Post on 29-Aug-2019
MATERIALE METALICE
CURS 10
CUPRUL ŞI ALIAJELE CU BAZA CUPRU
CUPRUL
metal roşiatic, cu mare plasticitate şi conductivitate electrică / termică,
rezistent la coroziune
sistem c.f.c, fără transformări alotropice
ttop=1083˚C; ρ = 8950 kg/m3;
conductivitate termică după Au
conductivitate electrică după Ag:
ρel=1.7241 μΩ x cm (20˚C, stare recoaptă)
corespunde la 100 IACS
structură: cristalite poliedrice cu macle (recoacere)
CUPRUL
CUPRUL
CUPRUL
CUPRUL
Rezistenţă la coroziune:
bună în aer uscat; în aer umed cu CO2 se formează carbonat bazic; rezistă bine în atmosferă / apă de mare
(se formează CuSO4 x 3Cu(OH)2);
rezistenţă mică în NH3, NH4Cl, săruri alcaline, cianuri
se dizolvă în H2SO4, HNO3 (la cald)
Prelucrare tturnare=1150-1230˚C; contracţia de solidificare = 2.1%
deformare la cald: 900-1050˚C; trecrist.=200-300˚C
CUPRUL
Elemente însoţitoare
a. se dizolvă în Cu (Al, Fe, Ni, Sn, Zn, …)
b. nu se dizolvă – formează eutectice uşor fuzibile (Bi, Pb)
c. formează compuşi chimici (O, S, P, …)
CUPRUL
a. cresc rezistenţa şi duritatea, scad conductivitatea electrică (Al, Si, Fe, Sn, …)
CUPRUL
b. formează eutectice pierdute; fragilizează
CUPRUL
Cu-Pb
CUPRUL
O: oxizi Cu2O, CuO (straturi); Cu2O + H2 → 2Cu + H2O (v) (boala de
hidrogen)
Obişnuit – strat < 0.45% Cu2O → neafectat de H2
CUPRUL
Cu oxidat Cu dezoxidat
CUPRUL
P: Compuşi Cu3P, (Cu5P2), Cu2P, CuP, …; eutectic Cu(P)-Cu3P
H: efect diferit în funcţie de elementele dizolvate – Ni creşte solubilitatea; Sn, Zn, Ag, Au scad solubilitatea; Bi, Pb fragilizează în H2
N, C – nu influenţează
Cupru tehnic: de convertizor (CuA, CuB) (97 – 99% Cu)
rafinat electrolitic / termic (99 – 99.95% Cu)
ALIAJE Cu-Zn (ALAME)
Aliajele industriale conţin max. 45% Zn
Diagrama binară: 6 soluţii solide (3 pe bază de compuşi electronici)
α = Cu(Zn), c.f.c.; 32.5% Zn la 905˚C / 39-40% Zn la rece
β = sol.sol. pe baza compusului CuZn (raport electronic 3/2), c.v.c.;
β → β’ (transformare dezordine-ordine la răcire, 453-470˚C)
γ = sol.sol. pe baza compusului Cu5Zn8 (raport electronic 21/13); cubic complex
ε = sol.sol. pe baza compusului CuZn3 (raport electronic 7/4); hexagonal compact
η = Zn(Cu), h.c.;
[δ – stabilă numai la cald]
ALIAJE Cu-Zn (ALAME)
ALIAJE Cu-Zn (ALAME)
Liniile solidus / lichidus apropiate >>> tendinţă mică de segregaţie dendritică
Pentru conţinut de Zn > 32%: α + L → β (+α);
între 32-39%Zn: β → α
Structura alamelor tehnice: α, α+β’ (γ)
Alamele α – deformabile la cald / rece
Alamele α+β’ – deformabile numai la cald
Alamele cu γ (rezultat la rece prin β’ → α + γ) – casante
ALIAJE Cu-Zn (ALAME)
Alama monofazica α deformata Alama monofazica α turnata
ALIAJE Cu-Zn (ALAME)
ALIAJE Cu-Zn (ALAME)
ALIAJE Cu-Zn (ALAME)
ALIAJE Cu-Zn (ALAME)
ALIAJE Cu-Zn (ALAME)
Proprietăţile mecanice: rezistenţa / duritatea cresc cu cantitatea de β’
(cu %Zn)
tenacitatea / rezistenţa la fluaj scad cu %Zn
ALIAJE Cu-Zn (ALAME)
Proprietăţi tehnologice:
Turnabilitate bună
(retasură concentrată, fluiditate bună – singurele aliaje ale Cu care se pot turna bine sub presiune)
Deformabilitate bună inclusiv la rece pt. alamele α /
numai peste 500˚C pentru α+β’
Pb şi Bi dăunătoare numai pentru < 32%Zn;
pentru > 32%Zn – intragranulare
Aşchiabilitate slabă pentru conţinuturi mici de Zn;
se îmbunătăţeşte prin 1-3%Pb
ALIAJE Cu-Zn (ALAME)
Rezistenţa la coroziune ~ bună în atmosferă
scade cu conţinutul de gaze încorporate
Risc: segregaţia Zn (dezincare!)
favorizată de tensiuni interne şi gaze(O2, NH3, SO2, H2, …)
→ necesară detensionare după turnare!
ALAME ALIATE
Se introduc elemente de aliere pentru îmbunătăţirea propr. mecanice,
rezistenţei la coroziune,…
Constituenţii structurali ai alamelor speciale ≈ ai alamelor binare
K – coeficient de echivalenţă (Guillet) = cantitatea procentuală de Zn
care are acelaşi efect cu 1% din elementul de aliere
kSi=10; kAl=6; kSn=2; kFe=0.9; kNi=-1.3;…
ALAME ALIATE
titlul fictiv al alamei (conţinutul fictiv de Zn):
Z – conţinutul real de Zn [%]
ai – conţinutul în elementul de aliere „i” [%]
ki – coeficientul de echivalenţă al elementului „i” [%]
A – conţinutul real de Cu [%]
conţinutul aparent de cupru:
[%]100
i
ii
i
ii
akAZ
akZ
t
i
ii ka
AX
)1(100
100
ALAME ALIATE
Si: influenţează puternic structura (favorizează structura β’)
îmbunătăţeşte turnabilitatea şi aşchiabilitatea
Al: influenţă foarte puternică (inclusiv structurală)
creşte duritatea, rezistenţa, tenacitatea, rezistenţa la coroziune (până la 3.5%)
peste 4% creşte prelucrabilitatea
Ni: dizolvat complet în Cu creşte tenacitatea
Fe: măreşte tenacitatea, reduce granulaţia
după călire şi revenire creşte duritatea
Pb: îmbunătăţeşte prelucrabilitatea
ALIAJE Cu-Sn (Bronzuri cu Sn) Diagrama Cu-Sn: 7 soluţii solide, 3 peritectice, 1 eutectoid
α – Cu(Sn) (max.16%Sn / 586˚C, scade la ~ 1.3%Sn la răcire f. lentă);
β – soluţie solidă pe baza compusului Cu5Sn (rap. electronic 3/2); c.v.c.
δ - soluţie solidă pe baza compusului Cu31Sn8 (rap. electronic 21/13); cubic complex;
ε - soluţie solidă pe baza compusului Cu3Sn (rap. electronic 7/4); hexagonal compact;
η – [compus CuSn]
ω – soluţie solidă Sn(Cu)
Aliajele industriale conţin max. 25-30%Sn; structură α sau α + (α+δ); eutectoidul apare peste 5% Sn
Bronz monofazic recopt
ALIAJE Cu-Sn (Bronzuri cu Sn)
ALIAJE Cu-Sn (Bronzuri cu Sn)
Turnabilitate: fluiditate bună, interval larg de solidificare
(tendinţă de segregare)
Tratamente termice: omogenizare, recristalizare, călire
(peste 600˚C, martensită sau β)
Rezistenţa la coroziune:
rezistă în apă (şi de mare), săruri (neutre),
soluţii de H2SO4, H3PO4
atacat de HNO3, HCl, baze tari;
ALIAJE Cu-Sn (Bronzuri cu Sn)
Bronzuri aliate – coeficienţi de echivalenţă k
kZn=0.87; kNi=1; kPb=0.195,…
Zn: scade intervalul de cristalizare, creşte fluiditatea, scade propr. antifricţiune
P: creşte rezistenţa şi propr. antifricţiune
(Cu3P formează eutectic ternar)
se introduc 0.02 – 0.2%P
creşte fluiditatea
Ni: creşte rezistenţa şi refractaritatea
intensifică impurificarea cu gaze
DIAGRAMA Cu-Al
α c.f.c.
7.4% (1035˚C); 9.4% (565˚C)
β c.v.c., pe baza Cu3Al (raport electronic 3/2)
intre 9 – 15% Al (stoechiometric 12.5%)
stabil numai la cald; la racire cu v < 2˚C/min
transformari martensitice: β1 (c.v.c.); β’ (c.f.c.); β1’ (c.v.c. ordonat)
γ1 sol. solida pe baza compusului Cu2Al (17.52%Al); cubic complex
γ2 sol. solida pe baza compusului Cu32Al19
provine din γ1 (786˚C)
dura, fragila, conductivitate redusa
>>>> PRINCIPAL NEAJUNS al Cu-Al – AUTORECOACEREA
(formarea γ2 interdendritic la racire lenta, structura grosolana, fragila)
δ sol. solida pe baza compusului Cu3Al2 (17.52%Al)
DIAGRAMA Cu-Al
INTERVAL DE SOLIDIFICARE F. MIC (10 – 13 ˚C),
mai mic decat la alame
Importanta practica: max. 20%Al (15%)
Aliajele cu max. 7.4%Al: α la echilibru (asemanatoare cu Cu-Sn);
nu se calesc
plasticitate la rece / cald
la racire rapida – β (creste HB, scade A)
>>>intre 6 – 10% Al: fiecare %Al >>> crestere cu 50MPa a Rm
8 – 11%Al: deformare la cald
>11%Al: turnabilitate maxima, propr. antifrictiune, rezistenta mecanica
ALIAJE Cu-Al
Rezista bine in H2S, SO2, solutii de cloruri si clorati, acizi, apa (si de mare) datorita peliculei Al2O3
Rezista rau in oxidanti puternici, vapori supraincalziti
Propr. mecanice + chimice >>> cele mai bune bronzuri (raport pret / performante)
Alte dezavantaje: absorb usor gaze
+ contractie mare de solidificare
>>> formare de microretasuri si oxizi intergranulari
>>> fisurare
`
se sudeaza greu
ALIAJE Cu-Al
Clasificare
Deformabile la rece: <8% Al, [putine elemente de aliere];
pt. electrotehnica, chimie, monede, piese sub 500˚C
Deformabile la cald: 8 – 11% Al + alte elemente
pt. schimbatoare de caldura
De turnatorie: continut maxim de Al si elemente de aliere; rezistente la coroziune, aschiabile, culoare aurie (Gaudent 8.5-10% Al; 3-4%Ni; 1.5-2.5%Mn; 1-2%Fe)
Pt. roti dintate, lagare solicitate usor, industria navala.
BRONZURI CU PLUMB
Diagrama Cu-Pb: monotectic (925˚C); eutectic pierdut (327˚C).
BRONZURI CU PLUMB
Pentru lagare – cele mai bune proprietati antifrictiune dintre aliajele Cu;
permit viteze mari (8 – 10 m/s) si presiuni mari (2500 – 3000 MPa)
conductivitate termica mare; temp. max. 300˚C; aschiabiltate buna
Interval de cristalizare mare (>700˚C) >>> segregare intensa
>>> necesare viteze mari de racire (>400˚C / min).
BRONZURI CU PLUMB
Aliaje: 1. Binare (25 – 42% Pb)
2. Speciale (Sn, Ni, Ag,…)
1. numai in straturi pe suport
(25%Pb – Rm max.50MPa; A max. 2.5%; max. 23 HB)
2. Ni (1.3 – 6%): limiteaza domeniile de existenta a fazelor
>>> Rm=230-250 MPa; 90-100 HB >>> lagar autoportant
Fe, Co: modificatori ordinul I pt. Cu
Al, Si: elimina incluziunile de gaze
+ grafit, MoS2 !!!
α c.f.c.
max. 5.3% Si la 852˚C;
scade la 3.4% la 300˚C
β c.v.c.
(analog cu Cu-Zn, Cu-Sn, …)
stabil pana la 784˚C
γ cubic complex; 8.15% Si
se form. prin reactie peritectica
(730˚C)
δ cubic complex
stabil la t > 710˚C
k h.c
stabil la t>555˚C;
%65.4
555
%2.5
Ck
Aliaje Cu-Si
Utilizare practica: 1.5 – 6% Si (nu aliaje binare)
Si: creste rezistenta, scade tendinta de oxidare, micsoreaza tendinta
de absorbţie a gazelor (nu sufluri)
Structura: α, α+γ, α+k, β+k
Aliaje Cu-Si
Mn: scade solubilitatea Si in Cu; pana la 1% in solutie solida
>>> creste rezistenta la coroziune, compactitatea, rezistenta mecanica;
peste 1% >>> Mn2Si (interdendritic, durificare)
Everdur: 2.75 – 3.5% Si; 1 – 1.5% Mn, (Ni, Fe, Sn…)
Rm=350-380 MPa; 150-200 HB; A=45%
Aplicatii: arcuri, profile, tije de piston (laminate)
Aliaje Cu-Si
Ni: solubilitate limitata, formare de Ni2Si >>> durificare prin precipitare
Creste rezistenta
Scade plasticitatea (nu e admis mai mult de 2-2.5% Ni2Si)
[max.9% Ni2Si in Cu la 1050˚C; max. 0.5% Ni2Si la 20˚C)]
Calire (850-960˚C) + imbatranire (450-500˚C)
Korzon: 0.6-2%Si, 0.1-0.4%Mn, 2-5%Ni, …
Rezistenta la coroziune, propr. antifrictiune comparabile cu Cu-Sn, conductivitate mare (40 IACS)
Pentru utilaj chimic si piese solicitate la uzare intensa (perii curent)
Ex. 0.4-0.6%Cr; 0.7-1.1%Al; 0.3-0.7%Mg; 4-4.5%Ni; 0.8-1.2%Si
Dupa T.T.: Rm > 1000 MPa; A = 8%; HB > 310
Obisnuit: pentru 1%Si si 4% Ni >>> Rm = 590-720 MPa; 183 – 225 HB (dupa T.T.)
Aliaje Cu-Si
Dezavantaje:
- contractie mare de solidificare (mai mare ca Cu-Sn);
- segregatie datorita greutatii diferite a componentilor
BRONZURI CU Be
Cea mai mare rezistenta la coroziune,
plasticitate foarte mare dupa calire,
rezistenta foarte mare la oboseala,
uzare, fluaj,
rigiditate si duritate mare,
conductivitate electrica ridicata,
antiscantei
BRONZURI CU Be
α c.f.c.
max. 2.7%Be la 866˚C; 0.16% la 20˚C
β c.v.c., solutie solida pe baza CuBe (raport electronic 3/2)
6%Be:
γ (β’?) solutie solida ordonata
δ solutie solida pe baza CuBe3
BRONZURI CU Be
Structura dendritica,
Separari eutectoide (α+γ)
Structura de recoacere sau
calire (750-850˚C)
+ imbatranire (280-350˚C)
α+γ
BRONZURI CU Be
Industrial: max. 3%Be
Laminate: arcuri, scule antiscantei; contacte electrice,
electrozi de sudura
Turnate (structura grosolana): cuzineti, piese supuse la uzare,
[arcuri]
Aliaj turnat cu max. 2.5%Be
% Be Rm
[MPa]
A
[%]
HB
1.3-1.4 700-750 4-5 230-240
1.9-2.3 850-1000 1-2 240-360
2.4-2.5 1050-1100 0-1 380-390
BRONZURI CU Be
BRONZURI CU Be
T.T. omogenizare >>> calire >>> imbatranire
Ex. 2.5%Be Omogenizare 800˚C
Calire pt. punere in solutie (750-850˚C)
>>>α+βsupraracit (max.130HB)
Imbatranire 0.5h / 300˚C 300HB
10h / 300˚C 425HB
(si Ni >>> 500 HB)
Utilizabile pana la 600˚C; nu rezista la coroziune in NH3, saruri de Hg si acizi oxidanti
Fluiditate mare la turnare; contractie solidificare 1.2-1.5%;
tendinta de formare de microretasuri;
Temp. turnare 1100-1200˚C (piese mici), 1030-1050˚C (piese mari)
BRONZURI CU Be
Problemele Be >>> inlocuire partiala cu Ni, Co, Mn, Ti
Co: creste refractaritatea si conductivitatea termica
>>> electrozi sudura
Ni creste refractaritatea
Mn formeaza MnBe;
reduce Be la 1%, pastrand proprietatile mecanice
Ex. Belmont 4977: 1.9-2.15%Be; 0.35-0.65% Co+Ni; 0.2-0.3%Si,…
Max. Rm=1090 MPa, Rp0.2=800 MPa
Rezista in atmosfera, apa, NH3, saruri HG, acizi organici
BRONZURI CU Be
2%Be: ρel = 4-6 μΩ cm; λ = 20 W/mK la 100K
Rm/ρ = 3-12.8 m2/s2, max. 17 dupa T.T.
[7.4-8.1 pt Cu-Zn turnat; 5.5-7 pt.Cu-Si; 2.2-6 pt. Cu-Sn;
max. 4.2 pt. Cu-Al]
[25-36 pt. aliaje Ti; max. 22.6 pt aliaje de Al T.T.]
Efect maxim T.T.: deformare plastica inainte de imbatranire;
- max. Rm=1470 MPa pt. 2%Be (E max = 127 GPa)
- relaxarea unui arc (┴ pe directia de laminare):
2500 ore sub 300-500 MPa, relaxare sub 1.5-4%
Simbolizarea cuprului si aliajelor de cupru
SR EN 1412: 1997 Cupru si aliaje de cupru.
Sistem european de simbolizare numerica
[1 2 3 4 5 6]
1 = C
2 = B – lingou pentru retopire
C – produs turnat
F – adaos pentru lipire / sudare
M – prealiaje
R – Cu brut rafinat
S – materii prime recirculabile
W – produs deformat
X – nestandardizat
3, 4, 5 = cifre fara semnificatie speciala
Simbolizarea cuprului si aliajelor de cupru
6 = grupa de aliaje
A, B – Cu tehnic
C, D – Cu slab aliat (≤5%)
E, F – aliaje diverse (≥5%)
G – aliaje Cu-Al
H – aliaje Cu-Ni
J – aliaje Cu-Ni-Zn
K – aliaje Cu-Sn
L, M – aliaje Cu-Zn
N, P – aliaje Cu-Zn-Pb
R, S – aliaje Cu-Zn complexe
Simbolizarea cuprului si aliajelor de cupru
SR ISO 1190-1:1993 Cupru si aliaje de cupru. Codurile simbolizarilor.
Partea 1: Simbolizarea materialelor
Pe simboluri chimice, similar STAS
SR ISO 1190-2:1993 Cupru si aliaje de cupru. Codurile simbolizarilor.
Partea 2: Simbolizarea starilor
M – brut de fabricatie (nu conditii de temperature si stare de ecruisare)
O – recopt complet (turnat / deformat, structura stabilizata)
Subdiviziune: OS – recoacere suplimentara pentru limitarea marimii grauntilor
H – ecruisat (numai deformate), totdeauna urmat de litera
Subdiviziuni: HA, HB, … (in ordinea crescatoare a Rm);
daca e necesara recoacere de detensionare dupa ecruisare HAR
Simbolizarea cuprului si aliajelor de cupru
T – tratat termic (pentru cresterea rezistentei), cu / fara ecruisare suplimentara
Subdiviziuni:
TA – imbatranit natural dupa prelucrare la cald
TB – calire pentru punere in solutie + imbatranire naturala
TC – racire dupa prelucrare la cald, deformare la rece, imbatranire naturala
TD - calire pentru punere in solutie, deformare la rece, imbatranire naturala
TE - imbatranit artificial dupa prelucrare la cald
TF – calire pentru punere in solutie + imbatranire artificiala
TG – racire dupa prelucrare la cald, deformare la rece, imbatranire artificiala
TH - calire pentru punere in solutie, deformare la rece, imbatranire artificiala
TK – prelucrare la cald, racire, imbatranire artificiala, deformare la rece
TL – calire pentru punere in solutie, imbatranire artificiala, deformare la rece