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