformitatea temperaturii in
aceasta zona se stabileste clasa de precizie a cuptorului.
TERMOCUPLE DE SARJA Termocuplele care sunt montate pe piesele
individuale cu sectiunea cea mai mare dintrun lot de tratament
termic si care dau informatii referitoare la temperatura sistemului
de inregistrare. TERMOCUPLE DE PROCES
17
Termocuplele montate pe cuptorul de tratament termic care dau
informatii referitoare la temperatura sistemului de inregistrare
pentru controlul procesului de tratament termic.
EPRUVETA Piesa confectionata din proba test, care va insoti un
lot de tratament termic in timpul desfasurarii unui tratament
termic si care va fi testata ulterior pentru controlul acestui
tratament termic. PROBA TEST Bucata de material din care se
confectioneaza epruveta. "RULING SECTION" Diameterul celei mai mari
sfere care poate fi inscrisa in volumul cel mai mare al unui
material.
EXECUTAREA TRATAMENTELOR TERMICERECOACERE Recoacerea este
tratamentul termic care are ca scop eliminarea efectelor produse in
urma prelucrarilor la rece si se realizeaza prin incalzirea
aliajelor de aluminiu in domeniul de temperatura 300-450 oC
(functie de aliaj), mentinerea la aceasta temperatura un anumit
timp, functie de produs si de grosime, timp care poate varia de la
ore la secunde si racirea lor lenta, de obicei odata cu cuptorul,
pana la temperatura camerei. Parameterii de recoacere (temperatura
timp de mentinere) depind de tipul aliajului si de caracteristicile
care trebuie sa rezulte in finalul tratamentului termic. In cazul
in care recoacerea este executata la o temperatura mai mare decat
temperatura maxim admisa de specificatia de material, sau a fost
depasit timpul de mentinere indicat, are loc o crestere
substantiala a grauntilor cristalini care provoaca reducerea
proprietatilor mecanice si aparitia defectului "coaja de portocala
". Acest defect este pus in evidenta mai pronuntat in timpul
operatiilor de prelucrare ulterioare. Dupa ce au fost definitivate
toate operatiile de formare si prelucrare a pieselor in stare
recoapta, este de o vitala importanta ca aceste piese sa fie repuse
in solutie si imbatranite pentru ca sa-si restabileasca structura
si proprietatile mecanice. Simbolul de identificare pentru starea
de recoacere este "O".
TRATAMENT TERMIC DE PUNERE IN SOLUTIE SI CALIRE
18
Tratamentul termic de punere in solutie este aplicat aliajelor
de aluminiu ale caror elemente de aliere (Zn, Cu, Mg, Si, etc.) se
pot combina intre ele formand compusi intermetalici. Tratamentul
termic de punere in solutie se aplica aliajelor dealuminiu pentru a
obtine inmuierea materialului prin distributia uniforma a acestor
compusi..Racirea rapida a materialului de la temperatura de punere
in solutie la temperatura camerei pastreaza aceasta stare moale
pentru o perioada scurta de timp (2 - 4 ore), necesara executarii
operatiilor de formare sau prelucrare la rece. O crestere a
valorilor maxime a proprietatilor mecanice va fi obtinuta numai
atunci cand tratamentul termic de punere in solutie va fi executat
la o temperatura a carei valoare se regaseste in domeniul de
temperatura impus de specificatia de material. Daca temperatura de
tratament este mai mica decat valoarea minim impusa, proprietatile
mecanice obtinute vor fi sub valorile impuse. In cazul in care
temperaura de tratament este mai mare decat valoarea maxim impusa
apare riscul supraincalzirii, a fisurarii sau a arderii
materialului, producand deteriorarea proprietatilor mecanice.
Pentru aliajele de aluminiu placate care sunt puse in solutie in
cuptoare electrice cu circulatie de aer trebuie sa se realizeze o
distributie uniforma a pieselor, astfel incat sa fie realizat
timpul de revenire la temperatura de tratament dupa sarjare care nu
trebuie sa fie mai mare de 60 minute pentru piesele cu grosimi mai
mari de 2.54 mm. CALIRE Dupa expirarea timpului de mentinere la
temperatura de punere in solutie aliajele de aluminiu trebuie sa
fie introduse cat mai curand posibil in mediul de calire.TIMP DE
TRANSFER
Calirea aliajelor de aluminiu trebuie sa fie executata rapid si
continuu. Timpul de transfer incepe sa fie masurat din momentul in
care incepe sa se deschida usa cuptorului si se termina atunci cand
ultimul colt al sarjei este imersatin bazinul de calire. In timpul
calirii trebuie sa se asigure o circulatie si o racire
corespunzatoare a apei, pentru a se evita supraincalzirea baii de
calire. Timpul de transfer trebuie sa fie masurat la fiecare lot de
tratament termic si valoarea obtinuta trebuie sa fie inscrisa in
registrul cuptorului De asemenea timpul de transfer trebuie sa fie
controlat anual atunci cand se executa revizia cuptorului sau ori
de cate ori sunt reparate echipamentele care afecteaza timpul de
transfer.MEDIUL DE CALIRE
19
Daca nu este altfel specificat, piesele din aliaje de aluminiu
trebuie sa fie calite in apa. Temperatura apei inainte de calire
trebuie sa fie de maxim 32 oC iar dupa calire nu trebuie sa
depaseasca valoarea de 40 oC. Temperatura apei se masoara cu
indicatorul de temperatura (termometru) montat in bazinul de
calire. Piesele trebuie sa fie mentinute in baia de calire minim 2
minute pentru fiecare 25.4 mm grosime, acest timp fiind calculat in
functie de grosimea maxima a pieselor, sau inca minim 2 minute dupa
ce s-a oprit fierberea apei. Mediul de calire in solutia "Ucon A"
este utilizata ca o alternativa a apei reci si este recomandata
deoarece reduce distorsiunile si introducerea tensiunilor
interne.REFRIGERAREA
In cazul in care operatiile de formare sau de corectie a
deformarilor nu pot fi executate in timpul maxim admis dupa
tratamentul termic de punere in solutie si calire, atunci piesele
trebuie sa fie transferate in frigider, intr-un timp cat mai scurt
posibil (max. 15 minute), pentru mentinerea starii de
prelucrabilitate. Timpul de mentinere la refrigerare depinde de
temperatura (tabelul 2): Tabelul 2. Timpul de mentinere pentru
diferite temperaturi DOMENIUL DE TEMPERATURA (0 C) -15 la -20 -7 la
- 14 0 la -6 TIMPUL MAXIM ADMIS (ore) 150 72 45
Dupa scoaterea pieselor din frigider, piesele trebuie sa fie
lasate sa se incalzeasca pana la temperatura camerei si apoi se vor
executa operatiile de formare sau prelucrare intr-un timp de maxim
2 ore. IMBATRANIREA In functie de viteza de precipitare a
elementelor de aliere din compozitia aliajului, imbatranirea poate
fi: naturala, atunci cand viteza de precipitare este relativ mica
si are loc la temperatura camerei;
20
-
artificiala (precipitare), atunci cand viteza de precipitare
este mult mai mare si se realizeaza prin reincalzirea aliajelor
puse in solutie si calite la o anumita temperatura care depinde de
aliaj, mentinerea la aceasta temperatura si racirea lor in aer pana
la temperatura camerei.Tratamentul termic de imbatranire confera
aliajelor de aluminiu caracteristici mecanice ridicate.
21
