Generalitǎti
Aluminiu este cel mai raspandit metal in scoarta tereatrǎ, iar printre elemente ocupǎ locul al treilea in urma oxigenului si siliciului. Datoritǎ activitǎtii sale chimice mari, se gǎseste in naturǎ numai sub formǎ de compusi. Impreunǎ cu oxigenul si siliciul formeazǎ 82,58% din scoarta terestrǎ.
Aluminiul este cunoscut inca din antichitate si era utilizat de cǎtre greci si romani. Denumirea de aluminiu vine de la latinescul “alumen” care este folosit pentru a denumi substante astringente.
Primele incercari de separare ale aluminiului dateazǎ din anul 1810 si apartin fizicianului englez Davy , care a efectuat electroliza hidroxidului de aluminiu usor umezit, dispus intr-o atmosferǎ de hidrogen, intr-o pila Volta, folosind in calitate de anod platina, iar in calitate de catod, o sarmǎ de fier. In urma acestui proces s-a obtinut un aliaj Al-Fe, din care insǎ nu s-a reusit sǎ se separe aluminiu.
Prima datǎ aluminiu a fost descoperit in anul 1827 de un chimist german Wohler care a obtinut primele 30g de aluminiu sub formǎ de bobite.
In anul 1854 Saint-Claire-Deville, a folosit metoda lui Wohler pentru obtinerea industriala a aluminiului, inlocuind potasiul cu sodiu, iar clorura de aluminiu, instabilǎ si higroscopicǎ, cu clorurǎ dublǎ de aluminiu si sodiu.
La sfarsitul secolului al XIX-lea, metoda lui Saint –Claire-Deville a fost inlocuitǎ, fiind aplicat procedeul de extragere a aluminiului prin electroliza aluminei dizolvatǎ in criolitǎ topitǎ, procedeu aplicat si in prezent in metalurgia acestui metal.
1810 – Davy obtine aliajul fier-aluminiu pe cale electrolitica;
1821 – Berthie descoperǎ bauxita;
1824 – Oersted obtine in stare elementarǎ metalul;
1827 –Wohler produce aluminiu sub formǎ de pulbere prin reducerea cu potasiu a clorurii sale;
1854 – Sainte-Claire-Deville toarnǎ primul lingou de aluminiu;
1886 – Herault si Hall descoperǎ si breveteaza procedeul de electrolizǎ a aluminei dizolvate in criolitǎ topitǎ;
1890 – Bayer descoperǎ procedeul de fabricare a aluminei prin atacul bauxitei cu solutii de sodǎ causticǎ;
1903 – Odam realizeazǎ sudarea autogenǎ a aluminiului cu ajutorul fluxurilor;
1905 – Betts stabileste principiile rafinarii electromagnetice a aluminiului;
1905 – Claessen demonstreaza posibilitatile de imbunatatire a proprietatilor aliajelor de aluminiu prin cǎlire;
1906 – Wilm aplicǎ aluminiului aliajul tip duralumin tratamentul termic de cǎlire si imbǎtranire;
1911 – De Saint-Martin determinǎ principiile de bazǎ ale anodizǎrii aluminiului si aliajelor sale;
1920 – Pacz imbunǎtǎteste proprietatile aliajelor de aluminiu-siliciu prin modificarea cu sodiu;
1920 – Hoopes – elaborarea aluminiului de inaltǎ puritate;
1926 – Soderberg introduce la electroliza anozi continui;
1932 – Gadeau aplicǎ pe scarǎ industrialǎ tehnologia de rafinare electroliticǎ;
1938 - aparitia unor publicatii despre proprietatile aluminiului ultra pur.
Principalul minereu din care se extrage aluminiul este bauxita, contine aproximativ 60% aluminiu.
Bauxita se gaseste in muntii Bihorului, Grecia, Turcia si in Ungaria.
Principalele elemente de aliaje sunt, Mg, siliciu, cupru, Mn.
In naturǎ se gaseste numai sub formǎ de combinatii intr-un numǎr foarte mare de minerale ce contin oxizi, silicati. Cateva dintre mineralele ce contin aluminiu sunt: bauxita Al2O3*nH2O, corindonul Al2O3, hidrargilitul Al(OH)3, ortoclazul K(AlSiO8), albitul Na(AlSi3O8), anortitul Ca(Al2Si2O8), alaunitul KAl(SO4)2*2Al(OH)3, nelelinul Na(AlSiO4), criolitul Na3(AlF6).
Industrial aluminiul se obtine aproape in intregime prin descompunerea electroliticǎ a aluminei pure dizolvate intr-o topiturǎ de criolit cu adaus de fluorurǎ de calciu. Prin electrolizǎ se obtine “aluminiul tehnic primar” numit si “aluminiu tehnic pur” care contine de la 0,2% la 1% impuritati metalice (Fe, Si, Ca, Ti, Na) si nemetalice (alumina, electrolit, carbura de aluminiu, gaze). In tara noastra sunt standardizate urmatoarele marci de aluminiu tehnic pur: Al 99,8, Al 99,7, Al 99,6, Al 99,5, Al 99,4, Al 99 si AIE.
“Aluminiul de inaltǎ puritate” se obtine din aluminiul tehnic filtrat, spǎlat cu gaz sau degresat, prin rafinarea electroliticǎ cu anod solubil in sǎruri topite cunoscute sub numele de rafinare in trei straturi. Acest aluminiu contine de la 0,05% la 0,1% impuritǎti, in tara noastrǎ fiind stabilizate trei marci Al 99,99, Al 99,95 si Al 99,90.
“Aluminiul extra pur” se obtine prin topirea zonarǎ, distilarea halogenurilor inferioare sau electroliza compusilor organici ai aluminiului de inalta puritate, gradul de puritate putand ajunge panǎ la 99,999995%.
Proprietati fizice si caracteristicile mecanice
Proprietatile fizice si caracteristicile mecanice ale diferitelor sorturi de aluminiu sunt influentate de prezenta impuritatilor. Cele mai frecvente impuritati din aluminiu sunt fierul si siliciul, elemente care se pot gasi panǎ la 0,5-0,6% fiecare. Fierul este practic insolubil in aluminiu, formand cu acesta eutecticul Al-Al3Fe care contine doar 7% Al3Fe (1,7%Fe). Ca urmare aluminiul impurificat cu fier prezintǎ un aspect microscopic format din cristale poliedrice de aluminiu si precipitate aciculare de Al3Fe. Eutecticul din sistemul Al-Si se formeazǎ la 11,7% Si Si este alcǎtuit din solutie solidǎ α si siliciu. Dacǎ in acelasi timp sunt prezente simultan fierul si siliciul, se formeazǎ douǎ faze noi: faza α(Fe3SiAl3) si faza β (FeSiAl5), care nu existǎ in aliaje binare. Acesti compusi, situati in mod obisnuit la limitele cristalelor de aluminiu micsoreazǎ mult plasticitatea acestuia.
Aluminiul face parte din grupa IIIA a sistemului periodic al elementelor, are un singur izotop stabil 27Al si cinci izotopi radioactivi (24Al,25Al,26Al,28Al) cu perioadele de injumatǎtire cuprinse intre 2,10 s si 94 s.
Aluminiul se caracterizeazǎ prin plasticitate foarte mare, rezistentǎ mecanica micǎ, conductibilitate electricǎ si termicǎ ridicatǎ si rezistentǎ mare la coroziune in aer, apǎ si acizi organici.
Principalele proprietǎti ale aluminiului care influenteaza defavorabil sudabilitatea sunt:
-conductibilitatea termicǎ ridicatǎ; deci si temperatura de topire a aluminiului este redusǎ (6500C) totusii, datoritǎ conductibilitǎtii de calburǎ si preancǎlzirea intregii piese la temperaturii ridicate;
-coeficientul mare de dilatare al aluminiului care determinǎ probucerea de tensiunii permanente si deformatii mari;
-la incǎlzire, aluminiul nu-si schimbǎ culoarea din care cauzǎ la sudare nu se poate aprecia vizual gradul de incalzire; difilcultatea se mǎreste, deoarece aluminiul se topeste in mod brusc;
-fragilitatea aluminiului la temperaturi inalte; deformarea si fisurarea peretilor se preantampinǎ prin fixarea piesei pe suporturi cat mai exact;
-iin stare lichidǎ, aluminiul absoarbe cu avilitate oxigenul, reduce rezistenta imbinarii;
-oxidul de aluminiu avand punctul de topire ridicat (20500C) formeazǎ o pojghitǎ solidǎ care impiedicǎ sudarea; indepartarea oxidului se poate realiza pe cale chimica prin utilizarea unor fluxurii carea formeazǎ cu oxidul o zgurǎ usor fluzibilǎ si care protejeazǎ metalul topit.
Utilizǎri
Folosirea aluminiului ca material pentru constructii mecanice si metalice este limitatǎ din cauza proprietǎtilor de rezistentǎ scazute. Totusi, o serie dintre proprietǎtile aluminiului fac ca acest metal sǎ fie deosebit de apreciat pentru o serie de aplicatii. Astfel, plasticitatea mare a aluminiului permite ca din el sǎ se obtinǎ prin deformare plasticǎ produse foarte subtiri ca foliile utilizate pentru ambalaje in industria alimentarǎ; conductibilitatea electrica mare, 65% din cea a cuprului determinǎ ca aluminiul sǎ fie mult utilizat ca material pentru conductorii electrici; rezistenta mare la coroziune permite folosirea aluminiului in industria chimicǎ si alimentarǎ. Aluminiul este utilizat pe scarǎ largǎ ca bazǎ pentru o serie importantǎ de aliaje.
Aliaje pe bazǎ de aluminiu
Principalele elemente de aliere ale aluminiului sunt Cu, Mg si Zn, la care se adaugǎ MN, Ni, Cr, Fe, alierea avand ca principiu si imbunǎtǎtirea caracteristicilor de rezistentǎ mecanice ale acestuia.
Cele mai rǎspandite si utilizate aliaje sunt aliajele din sistemele Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Mn, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg-Cu.
Clasificarea aliajelor pe bazǎ de aluminiu
Aliaje pe bazǎ de aluminiu se impart in: 1) aliaje deformabile;
2) aliaje pentru turnǎtorie;
3) aliaje obtinute prin metalurgia pulberilor. Aliajele deformabile se impart in aliaje deformabile nedurificabile prin tratament termic si aliaje deformabile durificabile prin tratament termic.
Aliaje de aluminiu deformabile, nedurificabile prin tratament termic
In aceastǎ categorie sunt cuprinse aliajele din sistemele Al-Mg, Al-Mn, Al-Mg-Mn, Al-Mn-Cu, Al-Ni-Fe, Al-Sn-Ni-Cu.
Aliajele Al-Mg ce contin mai mult de 1,4% Mg au in alcǎtuire structuralǎ solutie solidǎ α si compusul Al8Mg5. Aliajele deformabile contin panǎ la 7% Mg; dintre acestea, cele ce contin panǎ la 5% Mg nu se durificǎ prin tratament termic, iar cele ce contin peste 5% Mg pot fi durificate prin tratament termic insǎ efectul durificǎrii este foarte mic. Avand in vedere faptul cǎ aliajele din acest sistem contin o serie de impuritǎti, structura lor este alcatuitǎ din solutie solidǎ, compusul Al8Mg5 si alte faze intermediare, care se dispun de obicei la limitele grauntilor de solutie solidǎ.
Aliajele Al-Mg au o rezistentǎ mecanicǎ ridicatǎ asociatǎ cu o bunǎ plasticitate, ele putandu-se deforma plastic la rece foarte usor, au rezistentǎ la coroziune ridicatǎ si o bunǎ sudabilitate. Proprietǎtile mecanice si 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 si borul actioneazǎ asupra mǎrimii de graunte finisand granulatia, manganul si cromul mǎresc rezistenta mecanicǎ si rezistenta la coroziune, siliciul mǎreste fluiditatea, cuprul impiedicǎ susceptibilitatea la coroziune pitting, fierul si zirconiul mǎresc temperatura de recristalizare, beriliu si litiu reduc gradul de oxidare al magneziului la elaborare.
Aliajele Al-Mg avand rezistenta mecanicǎ ridicatǎ in comparatie cu aluminiul au o largǎ utilizare in constructii metalice, in industria constructoare de masini, in transporturi, in aviatie si in industria de armament.
Aliajele Al-Mn contin de obicei 1-1,7% Mn. Deoarece solubilitatea compusului Al6Mn in aluminiu este variabilǎ cu temperatura, teoretic aceste aliaje pot fi durificate prin tratament termic. Aliajele Al-Mn au aceleasi utilizari ca si aliejele Al-Mg. Aliajele deformabile nedurificabile, prin tratament termic din sistemul Al-Mn-Mg contin panǎ la 3% Mg si 1-1,5% Mn; sunt caracterizate prin rezistentǎ mecanicǎ ridicatǎ, plasticitate bunǎ, rezistentǎ la coroziune mare si sunt usor sudabile.
Aliajele deformabile nedurificabile prin tratament termic din sistemul Al-Ni-Fe contin circa 1% Ni si 0,6% Fe; au rezistentǎ bunǎ la coroziune, in apǎ la temperaturi si presiuni ridicate si sunt utilizate in energetica nuclearǎ.
Aliajele deformebile nedurificabile structural din sistemul Al-Sn-Ni-Cu au proprietǎti antifrictiune foarte bune fiind utilizate la confectionarea lagǎrelor in industria automobilelor.
Aliaje de aluminiu durificabile prin tratament termic
Aceasta grupa cuprinde aliaje cu elemente care au solubilitatea in aluminiu relativ ridicatǎ: Cu, Mg, Zn, variatia solubilitǎtii acestora cu temperaturǎ permitand aplicarea tratamentelor termice. Din aceastǎ clasǎ mai des sunt utilizate aliaje din sistemele Al-Cu, Al-Cu-Mg, 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 in solutie solidǎ α si compusul CuAl2. Deoarece aceste aliaje contin o serie de elemente ca impuritǎti sau ca elemente de aliere in structura lor apar si alte faze intermetalice, care fie se dizolvǎ in solutia solidǎ favorizand durificarea, fie sunt insolubile dispunandu-se la limitele de graunti. Caracteristicile tehnologice si de expluatare ale aliajelor Al-Cu sunt puternic influentate de prezenta elementelor de aliere. Siliciul mǎreste rezistenta mecanicǎ, micsoreazǎ ductilitatea si rezistenta la obosealǎ, influenteazǎ comportarea la tratament termic, reduce rezistenta la cald si rezistenta la fluaj. Magneziu mareste rezistenta mecanicǎ si duritatea, influenteazǎ comportarea la tratament termic.
Aliajele din sistemul Al-Cu-Mg sunt formate din solutie solidǎ si compusii: CuAl2, CuMgAl2, CuMg4Al6. Compusii intermetalici prezenti in structurǎ influenteazǎ asupra comportǎrii la tratamente termice, influenta lor manifestandu-se in functie de marimea raportului Cu:Mg. In aliajele cu raport Cu:Mg mai mare de 8:1 faza durificatoare este CuAl2, in cele pentru care raportul este cuprins intre 8:1 si 4:1 fazele durificatoare sunt CuAl2 si CuMgAl2, in aliajele la care raportul este cuprins intre 4:1 si 1,5:1 faza durificatoare este CuMgAl2 si in alijele pentru care raportul este sub 1,5:1 durificarea se face prin participarea compusului CuMg4Al6. Aliajele Al-Cu-Mg dupǎ imbǎtranirea naturalǎ au o rezistenta mecanicǎ ridicatǎ, asociatǎ cu o plasticitate buna comparabilǎ cu plasticitatea obtinutǎ la recoacere. Comportarea la tratamente termice si caracteristicile mecanice ale aliajelor Al-Cu-Mg este puternic imfluentatǎ de prezenta impuritǎtilor sau elementelor de aliere astfel: manganul mareste rezistenta mecanicǎ dar la continuturi mai mari de 1% micsoreaza mult plasticitatea, siliciul mǎreste rezistenta mecanicǎ si imbunǎtǎteste comportarea la imbǎtranirea artificialǎ, nichelul mǎreste refractaritatea, fierul la continuturi mai mari de 0,5 micsoreazǎ rezistenta mecanicǎ.
Aliajele Al-Cu-Ni sunt aliaje cu rezistentǎ mecanicǎ mare atat la temperaturi joase cat si la temperaturi ridicate. In aliajele de tip Y durificarea la imbǎtranire se datoreste compusilor ternari (CuNi)2Al3 si Cu4NiAl7, fiind posibilǎ si prezenta unui compus cuaternar ce contine in plus Mg.
O altǎ categorie de aliaje deformabile durificabile prin precipitare o constitue aliajele Al-Mg-Si. Structura aliajelor din acest sistem este relativ simplǎ, fiind alcatuitǎ din solutie solidǎ α si compus Mg2Si.
Aliajele Al-Mg-Si sunt utilizate in industria constructoare de masini datoritǎ caracteristicilor de rezistentǎ mecanicǎ ridicate, rezistentei la coroziune bune, prelucrabilitǎtii prin aschiere si sudabilitǎtii foarte bune. O parte din aceste aliaje sunt utilizate pentru executarea unor obiecte decorative.
Tot in categoria aliajelor deformabile durificabile prin tratament termic sunt incluse si aliajele din sistemul Al-Zn-Mg, aliaje caracterizate prin rezistentǎ mare la coroziune. Aceste aliaje contin 2-8% Zn, la care se mai adaugǎ Cu, Fe, Si, Cr, Mn, Ti, Ag.
Aliajele din acest sistem se impart in:
Aliaje de inaltǎ rezistentǎ, pentru care suma Zn+Mg+Cu>10%;
Aliaje de medie rezistentǎ, cu suma Zn+Mg+Cu=7-9%;
Aliaje cu rezistentǎ scazutǎ pentru care suma respectivǎ este mai micǎ de 6%.
Aliaje de aluminiu pentru turnatorie
Aliajele de aluminiu pentru turnatorie trebuie sǎ aibǎ fluiditate mare, contractie relativ micǎ, susceptibilitate scazutǎ de fisurare la cald si de formare a porilor, proprietǎti caracteristice aliajelor care contin eutectice. Dintre aliajele pentru turnatorie se mentioneaza aliajele: Al-Cu, Al-Mg, Al-Si, Al- Zn si Al-Mg-Cu-Ni-Cr.
Aliajele Al-Cu pentru turnatorie se impart in:
Aliaje cu 4-6% Cu si mici adausuri de Si, Mg, Ni, Mn, Ti;
Aliaje cu 6-8% Cu si adausuri de Fe, Si, Mn, Cr, Zn si Sn;
Aliaje cu 10-14% Cu ce contin panǎ la 0,4% Mg, 1,5% Fe, 5% Si si mici proportii de Ni, Mn, Cr.
Adaugarea elementelor de aliere are ca scop imbunǎtǎtirea proprietǎtilor mecanice si a caracteristicilor tehnologice; si imbunǎtǎteste proprietǎtile de turnare si in prezenta Mg face posibilǎ aplicarea tratamentelor termice de durificare, Mg contribuie la cresterea proprietǎtilor de rezistentǎ mecanicǎ, Ti finiseazǎ granularea mǎrind tenacitatea, Ni mǎreste rezistentǎ la temperaturi ridicate, Mn mareste rezistenta mecanicǎ, dar scade plasticitatea.
Aliajele Al-Cu pentru turnatorie, ce contin 4-6% Cu deoarece nu contin eutectic, au proprietǎti de turnare scǎzute, in schimb aliajele cu peste 10% Cu au proprietǎti de turnare foarte bune. Aliajele Al-Cu sunt utilizate pentru turnarea unor piese puternic solicitate in constructia de masini si aviatie cum ar fi: tambure de franǎ, pistoane, chiulase, blocuri motoare.
Aliaje Al-Mg pentru turnatorie contin de la 1% panǎ la 13%Mg si unele elemente de aliere sau insotitoare: Si panǎ la 2%, Mn panǎ la 2%, Zn pana la 3%, Li panǎ la 3% si alte elemente ca : Fe, Cu, Cr, Ni, Ti, B, Be, Zr. Ele au proprietǎti mecanice ridicate, densitate micǎ si rezistentǎ la coroziune in altmosfera sau mediu salin. Proprietǎtile de turnare ale acestor aliaje depind de continutul in Mn. Manganul mareste rezistenta mecanicǎ si indepǎrteazǎ actiunea negativǎ a Fe asupra rezistentei la coroziune, Zn imbunatǎteste proprietǎtile de turnare, Cu, Fe, Ni micsoreazǎ rezistenta la coroziune si plasticitatea, ridica refractaritatea, Ti, Zr,B finiseaza granulatia mǎrind tenacitatea, Be micsoreazǎ susceptibilitatea la oxidare a aliajelor topite. Aliajele din sistemul Al-Mg sunt utilizate in industria constructoare de masini, la turnarea unor piese rezistente la coroziune in atmosferǎ, in apǎ de mare si solutii alcaline, cu proprietǎti de rezistentǎ mecanicǎ corespunzǎtoare.
Aliajele Al-Si cunoscute sub denumirea de siluminuri contin obisnuit de la 2 la 14% Si si diferite impuritǎti: Fe panǎ la aproximativ 1,4%, Mg panǎ la circa 0,15%, Cu maxim 0,6%. Foarte utilizate sunt aliajele cu 10-13% Si. Al si Si sunt partial solubili in stare solidǎ si nu formeazǎ compusi. Structura aliajelor cu 11-13% Si este formatǎ din cristale primare de siliciu si masǎ de bazǎ din eutectic grosolan de α+Si. La solidificare eutecticului cristalele de siliciu se depun la limita cristalelor de α sub forma de cristale aciculare si efectueazǎ negativ proprietǎtile mecanice. Aceste neajuns este inlǎturat prin modificari care produc urmatoarele efecte:
Micsorarea grauntilor dentritici;
Subtiera si fragmentarea ramurilor dentritice;
Schimbarea morfologiei si formei eutecticului.
Prin urmare un aliaj cu 12% Si dupǎ modificare are o structurǎ hipoeutectica, fiind alcatuit din solutie solida α si eutectic fin. Siluminurile sunt carcterizate prin proprietǎti bune de turnare, sudabilitate bunǎ si rezistentǎ la coroziune ridicatǎ. Sunt utilizate in constructia de masini pentru turnarea unor piese subtiri cu sectiuni complicate care sǎ aibǎ caracteristici mecanice si rezistente la coroiune bune.
Imbunǎtatirea caracteristicilor mecanice si tehnologice a acestor aliaje poate fi realizatǎ prin aliere cu:Mg, Mn, Cu, Ni. Dintre aliajele Al-Si aliate se mentioneazǎ aliajele Al-Si-Mg, Al-Si-Cu, Al-Si-Cu-Mg-Ni. Aliajele Al-Si-Mg contin 2-14% Si, panǎ la 2% Mg si adausuri de Fe, Mg, Ti. Sunt utilizate la turnatea unor piese puternic solicitate in expluatare, in constructii importante cum ar fi motoarele cu ardere internǎ sau la turnarea unor piese cu rezistentǎ la coroziune ridicatǎ. Aliajele Al-Si-Cu contin 5-12% Si panǎ la 5%Cu si mici adausuri de Mn si Fe. Caracteristicile tehnologice si de exploatare ale acestor aliaje pot fi modificate prin tratamente termice. Sunt utilizate in industria constructoare de masini si aviatie, la piese turnate supuse la solicitari mari cum ar fi: carcase capete de cilindrii, blocuri de motor, pistoane si alte piese rezistente la solicitari la cald in timpul exploatǎrii.
Aliajele din sistemul Al-Zn contin aproximativ 12% Zn, la care se mai adaugǎ 0,1-1,0% Mg, 5-8% Si si uneori Ti, Cr, Fe. Cresterea proportiei de Zn micsoreazǎ caracteristicile de turnare. Proprietǎtile mecanice ale acestor aliaje depind de procedeul de turnare si de tratamentul termic aplicat pieselor. Sunt utilizate pentru obtinerea unor piese cu stabilitate dimensionala ridicatǎ si cu proprietǎti mecanice foarte bune.
Aliaje de aluminiu obtinute prin metalurgia pulberilor
Dintre aliajele pe bazǎ de aluminiu obtinute prin metalurgia pulberilor, cele mai utilizate sunt aliajele Al-Al2O3 cunoscute sub denumirea de aliaje de tip SAP. Aliajele SAP sunt alcǎtuite dintr-o matrice de aluminiu in care sunt dispersate particule de Al2O3. Proportia de Al2O3 variazǎ de la 6-9%(SAP1), panǎ la 18-20%(SAP4). O datǎ cu cresterea continutului in Al2O3 creste rezistenta la rupere de la 30-32 daN/mm2, la 44-46daN/mm2 si scade alungirea de la 5-8 la 1,5-2%. Aliajele de tip SAP in comparatie cu celelalte aliaje de aluminiu au o inaltǎ rezistentǎ la coroziune si refractaritate ridicatǎ, sunt utilizate in industria chimicǎ si aeronauticǎ.
Tot prin metalurgia pulberilor se pot obtine piese din aliaje a cǎror elaborare sau deformare este foarte dificilǎ. In aceastǎ 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 si 5-7% Ni are coeficient de dilatare mic si conductibilitate termicǎ scazutǎ. Aliajele Al-Zn-Mg-Cu-Fe-Ni-Cr cu 7,5%Zn, 2,5%Mg, 1,1%Cu, 1,1-2,2%Fe, 1-2,3%Ni si 0,2%Cr au rezistentǎ mecanicǎ ridicatǎ, sunt refractare, au rezistentǎ la coroziune ridicatǎ si proprietǎti antifrictiune. Prin metalurgia pulberilor se pot obtine si aliaje ale Al cu SiO2, SiC, B4C, AlPO4. De exemplu, aliajele aluminiului cu bor sau carbura de bor sunt utilizate pentru obtinerea unor bare modelatoare de la reactoarele nucleare.
Materiale compozite pe bazǎ de aluminiu
Aluminiul si aliajele sale sunt utilizate si pentru obtinerea unor materiale compozite. Aceste materiale se pot obtine prin mai multe metode: solidificarea unidirectionalǎ 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 intr-o matrice de aluminiu sau aliaje pe baza de aluminiu; la laminarea multistrat a aluminiului cu cadmiu si stamiu.
Extragerea aluminiului prin electroliza aluminei
Alumina purǎ, este supusǎ electrolizei in mediu topit in vedera obtinerii aluminiului.
Alumina dizolvatǎ in criolitǎ topitǎ este supusǎ actiunii unui curent electric continuu, la 940-9600C, fiind descompusǎ in aluminiu si oxigen- reactia generalǎ este:
Al2O3=2Al+3/2O2
La catod se va depune aluminiul metalic, iar la anod se degajeazǎ O2 care reactioneazǎ cu anodul. Principalele teorii ale electrolizei aluminiului sunt:
a)-elecroliza florurii de sodiu cu urmatorale reactii 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
b)-electroliza florurii de aluminiu cu depozit primar de aluminiu la catod si reactia florului asupra aluminei la anod
c)-electroliza criolitei disociatǎ in ionii Na+ si AlF63- si a aluminei partial disociatǎ in ioii Al3+ si AlO33-
d)-electoliza sodei care existǎ in stare ionizatǎ ca urmare a reactiei:
Al2O3+6NaF→2AlF3+6Na++3O2-
e)-electoliza aluminatului de sodiu format dupǎ reactia:
2Al2O3+AlF3*3NaF→2AlF3+3/2Al2O4Na2
Majoritatea acestor teorii admit formarea primara a CO2 la anod.
Rafinarea aluminiului
Aluminiul obtinut prin electroliza aluminei nu depaseste puritatea de 99,5…99,85%.Al; el contine o serie de impuritǎti metalice si nemetalice pentru eliminarea acestor impuritǎti se practicǎ rafinarea clorurantǎ si cea electroliticǎ.
Rafinarea clorurantǎ
Se urmareste indepartarea Mg,Na,K si a incluziunilor nemetalice. Prin creuzetul cu metal topit se barbateazǎ un curent de clor care indeplineste functii multiple: separǎ metalele respective sub formǎ de cloruri; degazeificǎ metalul dacǎ acesta e solubil; antreneazǎ suspensiile de aluminǎ cu ajutorul clorurii de aluminiu, care rezultǎ in stare gazoasǎ. Spre sfrsitul operatiei se introduce azot pentru a se raci baia si se elimina urmele de clor, care ar putea rǎmane in topiturǎ.
Rafinarea electroliticǎ
Rafinarea se realizeazǎ in topiturǎ de floruri si este cunoscuts sub denumirea de rafinare intre straturi. Procesul se desfasoarǎ la 850…9200C, temperaturǎ necesarǎ ca toate cele trei straturi sǎ fie in intregime topite. Pe bazǎ celulei de electolizǎ se introduce topiturǎ de aluminiu care urmeazǎ sǎ fie rafinatǎ prin adaos de cupru (25…35%), acest strat avand o grosime de 60…70mm. Acest electolit contine 60%BaCl2, 23%AlF3 si 17%NaF. Cel de-al treilea starat este format din aluminiu rafinat in stare lichidǎ, care se colecteazǎ la suprafata bǎii. Stratul metalic inferior formeazǎ anodul, cadodul fiind constituit de stratul superior al aluminiului rafinat. Curentul este adus prin bare metalice incastrate in zidǎria vetrei. Se lucreazǎ cu curent continu, de mare intensitate (pana la 45000A), cu o tensiune de 6…7V si densitate de curent de 0,5A/cm3
Sudura aluminiului si aliajelor de aluminiu
Procedeul de sudare cu flacara este larg folosit la sudarea aluminiului si a aliajelor de aluminiu. In cazul folosirii unei flǎcǎri puternice se pot produce strapungeri, deoarece aluminiul are o temperaturǎ de topire mult mai joasǎ decat aliajele din aluminiul. Pentru sudare se recomandǎ ca flacǎra sǎ aibǎ un foarte mic exces de acetilenǎ ceea ce produce formarea oxidului de aluminiu. Masa de lucru a sudorului trebuie sǎ aibǎ tablia din caramizi de samotǎ sau sǎ fie captusitǎ cu foi de azbest. Suflaiurile pentru sudare se aleg cu un numar mai mare, decat cele folosite la sudarea otelului.
Pentru sudarea aluminiului se fabricǎ numeroase mǎrci de fluxuri pe bazǎ de clorurǎ sau fluorurǎ de litiu. O compozitie corespunzǎtoare cuprinde 79% clorurǎ de potasiu, 16% clorurǎ de sodiu si 5% acid de potasiu. Pisele se vor degrasa si decapa complect inainte de sudare pe o portiune de 30mm de la marginile tablelor. Dupǎ sudare tablele trebuie curǎtate bine de flux deoarece fluxurile provoaca coroziuni.
Compozitia metalului de adaos se stabileste in functie de cea a metalului de bazǎ, dupa cum urmeazǎ:
-vergele de aluminiu pur pentru sudarea constructiilor electrotehnice (conductoare, contacte);
-vergele turnate din aliaj de aluminiu-siliciu pentru sudarea pieselor turnate din aluminiu sau aluminiu-siliciu;
-vergele de aluminiu-magneziu si aluminiu-titan pentru sudarea constructiilor din aceste aliaje;
-vergele din aluminiu-cupru pentru sudarea duraluminiului.
In cazul cand nu se dispune de material de adaos corespunzǎtor se decupeazǎ fasii din materialul de bazǎ. Sudarea tablelor cu margini rasfrante se executǎ prin metoda spre stangǎ, farǎ oscilatii tranzversale. Sudarea cap la cap la grosimi de tabla panǎ la 5 mm se executǎ tot spre stanga, insǎ arzǎtorul se tine la inceput aproape in pozitie verticalǎ panǎ la formarea bǎii de sudurǎ. Aceastǎ metodǎ poate fi folositǎ si la grosimi reduse de material, farǎ oscilatii transversale.
In cazul cand in timpul sudurii se produce un defect, se opreste sudarea, se scobeste locul defect si se reancepe sudarea pe o lungime redusǎ a sudurii efectuatǎ, spre a fi siguri cǎ defectul a fost inlǎturat. Dupǎ rǎcirea completǎ, linia de sudura se curatǎ si se spalǎ cu apǎ fierbinte. Piesele turnate se sudeazǎ cu preancǎlzire la 3000C, iar dupǎ sudarea comletǎ se supun unei recoaceri foarte uniforme la temperaturǎ de 5000C, urmate de o rǎcire foarte lentǎ.
Sudarea in mediu de gaz protector
Aliajele de aluminiu, in principiu, pot fi sudate in atmosferǎ protectoare de argon; trebuie insa sǎ se tinǎ seama cǎ rezistenta elementelor sudate se reduce in zona influentatǎ termic la cea a metanului de bazǎ in stare moale. Alegerea procedeului se face in functie de grosimea tablei sau elementelor de sudare.
Procedele de sudare in atmosferǎ protectoare au fatǎ de alte procedee avantajul cǎ pelicula de oxid este distrusǎ datoritǎ efectului de curatire a arcului. Efectul de curatire a baii este determinat de polaritatea curentului. Acest efect are loc numai dacǎ se sudeazǎ in curent continuu, cu electrodul la polul pozitiv sau in cazul sudǎrii cu curent alternativ. Amorsarea arcului la sudurǎ in atmosferǎ inertǎ este foarte usoarǎ. Arcul de sudrǎ in argon are, datoritǎ lungimii si stabilitǎtii lui asiguratǎ de ionizarea usoarǎ a gazelor,avantajele mari fatǎ de arcul in aer cu alte gaze.
Acest procedeu mai are marele avantaj ca poate fi aplicat la sudarea in orice pozitie.Tablele panǎ la 2 mm se pot asambla prin resfarngere si se sudeazǎ farǎ material de adaos. Cele cuprinse intre 6 si 10 mm sau cele mai groase se sudeaza in V tablele cu grosimea de peste 10 mm se sudeaza in X sau in U. Pentru evitarea polilor atat tablele cat si electrozii trebuie sǎ fie curati, lipsitii de grasimi si umezeals.
In vederea sudǎrii, tablele se asambleazǎ pe cat posibil farǎ prinderi, cu ajutorul dispozitivelor de prindere in pozitia doritǎ, tinadu-se seama de dilatǎri si contracti. Tablele panǎ la grosimea de 4 mm nu trebuiesc preancǎlzite. Sudarea se va incepe tot la 50-60 mm de la capatul tablelor
In tabelul urmǎtor se dau valorile orientative pentru alegerea caracteristicelor de sudare.
Grosimea materialelor in mm |
Intensitatea curentului in amperii |
Diametrul electrodului in mm |
Debit de argon in l/min |
Diametrul sarmei de adaos in mm |
Viteza de sudare in mm/min |
1 |
40-50 |
1 |
4-6 |
- |
400 |
2 |
80-90 |
1,6 |
4-5 |
2 |
300-250 |
3 |
120-140 |
2,4 |
6-7 |
2-4 |
260-300 |
6 |
220-340 |
4 |
8-10 |
4 |
200-250 |
8 |
300-350 |
4,8 |
12 |
4-5 |
120-140 |
Pentru pozitia verticalǎ sau pe plafon, intensitatea curentului se reduce cu circa 10%.
Sudarea aluminiului si a aliajelor sale in mediu de argon cu electrod fuzibil se aplicǎ in sudarea tablelor cu grosimi de peste 4 mm; totdeauna se sudeazǎ cu curent continuu legandu-se piesa de polul negativ. Procedeul este foarte potrivit pentru mecanizare si aumatizare. Productiviatea este foarte mare datoritǎ unei incǎrcǎrii specifice cu curent mare, cuprinsǎ intre 50 si 100 A/mm2.
Sudare cu gaze
Sudarea aluminiului si a aliajelor sale.
Pregatirea elementelor in vederea sudǎrii se face asemǎnǎtor ca pentru otel. Prin sudarea oxiacetilenicǎ se pot imbina piese de aluminiu cu grosimi cuprinse intre 2 si 4mm, in cazuri speciale chiar si table de un mm. Prinderile la tablǎ subtire se fac la distante de 50-100mm, tablele peste 5mm pe cat posibil nu se vor prinde. Sudarea se executǎ cu un arzǎtor, cu unu sau cu douǎ numere mai mic, sau de aceasi marime ca si pentru sudarea otelului de aceasi grosime. In general se sudeazǎ spre stanga, exceptie fǎcand piesele sau tablele foarte groase. Deschiderea tablelor in capatul spre care se sudeazǎ va fi putin mai mare pentru compensarea contractiilor.
Se recomandǎ preancǎlzirea elementelor la 200- 3000C si sudarea pe o suprafatǎ rǎu conducǎtoare de cǎldurǎ. Pentru a evita oxidarea bǎii, arzǎtorul nu va fi tinut prea aproape de ea. In ceea ce priveste prelucrare cusǎturii dupǎ executie se obisnuieste sǎ se ecruseze si sǎ se mǎreascǎ duritatea cusǎturii executate prin ciocnire.
Aceastǎ ciocnire se poate face in stare caldǎ, la 3500C, sau dupǎ ce cusǎtura sa rǎcit complect. De asemenea, se va evita ciocnirea cusaturii la temperaturi in jur de 5000C pentru ca aluminiul la aceasta temperaturǎ se sfarama usor. Se va evita ingrosarea mare a cusǎturii, in special a aceleia care se va ciocni ulterior. In general, cusǎtura forjatǎ la cald(3500C) rezistǎ mai mult la coroziune.
Pentru zgurificarea oxidului de aluminiu trebuie sǎ se foloseascǎ, in cazul sudǎrii oxiacetilenice pastǎ sau pulberi de sudat.
O pulbere sau pastǎ bunǎ de sudat trebuie sǎ aibǎ urmǎtoarele calitǎti:
-sǎ dizolve repede si complet oxidul de aluminiu, trecandu-l intr-o zgurǎ fluidǎ cu punctul de topire redus;
-sǎ acopere bine suprafetele pregatite pentru sudare;
-atat zgura cat si resturile de pastǎ sǎ se poatǎ indeparǎ usor de pe cusaturǎ;
-sǎ nu corodeze metalul.
Nu totdeauna pastele sau pulberile indeplinesc toate aceste conditii si mai ales ultima, de aceea cusǎturile tebuie plasate astfel incat sǎ permitǎ accesul in vedera curǎtirilor.
Generalitǎtii…………………………………………………………… …….1
Proprietǎti fizice si caracteristicile mecanice…………………………… …2
Utilizǎri………………………………………………………………………. 3
Aliaje pe baza de aluminiu…………………………………………………. .4
Aliaje de aluminiu deformabile, nedurificabile prin tratament termic…...4
