Corelatii Intre Proprietatile Si Structura Electronica a Metalelor
INTRODUCERE
Din cele mai vechi timpuri, începând cu epoca bronzului și până astăzi, metalele au jucat un rol deosebit în dezvoltarea societății. De la cele șapte metale ale lumii antice (aurul, cuprul, argintul, plumbul, staniul, fierul și mercurul) până la uraniu sau la aliajele speciale folosite în construcția navelor cosmice, știința metalelor (metalurgia) a străbătut un drum lung și greu. În condițiile actuale, industria modernă solicită metalurgiei noi metale și aliaje, ale căror proprietăți să corespundă exigențelor tot mai mari ale tehnicii.
Astfel, lucrarea își propune să prezinte proprietățile metalelor, materialelor metalice și aliajelor, comportamentul acestea în anumite situații, structura și caracteristicile lor.
Din punct de vedere fizico-chimic, mecanic si tehnologic, metalele se deosebesc foarte mult unele de altele, printr-o serie de proprietăți ca luciul metalic, proprietatea de absorbi lumina, sunt insolubile în dizolvanți comuni dar se dizolvă în metale formând aliaje. Astfel, unele metale se disting prin conductibilitate electrică excepțional de mare (argintul, cuprul), altele sunt maleabile și ductile, în timp ce elemente precum fierul se caracterizează printr-o duritate și rezistență mare.
METALELE ȘI PROPRIETĂȚILE LOR
Metalele au proprietăți metalice – generate de legătura metalică, și proprietăți particulare – determinate de structura și proprietățile atomilor și ionilor lor. Se numesc metale, elementele chimice care au următoarele proprietăți fizice comune: luciu metalic, sunt bune conducătoare de căldură și electricitate, în general sunt maleabile și ductile, în condiții obișnuite și în stare solidă au o structură cristalină. Metalele se împart în două categorii: metale feroase, în care intră fierul și aliajele sale (oțelurile, fontele) și metale neferoase în care intră toate celelalte metale.
Se numesc aliaje acele materiale metalice, care se obțin prin topirea sau difuziunea metalelor între ele sau a metalelor și metaloizilor (de exemplu: oțelul care este un aliaj al fierului cu carbonul, bronzul, care este un aliaj al cuprului cu staniul) și prin sintetizare.
Metalele precum fierul, aluminiul, cuprul zincul, plumbul, nichelul, etc. au o importanță mare în industrie, ele fiind denumite metale tehnice. Importanța metalelor este determinată de mai mulți factori cum ar fi: cantitatea în care se găsește în natură, ușurința cu care se prelucrează și proprietățile lor. Dezvoltarea tehnicii impune folosirea materialelor cu proprietăți din ce în ce mai variate și superioare. La proiectarea pieselor, trebuie ales aliajul ale cărui proprietăți corespund cerințelor tehnice pe care trebuie să le îndeplinească piesa.
Proprietățile metalelor pot fi grupate în proprietăți fizice, chimice, mecanice și tehnologice.
Deși numărul metalelor este relativ mare (în tabelul periodic al elementelor 80% sunt metale – figura 1), acestea sunt totuși insuficiente pentru a satisface prin proprietățile lor individuale nevoile tehnicii moderne.
În afară de mercur, care este lichid, toate metalele sunt solide. În cristalele metalelor atomii sunt așezați la distanțe mici sub forma de poliedre regulate.
Fig. 1 – Tabelul periodic al elementelor
Majoritatea metalelor cristalizează in trei tipuri de rețele: rețele cubice cu volum centrat, rețele cubice cu fețe centrate și rețele hexagonale (figura 2), însă există și metale care prezintă polimorfism (cristalizează în mai multe tipuri de rețele).
Fig. 2 – Tipuri de rețele metalice
Metalele sunt alcătuite din conglomerate de cristalite (mozaicuri), vizibile la microscop, după tratarea suprafeței metalice cu un acid și șlefuire. Tratamentele termice, mecanice și alierea modifică structura și orientarea cristalitelor și deci, proprietățile metalelor
2.1. Proprietățile fizice ale metalelor
Proprietățile fizice determină relațiile metalelor cu fenomenele fizice din natură. Metalele prezintă o serie de proprietăți fizice caracteristice, datorate structurii rețelei metalice. Elementele cu caracter metalic se caracterizează în stare solidă printr-un ansamblu de proprietăți prin care acestea se deosebesc de toate celelalte substanțe simple sau substanțe compuse.
Din acest ansamblu de proprietăți cele mai reprezentative sunt reprezentate de proprietăți optice deosebite (opacitate, luciu metalic), conductibilitate excepțional de mare (termică și electrică) și insolubilitate în dizolvanți comuni (se dizolvă numai în alte metale cu formare de aliaje).
Metalele au luciu metalic și sunt opace datorită electronilor mobili care reflectă radiațiile luminoase. Au culoare alb-cenușie (proaspăt lustruite) deoarece reflectă integral lumina vizibilă, cu excepția unor metale care absorb masiv lumina (exp. fierul care este negru) sau numai unele radiații (de exp. cuprul este roșu-arămiu fiindcă absoarbe radiația verde, iar aurul și cesiul sunt galbene deoarece absorb radiația albastră). Când sunt în pulbere fină, aproape toate metalele au culoare cenușie-neagră.
Densitatea metalelor variază în limite largi (figura 3), metalele cu densitate mai mică decât 5 sunt metale ușoare (metalele alcaline: litiul are densitatea 0,53 g/cm3 sau potasiul are densitatea 0,86 g/cm3 ), iar cele cu densitatea peste 5 sunt metale grele (platina are densitatea 21,45 g/cm3, iar osmiul are densitatea 22,5 g/cm3).
Fig. 3 – Valoarea densității pentru diferite metale
Fiecare metal se topește la o temperatură fixă, proprietate numită fuzibilitate. În funcție de temperatura de topire metale sunt împărțite în trei categorii: metale ușor fuzibile (sodiul se topește la 980C), metale greu fuzibile (cuprul se topește la 1083C) și metale foarte greu fuzibile (niobiul se topește la 2502C). Proprietatea metalelor de a-și mări dimensiunile atunci când se încălzesc poartă denumirea de dilatare termică.
Toate materialele metalice se magnetizează mai mult sau mai puțin atunci când sunt introduse într-un câmp magnetic. Magnetismul este proprietatea unor metale de a atrage bucăți metalice de aceeași natură. Astfel metalele pot fi împărțite în: diamagnetice (bismut, staniu, crom, plumb), paramagnetice (metalele alcaline, aluminiul, aurul, argintul) și feromagnetice (fierul, cobaltul, nichelul).
Fig. 4 – Proprietățile magnetice ale metalelor
Toate metalele sunt conductibile termic și electric. Conductivitatea electrică este proprietatea metalelor de a conduce curentul electric între două puncte din interiorul acestora, între care există o diferență de potențial. Conductivitatea electrică crește prin micșorarea temperaturii, până când se atinge conductibilitatea maximă denumită supraconductibilitate. Cele mai conductibile metale sunt argintul, cuprul, aurul și aluminiul.
Fig. 5 – Conductibilitatea termică și electrică a metalelor
Conductivitatea termică este proprietatea metalelor de a transmite căldura. Argintul are conductivitatea cea mai ridicată, după care urmează aurul, cuprul, aluminiul, wolframul, magneziul, zincul.
Toate aceste proprietăți variază de la un metal la altul. Conform poziției în tabelul periodic, metalele au un număr mic de electroni pe ultimul strat (stratul de valență), aceștia neputându-și completa octetul (structura gazului nobil care încheie perioada), deci nu pot forma legături ionice. Forțele de legătură care se crează sunt puternice, ducând la apariția legături metalice.
Exista 2 teorii privind legătura metalică:
teoria gazului electronic – conform căreia, toți electronii se comportă ca un gaz de electroni comuni, în care este scufundată rețeaua formată din ioni pozitivi, această teorie explicând conductibilitatea metalelor
teoria benzilor de energie, elaborată de mecanica cuantică, prevede că există o diferență între distribuția electronilor într-un atom izolat al unui metal și distribuția electronilor în cristalul de metal. Atomii izolați ai unui metal au nivele energetice distincte, iar ocuparea lor cu electroni se face în ordinea de creștere a energiilor lor.
În metalul compact, atomii sunt apropiați între ei, astfel încât nivelele lor energetice exterioare se pot combina dând orbitali moleculari, numărul orbitalilor moleculari fiind identic cu numărul orbitalilor atomici din care provin. Într-un cristal metalic numai electronii interiori sunt distribuiți pe nivele bine determinate (discrete), separate de zone interzise, numite benzi de energie. În formarea benzilor de energie sunt implicați orbitalii de tip s și p ai ultimului strat pentru metalele reprezentative, orbitalii de tip d ai penultimului strat și orbitalii s și p (iar uneori și d) ai ultimului strat pentru metalele tranziționale.
Banda energetică formată din orbitali moleculari de legătură formează banda de valență, ocupată cu electroni. Banda energetică formată din orbitali moleculari de antilegătură formează banda de conducție (neocupată cu electroni).
Diferența dintre banda de valență și banda de conducție determină proprietățile conductoare, semiconductoare sau izolatoare ale metalelor.
2.2. Proprietățile chimice ale metalelor
Proprietățile chimice ale metalelor se referă la capacitatea lor de a rezista la acțiunea chimică a diferitelor medii active.
Metalele sunt alcătuite din atomi care conțin un număr mic de electroni pe ultimul strat electronic, iar datorită acestei structuri atomii metalelor au energie de ionizare mică și afinitate pentru electroni mică, adică atomii metalelor se caracterizează prin valori mici ale electronegativității relative. Metalele cedează ușor electroni (sunt electropozitive) și trec în ioni pozitivi, ionizarea lor fiind un proces endoterm. Astfel metalele au un caracter reducător deoarece cedează electroni:
Capacitatea atomilor metalici de a se transforma în ioni este diferită și se exprimă prin valoarea potențialului standard de oxidare. Valoarea potențialelor standard permite aprecierea activității chimice a metalelor, în soluții, față de apă, acizi, hidroxizi, săruri, etc..
Metalele reacționează atât cu substanțele simple cât și cu substanțele compuse.
Fiecare metal și hidrogenul dezlocuiesc din săruri (în soluție) metalele care le urmează în serie și sunt dezlocuite de cele care le preced.
Un metal este mai activ (formează mai ușor ioni care se pot reduce mai greu) dacă este mai la începutul seriei. Metalele din stânga hidrogenului se numesc metale comune (se oxidează ușor cu apa iar cu acizii formează combinații stabile), iar cele din dreapta lui se numesc metale nobile (au o activitate chimică redusă și proprietăți oxidante).
Metalele reacționează cu elementele electronegative, de la care acceptă electroni formând halogenuri, oxizi, hidroxizi, sulfuri, nitruri, etc. În reacție cu hidrogenul metalele formează hidruri cu caracter metalic si compoziții variabile.
Rezistența la coroziune este proprietatea pe care o au metalele de a rezista față de substanțele sau agenții care acționează asupra lor din punct de vedere chimic. Evitarea coroziunii se realizează folosindu-se metale sau aliaje rezistente la coroziune (oțel inoxidabil), acoperirea metalelor cu lacuri și vopsele, cu alte metale sau aliaje (tablă placată) sau cu ajutorul protecțiilor pe bază de curent electric (protecție catodică).
2.3. Proprietățile mecanice ale metalelor
Proprietățile mecanice ale metalelor sunt proprietăți care caracterizează comportarea acestora sub acțiunea forțelor exterioare de natură mecanică sau a șocurilor. Cele mai importante caracteristici mecanice ale metalelor sunt rezistența, plasticitatea și duritatea.
Rezistentele mecanice (la solicitări) ale metalelor sunt diferite, acestea rezistând la șocuri (nu sunt casante). După încetarea solicitării metalele pot suferi deformări fără a se rupe, proprietate a metalelor numită plasticitate. Plasticitatea metalelor se poate manifesta în două feluri:
maleabilitate – proprietate a metalelor de a fi trase în foi, prin presare cu ajutorul unui laminor;
ductilitate –proprietate a metalelor de a fi trase în fire cu ajutorul filierelor
Plasticitatea crește odată cu temperatura, motiv pentru care prelucrarea metalelor se face la cald.
Duritatea este proprietatea materialelor de a se opune pătrunderii în masa lor a unor corpuri străine care tind să le deformeze suprafața. Duritatea este foarte diferită și poate fi exprimată în raport cu diamantul, căruia i se atribuie valoarea 10 (figura 6).
Fig.6 – Duritatea diferitelor metale
Astfel din punct de vedere al durității se întâlnesc metale moi (metalele alcaline), dar și metale foarte dure (cromul, wolframul).
Fluajul reprezintă proprietatea metalelor de a se deforma lent și continuu în timp, sub acțiunea unei sarcini constante. Această proprietate variază cu temperatura și de aceea este necesar să se țină cont de aceasta la proiectare.
2.4. Proprietățile tehnologice ale metalelor
Proprietățile tehnologice se referă la modul de comportare a metalelor în timpul prelucrării (la cald sau la rece). Aceste proprietăți sunt cele care impun în majoritatea cazurilor procedeul tehnologic optim de transformare a metalului. Cele mai importante proprietăți tehnologice ale metalelor sunt: proprietățile de turnare și capacitatea de prelucrare prin deformare plastică.
Proprietățile de turnare sunt importante în alegerea materialelor de turnare. Un material metalic este indicat pentru turnare dacă are o fluiditate bună, o contracție mai mică și o tendință pentru segregare mică.
Fluiditatea este proprietatea unui metal de a umple bine o formă de turnătorie. Importanța acestei proprietăți crește în cazul pieselor complicate.
Contracția reprezintă proprietatea metalelor de a-și micșora volumul la răcire, după solidificare. Când micșorarea se realizează după o singură dimensiune a pieselor turnate avem o contracție liniară. Contracția metalului poate provoca deformări, crăpături, și depinde de temperatura de turnare, de viteza de răcire și de compoziția chimică a metalului.
Tendința de segregare este proprietatea aliajelor de a prezenta neomogenitate chimică, după solidificare, în diferite zone ale pieselor.
Capacitatea de prelucrare prin deformare plastică este capacitatea metalelor de a se deforma și a lua formă nouă, sub acțiunea forțelor exterioare, fără a se rupe. Capacitatea de prelucrare prin deformare plastică poate fi caracterizată prin maleabilitate, ductilitate, forjabilitate, sudabilitate, prelucrarea prin așchiere și călibilitate.
În industrie maleabilitatea și ductilitatea au importanță deosebită, deoarece pe baza acestor proprietăți ale metalelor se pot obține semifabricate, din care apoi se obțin table, profile, sârme.
Forjabilitatea este proprietatea pe care o au metalele de a prezenta, atunci când sunt lovite sau presate, la temperaturi cât mai joase, o rezistență redusă la deformare. Această proprietate este influențată de compoziția chimică a materialului, temperatura și viteza de deformare. Cu cât procentul de carbon este mai mic, temperatura mai ridicată și viteza de deformare mai mică , cu atât oțelul are o forjabilitate mai bună. Fonta și aliajele dure și casante nu pot fi prelucrate prin deformări plastice.
Sudabilitatea este o caracteristică complexă a unui metal sau aliaj care determină, în condiții de sudare, realizarea anumitor îmbinări. Fonta, aliajele de cupru și cele de aluminiu au o sudabilitate mai redusă în comparație cu oțelul cu conținut mic de carbon.
Prelucrabilitatea prin așchiere este proprietatea unui material de a putea fi prelucrat prin așchiere cu ajutorul sculelor tăietoare (burghie, freze, cuțite de strung), în produse semifabricate sau finite.
Călibilitatea reprezintă proprietatea unor materiale de a deveni mai dure, în urma răcirii lor bruște de la o anumită temperatură.
CARACTERISTICILE METALELOR FUNCȚIE DE STRUCTURA ELECTRONICĂ
Metalele pot reacționa cu nemetale, cu apa, cu acizi și cu compuși ai altor metale mai puțin active, formându-se o mare varietate de substanțe.
Condițiile în care se produc reacțiile și proprietățile compușilor obținuți depind de pozițiile ocupate de fiecare metal în sistemul periodic și în seria activității electrochimice, care sunt impuse de structura electronică.
Metalele se clasifică în funcție de configurația electronică a substratului în care se plasează electronul distinctiv în:
metale de tip s (orbitali ns, n=2,3,…,7)
metale de tip p (orbitali np, n=2,3,…,6)
metale de tip d (orbitali (n-1)d, n=4,5,6,7)
metale de tip f (orbitali nf, n=4,5)
3.1. Metale de tip s
Metalele de tip s au electronul distinctiv situat într-un orbital de tip ns (n=2…7 reprezintă numărul ultimului strat electronic). Aceste metale se găsesc în sistemul periodic al elementelor în grupele I A (grupa metalelor alcaline) și a II-a A (grupa metalelor alcalino-pământoase).
Metalele de tip s fiind foarte reactive nu se găsesc în natură în stare liberă, ci numai sub formă de compuși. Ele reprezintă, alături de siliciu, oxigen și aluminiu, componentele principale ale rocilor care alcătuiesc scoarța terestră.
Metalele de tip s prezintă următoarele proprietăți fizice:
sunt metalele cele mai puțin dure (sodiul, potasiul, calciul se taie cu cuțitul);
au luciu metalic numai în tăietură proaspătă, sau dacă li se curăță suprafața;
sunt bune conducătoare de căldură și electricitate;
densitatea acestor metale este mică;
punctele de topire și de fierbere sunt scăzute comparativ cu ale altor metale
În ceea ce privește proprietățile chimice, metalele de tip s au configurația electronică a gazului rar care precede metalul respectiv în tabelul periodic, fiind cele mai electropozitive elemente. Metalele de tip s sunt reducători puternici: ele cedează electronii din stratul ns atomilor tuturor nemetalelor, hidrogenului din apă și acizi (pe care îl dezlocuiesc, degajându-se ca H2), sau ionilor altor metale (pe care îi oxidează la metal și le iau locul în compuși).
Ionilor metalelor de tip s nu le este caracteristică tendința de a forma ioni complecși. Câteva dintre numeroasele domenii de activitate în care se folosesc metalele de tip s și compușii lor, sunt prezentate schematic in figurile 8 și 9.
Fig. 8 – Întrebuințări ale unor metale din grupa I A
Fig. 9 – Întrebuințări ale unor metale din grupa a II A
3.2. Metale de tip p
Metalele de tip p au electronul distinctiv plasat într-un orbital np (n=2, 3,…7). Ele se găsesc în grupele a III-a, a IV-a, a V-a și a VI-a (figura 10).
Metalele de tip p nu se găsesc în natură în stare liberă, ci numai sub formă de compuși.
Aluminiul ocupă locul al treilea între elemente și primul loc între metale, din punct de vedere al abundenței în scoarța terestră. Celelalte metale de tip p au o răspândire fie medie (plumb, galiu), fie redusă.
Aluminiul se obține industrial prin electroliza oxidului de aluminiu pur. Materiile prime principale sunt bauxitele care conțin 49…63% oxid de aluminiu, alături de diferiți compuși pe bază de aluminiu și siliciu. Celelalte metale se obțin prin electroliza soluțiilor apoase de săruri, sau prin reducerea oxizilor.
Metalele de tip p prezintă următoarele proprietăți fizice:
au culoare albă și luciu metalic;
conductibilitatea lor electrică și termică variază între limite largi: aluminiul este foarte bun conducător de electricitate și căldură, în timp ce plumbul este rău conductor de electricitate și căldură;
sunt maleabile, se pot prelucra ușor, obținându-se fire, conducte, etc.;
au temperaturi de topire relativ scăzute; galiul având punctual de topire extrem de scăzut (30C), iar temperatura de fierbere foarte ridicată (2070C), este folosit ca lichid în termometre, care sunt întrebuințate în acest domeniu larg de temperatură.
Din punct de vedere chimic metalele de tip p, pot ceda atât electronii din orbitalii p, cât și pe cei din orbitalul s, ai ultimului strat, deoarece diferența dintre energiile lor este foarte mică. În general, metalele de tip p pot prezenta în compuși două stări de oxidare:
dacă cedează toți electronii din ultimul strat, trec în ioni cu sarcină pozitivă egală cu numărul grupei (prezintă stare de oxidare egală cu numărul grupei);
dacă cedează numai electronii din orbitalii p ai ultimului strat, vor forma ioni cu sarcina mai mică și anume, egală cu numărul grupei minus 2 (prezintă stare de oxidare egală cu numărul grupei minus 2)
Metalele de tip p pot reacționa cu nemetale, cu acizi, cu apa și cu compuși ai altor metale, mai puțin active decât ele. Astfel, metalele de tip p au caracter electropozitiv mai slab decât cele de tip s, deoarece energia necesară pentru cedarea electronilor lor de valență este mai mare decât în cazul metalelor de tip s. Din acest motiv, ele se combină numai cu elementele cele mai electronegative și anume cu halogenii, oxigenul si sulful. Aluminiul este cel mai reactiv metal din grupă, se combină și cu azotul și carbonul la temperaturi foarte înalte.
Prin reacții de combinare, se formează compușii cei mai stabili și anume cei în care metalul se află în starea de oxidare caracteristică.
Dintre metalele de tip p, cele mai multe întrebuințări în practică au aluminiul și plumbul, atât în stare metalică, cât și sub formă de compuși. În figura 11 și 12 sunt redate câteva dintre domeniile în care își găsesc aplicare aceste metale.
Fig. 11 – Întrebuințări ale plumbului
Fig. 12 – Întrebuințări ale aluminiului
3.3. Metale de tip d
În categoria metalelor de tip d intră elementele la care se completează cu electroni orbitalii d ai straturilor (n-1) în care n=4, 5, 6, 7. Ele sunt așezate în sistemul periodic în grupele secundare I B – a VIII-a B (figura 1), situându-se între elementele de tip s și cele de tip p, poziție care le-a adus numele de metale tranziționale.
Datorită reactivității diferite pe care o manifestă metalele de tip d, formele lor de existență în natură sunt variate. Metalele foarte puțin reactive se găsesc în stare nativă în zăcăminte (de exemplu aurul, platina, argintul). Toate celelalte metale se găsesc în minerale sub formă de oxizi, sulfuri, carbonați, silicați, din care se extrag prin procedee care se încadrează în metodele generale de obținere a metalelor (de exemplu electroliza).
Metalele tranziționale au luciu metalic, sunt bune conducătoare de căldură și electricitate, sunt maleabile și ductile, au densitate mare, au puncte de topire si de fierbere ridicate (excepție zincul, cadmiul si mercurul), compușii sunt de obicei colorați (spre deosebire de cei ai metalelor de tip s si p) și formează aliaje cu alte metale.
Din punct de vedere chimic cea mai importantă caracteristică a metalelor tranziționale este proprietatea lor de a funcționa în mai multe stări de oxidare. Având mai mulți electroni în orbitali diferiți, dar de energii comparabile, metalele de tip d au posibilitatea de a participa cu un număr variabil de electroni la interacțiunile chimice: unul sau doi electroni din orbitalul s al ultimului strat, precum și unul sau mai mulți electroni din orbitalii d ai penultimului strat.
Metalele tranziționale pot prezenta o varietate cu atât mai mare de stări de oxidare, cu cât numărul grupei din care fac parte este mai mare.
În condiții normale, metalele de tip d sunt în general puțin reactive față de halogeni, oxigen, sulf, azot, însă la temperaturi ridicate reacționează cu nemetalele. Cu carbonul unele metale formează la temperatură ridicată carburi metalice (de exemplu în fontă există carbură de fier). Cu hidrogenul se formează hidruri cu structură și proprietăți diferite de cele ale hidrurilor metalelor de tip s.
Metalele de tip d pot conduce la o varietate mare de oxizi, datorită posibilității lor de a exista în diferite stări de oxidare, dar nu tuturor stărilor de oxidare posibile le corespund oxizi stabili.
Ionilor metalelor de tip d le este caracteristică proprietatea de a forma combinații complexe. Ionii sunt de dimensiuni mici și au orbitali liberi care pot fi puși la dispoziția electronilor neparticipanți ai altor specii chimice, stabilindu-se astfel legături covalente coordinative între ionul metalic și atomii de nemetal din liganzi.
Metalele de tip d se întâlnesc împreună cu aliajele și compușii lor în cele mai diverse domenii de activitate
3.4. Metale de tip f
Din categoria metalelor de tip f fac parte elementele la care electronul distinctiv intră într-un orbital (n-2)f, (n=6, 7). Elementele de tip f aparțin grupului de metale tranziționale, deoarece se caracterizează prin prezența în atomii, sau ionii lor a unor orbitali f parțial ocupați cu electroni și fac trecerea, alături de metalele de tip d, între metalele de tip s și cele de tip p.
Metalele tranziționale de tip f sunt cuprinse în două serii: seria lantanidelor, care conține elementele la care se completează orbitalii 4f și seria actinidelor, din care fac parte elementele la care se completează orbitalii 5f (figura 1)
Seria lantanidelor cuprinde 14 elemente numite lantanide (de la elementul lantan, metalul tranzițional de tip d care precede această serie) sau pământuri rare. Numele de pământuri rare a fost dat oxizilor lor pentru a sugera cantitățile mici în care se găsesc.
Lantanidele prezintă proprietăți fizice caracteristice metalelor: sunt de culoare albă, cu luciu argintiu, au puncte de topire ridicate. Toate metalele lantanide pot pierde ușor cei doi electroni din orbitalul 6s2 și electronul din orbitalul 5d, astfel încât ele sunt toate trivalente. Toate cele 14 metale din serie prezintă accesași comportare în prezența reactanților:
se oxidează în aer încet, dar ard în oxigen formând oxizi;
se combina cu halogenul, sulful, azotul, fosforul și carbonul, la temperaturi ridicate;
se combină cu hidrogenul la încălzire formând hidruri stabile, unele dintre ele asemănătoare cu cele ale metalelor alcalino-pământoase;
reacționează ușor cu acizii, cu degajare de hidrogen și formare de săruri
Hidroxizii lantanidelor se obțin de obicei prin acțiunea hidroxizilor alcalini sau a amoniacului asupra soluțiilor apoase ale sărurilor lantanidelor, și prezintă caracter bazic.
Oxizii de lantanide se folosesc ca adaosuri la fabricarea sticlelor speciale, a emailurilor și porțelanurilor, precum și la fabricarea de pietre prețioase sintetice și a materialelor pentru lasere. Compușii cu lantanide se folosesc pentru construirea ecranelor televizoarelor, precum și pentru obținerea luminii albe intense necesare proiecțiilor cinematografice.
Elementele din grupa actinidelor, tot în număr de 14 elemente, sunt caracterizate prin completarea orbitalilor 5f. Toate cele 14 elemente din această serie sunt radioactive. Elementele cu număr atomic mai mare decât al uraniului nu se găsesc în natură, ci sunt obținute prin sinteză.
Uraniul este cel mai important metal din serie, găsindu-se în natură sub forma de minereu numit pehblendă, în care oxidul de uraniu se găsește alături de alți oxizi (de fier, plumb, toriu, radiu și oxizi de lantanide). El se extrage din acest mineral prin reducerea oxidului de uraniu cu carbon, dar se obține impurificat cu alte metale. Problema cea mai grea a metalurgiei uraniului este obținerea lui în stare pură, pentru a fi utilizat în reactoare nucleare. În acest scop, compușii obținuți din uraniul impurificat se supun la numeroase operații de purificare, în urma cărora se ajunge în final la hexafluorură de uraniu pură, din care se prepară uraniu metalic pur prin reducere cu calciu.
Uraniul prezintă proprietăți fizice și chimice proprii tuturor metalelor:
este de culoare alb-cenușie și este ductil;
în aer se acoperă cu un strat de oxid;
la temperatură înaltă reacționează cu nemetalele: cu oxigenul din aer formează prin ardere un oxid, cu hidrogenul formează hidrura de uraniu, cu azotul conduce la azoturi de uraniu și cu sulful formează sulfuri de uraniu;
reacționează cu acizii
Uraniul constituie una dintre materiile de bază ale cercetării și industriei nucleare.
ALIAJE
De cele mai multe ori, metalele sunt folosite în industrie sub formă de aliaje, care au calități superioare metalelor pure componente.
Aliajele sunt materiale metalice cu proprietăți asemănătoare metalelor, care se obțin prin dizolvarea reciprocă a două sau mai multe metale. Aliajele pot fi omogene sau eterogene. Ca aliaje omogene se cunosc: aliajul aur – argint (aurul dentar), aurul cu argint și cupru (aurul pentru bijuterii), fierul cu nichelul, fierul cu cobaltul, etc. Exemple de aliaje eterogene sunt: aliajul de lipit (plumb cu staniu), aliajul tipografic (plumb cu staniu și stibiu), aliajul staniu cu zinc, etc.
Metalele învecinate în sistemul periodic formează soluții solide iar cele mai îndepărtate, combinații intermetalice.
4.1. Obținerea aliajelor
Aliajele pot fi obținute prin mai multe procedee industriale dintre care amintim:
obținerea aliajelor prin topire – metalele sunt fie topite separat și apoi amestecate, fie se topește întâi un metal și în topitura lui se dizolvă celelalte componente (de exemplu feroaliajele) ;
obținerea aliajelor din minereuri – minereurile complexe care conțin mai multe metale se prelucrează direct și se transformă în aliaje ale metalelor componente (de exemplu aliajele de cupru și nichel);
obținerea aliajelor prin reducere concomitentă – se supune reducerii un amestec de oxizi metalici care se transformă în metalele respective și se aliază chiar în cuptorul de reducere (astfel se obține aliajul plumbului cu stibiul)
4.2. Proprietăți fizice ale aliajelor
Densitatea (greutatea specifică) a aliajelor este de cele mai multe ori intermediară între densitățile metalelor constituente.
Duritatea aliajelor este mai mare decât a metalelor pure care le compun. Astfel, oțelurile (aliaje ale fierului cu carbonul) au duritate mult mai mare decât a fierului pur. Un adaos de carbon și wolfram dublează duritatea fierului. Mărirea durității prin aliere este unul din motivele pentru care se elaborează aliajele.
Temperatura de topire și conductibilitatea electrică este mai mică în cazul aliajelor, decât temperaturile de topire și conductibilitatea metalelor componente.
Rezistența mecanică a metalelor crește prin aliere, de exemplu alama (aliaj cupru –zinc) este de aproape două ori mai rezistentă decât cuprul pur și de patru ori mai rezistentă decât zincul.
Rezistenta la coroziune se mărește dacă metalele se aliază, aliajele fiind mai rezistente la acțiunea agenților fizici și chimici din atmosferă.
4.3. Aliaje cu importanță industrială
Aliajele fier-carbon sunt cele mai utilizate în industrie: oțelul cu un conținut de carbon până la 2,06% și fonta cu un conținut de carbon cuprins între 2,06 și 6,67%. Fierul și carbonul se pot afla în aceste aliaje sub formă de amestec între ele, sub formă de cementită (Fe3C), de amestec între fier și combinația lor chimică și sub forme și mai complexe. Celelalte elemente care pot exista în aliaj pot influența proprietățile acestor aliaje, atât prin cantitatea în care sunt prezente, cât și prin forma în care sunt aliate cu fierul și carbonul.
Plasticitatea și sudabilitatea oțelurilor sunt mai pronunțate la oțelurile cu conținut de carbon sub 0,5%. Până la acest conținut de carbon oțelurile nu pot fi călite, se toarnă foarte greu, au temperatură de topire ridicată. Oțelurile cu conținutul de carbon mai mare se pot căli, se toarnă mai ușor dar cu o plasticitate mai scăzută. Conținutul mic de carbon (sub 0,05%), precum și depășirea conținutului de carbon peste 1,2%, fac ca oțelurile să nu fie folosite decât în cazuri speciale.
Proprietăți bune de turnare are fonta, nefiind însă plastică.
Cuprul, se utilizează în tehnică datorită în special conductivității ridicate. Se folosește în special sub forma aliajelor și anume: bronzul cu proprietăți bune pentru turnare, proprietăți de antifricțiune și de rezistență la coroziune și alama (aliaj cupru – zinc) care este maleabilă și are rezistență la coroziune. Proprietățile de turnare ale alamei sunt scăzute.
Aluminiul și magneziul sunt aliaje ușoare, maleabile și se toarnă bine.
METALURGIA FONTEI
Minereurile de fier constituie materia primă de bază pentru producerea fontei. Fierul este unul dintre cele mai răspândite elemente constituente ale scoarței terestre, situându-se pe locul patru cu 4,2%, după aluminiu (7,45%); siliciu (26%); și oxigen (49,13)%.
Fonta, în sistemul Fe-C, este un aliaj al fierului cu carbonul, care conține minim 2% carbon. În tehnică, fonta reprezintă un aliaj cu componente multiple, care, pe lângă elementele de baza din sistemul Fe-C, mai are în componență mangan, siliciu, sulf, fosfor, oxigen, azot, hidrogen. Există, de asemenea, fonte aliate care mai au în componenta, în afara elementelor de mai sus, crom, nichel, cupru etc.
După compoziția chimica și destinație, fontele se clasifică în fonte pentru afânare, care sunt utilizate la fabricarea oțelului și în fonte cenușii, destinate turnătoriilor (figura 13). În funcție de combustibilul cu care acestea sunt obținute, pot fi fonte obținute cu ajutorul cocsului sau cu ajutorul manganului. Fontele pentru turnătorie sunt fonte cenușii bogate în carbon și siliciu. Fontele pentru afânare sunt fonte albe, bogate în mangan, destinate fabricării oțelului.
Fontele speciale, aliate, au proprietăți modificate datorită elementelor de aliere. Feroaliajele sunt fonte brute cu un mare conținut de elemente de aliere.
Fig. 13 – Clasificare fonte
Pentru obținerea fontei se folosesc următoarele materiale: minereuri de fier și de mangan, combustibili, fondanți și unele deșeuri pentru recuperarea fierului din ele. Cele mai importante minereuri de fier sunt: magnetita (Fe3O4), hematita (Fe2O3), limonita (2Fe2O3 3H2O), siderita (FeCO3) și pirita (FeS2). Pentru elaborarea anumitor fonte, în afară de minereuri de fier se folosesc și minereuri de mangan. Minereurile de mangan mai importante sunt: piroluzita (MnO2) cel mai răspândit minereu de mangan, și manganita (Mn2O3).
Structura fontei
În fonta, sunt întâlnite următoarele faze: o fază lichidă de carbon, siliciu și componenți de fier, grafitul care constituie o fază stabilă în cadrul aliajelor fier-carbon și cementita (carburile de fier) ca faze metastabile ce iau naștere în cadrul aliajelor fier-carbon.
Proprietățile fontei lichide
Volumul specific reprezintă volumul ocupat de o unitate de greutate de fontă lichidă. Volumul specific este dependent de conținutul de carbon și de temperatura de topire a aliajului respectiv.
Greutatea specifică este inversul volumului specific și se calculează din acesta atunci când volumul specific e cunoscut. De regulă, temperatura fontei lichide este în jur de 1450C, iar pentru determinarea greutății specifice la 1450C se poate folosi relația:
g = 7,16 – ( 0,1 Si + ),
unde Si și C sunt conținutul de siliciu si de carbon din fonta date în %
Conductivitatea și capacitatea termică sunt dependente de compoziția chimică și intervalul de temperatură. Coeficientul de dilatare liniară a fontei cu conținut de carbon între 2,0…4,2% este cuprins între 710 la 10.
Vâscozitatea fontei lichide este dependenta de temperatură și de conținutul de carbon.
Obținerea fontei în furnal
Furnalul este compus din două părți tronconice: cuva și etalajul, între care se află o porțiune cilindrică numită pântece (figura 14). Sub etalaj se află bazinul sau creuzetul.
Cuva se sprijină pe o serie de coloane. Furnalul este construit din zidărie refractară (4), la exterior fiind învelit cu o manta metalica (3). După prepararea materialele necesare pentru obținerea fontei, sunt introduse în furnal prin partea superioară a acestuia.
Elaborarea fontei se produce în urma acțiunii a doi curenți: curentul descendent realizat de minereuri cocs, fondanți și curentul ascendent de gaze. Temperaturile din diverse zone influențează procesele din furnal. Urmărind drumul parcurs de materiale, de sus în jos, deosebim următoarele zone: zona de preîncălzire, in care nu are loc nici o reacție, ci doar materialele se preîncălzesc; zona de reducere, în care are loc reducerea minereului de fier (obținându-se fierul pur), reducere indirectă realizată cu monoxid de carbon, și o reducere directă realizată utilizând carbonului; și zona de topire cu temperaturi foarte mari. În dreptul gurilor de vânt (10) temperaturile sunt mai ridicate. Aici fonta se topește căzând sub formă de picături în bazin, zgura plutind deasupra fontei topite.
Gazele reducătoare ce se obțin în zona gurilor de vânt au temperatură cuprinsă între 1800-2000C, au în componență CO, H2 și N2, componentele reducătoare reprezentând circa 36…54% din cantitatea totală, procentul depinzând de procentul de O2 al aerului insuflat și de cantitatea de combustibili suplimentari introduși în gurile de vânt.
Procedeele de obținere a metalelor din oxizii acestora au la bază procesele de reducere. Oxidul metalului respectiv este supus acțiunii unor agenți reducători, în anumite condiții de temperatură și presiune. Ca agenți reducători pot fi folosiți: carbonul, monoxidul de carbon, hidrogenul, gazul natural sau unele metale cu afinitate mai mare pentru oxigen.
Coborârea materialelor ce formează coloana de material din furnal are loc datorită arderii combustibilului care ajunge în fața gurilor de vânt situate la partea superioară a creuzetului și a formării fontei și zgurii ce se depozitează pe vatra furnalului, deci sub nivelul zonei în care are loc arderea. În urma arderii, are loc formarea oxidului de carbon, având loc si eliberarea hidrogenului din umiditatea aerului insuflat.
Aerul necesar arderii carbonului asigură desfășurarea proceselor de ardere pe întreaga secțiune, în fata gurii de vânt existând un spațiu în care procesele de ardere se desfășoară intens. Astfel in aceste zone are loc finalizarea proceselor de reducere, formarea zgurilor, desulfurare și carburare a fontei, iar în partea inferioară creuzetului are loc separarea fontei de zgură.
Factorii care influențează proporția de dioxid și monoxid de carbon din gaz sunt: temperatura, viteza aerului, dimensiunile bucăților de cocs ce ard, timpul de staționare in zona de ardere.
Variațiile parametrilor aerului insuflat, cantitatea și viteza cu care acesta se introduce în furnal influențează mărimea zonei de ardere, precum și distribuția compoziției gazului în lungul axei gurilor de vânt. Influența acestor parametri este asociata și cu secțiunea de insuflare, astfel încât menținerea constantă sau modificarea secțiunii gurilor de vânt, odată cu modificarea debitului și vitezei aerului, poate modifica diferit caracteristicile dimensionale și concentrațiile de gaze în zona de ardere.
Zgura în furnal: primară, intermediară sau finală, are rol preponderant în asigurarea uniformității funcționarii furnalului: coborâre uniformă a coloanei de material, repartiție uniformă a fluxului de gaz pe secțiune, precum și asigurarea calității cerute fontei produse.
Principalii factori care asigură aceste condiții sunt: temperatura de topire, vâscozitatea și compoziția chimică a zgurilor. Zgura cu o temperatură de topire ridicată ajunge în zona gurilor de vânt suficient de bine încălzită, asigurând stabilitate termică și desfășurarea normală a proceselor termochimice din zonă. Curgerea rapidă spre părțile inferioare se datorează fluidității mari pe care o au, curg mai repede decât bucățile de material și sunt de obicei, mult mai bogate în oxid de fier. Calitatea și cantitatea zgurilor de furnal influențează desfășurarea proceselor de reducere.
Produsele furnalului
Produsele furnalului sunt: fonta, zgura și gazul de furnal.
Fonta este produsul principal al furnalului și poate avea în general două destinații: fonta pentru turnătorie care se descarcă din furnal în oale pentru transportul fontei lichide și fonta pentru producerea oțelului care se transportă de la furnal la un recipient metalic căptușit cu cărămidă refractară numit melanjor.
Zgura este unul din cele două produse secundare ale furnalului. Compoziția zgurii depinde de calitatea fontei, de compoziția materialului utilizat la elaborarea fontei și de combustibilul utilizat.
Gazul de furnal este al doilea produs secundar al furnalului cu următoarea compoziție chimică: 12% sulf, 25…30% monoxid de carbon, 3% apă, 60% azot și vapori de apă. Gazele de furnale sunt folosite la încălzirea aerului pentru furnale, la bateriile de cocs, la cuptoarele din laminoare, la cazanele cu aburi, la motoarele cu ardere internă.
METALURGIA OȚELULUI
Procesele care au loc cu ocazia elaborării oțelului sunt foarte complexe și eterogene și depind de comportarea fierului la diverse temperaturi, de atmosfera din cuptor, de prezența altor elemente (carbon, siliciu, mangan, sulf, fosfor, ș.a.).
Din grupa materiilor prime utilizate pentru elaborarea oțelului, fac parte ca materiale de bază: fonta, fierul vechi, și feroaliajele, iar ca materiale auxiliare sunt folosiți fondanții, oxidanții (minereul de fier, minereul de mangan, arsura de fier, aerul), combustibilii (păcura, gazul de furnal, gazul metan, gazul de cocserie) și curentul electric.
Oțelurile sunt aliaje fier-carbon, cu mai puțin de 2 % C care conțin în afară de fier și carbon și alte elemente (siliciu, mangan, sulf, crom, nichel, etc.) principala caracteristică a oțelurilor fiind deformabilitatea plastică la rece și la cald, prin presare sau tragere.
Conținutul de carbon, mangan, siliciu, fosfor și de sulf în fontă sunt în cantități mai mari decât în oțel. Prin introducerea fierului vechi, în baie pot apărea în compoziția chimică a oțelului și alte elemente chimice (azot, hidrogen, oxigen) cât și cantități însemnate de rugină.
Varietatea mare de proprietăți a oțelurilor este determinată de compoziția chimică și de modul de prelucrare. Comportarea oțelurilor la deformarea plastică, la tratamentul termic sau la prelucrarea mecanică este determinată de compoziția chimică și de modul de elaborare și turnare.
Elaborarea oțelului se poate face fie prin reducere directă, folosind ca materie primă minereul de fier, fie prin reducere indirectă, folosind ca materie primă fonta.
Reducerea directă a minereului de fier constă în introducerea în straturi succesive a mangalului și a minereului de fier în cuptoare verticale. În urma arderii mangalului se obține buretele de fier, din care prin forjare este îndepărtată zgura rezultând oțel de bună calitate, cu conținut scăzut de sulf și fosfor.
Reducerea indirectă este procedeul folosit aproape în exclusivitate, care prin metode pirometalurgice urmărește reducerea conținutului de carbon și elemente însoțitoare ale fontei brute la valorile cerute oțelului.
Clasificarea oțelurilor
Există mai multe criterii de clasificare: după conținutul de carbon, după compoziția chimică, după destinație, după procedeul de elaborare.
După compoziția chimică oțelurile se clasifică în oțeluri nealiate (oțeluri carbon) și oțeluri aliate. Oțelurile nealiate sunt oțelurile care pe lângă fier și carbon conțin cantități mici de alte elemente (mangan, siliciu, fosfor, sulf).
Oțelurile aliate conțin unul sau mai multe elemente de aliere care pot fi fie unul din elementele obișnuite în proporție mai mare decât în oțelul carbon, fie alte elemente: crom, nichel, titan, wolfram, zirconiu, etc.
Fig. 15 – Clasificare oțeluri
După destinație oțelurile se clasifică în oțeluri de uz general, oțeluri cu destinație specială și oțeluri pentru scule (figura 15).
Oțelurile pentru uz general se împart în oțeluri pentru construcții, oțeluri de uz general tratate termic, oțeluri cu rezistență mecanică la temperaturi ridicate, oțeluri refractare și oțeluri rezistente la coroziune.
Oțeluri cu destinație specială se împart în oțeluri pentru șuruburi și piulițe, oțeluri pentru armarea betonului, oțeluri pentru arcuri, oțeluri pentru construcții navale, oțeluri pentru rulmenți etc.
Oțelurile pentru scule se clasifică în: oțeluri pentru scule așchietoare, oțeluri pentru scule de prelucrare la rece, oțeluri pentru scule de prelucrare la cald.
Procedee de elaborare a oțelului
Procesele care au loc cu ocazia elaborării oțelului sunt foarte complexe și eterogene și depind de comportarea fierului la diverse temperaturi, de atmosfera din cuptor și de prezența altor elemente (carbon, siliciu, mangan, sulf, fosfor, etc.)
La elaborarea oțelului, indiferent de materia primă utilizată, pentru ca acesta să fie lichid este necesară o sursă de căldură, care să asigure o temperatură mai mare de 1600C. Din acest punct de vedere procedeele de elaborare se împart în:
procedee la care căldura este adusă din exterior – căldura necesară este obținută prin transformarea energiei electrice – cuptoare electrice cu arc sau cuptoare electrice cu inducție;
procedee la care căldura este dată de procesele de afânare – procedee în care se lucrează cu fontă lichidă iar afinarea se face cu oxigen gazos, proces denumit afinare prin convertizare.
Elaborarea oțelului în cuptorul cu arc
În oțelării se folosesc cuptoare electrice cu arc direct, care funcționează cu curent trifazat. Capacitatea cuptoarelor electrice cu arc variază între 500 kg și 400 t.
Cuptorul electric cu arc funcționează cu curent trifazat având pentru fiecare fază câte un electrod. Cuptorul propriu zis este format din: cuva – 1, din tablă de oțel căptușită cu material refractar; boltă detașabilă – 2, prevăzută cu trei orificii prin care trec cei trei electrozi – 6, susținuți de capetele de prindere – 7, care au rolul de contact electric. Cuva are o deschidere pentru ușa de lucru – 5 și una pentru orificiu și jgheabul de evacuare a oțelului și zgurii – 4.
Arcul electric se formează între electrozi și baia metalică – 3. Cuptorul poate fi basculat în timpul elaborării cu ajutorul unei instalații electro-hidraulice – 8, spre ușa de lucru cu 15 pentru evacuarea zgurii si cu 45…50 spre jgheabul de evacuare.
Elaborarea unei șarje de oțel presupune mai multe etape: încărcarea, topirea, afinarea, dezoxidarea și desulfurarea, corecția compoziției chimice sau alierea, evacuarea.
Elaborarea oțelului în convertizoare cu oxigen
Convertizorul cu oxigen este agregatul de elaborare a oțelului fără sursă exterioară de căldură. Căldura necesară desfășurării proceselor este dată numai de reacțiile exoterme care au loc la afinare.
Elaborarea în convertizorul LD (Linz-Donawitz) se caracterizează prin folosirea fontei lichide ca materie primă de bază (70…80%, restul fier vechi) și afinarea ei cu oxigen tehnic de mare puritate (99,5…99,8%) insuflat în baia metalică pe partea superioară cu o presiune de 8…18 atm cu ajutorul unei lănci răcită cu apă.
Schema de principiu a convertizorului LD este prezentată în figura 17.
Convertizorul cu oxigen LD este un recipient din tablă de oțel căptușit cu materiale refractare bazice (cărămizi de magnezită sau dolomito – magnezice, blocuri de dolomită bătută).
La început se încarcă fierul vechi în două reprize în convertizorul înclinat apoi se introduce fonta lichidă produsă în furnal după care convertizorul se aduce în poziția verticală de lucru și se începe suflarea oxigenului. Oxigenul se suflă în convertizor cu printr-o țeavă de oțel cu pereți dubli prin care circulă apa de răcire, numită lance. Pentru protecție lancea este căptușită la exterior cu materiale refractare tubulare.
Gazele rezultate din procesele de afinare sunt captate de hotă și transportate la sistemul de epurare. Datorită presiunii mari cu care jetul lovește baia, se creează în baie o adâncitură, fonta în zona respectivă fiind împinsă în jos și înspre pereți. Se creează astfel o mișcare descendentă în mijlocul băii și una ascendentă pe pereți, deci se produce o amestecare puternică a băii care conduce la creșterea vitezei de reacție și la omogenizarea băii din punct de vedere al temperaturii și al compoziției chimice. Oxigenul suflat oxidează fierul din fontă.
În primele minute ale suflării oxigenului se adaugă primele cantități de var (50% din total) și de fluorină, CaF2, pentru formarea zgurii, apoi se adaugă și minereu de fier pentru creșterea puterii de oxidare a zgurii care are și rol de agent de răcire.
Dezoxidarea și corecția compoziției chimice se face prin precipitare în oala de turnare. Dezoxidanții se introduc în ordinea următoare: 20% din aluminiu, când oțelul a umplut un sfert din oală de turnare, apoi cocsul pentru carburare, feromanganul, ferosiliciul și restul de aluminiu.
Procedee de rafinare a oțelului
În prezent se aplică o serie de tehnologii și tehnici de tratare a oțelului lichid în afara agregatului de elaborare, după operațiile de topire și afinare, care sunt denumite metalurgie secundară (sau metalurgia în oală). Metalurgia secundară include procese de decarburare avansată, defosforare suplimentară, dezoxidare și desulfurare, degazare, aliere, procese care pot avea loc în oala de turnare sau în agregate specializate pe un anumit tip de operații.
Procedeele de tratare a oțelului în afara agregatului de elaborare pot fi clasificate astfel:
barbotarea cu gaze inerte – insuflarea gazului inert (argon, azot) în oțel se poate face cu ajutorul unei lănci metalice. Prin barbotarea oțelului lichid cu argon are loc accelerarea proceselor de dezoxidare, desulfurare, degazare, îndepărtare a incluziunilor nemetalice și omogenizarea compoziției chimice și temperaturii, ca urmare a intensificării de transferului de masă și de căldură;
tratarea cu zguri sintetice – care sunt formate din oxizi în combinații și proporții diferite funcție de scopul urmărit (dezoxidare, desulfurare, defosforare, decarburare); zgura topită se introduce în oala de turnare și apoi se evacuează oțelul din agregatul de elaborare peste ea;
injectarea de pulberi reactive în oțelul lichid – procedeul constă în introducerea în oțelul lichid din oală a unor pulberi reactive cu ajutorul unui gaz purtător (argon) sub presiune;
tratarea în vid – scopul principal al tratării în vid al oțelului lichid este de a micșorarea conținutul de gaze, azot, hidrogen; în paralel au loc și procese de decarburare, de vaporizare, de omogenizare a compoziției chimice și a temperaturii
Turnarea și solidificarea oțelurilor
La sfârșitul perioadei de elaborare oțelul este evacuat din agregatul de elaborare într-o oală de turnare. Din oala de turnare, după eventualele tratamente aplicate oțelurilor, oțelul se toarnă în lingotiere în vederea solidificării.
Turnarea oțelului se poate realiza prin două metode: turnarea clasică și turnarea continuă. Metoda de turnare clasică presupune introducerea oțelului în lingotiere pe sus, direct sau indirect, sau pe jos.
Ansamblul de turnare este diferit funcție de metoda de turnare utilizată.
Turnarea directă este mai cea mai simplă, oțelul curgând din oala de turnare direct în lingotieră.
Printre avantajele metodei menționăm: admiterea unei temperaturi de turnare mai mici; contact redus cu atmosfera și cu materiale refractare (impurificare scăzută a oțelului); cheltuieli reduse pentru manoperă și materiale.
Faptul că nu se pot turna lingouri mici din cuptoare de capacitate mare, lingoul poate prezenta stropi și scoarțe reprezintă principalele dezavantaje ale metodei. Alt dezavantaj este și faptul că nu se poate urmări bine umplerea lingotierelor motiv pentru care lingourile pot avea înălțimi diferite.
Metoda este recomandată pentru turnarea lingourilor mari, care admit viteză mare de turnare, nu sunt susceptibile la crăpături și cărora li se impun restricții de puritate.
Turnarea pe sus cu pâlnie intermediară – la această metodă, între lingotieră și oala de turnare se intercalează o pâlnie intermediară, care înainte de turnare se încălzește la roșu, iar temperatura oțelului va fi la limita superioară admisă.
Această metodă permite turnarea mai multor lingouri deodată cu aceeași înălțime, se pot turna lingouri mai mici din oale de capacitate mare, oala de turnare se golește într-un timp mai scurt dacă se toarnă mai multe lingouri deodată, iar centrarea jetului de oțel în lingotieră se face mai ușor și durabilitatea lingotierei crește.
Metoda este recomandată pentru lingouri de calitate, în primul rând pentru produse forjate, cu prescripții severe în ceea ce privește defectele interne.
Turnarea prin sifon – este recomandată pentru lingouri mici care se toarnă din cuptoare mari, care necesită viteze mici de turnare (sunt susceptibile la crăpături) fără restricții deosebite de puritate.
Instalațiile de turnare continuă pot fi verticale cu fir drept, cu fir curb, cu cristalizor curb și fir drept sau orizontale.
Principalii factori ai procesului de turnare care împreună cu proprietățile oțelului influențează atât mecanismul solidificării lingourilor cât și calitatea lor sunt temperatura și viteza de turnare. La stabilirea lor trebuie să se țină seama de:
fluiditatea oțelului, care determină modul în care oțelul lichid urcă în lingotieră și posibilitatea de îndepărtare a gazelor și a suspensiilor nemetalice formate în cursul solidificării;
apariția defectelor (în primul rând al celor de suprafață – crăpături la cald, scoarțe, înfășurări – dar și a celor interne – neomogenități structurale și chimice, incluziuni, retasuri etc.) care sunt determinate de cantitatea de căldură ce trebuie evacuată în exterior prin pereții lingotierei într-un anumit timp.
Determinarea domeniului optim al valorilor acestor parametrii – moment deosebit de important în stabilirea tehnologiei de turnare – se face avându-se în vedere:
calitatea și caracteristicile oțelului care se toarnă;
mărimea și destinația lingoului;
metoda de turnare și calitatea utilajului și materialelor folosite;
capacitatea și regimul termic, precum și tehnologia de elaborare a oțelului.
Temperatura de turnare este un factor foarte important pentru că ea influențează fluiditatea oțelului, proprietate ce definește proprietatea de curgere a oțelului. Fluiditatea este o consecință și a compoziției chimice a oțelului, deci fluiditatea este influențată în primul rând de elementele însoțitoare și de aliere.
Astfel, sulful și fosforul în limite uzuale nu influențează fluiditatea, dar la conținuturi mai mari fosforul o mărește iar sulful o micșorează.
Fluiditatea este micșorată de prezența manganului, de azot și de elementele care formează carburi (titan, vanadiu, molibden) sau de elemente care micșorează tensiunea superficială prin formarea de oxizi și azoturi (crom, siliciu, aluminiu) mai ales la conținuturi mari, oțeluri inoxidabile și refractare.
Fluiditatea este influențată de prezența, starea de agregare, repartiția, forma și volumul suspensiilor nemetalice.
Suspensiile nemetalice solide (SiO2, MnO, Al2O3) măresc vâscozitatea oțelului (scad fluiditatea) dacă au dimensiuni apropiate sensibile de dimensiunile elementelor structurale ale oțelului lichid.
Suspensiile nemetalice lichide – silicații de mangan și fier – care sunt supraîncălzite la temperatura de turnare măresc fluiditatea oțelului lichid. Deoarece se urmărește ca oțelul turnat să aibă o fluiditate cât mai mare rezultă că dezoxidarea oțelului trebuie să conducă la produse de dezoxidare lichide care se pot și decanta mai ușor.
Un alt factor important care influențează fluiditatea oțelului lichid este temperatura. Cu creșterea temperaturii scad frecările interne și se măresc gradele de libertate în mișcarea particulelor.
Fluiditatea aliajelor fier carbon este influențată și de conținutul de carbon.
Viteza de turnare sau viteza de umplere se alege în funcție de temperatura de turnare, de metoda de turnare, de calitatea oțelului, de mărimea lingotierei, de mărimea orificiului de turnare al oalei, etc.
Viteza de turnare influențează modul de urcare al oțelului în lingotieră și condițiile de formare a crustei marginale, durata turnării și calitatea lingoului. O viteză de umplere prea mare conduce la formarea unei cruste marginale subțiri care poate crăpa sub acțiunea presiunii ferostatice la fel ca și în cazul unei temperaturi mari de turnare. De aceea, atunci când, din diferite motive, se toarnă oțelul cu temperatură mare este obligatorie o viteză mică de turnare care va conduce la creșterea duratei de umplere. La turnarea unui lingou se lucrează cu viteză variabilă: Reglarea vitezei de curgere a oțelului din oală se realizează prin obturarea parțială a orificiului de turnare cu ajutorul dopului sau plăcii mobile de la închizătorul cu sertar.
În afara primelor și ultimelor porții de oțel turnat nu este permis să se regleze viteza de turnare prin obturarea orificiului oalei de turnare deoarece acest lucru conduce la uzarea prematură a dopului și manșonului, deformarea jetului și stropirea pereților lingotierei și reoxidarea oțelului.
Valoarea vitezei de turnare, respectiv de umplere se stabilește după date statistice și este diferită funcție de metoda de turnare.
Solidificarea oțelurilor
La solidificarea oțelurilor se eliberează o cantitate de căldură care se transmite mediului înconjurător prin intermediul lingotierei care în primă fază a procesului este rece (60…80C).
Cantitatea de căldură eliminată la solidificare este determinată de:
căldura de supraîncălzire dependentă de căldura specifică medie a oțelului lichid și de temperatura de supraîncălzire;
căldura de transformare în fază solidă care trebuie luată în considerare în cazul solidificării lingourilor mari de oțel, deoarece zona solidificată ajunge la temperaturi joase până ce solidifică miezul lichid
La răcirea oțelului lichid în lingotieră, căldura conținută de acesta se transmite în mediul ambiant prin: conducție termică, convecție și radiație.
Conducția termică este transferul direct de căldură în interiorul aceluiași corp, lipsit de mișcări aparente, în masa căruia există diferențe de temperatură, sau în corpuri diferite în contact intim și între care există diferențe de temperatură.
Convecția termică este procesul de transmitere a căldurii sub formă macroscopică prin intermediul unui fluid în mișcare, care vehiculează energia termică din zonele cu temperatură mai mare în cele cu temperatură mai mică.
Radiația termică este modul de transmitere a căldurii sub formă de energie radiantă și are loc în gaze, la lichide sau solide, realizându-se prin unde electromagnetice. Energia radiată de un corp este independentă de mediul înconjurător, fiind dependentă numai de temperatură, natura și forma corpului.
Influența compoziției chimice a oțelului – se manifestă prin efectul segregării elementelor la frontul de solidificare care determină scăderea de temperatură la interfață și întinderea domeniului subrăcirii constituționale.
Lingotierele cu pereți subțiri ca și cele cu pereți ondulați înmagazinează puțină căldură și o radiază puternic spre exterior, deci intensifică răcirea și vor asigura o zonă de transcristalizare redusă ca grosime.
Cu creșterea grosimii stratului de oțel solidificat crește efectul de izolare, gradientul de temperatură în partea solidificată devine din ce în ce mai mic. Oțelul lichid cu temperatura scăzută de topire din centrul lingoului se răcește din ce în ce mai încet, frontul de solidificare avansează cu viteză descrescătoare de la margine spre centru lingoului.
Atunci când temperatura fazei lichide ajunge să fie egală cu temperatura extremităților dendritelor, deci când fluxul termic încetează de a mai fi orientat, încetează solidificarea sub formă de dendrite columnare.
Defectele lingourilor din oțel
Lingourile pot avea o serie de defecte ca urmare a elaborării necorespunzătoare a oțelului cât și a nerespectării condițiilor de turnare. La solidificarea lingourilor de oțel structura și compoziția acestora este neomogenă, apar goluri de contracție la oțelul calmat, sufluri la cel necalmat. Astfel apar defecte în lingourile de oțel. Ele se pot elimina prin mijloace tehnologice astfel încât lingoul să fie utilizabil.
Defectele se pot clasifica în defecte inerente (retasurile, porozitățile, segregațiile și incluziunile nemetalice) și accidentale, care la rândul lor pot fi defecte de suprafață (crăpăturile, stropii, scoarțele, înfășurări ale crustei) și defecte interne (liniile de umbră și fulgii).
Retasurile sunt defecte care constau în golurile care se formează în lingou, ca urmare a contracției acestuia în timpul solidificării, în cazul oțelurilor calmate.
Porozitățile sunt microretasuri (goluri de contracție) din zona transcristalizată sau în centrul lingoului. Acest defect este datorat solidificării prea rapide a oțelului din maselotieră.
Segregațiile sunt neomogenități din punct de vedere chimic în masa lingoului. Această neomogenitate apare ca urmare a faptului că elementele cu temperaturi de topire diferite se separă în timpul cristalizării.
Crăpăturile apar în special la cald și pot fi crăpături verticale și crăpături orizontale, acestea datorându-se tensiunilor interne provocate de variațiile termice în masa lingoului, tensiuni ce depășesc rezistența de rupere a oțelului. Principalii factori care influențează apariția crăpăturilor sunt: construcția lingotierei (poate provoca accentuarea tensiunilor în crustă), metoda și parametrii turnării, proprietățile oțelului la temperaturi înalte (contracție, plasticitate, rezistență) determinate de compoziția chimică și condițiile de turnare.
Crăpăturile de suprafață sau interne, sunt orientate longitudinal sau transversal se clasifică după aspect și condițiile de formare în crăpături la cald și la rece.
Crăpăturile la cald (intercristaline) – se produc atunci când tensiunile care apar la solidificarea lingoului sunt mai mari decât limita de rupere a oțelului (1350 – 1400C).
Crăpăturile orizontale apar dacă este frânată contracția oțelului după axa longitudinală a lingoului.
Pentru a împiedica formarea crăpăturilor se urmărește creșterea caracteristicilor mecanice ale oțelului la temperaturi mari. Caracteristicile depind de marca de oțel, tehnologia de elaborare și turnare, intensitatea de răcire.
MATERIALE METALICE NEFEROASE
Aliajele neferoase reprezintă o categorie importantă de materiale utilizate în toate domeniile tehnice. Consumatorul cel mai important de metale neferoase este industria electrotehnică care folosește cupru sau aluminiu pentru conductori electrici. Consumatorul cel mai mare de metale și aliaje ușoare este industria transporturilor, aviației și auto.
Metalele sau aliajele neferoase se folosesc fie sub formă de diverse semifabricate (bare, profile, table, benzi, cabluri, sârme, etc.), fie sub forma produselor finite turnate, forjate.
Aliajele neferoase se pot clasifica după diferite criterii astfel:
după numărul elementelor de aliere – se disting aliaje binare, ternare, cuaternare, complexe;
după conținutul elementelor de aliere – se grupează în: slab aliate; mediu aliate și înalt aliate;
după natura elementului de bază – materialele metalice neferoasele se clasifică în: aliaje cu bază de cupru, aluminiu, magneziu, staniu, plumb, etc.
Aliajele neferoase mai conțin în oferta metalului de bază și a elementelor de aliere și o anumită cantitate de elemente nedorite numite impurități (care pot fi metalice, nemetalice, gazoase).
Aceste impurități micșorează valorile caracteristicilor fizice, chimice mecanice și tehnologice ale aliajelor neferoase.
Domeniile de aplicare practică ale metalelor și aliajelor metalice neferoase sunt determinate în primul rând de proprietățile lor. Proprietățile pieselor turnate din aliaje neferoase sunt influențate de compoziția chimică și de structură. Prin introducerea unuia sau mai multor elemente de aliere într-un metal se pot obține aliaje cu diferite structuri, compoziții și proprietăți ce vor avea diverse utilizari tehnice.
Formarea structurii aliajelor neferoase este influențată atât de condițiile de elaborare cât și de configurația pieselor și de condițiile de turnare și răcire ale acestora.
7.1 Cuprul și aliaje pe bază de cupru
Cuprul – este un metal de culoare roșie caracteristică, se laminează și se prelucrează foarte ușor atât la cald cât și la rece. Cuprul posedă o conductivitate termică și electrică înaltă și are o rezistență la coroziune bună în diferite medii. Are o densitate mare, se poate turna, deforma plastic și trata termic. Cuprul este cunoscut cu mult înaintea fierului și chiar a bronzului, fiind cel mai important dintre metalele neferoase.
În natură cuprul se găsește în stare nativă și sub formă de minereuri: sulfuri (calcopirita – CuFeS2, calcozina – Cu2S, covelit – CuS), sulfuri complexe cu alte elemente (burbonit, famatinit), carbonați bazici (malachit, azurit).
Cuprul metalic este maleabil, ductil, fiind și un bun conductor de electricitate și căldură, fiind folosit la confecționarea cablurilor electrice, a materialelor de construcții, a țevilor, a monedelor, a ustensilelor casnice.
În vederea obținerii unor materiale cu proprietăți superioare și cu un cost mai scăzut, cuprul se înlocuiește parțial cu alte elemente, rezultând aliajele pe bază de cupru. Acestea se împart în două mari categorii și anume: alame și bronzuri. Alamele pot fi obișnuite (aliaje binare cupru – zinc) sau speciale (aliaje cupru – zinc – aluminiu, mangan, nichel, staniu, siliciu). La rândul lor bronzurile se împart în bronzuri cu staniu și bronzuri fără staniu (aliaje cupru – aluminiu, blumb, beriliu, siliciu). Bronzurile cu staniu pot fi obișnuite (aliaje cupru – staniu) sau aliate (aliaje cupru – staniu – zinc, fier, plumb, nichel, mangan).
7.2 Alamele
Alamele obișnuite sunt aliaje cupru – zinc. În funcție de utilizări alamele monofazice se pot împărți în mai multe categorii. Astfel, alamele cu un conținut de zinc cuprins între 2…10% zinc, sunt cunoscute sub denumirea de tombac roșu. Având o plasticitate ridicată și o mare rezistență la coroziune, ele sunt utilizate pentru țevi de radiatoare (alamele cu 2 și 6 % zinc), pentru diferite table, fire, benzi cât și pentru ornamente și imitarea bijuteriilor (alama cu 10% zinc).
Alamele cu un conținut de zinc variind între 15…20% zinc, suntcunoscute și sub denumirea de tombac galben, având cam aceeași paletă de utilizări ca și alamele cu 10% zinc.
Alama cu 30% zinc este folosită în special la fabricarea cartușelor, de unde a și primit denumirea de alamă de cartușe. Alama cu 37% zinc este ductilă și se presează bine la rece, fiind mai ieftină decât alama cu 30% zinc.
Alamele bifazice sunt utilizate fie pentru turnare în piese, fie pentru deformare plastică la cald, respectiv laminare, extrudare, stampare. Astfel, din alamele bifazice se construiesc roți dințate, șuruburi, piulițe, diverse armături, sârme trase la cald. Cea mai reprezentativă alamă din această categorie, este cea care conține 40% zinc și este cunoscută sub denumirea de metal Muntz sau alamă pentru monede. În tehnică se utilizează foarte rar alamele cu conținut de zinc mai mare de 45%, datorită rezistenței scăzute și fragilității scăzute a acestora.
În vederea îmbunătățirii anumitor proprietăți, se recurge la alierea alamelor obișnuite, obțințndu-se așa numitele alame speciale. Principalele elemente de aliere, alături de cupru și zinc sunt siliciu, aluminiu, staniu, plumb, nichel, mangan, fier.
Alamele cu siliciu se toarnă foarte bine, siliciul mărind fluiditatea alamei topite. De asemenea, siliciul duce la creșterea proprietăților de rezistență, îmbunătățește sudabilitatea alamelor și mărește rezistența lor la coroziune în apă dulce. Alamele cu siliciu conțin în mod obișnuit circa 3% siliciu.
Alamele cu aluminiu au o bună rezistență la coroziune și la oxidare la temperaturi ridicate. Aluminiul determină creșterea durității, a rezistenței la rupere și a rezistenței la uzare. De asemenea, aluminiul îmbunătățește stabilitatea structurii acestor alame la încălzire, prevenind creșterea grăunților. Un exemplu de alamă cu aluminiu este cea care conține 76% cupru, 22% zinc, și 2% aluminiu, care este utilizată, datorită rezistenței mari la coroziune, pentru țevile de condensatoare.
Alamele cu staniu au o rezistență ridicată la coroziune în apa de mare, fiind cunoscute și sub denumirea de alame marine. Prezența staniului în alamă determină creșterea rezistenței la rupere, a limitei de curgere și a durității, însă scade ductilitatea alamelor cu procente mai mari de 1% staniu, datorită formării unui constituent dur și fragil.
Alamele cu plumb se așchiază foarte bine și sunt utilizate în construcția aparatelor de precizie. Aceste alame au proprietăți bune de antifricțiune. În alamele cu plumb destinate prelucrării prin așchiere se introduce între 1,5…3,5% plumb.
Alamele cu nichel sunt rezistente la coroziune la temperaturi ridicate, au o rezistență la rupere ridicată și o tenacitate foarte bună. Alama cu peste 7% nichel este cunoscută sub denumirea de argentan, denumire care vine de la culoarea albă, asemănătoare argintului. Acest tip de alame sunt folosite la fabricarea tacâmurilor și ornamentelor, în telefonie și radiotelegrafie pentru contacte și arcuri, sub formă de benzi și fire pentru rezistențe electrice, fitinguri pentru nave, edificii publice, piese pentru ochelari, chei pentru locuințe.
Alamele cu mangan prezintă proprietăți mecanice superioare, respectiv rezistență la rupere, limită de curgere și alungire la rupere ridicate. Manganul contribuie la creșterea rezistenței la coroziune și creșterea elasticității, găsindu-se în mod obișnuit în acest tip de alame în proporție de maxim 4% mangan. Unele alame speciale conțin și fier în proporție de până la 3,5%. Prezența fierului în acest tip de alamă mărește rezistența la rupere, limita de curgere, tenacitatea și așchiabilitatea.
O grupă importantă de alame aliate o reprezintă alamele complex aliate numite și alame de înaltă rezistență. Sunt alame aliate cu aluminiu, fier, mangan și nichel, fiind utilizate în construcția de nave marine, respectiv elice și cârme de direcție.
O categorie aparte de alame o constitue alamele pentru lipit. Acestea se folosesc pentru executarea așa numitelor lipituri tari, cu temperatură de topire relativ ridicată (800…900ºC). Drept alame pentru lipit se folosesc aliajele de cupru – zinc cu conținut ridicat de zinc (38…42% zinc) și care mai conțin 0,2% siliciu cu rol dezoxidant. Aceste alame se livrează sub formă de granule sau vergele și sunt utilizate pentru lipirea tablelor, țevilor de cupru, alame, bronzuri și chiar piese de fontă.
Proprietățile tehnologice ale alamelor joacă un rol important în stabilirea procedeului de prelucrare a aliajelor respective. În ceea ce privește proprietățile de turnare alamele au tendință redusă de segregare. Având o și o fluiditate bună, alamele se dovedesc a fi aliaje cu proprietăți bune de turnare.
Dintre proprietățile fizico – chimice deosebite ale alamelor, trebuie remarcate rezistența la coroziune a alamelor și culoarea pe care acestea o au, fapt ce a determinat utilizarea acestora la fabricarea obiectelor decorative și chiar a bijuteriilor.
7.3 Bronzurile
Bronzurile cu staniu obișnuite (aliaje cupru – staniu) sunt cele mai vechi aliaje cunoscute de către om, marcând o importantă epocă în istoria civilizației umane. În prezent, utilizarea acestor aliaje este mai redusă, datorită apariției altor tipuri de bronzuri mai ieftine și cu proprietăți mecanice superioare.
În vederea îmbunătățirii proprietăților bronzurilor cu staniu, se recurge la alierea acestora, obtinându-se așa numitele bronzuri cu staniu aliate. Principalele elemente de aliere sunt zincul, fierul, fosforul, nichelul și manganul.
Zincul îmbunătățește turnabilitatea bronzurilor aliate, însă micșorează proprietățile de antifricțiune, fiind utilizat în bronzurile aliate de turnîtorie ân proporții de aproximatv 11%.
Fierul, la conținuturi mai mici de 0,2%, are efecte favorabile, contribuind la finisarea granulației, însă ăn concentrații mai mari degradează proprietățile tehnologice, rezistența mecanică și rezistența la coroziune.
Plumbul este insolubil atât în cupru cât și în staniu. Un procent de până la 2% plumb nu alterează proprietățile mecanice, dar îmbunătățește prelucrabilitatea prin așchiere și compactitatea pieselor turnate.
Fosforul, la conținuturi mai mari de 0,3% formează fosfura de cupru care mărește turnabilitatea și proprietățile mecanice și îmbunătățește proprietățile de antifricțiune.
Nichelul se dizolvă în cupru, având rol de ameliorare a proprietăților mecanice ale bronzurilor, mărește rezistența la coroziune și densitatea pieselor turnate, diminuând segregațiile.
Manganul exercită o activitate dezoxidantă, ducând la creșterea densității bronzurilor și îmbunătățirea proprietăților lor mecanice.
După procedeul tehnologic de obținere a pieselor sau semifabricatelor, bronzurile cu staniu se clasifică în două mari grupe și anume: bronzuri deformabile și bronzuri turnate.
Dintre proprietățile fizico-chimice valoroase ale bronzurilor cu staniu, trebuie remarcată rezistența la coroziune ridicată, sub acțiunea agenților atmosferici și în apă cât si culoarea lor frumoasă.
La turnarea bronzurilor cu staniu, din cauza intervalului mare de solidificare, apare fenomenul de segregație intercristalină. În vederea reducerii segregației, la bronzurile turnate se aplică tratamentul de recoacere de omogenizare.
La bronzurile de antifricțiune, utilizate pentru executarea lagărelor, recoacerea de omogenizare este contraindicată, deoarece duce la micșorarea rezistenței la uzare a aliajelor.
La bronzurile deformabile, deformate plastic la rece, se aplică tratamentul de recoacere de cristalizare nefazică, între operațiile de laminare, în scopul înmuierii materialului. La bronzurile bifazice se mai poate aplica tratamentul de călire și revenire.
Aliajele cuprului cu aluminiu, plumb, beriliu, cu conținut redus în aceste elemente se numesc tot bronzuri, respectiv: bronzuri cu aluminiu, bronzuri cu plumb, bronzuri cu beriliu. Aceste aliaje au cunoscut o largă răspândire în tehnică, înlocuind cu succes bronzurile cu staniu mai scumpe.
Bronzurile cu aluminiu se utilizează în stare turnată, în blocuri sau piese, sau în stare deformată plastic. Aceste bronzuri sunt superioare bronzurilor cu staniu prin proprietățile mecanice și tehnologice mai bune și rezistență mai ridicată la coroziune (de nouă ori mai mare decât a bronzurilor cu staniu). Bronzurile cu aluminiu au însă proprietăți de anifricțiune mai slabe și se obțin deseori impurificate cu oxid de aluminiu. Datorită avantajelor importante pe care le prezintă, bronzurile cu aluminiu sunt cele mai bune înlocuitoare ale bronzurilor cu staniu, fiind folosite la fabricarea pieselor de frecare (roți dințate), armăturilor, pieselor în industria chimică, bucșelor, flanșelor, elicelor de vapoare, paletelor de turbină.
Bronzurile cu plumb sunt utilizate ca aliaje pentru lagărele de alunecare. Principala însușire a plumbului, care este exploatată în bronzurile cu plumb, este capacitatea lui de a micșora frecarea. La conținuturi de plumb de 4…30%, cât conțin în general bronzurile cu plumb, structura este formată din grăunți de cupru în care sunt dispersate particule de plumb. Deoarece aceste aliaje au o tendință puternică de segregare, pentru a contracara acest fenomen, se introduce nichel în proporție de 1…2% și se efectuează o răcire forțată. În vederea îmbunătățirii rezistenței la rupere, se adaugă staniu în proporție de 3…10%.
Bronzurile cu beriliu au devenit aliaje deosebit de valoroase pentru tehnica modernă. Aliajele tehnice conțin 2…3% beriliu, putându-se durifica prin precipitare (călire la 800ºC, îmbătrânire la 300…350ºC). În stare călită acest tip de bronz este foarte plastic. Bronzurile cu beriliu prezintă o foarte mare rezistență la coroziune, elasticitate mare, sudabilitate și așchiabilitate bună, fiind folosite pentru scule anticântei (dălți, ciocane, clești), pentru lucrări miniere cu pericol de explozie, arcuri, diafragme, piese de ceasornicărie.
În afară de bronzurile prezentate mai sus, mai există și bronzuri cu siliciu, bronzuri cu mangan, însă acestea sunt de mai mică importanță și au întrebuintări restrânse.
Alierea cuprului cu nichel (aliajele cupru – nichel) duce la creșterea proprietăților mecanice la mărirea rezistenței la coroziune, a rezistenței electrice și a proprietăților termoelectrice ale cuprului. Aliajele cuprului cu nichelul sunt: copronichelurile și constantanul.
Copronichelurile conțin 15…35% nichel și sunt caracterizate prin capacitate mare de a se deforma plastic la rece și la cald, prin rezistență la coroziune foarte ridicată, prin refractaritate și rezistență la oxidare la cald. Sunt utilizate la confecționarea instrumentelor medicale, tacâmurilor, bijuteriilor.
Constantanul conține 40…45% nichel, posedă o mare rezistivitate electrică și o forță termoelectrică ridicată. Este utilizat la fabricarea reostatelor, cuplurilor termoelectrice și aparatelor de încălzire care lucrează până la 500…700º C.
7.4 Aluminiul și aliajele pe bază de aluminiu
Aluminiul – este cel mai răspândit metal în scoarța pământului constituind 7,5% din litosferă, iar dintre toate elementele este al treilea ca răspândire după oxigen și siliciu. Aluminiul se găsește numai sub formă de combinații din care se poate extrage cu un mare consum de energie.
Caracteristicile de rezistență ale aluminiului sunt relativ scăzute, dar plasticitatea este ridicată determinată de rețeaua cubică cu fețe centrate. Datorită acestei plasticități, aluminiul se prelucrează ușor prin deformare plastică, executându-se din el table, benzi, profile, sârme și alte produse.
Aluminiul posedă o foarte bună rezistență la coroziune, datorită fenomenului de pasivitate. Acest fenomen, constă în formarea la suprafața aluuminiului, sub influența factorilor agresivi, a unei pelicule subțiri, dar compacte și aderente, de oxid de aluminiu, care protejează în continuare metalul împotriva coroziunii ulterioare. Astfel, aluminiul rezistă la coroziunea atmosferică, în apă curată, acid carbonic, acid azotic și compuși ai azotului, în sulfuri și în compuși organici. Cu creșterea durității aluminiului, crește rezistența la coroziune. Datorită acestei proprietăți și plasticității ridicate, aluminiul este utilizat în industria chimică și în industria alimentară. Aluminiul posedă o mare conductivitate electrică, ceea ce a făcut ca acesta să fie utilizat în industria electrotehnică.
Ca impurități, aluminiul conține fier și siliciu, elemente care măresc fragilitatea metalului. Aluminiul tehnic conține minim 98…99,8%aluminiu.
În scopul ridicării anumitor proprietăți, se recurge la alierea aluminiului, obținându-se așa nimitele aliaje pe bază de aluminiu.
În general, prin alierea aluminiului se îmbunătățesc proprietățile de rezistență (limita de curgere, rezistența la rupere și duritatea), însă se reduc alte proprietăți cum ar fi ductibilitatea, conductivitatea electrică.
Aliajele pe bază de aluminiu sunt fie aliaje binare, fie aliaje complexe, principalele elemente de aliere fiind cuprul, magneziul și siliciul (mai rar mangan, nichel, crom, fier și zinc).
Aliajele de aluminiu se împart în aliaje deformabile și aliaje pentru turnare. La rândul lor, aliajele deformabile se subîmpart în aliaje nedurificabile prin tratament termic și aliaje durificabile prin tratament termic.
Aliajele de aluminiu deformabile pot fi aliaje binare aluminiu – mangan, aluminiu – magneziu, aluminiu – cupru și aliaje polinare aluminiu – mangan – magneziu și aluminiu – cupru – magneziu – mangan. Aliajele polinare sunt cunoscute în practica industrială sub denumirea de duraluminuri.
Introducerea magneziului în aliajele aluminiu – cupru și aluminiu – mangan, are rolul de a mări rezistența la rupere și duritatea. Din păcate alungirea la rupere (caracteristica de plasticitate) scade prin adaugarea de magneziu.
Aliajele de aluminiu care conțin mai puțin de 0,5% cupru sunt aliaje monofazice, în timp ce aliajele care conțin între 0,5 și 5,7% cupru sunt aliaje bifazice. Aliajele monofazice se utilizează ca aliaje anticorozive. Aceste aliaje au avantajul că pot fi durificate prin operații de tratament termic.
Cel mai important aliaj din această categorie este duraluminiul, care este utilizat cu succes în aviație, datorită densității lui scăzute și proprietăților mecanice ridicate, apropiate de cele ale oțelurilor carbon obișnuite (netratate termic).
Un alt aliaj de aluminiu deformabil, ale cărui proprietăți se îmbunătățesc prin aplicarea tratamentului termic este Aldrey-ul, cu conținut de aproximativ 0,6% siliciu și 0,4% magneziu. Durificarea lui, prin tratament termic, este legată de formarea, dizolvarea și precipitarea silicatului de magneziu. Acest aliaj se utilizează pentru confecționarea de conductoare electrice cu rezistență mecanică ridicată.
În afară de aliajele de aluminiu prezentate anterior, mai sunt de remarcat aliajele de aluminiu de înaltă rezistență (aliajele aluminiu – cupru – magneziu – mangan – zinc cu 6% zinc) și aliajele de aluminiu rezistente la temperaturi ridicate (aluminiu – cupru – nichel – fier -magneziu) utilizate pentru confecționarea pistoanelor, nichelul asigurând în acest caz un coeficient de dilatare redus și o bună refractaritate.
Aliajele de aluminiu pentru turnare sunt utilizatepentru turnarea de piese, pentru avioane și motoare, exploatându-se greutatea lor specifică redusă, proprietățile mecanice bune și rezistența lor ridicată la coroziune. Cele mai utilizate aliaje de aluminiu de turnare sunt aliajele binare aluminiu – cupru, aluminiu – siliciu și aluminiu –magneziu.
Aliajele aluminiu – cupru de turnare sunt aliaje bifazice utilizate în construcția de mașini, având fluiditate redusă și tendința de a forma crăpături la cald. Introducerea de magneziu în aliajele aluminiu – cupru mărește rezistența la rupere și duritatea, dar scad plasticitatea. De asemenea, prin introducerea de magneziu se mărește rezistența la temperaturi înalte, ceea ce face posibilă utilizarea acestor aliaje pentru turnarea de piese, ce funcționează la temperaturi ridicate (pistoane).
Cele mai utilizate aliaje aluminiu –siliciu de turnare sunt siluminurile care conțin 12…13% siliciu, sunt rezistente la coroziune, având de asemeni, proprietăți foarte bune de turnare.
Aliajele aluminiu – magneziu de turnare conțin 5…12% magneziu, au greutate specifică redusă, rezistență la coroziune și rezistență mecanică bună, dar proprietățile de turnare sunt inferioare siluminurilor. Adaosul de siliciu în aceste aliaje contribuie la îmbunătățirea proprietăților de turnare.
CONCLUZII
Dezvoltarea și progresul industriei impun cunoașterea proceselor de fabricație și elaborare a metalelor și aliajelor acestora. Tehnologia așchierii, prin intermediul sculelor așchietoare, confecționate din oțeluri și aliaje dure sintetizate au favorizat utilizarea pe scară largă a metalelor, aliajelor neferoase, oțelurilor și fontelor aliate.
Pentru rezolvarea cu succes a multor probleme practice legate de progresul științei și tehnicii din diferite domenii este necesară cunoașterea metodelor de obținere și prelucrare a metalelor și a aliajelor acestora, precum și cunoașterea proprietăților lor.
Metalele se găsesc în natură în special sub formă de minereuri care conțin fie un singur mineral util (minereu de fier, cupru, etc.), fie minerale complexe (minereu zinco – plumbos).
Structura materialelor metalice determină proprietățile și modul de comportare a acestora în exploatare, respectiv domeniile de utilizare. Datorită structurii metalice, metalele au o serie de proprietăți caracteristice: luciu metalic, conductibilitate electrică și termică, capacitate de deformare plastică.
În diverse domenii și în special în industria constructoare de mașini metalele sunt utilizate mai ales sub forma de aliaje metalice, datorită proprietăților fizico – mecanice ale acestora.
În general, aliajele se obțin prin amestecarea componentelor în stare topită și solidificarea prin răcire a amestecului rezultat. Elementele de aliere se pot regăsi în structura metalului de bază, sau pot forma compuși chimici cu acesta.
Unele dintre cele mai utilizate aliaje sunt aliajele fier – carbon (fonta și oțelurile), care se obțin la costuri mai mici și au proprietăți mai bune decât fierul pur (rezistența la tracțiune, elasticitate, duritate). Proprietățile fizice și chimice ale fontelor și oțelurilor depind în special de conținutul în carbon.
Oțelurile se obțin din fontă prin micșorarea cantității de carbon și a celorlalte elemente însoțitoare (siliciu, mangan, sulf) până la limitele admise. Transformarea fontei în oțel are loc prin oxidarea carbonului și a elementelor însoțitoare, oxizii formați trecând în zgură sau sub formă de gaze trec în atmosferă.
Procesul tehnologic de elaborare a oțelului are următoarele etape: încărcarea agregatului, decarburarea, dezoxidarea, alierea și evacuarea oțelului. După elaborare, oțelurile sunt turnate în lingouri, în vederea prelucrării mecanice ulterioare.
Aliajele neferoase reprezintă o categorie importantă de materiale utilizate în domeniile tehnicii. Aceste aliaje conțin în afara de metalul de bază și elemente de aliere principale și secundare (dintre care cel puțin unul este metal), și impurități în concentrații uneori foarte reduse, care pot să provină din materiile prime, materiile auxiliare, din atmosferă sau din căptușeala agregatelor de elaborare și turnare.
Prezența impurităților metalice, nemetalice și gazoase în aliajele neferoase determină micșorarea valorilor caracteristicilor, fizice, chimice, mecanice și tehnologice și apariția defectelor de turnare în semifabricatele turnate.
Bibliografie
Alexandru, I., Popovici, R., Baciu, C., Bulancea, V., Cojocaru, V., Călin, M., Carcea, I., Alexandru, A., Paloșanu, G. (1997) – Alegerea și utilizarea materialelor metalice, Ed. Didactică și Pedagogică, București
Baciu, C., Alexandru, I., Popovici, R., Baciu, M. (1996) – Știința materialelor metalice, Ed. Didactică și Pedagogică, București
Candea, V., Popa, C. (1995) – Inițiere în Știința Metalelor, Ed. Vega, București
Ciucescu, D., Ciucescu, E. (2000) – Tipuri de diagrame de echilibru termodinamic al fazelor aliajelor binare utilizate în studiul metalelor, Ed. Didactică și Pedagogică, București
Ciucescu, D. (2006) – Știința și ingineria materialelor, Ed. Didactică și Pedagogică, București
Dumitraș, C. ș.a. (1994) – Prelucrarea materialelor compozite, ceramice și minerale, Editura Tehnică
Fătu, S. (1997) – Studiul materialelor metalice – Fundamente teoretice (vol, I), Ed. Lux Libris, Brașov
Fătu, S., Tudoran, P. (1997) – Studiul materialelor metalice – Tratamente termice (vol, II), Ed. Lux Libris, Brașov
Geru, N. (1981) – Teoria structurală a proprietăților metalelor, Ed. Didactică și Pedagogică, București
Gheorghe, C-tin., Ștefănescu, M. (1997) – Îndreptar de metale, Ed. Tehnică, București
Paul, C. (1991) – Material Science and Engineering, ASM International
Popescu, N., Gheorghe, C., Popescu, O. (1990) – Tratamente termice neconvenționale, Ed. Tehnică, București
Popescu, N. (1994) – Studiul materialelor , Editura Didactică și Pedagogică, București
Ștefănescu, F., Neagu, G., Mihai, A. (1996) – Materiale compozite, Ed. Didactică și Pedagogică, București
Țonea, A. ș.a. (1996) – Studiul materialelor, Editura Didactică și Pedagogică, București
*** (2001) Engineered Materials Handbook, vol.2, ASM International, Ohio
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Corelatii Intre Proprietatile Si Structura Electronica a Metalelor (ID: 162276)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.