Structura Aliajelor Zn Al Solidificate cu Viteze Mari de Racire

Introducere generală

Pentru mulți ani, în Europa, aliajele zinc-aluminiu (ZA) au fost folosite ca materiale alternative pentru aliajele convenționale pentru lagăre, în special pentru bronz [18]. Aliajele Zn-Al antifricțiune sunt potrivite pentru aplicații cu solicitări mari și cu viteze mici. Prezintă o serie de avantaje importante cum ar fi: atât proprietăți tribo-mecanice bune, fluiditate și turnabilitate excelente, o greutate specifică medie, bune proprietăți de prelucrare cât și un cost scăzut la elaborare.

În vederea promovării aliajelor Zn-Al în tehnică, încerc să fac o prezentare succintă print-un grafic al producței de piese turnate în România, prezentat în figura 1.

Fig. 1. Evoluția producției de piese turnate din aliaje neferoase

Așa cum se poate observa, este evidentă tendința majoră de creștere în ultimii doi ani a producției de piese din aliaje de aluminiu (48,725 tone), devenind cele mai turnate din România, în timp ce tendința de scădere li se atribuie pieselor turnate din aliaje de zinc cu o cantitate minoră de 174 tone. Estimând evoluția cantitativă conform anului 2013 a principalelor tipuri de aliaje turnate în piese, România a produs un total de 58,335 tone, cu 0,09 % mai mult decât în anul 2012. Tema abordată și cercetată a tezei de doctorat este de mare actualitate, deoarece presupune promovarea aliajelor Zn-Al în diferite domenii de activitate. Baza tezei de doctorat este formată din numeroase cercetări experimentale care reliefează aspectele cele mai importante ale structurii și proprietăților de exploatare ale aliajelor pe bază de zinc. Vor fi studiate transformările de fază ce apar în timpul solidificării aliajelor studiate de compoziție eutectoidă Zn-Al. În vederea interpretării structurii aliajelor procesate în condiții industriale și îmbogățirii informațiilor referitoare la interdependența viteză de răcire ↔ structură, am propus o diagramă de fază modificată. Evidențierea aplicării diagramei modificate se va face în raport cu variantele de diagrame propuse în literatura de specialitate [11, 12] pentru explicarea segregației dendritice.

Prin prezenta teză de doctorat, structurată în patru capitole și încheiată cu un capitol ce conține concluziile generale și direcțiile viitoare de cercetare, îmi propun să studiez o grupă importantă de aliaje din sistemul binar Zn-Al, axându-mă în mod deosebit pe studiul structurii solidificate cu viteze mari de răcire prin diferite metode de cercetare.

Primul capitol, tratează stadiul actual de cunoaștere din punct de vedere teoretic și practic al cercetărilor efectuate în domeniul aliajelor Zn-Al. Totodată, în acest capitol introductiv am prezentat atât cele mai semnificative aspecte și rezultate întâlnite în literatura de specialitate referitoare la structură, cât și principalele transformări de fază ce pot apărea în aliajele Zn-Al binare, respectiv informații generale despre mărcile de aliaje atât pe plan național cât și internațional, precum și proprietățile și particularitățile aliajelor industriale.

În urma analizei critice a numeroaselor referințe bibliografice, am propus principalele obiective și programul cercetării în vederea realizării prezentei teze de doctorat, enunțate în capitolul al-doilea.

În cadrul capitolului al trei-lea, am prezentat în mod succint descrierea principalelor tehnici de procesare și metode de analiză utilizate în planul de cercetare al tezei în vederea caracterizării aliajelor studiate.

Esența prezentei teze este evidențiată prin capitolul al-patru-lea care urmărește analiza transformărilor de fază cu ajutorul curbelor de răcire. De asemenea, se prezintă importanța analizei teoretice a procesului de solidificare exemplificată în conjunctura în care la toate probele turnate gravitațional, este prezent eutecticul, cu toate că, conform diagramei de echilibru termic la această concentrație a zinc-ului transformarea eutectică nu ar trebui să apară. Totodată am prezentat rezultatele experimentale obținute în urma analizelor trasformărilor de fază prin: analiză dilatometrică, analiză calorimetrică cu scanare diferențială. Tot în cadrul acestui capitol au fost efectuate numeroase teste cu scopul de a evalua și determina proprietățile mecanice și tribologice ale aliajelor cercetate în lucrarea de față.

Capitolul cinci sintetizează principalele concluzii finale ale rezultatelor obținute și contribuțiile teoretice, respectiv practice proprii aflate în concordanță cu tema tezei cercetate, precum și propunerea direcțiilor viitoare de cercetare.

Diseminarea rezultatelor obținute pe toată perioada elaborării tezei de doctorat s-a concretizat prin publicarea de articole științifice în reviste de specialitate sau aflate în curs spre publicare, precum și prezentarea lor în cadrul conferințelor naționale.

CAPITOLUL 1. Prezentarea aliajelor Zn-Al

Aliajele Zn-Al binare

Zincul este unul dintre cele mai vechi metale, fiind și un element important în dezvoltarea civilizației, ce a fost strâns legată de cunoașterea și utilizarea metalelor, respectiv a aliajelor acestora. Zincul aproape omniprezent, justificat sub eticheta de metalul vieții de către Kaur et. al. (2014) în lucrarea [2D], aduce o multitudine de beneficii sociale și economice societății moderne, pe când aluminiul sub formă de metal pur, este puțin utilizat, însă în stare aliată el este cel mai utilizat metal neferos figura 1.1 (a) [6] [47], [2A 48], [49]. Zincul este al 23-lea element frecvent aflat în scoarța terestră cu un conținut de zinc de 0,004, iar aluminiul, cel mai răspândit metal (al treilea după oxigen și siliciu) în scoarța pământului constituind 7,5 % din litosferă și, respectiv, 8,2 % din rocile vulcanice [50], [51]

(a) (b)

Fig. 1.1. Principalele elemente ale aliajelor Zn-Al: (a) zinc pur cu structură hexagonală compactă; (b) alumniu pur cu structură cubică cu fețe centrate [2A], [2A*]

Zincul se deosebește sensibil de alte metale utilizate industrial, atât datorită temperaturii scăzute de topire de 419,5 ºC cât și datorită structurii sale cristaline, fiind unul dintre puținele metale care cristalizează în sistemul haxagonal compact, figura 1.1 (a), deoarece mărimea grăunților este proporțională cu puritatea, respectiv temperatura, având raza atomică de 1,33 Å și distanța interatomică minimă de 2,6593 Å [24], [53], [52].

Dintre toate elementele care pot îmbunătăți calitățile zincului, aluminiul ameliorează capacitatea de turnare și rezistența, reducând în același timp tendința zincului de a dizolva fierul. Principalul element de aliere al zincului, cristalizează în sistemul cubic cu fețe centrate figura 1.1 (b), neprezentând nici o transformare alotropică până la temperatura de topire de 660 ºC. Parametrul de rețea, ''a'' are valoarea de 4,04958 Å și se micșorează cu scăderea purității (impuritățile produc contracția rețelei) [51].

Zincul și aliajele sale reprezintă o categorie importantă de materiale, datorită aplicării lor pe scară largă în diferite domenii: auto 31 %, elemente componenete pentru calculatoare 25 %, echipamnete electrice și electronice 14 % (ventilatoare, blendere, rame de oglinzi, accesorii sanitare, corpuri de baie), garnituri 11 %, articole de îmbrăcăminte 9 % (fermoare), jucării 7 % și altele 3 % (capsatoare, lacăte, crose de golf, mulinete pentru perscuit, greutăți pentru echilibrat roți, etc.), figura 1.2. [2C].

Fig. 1.2. Principalele domenii de utilizare ale aliajelor pe bază de zinc

Ponderea în producția pieselor realizate din aliaje pe bază de zinc, o reprezintă aliajele turnate sub presiune, în special al pieselor turnate din zamak. Datorită proprietăților sale deosebite, aceste aliaje pot fi turnate pentru obținerea pieselor din industria mecanicii fine [24].

Evoluția formei diagramei de echilibru termic a aliajelor Zn-Al

Literatura de specialitate acordă spații largi analizei structurii aliajelor Zn-Al [1-7]. Acest interes se datorează atât complexității transformărilor structurale din acest sistem cât și tendinței de promovare a aliajelor Zn-Al cu conținuturi ridicate de aluminiu (10-30 %).

Complexitatea transformărilor structurale este amplificată de tendința ridicată de segregare a acestor compoziții. În vederea stabilirii dependenței între structura și proprietățile fizico-mecanice ale acestor aliaje s-a avut în vedere utilizarea diagramelor de echilibru termic.

În general, acestea se pot determina prin calcul luând în considerare variația energiei libere atât a fazelor lichide cât și solide cu temperatura și concentrația, sau pe cale experimentală folosind metoda analizei termice, dilatometrice, calorimetrice cu scanare diferențială etc. [8]. Permit, de asemenea, să se urmărească transformările de fază care se produc la încălzire sau la răcire, precum și identificarea fazelor și constituenților structurali care se obțin în urma transformărilor de fază [9].

Aliajele investigate în cadrul acestei lucrări, fac parte din sistemul binar Zn-Al aparent simplu dar complex în același timp. Evoluția istorică a diagramei de echilibru termic a sistemului Zn-Al, a fost studiată și utilizată pe o perioadă de peste 80 de ani, de mulți autori așa cum se se prezintă în variantele de diagrame prezentate în figurile 1.3, 1.4, respectiv 1.5 [10, 11, 12, 13].

Cercetările întreprinse de Isihara (1925) [11], Broniewski et. al. (1937) [12] și Mondolfo (1948) [13], au relatat faptul că, timp de mulți ani, s-au discutat atât problema particularității domeniilor soluțiilor solide, cât și posibilitatea prezenței unei transformări peritectice corespunzătoare sistemului Zn-Al, confimată în acest sens prin asocierea contribuțiilor și rezultatelor investigate de numeroși cercetători.

Figura 1.3. Variante de diagrame de echilibru termic pentru sistemul Zn-Al (Isihara T., 1925)

Figura 1.4. Variante de diagrame de echilibru termic pentru sistemul Zn-Al (Broniewski et. al., 1937)

Figura 1.5. Variante de diagrame de echilibru termic pentru sistemul Zn-Al (Mondolfo L.F., 1978)

Este de subliniat că și în prezent, datorită fenomenelor prezentate mai înainte, lucrările științifice referitoare la analiza transformărilor structurale apelează la două variante de diagramă de echilbru termic, figura 1.6 (a), respectiv (b).

(a) (b)

Fig. 1.6. Variante de diagrame de echilibru termic pentru sistemul Zn-Al după: (a) Hanson; (b) după Presnyakov [8, 9]

Diferența de bază între diferitele variante de diagrame ale sistemului Zn-Al, se manifestă prin existența/lipsa transformării peritectice de la temperatura ridicată de 443 ºC și prin prezența/lipsa fazei β, stabilă în intervalele de temperaturi 275 – 443 ºC și de concentrații 17,2 – 29 % Al.

În cadrul tezei, la analiza transformărilor de fază voi lucra pe baza diagramei de echilibru termic Zn-Al stabilită de Presnyakov, figura (b). Conform diagramei de echilibru termic la aliajele Zn-Al bogate în zinc apar trei transformări importante:

transformarea peritectică, la temperatura de 443 ºC:

L14 % Al + α30 % Al → β28% Al

-transformarea eutectică, la temperatura de 382 ºC:

L5,1 % Al → α 1,02% Al + β17,2% Al

transformarea eutectoidă, la temperatura de 278 (dupa unii autori 272, 275) ºC:

β22% Al → α68,4 % Al + η0,5% Al

Faza η, este o soluție solidă de aluminiu dizolvată în zinc, cristalizează în sistemul hexagonal compact care conține 0,05 % Al la temperatura mediului ambiant, 0,6 % la 278 ºC și 1% Al la 382 ºC [14].

Faza α, bogată în aluminiu, cristalizează în sistemul cubic cu fețe centrate, iar faza β, bogată în zinc, cu structură cubică cu fețe centrate este stabilă numai la temperaturi din intervalul transformărilor eutectoide, respectiv peritectice descompunându-se la temeperatura de 278 ºC în soluțiile solide α și η la aproximativ 22% Al. În faza β concentrația aluminiului variază între limitele 17,2 – 30,5 %.

În condițiile reale de solidificare ale aliajelor de zinc se formează o serie de faze metastabile care în timp, chiar la temperatura de exploatare sau în timpul tratamentelor termice aplicate și în scopul creșterii stabilității dimensionale au tendința să se transforme în faze de echilibru indicate de diagrama de echilibru termic [7-9].

Aliajele Zn-Al industriale

O importanță deosebită în dezvoltarea acestor aliaje a avut-o Organizația de Cercetare Internațională de Plumb și Zinc. Pe baza investigațiilor realizate de acest centru de cercetare, au fost omologate compozițiile ZA 8, ZA12 și ZA 27 [18].

S-a convenit ca aliajele Zn-Al să fie împărțite în două grupe. Primul grup este format din primele patru aliaje cunoscute altădată și sub denumirea comercială de Zamak sau Mazak (numele german din elementele de bază – zinc, aluminiu, magneziu, cupru) sunt denumite prin numerele 2,3,5 și 7, prezentând ordinea în care au apărut pe piață [28], [29]. Cel de-al doilea grup este format din aliaje cu un conținut ridicat de Al său aliajele ZA: ZA8, ZA12 ȘI ZA27. În mod considerabil, aceste aliaje conțin mai mult Al decât primul grup.

Mărci de aliaje utilizate conform: normelor internaționale

Până în prezent, diferite standarde recunoscute pe plan național și internațional au determinat legătura aliajelor pe bază de zinc turnate, tabelul 1.1.

După cum se poate observa și privind analitic asupra celor mai semnificative mărci de aliaje, se poate remarca faptul că, aliajele pe bază de Zn-Al în România sunt slab promovate în comparație cu celelate țări industrializate [32]. De asemenea, aceste aliaje pot fi prelucrate cu succes prin diferite metode de turnare, cum ar fi turnare în forme de nisip, turnare centrifugală, turnare în forme permanente și continuee. În tabelul 1.2 sunt prezentate compozițiile chimice ale principalelor mărci de aliaje de zinc.

În România, sunt standardizate trei mărci de aliaj ZnAl4CuT: ZnAl4T, ZnAl4Cu1T și ZnAl6Cu1T, fiind utilizate sub denumirea specifică de aliaje pe bază de zinc pentru turnarea pieselor în amestec de formare, forme metalice și sub presiune, conform STAS 6925/2-88 [25]. Cel mai des utilizat dintre aceste aliaje este ZnAl4Cu1T [26].

Simbolizarea mărcilor aliajelor de zinc turnate în piese se face prin simbolul chimic al metalului de bază, urmat de simbolurile chimice ale elementelor componente, cu indicarea conținuturilor acestora în procente și de litera T, fig. 16. [25]. În funcție de procedeul de turnare se adăugă aliajului turnat unul dintre următoarele simboluri:

N – aliaj de zinc turnat în amestec de formare;

C – aliaj de zinc turnat în forme metalice;

P – aliaj de zinc turnat sub presiune, și numărul standardului respectiv [27].

Proprietățile aliajelor industriale – aliaje cu proprietăți speciale

Pe scară largă, aliajele speciale cu bază de zinc datorită proprietăților deosebite fizico-mecanice și costului redus de producție, determină utilizarea lor în diferite domenii industriale [A]. În funcție de utilizarea lor aliajele pe bază de zinc pot fi turnate sub presiune, deformabile, aliaje antifricțiune, superplastice, de lipit etc. Sub această denumire sunt cuprinse toate aliajele ce au ca bază sistemul binar Zn-Al.

Prin introducerea unuia sau mai multor elemente de aliere într-un metal se pot obține aliaje de diferite compoziții, structuri și proprietăți ce vor avea utilizări tehnice corespunzătoare. Cum este cunoscut proprietățile pieselor turnate din aliaje neferoase sunt dependente de compoziția chimică și de structură.

Aliaje pe bază de zinc turnate sub presiune

Cele mai des utilizate aliaje sunt cele cu un conținut redus de aluminiu cuprins între intervalul de 4…6% Al, cunoscute sub denumirea tradițională de Zamak-uri, abreviere germană pentru aliajele ale căror elemente principale sunt zinc, aluminiu, magneziu și cupru, ocupând un loc important în industria turnării sub presiune din întreaga lume, în special pentru obținerea unor piese mici, fasonate, ce necesită o stabilitate dimensională în timp [58], [62, ]. Proprietățile fizice sunt prezentate în tabelul 1.3.

Temperatura de topire scăzută, turnarea sub presiune și proprietățile de turnare reprezintă caracteristicile cele mai importante ale acestor aliaje în obținerea formelor complexe cu prelucrabilitate și capacitate de finisare bune. În comparație cu aliajele pe bază de aluminiu, au proprietăți mecanice superioare și nu se lipesc de formă metalică, iar față de cele pe bază de cupru sunt mai ieftine, iar formele metalice utilizate la turnare au o durabilitate mult mai ridicată; în același timp elaborarea acestor aliaje se realizează cu consumuri energetice mult mai mici decât a celor pe bază de aluminiu și cupru [58].

Structura Zamak-urilor este instabilă și se poate descompune sub formă de pulbere la temperaturi de – 70 ° C și se deformează cu ajutorul fluajului la temperaturi mai mari de + 80 ° C. Specialiștii vorbesc de „ ciumă Zamak-ului” [63].

Pe scară largă, dintre aliajele pe bază de zinc turnate sub presiune, Zamak 3 este cel mai utilizat în majoritatea aplicațiilor, reprezentând circa 85% din capacitatea totală de zinc turnat [B].

În comparație cu celelalte aliaje neferoase, zamak-urile prezintă duritate și o bună rezistență la coroziune [C].

În vederea îmbunătățirii proprietăților mecanice și de turnare a aliajelor Zn-Al turnate sub presiune este necesară practica alierii cu diferite concentrații de aluminiu, cupru, siliciu, magneziu, nichel etc. []

Piesele turnate din aliaj de Zamak 5 sunt durabile și mai rigide decât cele turnate din aliajul de Zamak 3; totuși, aceste modificări sunt îmbunătățite cu o reducere a ductiltății ce poate afecta plasticitatea în timpul încovoierii secundare, nituirea, matrițarea și operațiile de bordurare. În lucrarea [D] autorul, a ajuns la concluzia că un adaos de 10 % cupru duce la creșerea microdurității până la102,5 HV

Zamak 5, prezintă o rezistență la tracțiune egală cu cea a Zamak-ului 2 și o rezistență la coroziune egală cu cea a Zamak-ului 3 [68]. Din familia aliajelor Zamak, s-a demonstrat că Zamak 7 prin conținutul scăzut de magneziu are cea mai mare fluiditate necesară îmbunatățirii rezistenței la coroziunea intergranulară și capacitatea de turnare a pieselor cu grosimi de 0,3 mm [E].

Zamak 2, uneori numit Kirksite, poate fi obținut prin diferite procedee de turnare, precum turnarea sub presiune, gravitațională, metalurgia pulberilor etc.. Dintre toate aliajele de Zamak hipoeutectice, Zamak 2 la turnarea sub presiune prezintă cea mai bună rezistență de rupere la tracțiune, rezistența statică la fluaj, duritate (înregistrarea valoarii medii de 108 HB după turnare (Nová et. al., 2010) [J*]) și proprietăți antifricțiune bune. Conform lui Azizi și Haghighi (2015) [4A*], cu trecerea timpului acesta devine mult mai fragil și mai puțin elastic, contractându-se. Caracteristicile la fluaj a aliajelor Nr. 2, ACuZinc5 și AcuZinc10 turnate în forme din nisip, au fost analizate de către Mir și Murphy (2015) [5A*], sugerând că aliajul convențional Nr. 2 are o rezistență la fluaj mult mai mare față de celelalte două aliaje, în timp ce ACuZinc5 a prezentat o rezistență la fluaj puțin mai bună decât ACuZinc10. De asemenea, au menționat că, conținutul de peste 5 % Cu din aceste aliaje bogate în zinc nu a ajutat la îmbunătățirea rezistenței la fluaj, așa cum era de așteptat.

În comparație cu alte aliaje din seria Zamak-urilor, acesta, în urma fenomenului de transformare structurală (îmbătrânire) își păstrează rezistența de rupere la tracțiune. Cu toate acestea, îmbătrânirea bruscă îi reduce fluiditatea și reziliența. De asemenea, conținutul mare de cupru (3 % Cu) îi provoacă unele instabilități dimensionale pentru o perioadă de timp la temperatura ambiantă. [F;], [G;], [H].

Aliajele Kayem și Beric, derivate din aliajele Zamak se diferențiază de acestea prin conținutul ridicat al elementelor de aliere. Totodată, oferă proprietăți bune de turnare pieselor care necesită o rezistență la uzare mai mare decât Zamak-urile, cum ar fi: matrițe, poansoane, modele pentru injectarea materialelor termoplastice și intrumente de debitare .

A fost introdus un nou aliaj în seria Zamak-urilor, denumit HF (aliaj cu fluiditate înaltă) cu o compoziție chimică cuprinsă între 4,3 – 4,7% Al, 0,005 – 0,0012% Mg și max. 0,035% Cu având fluiditatea cu 40% mai bună decât zamak 7 [70].

Aliaje antifricțiune pe bază de zinc

Aceste aliaje au un conținut ridicat de aluminiu și cupru, având și alte elemente de aliere ca staniu, plumb, stibiu, nichel, titan, zirconiu etc. [58]. Poartă această denumire deoarece au rezistență bună la uzare și proprietăți mecanice satisfăcătoare [24].

Cele mai des utilizate sunt aliajele sistemului Zn-Al-Cu, folosite ca material alternativ pentru bronz, fontă și aliaje de aluminiu în aplicații destinate obținerii lagărelor de mașini. Oferă o serie de proprietăți avantajoase, cum ar fi: punctul de topire scăzut, turnabilitate bună, proprietăți superplastice, duritate și rezistență bună, o bună rezistență la oboseală, densitate scăzută, coeficient de frecare scăzut, gradul de uzură scăzut și costuri de producție reduse.

Cercetări asupra acestor aliaje, s-au efectuat cu mult timp în urmă, drept urmare, Mihaichuk (1989) în lucrarea [4B*], a menționat că, ZA8 prezintă atât bune caracteristici de acoperire și finisare, cât și parametri specifici de turnare în forme permanente. Turnarea în forme din nisip, cochile permanente și creuzete din grafit, oferită de aliajul ZA12, se realizează oarecum mai ușor decât în cazul aliajului ZA27. Comparativ cu aliajele convenționale turnate sub presiune, procesarea acestuia prin metode gravitaționale de turnare oferă o bună compactitate a metalului și o stabilitate dimensională. Aliajul ZA27 se recomandă în momentul în care sunt cerute proprietăți mecanice ridicate, tocmai de aceea utilizarea aliajului este destul de limitată datorită scăderii drastice a rezistenței la fluaj la temperaturi ce depășesc 80 °C, ( Bobić et. al., 2009) [2%]. Pe lângă această mențiune, în anumite situații acesta poate necesita tratamente termice de ameliorare a stabilității dimensionale în timpul exploatării.

Büyük et. al. (2015) [1%], au investigat proprietățile mecanice ale aliajului semi-dur de compoziție eutectică ZnAl7%Cu4 procesat prin metoda solidificării dirijate. Pe baza rezultatelor investigațiilor experimentale efectuate, au concluzionat că microduritatea aliajului prezintă un trend crescător de la 84,34 la 99,84 kg/mm2.

Adaosul de Cu aliajelor Zn-Al-Cu contribuie nu numai asupra structurii ci și la creșterea stabilității aluminiului în zinc [71].

În vederea clarificării posibilității că aliajele Zn-Al pot fi folosite ca materiale alternative pentru diferite aliaje neferoase, numeroase studii au făcut referire și la comportamentul tribologic al acestor aliaje, în special aliajului ZA27. Astfel Babic et. al. (2005) [4C*], respectiv Vitthal și Navthar (2014) [3%], au prezentat comparativ rezultatele obținute asupra caracteristicilor tribologice ale aliajelor ZA12, respectiv ZA27 cu CuPb15Sn8. Concluzia referitoare la valorile ratei de uzură (11 mm3/Nm – ZA27, 49,33 mm3/Nm – ZA12), respectiv coeficientului de frecare (0,108 – ZA27, 0,118 – ZA12), au arătat că aliajele Zn-Al reprezintă bune candidate antifricțiune de înlocuire a materialelor utilizate în obținerea lagărelor pentru mașini, a căror rezistență la uzură 20,9 mm3/Nm.

Balaban și Kaplan (2007) [4%], au studiat proprietățile mecanice ale cinci compoziții diferite de aliaje ZA observând că adaosul conținutului de 0,98 – 1,10 %Cu și 0,09 – 1,17 %Si determină creșterea atât a microdurității probelor obținute în urma turnării în cochile metalice de la 105 – 235 HV, cât și a rezistenței la rupere de 282 – 368 Mpa. Referitor la proprietățile tribologice, au ajuns la concluzia că, cea mai mare rezistență la uzură a fost obținută în cazul aliajului cu o concentrație de 25,90 %Al.

Tabelul . Proprietățile mecanice ale aliajelor Zn-Al antifricțiune [49]

Din această categorie de aliaje mai fac parte și alte mărci cunoscute sub numele de Alzen 305 [72], Main Metal, Zialco-10 și Zialco-25 sunt utilizate în obținerea unor piese rezistente la frecare și caracterizate printr-o structură dendritică fină, ce permite menținerea unei pelicule de ulei pe suprafața acestora [73].

Aliajul ILZRO 12 are o bună capacitate de turnare și o insensibilitate la variația vitezei de răcire fără a produce schimbări asupra proprietăților mecanice. Datorită acestei caracteristici aliajul poate fi turnat în forme de nisip și utilizat în obținerea unor piese de tip prototip sau în serii mici [74].

Alte două aliaje antifricțiune cu un conținut de aluminiu cuprins între 2,8…3,3 %Al și o concentrație ridicată de cupru, utilizate în tehnologia turnării sub presiune, la cald, ACuZinc 5 (5% Cu), la rece ACuZinc 10 (10% Cu ) au fost dezvoltate de către Laboratorul de Cercetare General Motors. Adaosul cantității de cupru s-a realizat în scopul îmbunătățirii rezistenței la uzură, respectiv fluaj în familia aliajelor de zinc [75], [69]. Aceste aliaje oferă soluții alternative în proiectarea unor piese cu bune caracteristici având un cost redus în diferite aplicații [76]. Cea mai recent aliaj folosit în turnarea sub presiune este EZAC-ul. Diferite studii au arătat că prezintă cea mai mare rezistență la fluaj față de Zamak 5 și ZA8. Comparativ cu ZA27 este un aliaj foarte dur având limita de curgere de 57 ksi și o duritate cuprinsă în intervalul de 102-134 N/mm2 [77].

Aliajele superplastice pe bază de zinc

Termenul de superplasticitate presupune existența unei granulații fine, de ordinul micronilor, la o structură bifazică, de preferat eutectoidă [I**].

După cum este cunoscut, aliajele care prezintă această proprietate, sunt cele cu un conținut de aluminiu cuprins între 18 – 40 %, utilizate și sub denumirea comercială de SPZ, Korloy 2684 și Formetal 22. În anumite condiții poate avea această caracteristică și aliajul cu un conținut de 5% Al; cel mai des utilzat aliaj superplastic este cel cu un conținut de 22%Al. ZnAl22% este un aliaj pe bază de zinc având ca element de aliere aluminiu și diferite conținuturi de cupru în scopul îmbunătățirii proprietăților mecanice și durabilității materialului [24, J, K].

Conform lui Elzanaty (2014) [A****], duritatea aliajelor crește odată cu creșterea conținutului de aluminiu de la 8 la 48 %. Astfel, valorile durităților aliajelor de diferite compoziții cuprinse între 66 HV și 127 HV, pot fi observate în figura . Într-un alt articol [F*], acesta a specificat că efectul conținutului de 5 %Cu determină o creștere continuuă a durității, respectiv o descreștere a alungirii aliajului cu o concentrație de 40 %Al. În legătură cu caracteristicile tribologice, datorită creșterii conținutului de cupru, evoluția ratei de uzură prezintă un trend descrescător.

Fig. Efectul conținutului de aluminiu asupra durității aliajelor Zn-Al

O analiză a microdurității aliajelor Zn-Al-Cu, a fost raportată și de către Michalik și Chmiela (2015) în lucrarea [B****], prin utilizarea tehnicii de nanoindentare asupra principalelor faze existente în structura aliajelor superplastice, cu diferite conținuturi de aluminiu, 22%, respectiv 40%. Astfel, în cazul structurii aliajului ZnAl22Cu3 obținută după turnare, au constat că cea mai bună duritate o prezintă spațiul interdendritic cu o valoare de 160 HV, comparativ cu valoarea înregistrată în cazul dendritelor de 60 HV. Aceeași situație satisfăcătoare, se întâlnește și în cazul aliajului ZnAl40Cu3 cu o valoare a microdurității regiunilor interdendritice de 156 HV și 115 HV corespunzătoare dendritelor prezente în microstructura aliajului.

Sinteza particularităților structurale ale aliajelor industriale

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. Particularitățile structurale la temperatura mediului ambiant sunt determinate atât de parametrii intervalului de cristalizare cât și de tipul transformărilor de fază în stare solidă.

În general, structura se referă atât la macrostructura piesei turnate cât și la microstructura acesteia. Microstructura unui aliaj este determinată de natură, forma, distrubuția și proporția constituenților metalografici. Se poate vorbi de o microstructură primară, care se obține direct prin procesul de solidificare în urma turnării pieselor și de o microstructură secundară care rezultă în urma unor tratamente termice efectuate după solidificarea și răcirea pieselor [6]. Particularitățile structurale la temperatura mediului ambiant sunt determinate atât de parametrii intervalului de cristalizare cât și de tipul transformărilor de fază în stare solidă.

Structura aliajelor este determinată, în primul rând, de poziția aliajului în diagrama de echilibru termic. În acest context se prezentă poziția principalelor aliaje Zn-Al prin diagrama binară de echilibru termic, figura 23.

Pornind de la structura zinc-ului pur, formată din grăunți echiaxiali cu o granulație medie de 500 μm (Kubásek și Vojtěch, 2012) [A*], prin creșterea conținutului cu 4% Al în Zn, Arif et. al. (2011) în lucrarea [B*], prin turnare gravitațională au pus în evidență obținerea unei structuri fine alcătuită din dendrite și eutectic interdendritic.

De asemenea, se poate observa că, structura dendritică în cazul aliajelor hipoeutectice cu un conținut de 8% Al este formată din dendrite de fază β primare (Turk et. al., 2007) [C*], pe când în cazul aliajelor hipereutectice cu un conținut de 12% Al este formată din dendrite de fază α, ambele înglobate într-un eutectic lamelar (η + α). La aliajul de compoziție eutectoidă cu 22% Al se poate observa, efectul reacției peritectice din modul de dispunere a eutectoidului la limitele dendritelor de soluție solidă α (Varga și Szava, 2009) [D*].

În continuare, Babic et. al. (2009) [E*], au arătat că microstructura aliajului cu un conținut de 27% Al este formată din dendrite primare de α, un eutectoid α + η și o fază metastabilă ε. În cazul aliajului monotectoid cu o compoziție de 40% Al, microstructura este formată dintr-un amestec de două faze, faza α bogată în aluminiu și faza interdendritică η bogată în zinc (Elzanaty , 2014) [F*].

Deoarece diagrama de echilibru termic Zn-Al prezintă o serie de transformări atât în stare lichidă cât și în stare solidă produsele turnate prezintă structuri complexe (faze formate direct din lichid și constituenți rezultați în urma transformării eutectoide) a unor faze formate în urma unei reacții peritectie și/sau a unor faze ce intră în alcătuirea eutecticului.

Structura acestor aliaje depinde foarte mult de condițiile de solidificare, în principal de viteza de răcire, așa se explică că la tehnologiile obișnuite de turnare în forme metalice se formează structuri de neechilibru [G*]. În vederea îmbunătățirii proprietăților mecanice se practică alierea cu cupru, magneziu si finisarea structurii cu elemente greu fuzibile [I**].

Fig. 23. Poziționarea principalelor aliaje în diagrama binară Zn-Al în funcție de conținutul de aluminiu [58]

Astfel, în lucrarea [H*], Krupińska et. al. (2010), au analizat influența vitezei de răcire asupra microstructurii aliajului ZnAl4Cu1, obținută după turnare. După cum se poate observa în figura (a), creșterea vitezei de răcire de 0,68 °C/s duce la finisarea microstructurii (figura (c)) formată din dendrite de soluție solidă α și eutectic.

(a) (b) (c)

Fig.. Curba de răcire (a) și structura aliajului ZnAl4Cu1 cu diferite viteze de răcire: (b) 0,08 0C/s; (c) 0,68 0C/s;

Conform lui Kim (2008) [I*] și Nová et. al. (2010) [J*], prin adosul unui conținut de 3 %Cu microstructura aliajului Zn – 4 %Al se formează din trei faze, și anume faza η bogată în zinc, cristalizează în sistemul hexagonal compact, faza α bogată în aluminiu cristalizează în sistemul cubic cu fețe centrate și faza ε (CuZn4).

Çay și Kurnaz (2005) au menționat în lucrarea [2 E], că microstructura aliajului ZA8 turnat gravitațional este format din numerose dendrite primare de fază β înconjurate de un amestec eutectoid grosier aflat la distanța dintre fazele α și η, figura (a).

Rezultatele cercetărilor efectuate de către Krupińska et. al. (2010) [K*], asupra unui aliaj cu o compoziție de 8 %Al, au concluzionat că, alierea cu diferite elemente greu fuzibile, a condus la modificarea structurii.

Fig. Microstructura aliajului ZA8 turnat gravitațional (a) și curbele de variație a fracției solidificate pentru aliajul ZnAl8Cu1 (b)

De asemenea, în vederea obținerii unor informații calitative asupra procesului de cristalizare, aceștia au prezentat curbele ce prezintă variația fracției solidificate în funcție de temperatură, pentru aliajul în stare turnată, aliat cu Sr, La și Ce, prezentate în diagrama din figura (b). În continuare, modificarea structurii aliajelor Zn-Al a fost tratată de o serie de autori în câteva lucrări publicate în jurnale de specialitate. Aceștia au analizat stabilitatea structurală a unui aliaj binar cu 25 %Al turnat gravitațional în formă din nisip, permanente metalice, aliat cu conținuturi diferite de Cu (2,2%) și Ti (1,6).

Astfel, Krajewski et. al. (2012) [L*], au examinat și specificat faptul că, microstructura aliajului binar după solidificare este mai puțin omogenă, observându-se insule de eutectic, figura (a). În același timp, au constatat că, introducerea unui adaos de 0,04 %Ti în topitură, conduce la finisarea structurii formată din dendrite de soluție solidă α bogată în aluminiu. Un an mai târziu, au urmărit prin analize dilatometrice evidențierea transformărilor structurale ce se produc în aliajul ZnAl25Cu1. În urma investigațiilor, au considerat că, înlocuirea cuprului cu o cantitate de 1-2 % titan reprezintă o modalitate de diminuare sau chiar eliminare a instabilității structurale, (Krajewski et. al., 2013), [M*].

Mai departe, Bobic et. al. (2010) [N*], respectiv Seenappa și Sharma (2011) [O*], au menționat că, datorită conținutului ridicat de aluminiu, în microstructura aliajului apare o cantitate semnificativă de dendrite ce poate fi observată în figura (c), (d), respectiv (e).

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

Fig. . Microstructura aliajului ZnAl25: (a) turnat în formă din nisip; (b) aliat cu Ti; (c) aliat cu 1 %Cu; (d) aliat cu 2 %Cu; (e) aliat cu 3 % Cu; (f) variația compoziției chimice de-a lungul liniei L (figura (e))

Au mai precizat că, aceasta diferă mult față de cea de echilibru, atât datorită prezenței fazei α din centrul dendritei cât și a constituentului eutectic de la marginea acesteia.

De asemenea, au punctat faptul că, în urma creșterii conținutului redus de 1%, 2%, respectiv 3% Cu s-au format o serie de faze și constituenți caracteristice prezenței elementului de aliere, printre care faza interdendritică η bogată în zinc, constituentul eutectoid (α + η) și faza metastabilă ε, formată din numeroși compuși intermetalici, precum CuZn4, Al4Cu9, CuAl2O4, Al4Cu3Zn. O primă concluzie a autorilor a fost că, rolul elementului de aliere a conferit finisarea structurii, iar cea de-a doua concluzie a fost că, prin analiza variației compoziției chimice de-a lungul liniei L, figura (f), obținută în urma analizei EDS, nucleul dendritei este bogat în aluminiu, iar spațiul interdendrictic în zinc.

Până în prezent, în literatura de specialitate, aliajele pe bază de zinc cu un conținut ridicat de 27 %Al, au fost unele dintre cele mai studiate aliaje antifricțiune. În cadrul determinărilor experimentale, Babic et. al. (2007) [P*], (2009) [Q*], (2010) [R*] au lucrat cu un aliaj binar de compoziție 27 %Al, obținut prin turnare gravitațională în forme din nisip, respectiv oțel. În urma turnării au constat prin microscopie optică că, aliajul prezintă o structură de tip dendritic. Aceștia au observat că, în cazul aliajului turnat în formă din nisip (bun izolator), structura este omogenă datorită solidificării lente a topiturii, cauză ce duce la apariția și dezvoltarea a numeroase dendrite de soluție solidă α bogate în aluminiu, printre care se pot observa cantități reduse de eutectic, format din fazele α și η bogate în zinc.

Comparativ cu observațiile menționate, în cazul turnării în forme metalice, microstructura prezentată în figura (b), formată din aceleași faze, pune în evidență finisarea structurii aliajului datorită solidificării rapide a topiturii, cu mențiunea că dimensiunile dendritelor sunt mai mici.

(a) (b) (c)

Fig. Microstructura aliajului ZnAl27 turnat în: (a) formă din nisip; (b) formă din oțel; (c) la o putere de mărire de 200X (OL)

Din analiza microscopiei optice obținută la o putere de mărire de 200X pentru aliajul turnat în formă metalică se pot observa mult mai clar fazele investigate indicate prin literele: C corespunzătoare nucleului dendritei de soluție solidă α, P corespunzătoare marginii dendritei (α + η), respectiv M – faza interdendritică η.

În lucrările [S*], [Ș*], Auras și Schvezov (2000), Savașkan et. al. (2003) au abordat influența elementelor de aliere asupra structurii aliajului ZnAl27.

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

Fig. Microstructura aliajului ZnAl27: (a) MO în stare turnată; (b) SEM în stare turnată (800X, 3200X); aliat cu: (c) 2 %Cu; (d) 0,10 %Mn; (e) 1 % Ni; (f) 3,5 %Si (SEM 400X)

Constituirea microstructurii aliajului observată atât prin microscopie optică, figura (a), cât și prin microscopie electronică de baleiaj (b), este în concordanță cu explicațiile indicate în lucrarea [R*].

În timpul procesului de elaborare au fost adăugate diferite procente de elemente constitutive, conform cărora prin alierea cu 2 %Cu, 0,10 %Mn, 1 %Ni, respectiv 3,5 %Si, se poate observa o microstructură dendritică fină specifică aliajului investigat, cu dendrite bine dezvoltate și orientate, înconjurate de un amestec de faze bogate în aluminiu și zinc (α + η), precum și o fază precipitată interdendritic în cantități mai mici sau mai mari în funcție de concentrația fiecărui element de aliere în parte, figura (c), (d), (e), respectiv (f). Concluzia efectului conținutului elementelor de aliere conduce la modificarea formei și mărimii dendritelor, precum și creșterea numărului de faze precipitate existente în structura aliajului, [T*], [Ț*], [U*], [S*].

După cum este cunoscut aceste transformări reclamă durate mari de desfășurare, durate ce nu sunt asigurate de vitezele de răcire întâlnite în practica procesării (turnării) pieselor, semifabricatelor din aceste aliaje.

Neomogenitatea structurală la compozițiile hipereutectice, după turnare este determinată de forma (alura) curbelor lichidus și solidus. Alura acestor curbe determină un raport de repartiție mare (53/78 = 0,68, pentru compoziția eutectoidă), ceea ce contribuie la formarea structurii în afară de echilibru în timpul procesului de solidificare.

În timpul transformării de fază la solidificare datorită segregației dendritice puternice lichidul se îmbogățeste în zinc în așa măsură încât ajunge la concentrația corespunzătoare punctului eutectic. Prin urmare datorită segregației dendritice puternice eutecticul poate fi prezent și în compozițiile cu 80 % aluminiu [M].

Structurile de neechilibru proprii pieselor (semifabricatelor) turnate din aceste aliaje, în timpul exploatării au tendința de a se apropia de cea de echilibru determinând atât modificarea proporției fazelor cât și a naturii acestora. Studierea transformărilor structurale din aliajele Zn-Al este interesantă și din punct de vedere academic, deoarece ele cumulează mai multe tipuri de transformări (solidificare, reacție peritectică, descompuneri eutectice și eutectoide) la care procesele de difuzie au rol major [N], [O], [P], [P***].

Recent, Arif et. al. în lucrările [Q], [R] au studiat transformările de fază dintr-un aliaj eutectoid de compoziție 22% Al, au analizat în mod sistematic modificările structurale ce intervin în aliajele Zn-Al de compoziție eutectoidă în funcție de regimul termic de răcire atât din stare lichidă cât și din stare solidă inclusiv din zona bifazică. În vederea asigurării omogenității structurii și stabilității fazei metastabile β autorii au aplicat un tratament termic de punere în soluție prin încălzire de la temperatura cuprinsă în intervalul 330 – 438 ºC, urmat de o răcire rapidă, cunoscută și sub denumirea de călire. Microstructura aliajului ZnAl22 în stare turnată se prezintă în figura (a). Microstructurile aliajului ZnAl22 obținute atât în urma turnării cât și în urma tratamentelor termice aplicate, sunt prezentate în figura .

(a) (b) (c)

Fig. . Microstructura aliajului ZnAl22: (a) în stare turnată; (b) parțial topită; (c) călită

Analizele structurale au fost completate de analizele calorimetrice care au permis atât evaluarea stabilității fazei metastabile β, precum și transformările de fază ce apar în timpul încălzirii.

Fig. 65. Curba DSC și fracția lichidă a aliajului ZnAl22

În lucrarea [I**], Peter et. al. (2014), au studiat și prezentat comparativ rezultatele cercetărilor efectuate asupra transformărilor de fază dintr-un aliaj de compoziție eutectoidă aliat cu 2 %Cu și 0,5 %Ti, obținut prin metoda melt-spinning cu transformările din semifabricate masive turnate static în forme metalice și cărămidă refractară. În cazul aliajului turnat în forme din cărămidă refractară, au evidențiat apariția transformării eutectice, menționând că solidificarea topiturii se produce și la vitezele indicate în diagrama din figura (a), cu mult în afara condițiilor de echlibru.

(a) (b) (b')

(d) (d') (e)

Fig. . Curbele de răcire (a) și microstructura aliajului ZnAl22Cu2 turnat gravitațional în forme: (b) din cărămidă refrcatară; (b') tratat cu Ti; (d) metalice; (d') tratat cu Ti; (e) procesat prin melt-spinning

Prin prezentarea microscopiilor optice au pus în evidență finisarea structurii atât datorită creșterii vitezei de răcire, cât și tratării aliajului cu titan.

După cum se poate observa, creșterea vitezei de răcire de la 0,64 oC/s, în cazul aliajului turnat gravitational în formă din cărămidă refractară (C), la 33 oC/s, situația aliajului turnat în forme metalice (OL), determina micșorarea parametrului dendritic de trei ori în cazul aliajului netratat cu titan, respectiv cinci ori în cazul celui tratat cu titan.

Prin compararea microstructurilor la aliajului turnat în cărămidă refractară, se poate observa, o structura mai puțin omogenă și insule mari de eutectic figura (b), (b'), pe când în cazul aliajului turnat în forme metalice figura (d), (d'), efectul finisării structurii în urma tratării aliajului lichid cu titan se manifestă mai mult prin globulizarea și omogenizarea dendritelor și a structurii lor interne, apreciată prin parametrul dendritic. Microstructura fină a aliajului sub formă de bandă procesată prin tehnologia melt-spinning, după turnare este în același timp bifazică și cu granulație submicronică.

Neuniformitatea structurii cu granulație fină a aliajului complex aliat ZnAl22 cu un procent de 3 %Cu, a fost examinată de către Michalik (2013) în articolul [S], observând că microstructura aliajului este formată din dendrite orientate aleatoriu, figura (a), precum și din precipitate de culoare mai deschisă, respectiv închisă de dimensiuni mai mari, respectiv mai mici alcătuite la rândul lor din faze bogate în zinc cu un conținut redus de aluminiu și cupru, figura (b) punctul 1, zone mai luminoase bogate în aluminiu, corespunzătoare punctelor 2 și 3, zona mai întunecată corespunzătoare punctului 4.

(a) (b)

Fig. Microstructura aliajului ZnAl22Cu3: (a) în stare turnată; (b) analiză X-ray și variația compoziției de-a lungul unei linii

Observații similare au fost raportate și în lucrarea [Ș], cu mențiunea că după turnare, cristalizarea aliajului începe la o temperatură de 480 °C cu apariția atât a transformării eutectice la temperatura de 439 °C, cât și a transformării eutectoide la 275 °C, în urma căreia faza β se descompune în fazele α și γ.

CAPITOLUL III. Capitolul 3. Metode și tehnici experimentale aplicate produselor solidificate cu viteze mari de răcire

Deoarece, în cadrul tezei urmăresc structura aliajelor Zn-Al este de precizat că, la aceste aliaje prezintă importanță deosebită, fenomenul de segregare dendritică.

Datorită acestui fenomen, structura aliajelor turnate chiar în condiții obișnuite (viteze de răcire întâlnite la turnare în formă din amestec, forme metalice) prezintă neomogenități chimice și fazice pronunțate ceea ce infuențează în mod semnificativ atât proprietățile de exploatare (rezistența la rupere, stabilitatea dimensională în timp) cât și proprietățile tehnologice de prelucrare (tratamente temice, deformări plastice etc.). În cadrul determinărilor experimentale preliminare, precum și prin consultarea datelor din literatura de specialitate am ajuns la concluzia că, la aceste aliaje numai la viteze de răcire mai mici de 10-3 ºC/s se obțin structuri de echilibru. Prin urmare, toate tehnologiile aplicate la solidificarea aliajelor din sistemul Zn-Al pot fi considerate ca tehnici de solidificare cu viteze mari de răcire.

3.1. Alegerea și elaborarea aliajelor investigate

În cadrul derulării cercetărilor experimentale s-a lucrat cu aliaje binare Zn-Al (ZnAl22) și aliate cu Cu – Ti + B (ZnAl22Cu2TiB) de compoziție eutectoidă. La elaborarea celor două compoziții cu o concentrație de 22%Al s-au folosit metale primare pur elementare (Zn de puritate 99,95%, Al de puritate 99,995%) și prealiaje (AlCu33 și AlTi5B1) în vederea finisării structurii. Greutatea șarjelor elaborate a fost de 2000 g, iar temperatura de elaborare a variat între 650 – 730 ºC. Topirea s-a realizat într-un cuptor electric de laborator, cu creuzet de grafit, încălzit cu rezistențe electrice din bare de silită, sub un strat de flux, figura 3.1.

Fig. 3.1. Cuptor electric de elaborare cu Fig. 3.2. Formele de turnare și probele

creuzet de grafit obținute

Turnarea aliajelor topite s-a făcut în cochile metalice, obținându-se lingouri cu dimensiuni de 14x80x160 mm și în forme din cărămidă refractară, rezultând probe cilindrice cu diametrul de cca 40 mm și înălțimea de 50 mm, figura 3.2. Din semifabricatele turnate au fost prelevate epruvete pentru determinarea compoziției chimice, prezentată în tabelul 3.1.

Tabel 3.1. Compoziția chimică a elementelor din aliajul Zn-Al exprimată în procente masice

Compoziția chimică a aliajelor pe bază de zinc, a fost determinată cu ajutorul unui spectometru de emisie optică cu descărcare de tip scânteie SpectroMaxx, (figura 3.3 (a)) aflat în dotarea laboratorului de Încercări Mecanice C08, din cadrul PRO – DD, cât și cu spectrometrul de emisie optică tip Metal Lab 75 – 80 aflat în cadrul laboratorului din dotarea societății comerciale Nefermetal Brașov, România, cu domeniul spectral de măsurare cuprins între 120 – 800 nm în funcție de aplicație (figura 3.3 (b)).

(a) (b)

Fig. 3.3. Spectometrul de emisie optică: (a) SpectroMaxx; (b) Metal Lab 75-80 (imagine de ansamblu)

Pe baza analizei compoziției chimice s-a determinat că, principalele elementele identificate în aliajele pe bază de zinc sunt următoarele: Al și Zn. Se poate observa că, procentele celorlalte elemente de aliere au valori nesemnificative.

3.2. Tehnici și metode experimentale de procesare a aliajelor solidificate cu viteze mari de răcire

Metodele de procesare a aliajelor destinate cercetărilor experimentale din cadrul tezei de doctorat, pot fi împărțite în trei categorii, în funcție de modul de elaborare al probelor, conform schemei prezentate în figura 3.4.

Fig. 3.4. Schema experimentală pentru procesarea aliajelor Zn-Al

În cazul procesării din stare lichidă, s-au utilizat diferite procedee de turnare în vederea studierii modificărilor structurale și dimensionale ce pot apărea în compoziția aliajului topit. În timp ce, în cazul procesării în stare solidă au fost aplicate diferite tratamente termice în vederea formării structurii metastabile, și anume: tratament termic de punere în soluție prin încălzire în intervalul de temperatură de 330 – 430 ºC, urmat de o răcire rapidă (călire) și tratament termic de recoacere prin încălzirea probelor călite până la temperatura de 400 ºC, menținere 10 min și răcire cu o viteză de 5 ºC /min.

3.2.1. Turnarea gravitațională

Acestă metodă de procesare s-a realizat atât în forme permanente metalice (OL), cât și în forme semipermanente confecționate din cărămidă refractară (C și CC).

Turnarea gravitațională în forme metalice (OL) implică o solidificare rapidă a aliajului topit, datorită gradientului mare de temperatură care apare la interfața metal – formă. Principalele avantaje ale acestei metode sunt creșterea caracteristicilor esențiale ale aliajelor ca urmare a finisării structurii prin mărirea vitezei de răcire. Printre dezavantaje se pot enumera costul ridicat de procesare, fluiditatea mică a aliajului lichid în cazul turnării în cochile.

Turnarea gravitațională în forme din cărămidă refractară (C) asigură viteze mici de răcire ceea ce face posibilă desfășurarea transformărilor structurale conform diagramei de echilibru termic. Deoarece pe baza structurilor obținute s-a constat că și în acest caz structurile prezintă diferențe semnificative față de fazele și constituienții indicate de diagrama de echilibru termic s-au făcut turnări și în forme din cărămidă refractară preîncălzite la 200 – 250º C (CC).

3.2.2. Instalație experimentală în vederea asigurării solidificării dirijate a aliajelor studiate

În vederea asigurării fenomenului de solidificare dirijată, s-a apelat la un dispozitiv prezentat schematic în figura 3.5 (a), conceput, iar în figura în cadrul laboratorului de Sinteza Materialelor al departamentului de Știința Materialelor, Universitatea "Transilvania", Brașov. S-a realizat o serie de trei turnari, dar cea mai optimă prin care am pus în evidență fenomenul de solidificare dirijată a fost turnarea a treia.

Aparatul, format dintr-o placă de bază (1) pe care se află forma de turnare (2) asigurând turnarea unei bare cu diametrul de 30 mm și înălțimea maximă de 230 mm, prezentată în figura 3.5 (b).

În vederea asigurării extragerii dirijate a căldurii, precum și în vederea montării termocuplelor, peretele formei este alcătuit din doi cilindri concentrici, cel interior este fasonat dintr-o caramidă termoizolantă (3) iar între carcasa metalică exterioară (4) și cilindrul interior se află amestec de formare obișnuit.

(a) (b)

Fig. 3.5. Schema de principiu a instalației experimentale pentru solidificarea dirijată:

(a) dispozitiv pentru solidificarea dirijată a probelor; (b) Probă cilindrică obținută

Încălzirea formei se realizează prin așezarea acesteia deasupra unui reșou electric. Transferul rapid al formei din poziția de încălzire în aceea de răcire se realizează cu un dispozitiv adecvat. Răcirea plăcii de bază se realizează cu un jet de apă (5), cu debit și presiune reglabile. La înregistrarea temperaturii s-au folosit termocuple de tip K, cu grosimea firului de 0,5 mm. Vârfurile termocuplelor au fost introduse în cavitatea formei la o adâncime de 10 mm, conform schiței din figura 3,5 (a). Numerotarea termocuplelor s-a facut de la 1 la 6, conform schiței. Termocuplele au fost amplasate la distanțe de 20 (16), 40 (39), 60 (58), 100 (100), 140 (138) și 220 (218) mm de la placa de bază, în paranteză sunt trecute distanțele reale măsurate pe proba cilindrică turnată. Bara obtinuță prin turnare a fost debitată la lungimile corespunzătoare zonelor delimitate de termocuple.

3.2.3. Solidificare în condiții de echilibru (DSC)

Deoarece, prin tehnicile de solidificare prezentate mai înainte, viteza minimă de răcire a fost de 0,2 ºC/s, nu am reușit să obțin structură de echilibru (fără eutectic), tocmai de aceea am făcut solidificări controlate cu ajutorul unui aparat DSC care oferă posibilitatea reglării vitezei de răcire până la valori minime de 0,001 ºC/s.

3.2.4. Instalații experimentale pentru călirea aliajelor studiate

3.2.4.1. Instalație experimentală pentru călirea aliajelor din lichid (MS – LP)

În vederea obținerii semifabricatelor sub formă de benzi metalice cu o structură cât mai fină, s-a apelat la metoda solidificării ultrarapide prin intemediul procedeul Melt Spinning a cărei instalație experimentală în timpul funcționării, aflată în cadrul laboratorului de Sinteza Materialelor al departamentului de Știința Materialelor, Universitatea Transilvania, Brașov, este prezentată în figura 3.6.

Fig. 3.6. Instalație experimentală MS – LP în timpul funcționării și probele obținute sub formă de benzi

Instalația experimentală MS-LP îmbină tehnologia de răcire a jetului de metal topit pe un disc aflat în mișcare de rotație (melt-spinning) cu sistemul de alimentare, a discului rotitor cu aliaj lichid, folosit în cazul formelor de turnare, de la tehnologia de turnare la joasă presiune.

În cazul instalației experimentale utilizate, gazul de lucru inert (Ar) introdus la o presiune de 1,5 bari prin canalul practicat în capacul (3) acționează asupra aliajului lichid din creuzet determinând ridicarea topiturii în tubul de alimentare (2) și ejectarea acesteia pe discul rotitor (4) [2B**]. La contactul cu suprafața discului topitura trece rapid din stare lichidă în stare solidă, la viteze de răcire de 5 · 105 ºC/s. Topirea s-a realizat într-un cuptor electric cu rezistențe (1) utilizând un portcreuzet confecționat din oțel. Prin tehnologia MS-LP am obținut probe sub formă de benzi metalice cu lungimi cuprinse între 10 – 30 cm, cu lățimi de 3 – 6 mm și cu grosimi variind între 30 – 70 µm, figura 3.6. Printre avantajele instalației utilizate pentru producerea de benzi cu structură metastabilă, se enumeră: varianta de alimentare a discului rotitor cu aliaj lichid de jos este mult mai simplă, mai ușor de realizat și de reglat decât varianta cu alimentarea discului cu metal lichid de sus; permite supraîncălzirea topiturii în limite mult mai mari; forma și dimensiunile orificiului prin care se expulzează aliajul lichid pot fi modificate în limite mult mai largi; varianta de alimentare a discului rotitor cu tub imersat în aliajul lichid asigură extragerea unei topituri mai puțin impurificate cu incluziuni solide nemetalice.

3.2.4.2. Instalație experimentală pentru călirea aliajelor din zona bifazică

Pentru a obține structuri de echilibru omogene s-a utilizat o instalație pentru călire (răcire rapidă), de concepție proprie pentru producerea semifabricatelor plate, cu dimensiuni 14x80x160 mm, urmând principiul metodei Jominny.

În vederea omogenizării structurii de turnare și călirii acesteia din zona lichid – solid, în cadrul laboratorului de Sinteza Materialelor al departamentului de Știința Materialelor, Universitatea Transilvania, Brașov, pe baza dimensiunilor epruvetelor, figura 3.7 (a), s-a conceput un dispozitiv de călire integrat cuptorului în care se realizează încălzirea, figura 3.7 (b).

(a) (b)

Fig. 3.7. Schema de principiu a instalației experimentale pentru călire: (a) forma și dimensiunile probelor supuse călirii; (b) dispozitiv pentru călirea probelor: 1 – sistem de răcire cu apă; 2 – cuptor; 3 – rezistență electrică; 4 – termocuplu; 5 – probă; 6 – suport pentru probe

În epruvetele supuse tratamentului termic au fost practicate două locașe pentru amplasarea termocuplelor, conform figurii 3.8 (b).

3.3. Metode de caracterizare a aliajelor Zn-Al

În vederea investigării și analizării stabilității modificărilor produse la nivel macro și micro structural și al transformărilor de fază ce apar în aliajele Zn-Al procesate în diferite condiții, am selectat diferite tehnici de caracterizare și de analiză, cum ar fi: microscopia optică, microscopia electronică de baleiaj, analiză termică simplă, calorimetrie, dilatometrie. Măsuratorile obținute au fost prelucrate statistic cu ajutorului software-lor Origin.

Am optat pentru aceste metode de analiză, deoarece așa cum am mai precizat în partea introductivă, aceste aliaje prezintă o tendință ridicată de segregare dendritică.

3.3.1. Studiul aliajelor prin analiză termică simplă

Analiza termică simplă (directă), se ocupă cu măsurarea temperaturii probei în funcție de timp. Proba de cercetat, prevăzută cu un termocuplu, este introdusă în instalația de încălzire, unde se va încălzi până la temperatura dorită; răcirea probei de la temperatura de încălzire se face prin suflarea unui jet de aer sau prin cufundarea într-un lichid de răcire. Pe parcursul încălzirii și răcirii probei, se înregistrează variația temperaturii ei.

Se poate determina și derivata curbei temperatură – timp, adică curba ce reprezintă variația vitezei de încălzire (sau de răcire) în funcție de timp. În acest fel toate transformările care se produc cu degajare sau cu absorbție de căldură sunt ușor de detectat. Proba studiată este foarte mică, iar metoda este foarte sensibilă [2].

Pentru înregistrarea și trasarea curbelor de răcire ale aliajelor de zinc turnate gravitațional, respectiv solidificate dirijat se folosesc montajele de analiză termică aflat în dotarea laboratorului, prezentate în figura .

În cazul turnării gravitaționale, înregistrarea temperaturii din timpul solidificării s-a realizat cu un logger EBI – 2T – 1202 – TYPK, prezentat în figura 3.8 (a), iar în cazul metodei de solidificare dirijată s-a folosit interfata ADAM-4018, figura 3.8 (b). În ambele cazuri s-au folosit termocuple coaxiale de tip K – TPN – 101 cu diametrul exterior de 0,6 mm protejate cu o pastă refractară. Înregistrarea și prelucrarea datelor experimentale (curbelor de răcire) s-a realizat cu ajutorul programului EBI WIN – log 2000 – S și Origin Pro8.

(b)

Fig. 3.8. Montajul pentru înregistrarea și prelucrarea curbelor de răcire: (a) pentru aliajele turnate gravitațional; (b) pentru aliajele soldificate dirijat

3.3.2. Caracterizarea microsctructurală

3.3.2.1. Pregătirea probelor metalografice

După finalizarea elaborării și procesării aliajelor studiate, din lingourile obținute s-au debitat manual probe necesare analizării microstructurii și proprietăților mecanice, fiind ulterior pregătite metalografic. Probele prelevate din aliajele de examinat au fost fixate în cleme metalice și înglobate în rășini acrilice cu întărire la temperatura ambiantă. Pregătirea probelor metalografice ce urmează a fi cercetate, constă într-o operație inițială de șlefuire prin utilizarea hârtiilor abrazive din carbură de siliciu cu granulații diferite ce cresc în finețe de la 80 – 1500 și o operație finală de lustruire.

Lustruirea suprafețelor de examinat s-a facut pe pâslă îmbibată în pulbere apoasă de alumină (Al2O3). După lustruire proba se spală cu apă, iar uscarea se face prin tamponare cu hârtie de filtru. Pentru examinarea metalografică, probele au fost prelevate atât în secțiune transversală cât și longitudinală.

După pregătirea metalografică, în vederea punerii în evidență a microstructurii, probele au fost atacate cu diferiți reactivi: HNO3 + H2O, HNO3 + HCl + H2O, FeCl3 + H2O timp de 10 secunde.

3.3.2.2. Analiza aliajelor prin microscopie optică (OM)

Principala tehnică de bază în examinarea microstructurii metalelor și aliajelor în cercetare și diferite domenii de aplicație, este microscopia optică. În scopul înțelegerii relației procesare – structură – proprietăți, sunt necesari mai mulți pași de urmat: formarea, caracterizarea structurii, determinarea proprietăților fizice și mecanice etc. [3].

Prin intermediul analizei microscopice optice se pun în evidență următoarele: aspectul general al microstructurii, determinând natura, forma, mărimea și distribuția constituenților metalografici, a compușilor intermetalici și a incluziunilor nemetalice, precum și modul de asociere a grăunților cristalini ai fazelor constitutive; identificarea diferitelor defecte (incluziuni de zgură, fisuri, segregații, micro-retasuri) provenite din elaborare, prelucrare prin deformare plastică sau tratament termic; studiul tratamentelor termice, termochimice și mecanice ale metalelor și aliajelor (călire, recoacere, îmbătânire, revenire, normalizare etc.)

În principiu, microscopul metalografic modern este un sistem optic complex, cu diferite părți optice principale: obiectivul – redă imaginea clară, înlăturând parțial sau total aberațiile lentilelor, ocularul – numit compensator are o aberație cromatică inversă aberației cromatice a obiectivului, încât acest defect este anulat complet, sistemul de iluminare – permite cercetarea în câmp lumininos, în câmp întunecat și în lumină polarizată, sursa de lumină – este dată fie de o lampă cu arc electric cu ajutorul a doi electrozi de cărbune, fie de lămpi cu incandescență. Calitatea unui microscop este determinată de următoarele caracteristici: mărirea maximă, perfecțiunea imaginii și puterea separatoare [4].

Analiza metalografică a fost realizata prin microscopie optică cu ajutorul sistemului de analiză și de prelucrare a imaginii OmniMet prevăzut cu un microscop metalografic inversat compact de tip Nikon Eclipse MA100, dispozitiv aflat în dotarea departamentului C08 din cadrul Institutului de Cercetare – Dezvoltare – Inovare: Produse High-Tech pentru Dezvoltare Durabilă, Universitatea Transilvania Brașov, figura 3.9. Probele au fost analizate atât în secțiune transversală cât și longitudinală.

Fig. 3.9. Microscopul Nikon Eclipse MA100 (imagine de ansamblu)

3.3.2.3. Analiza aliajelor prin microscopie electronică de baleiaj (SEM)

În vederea caracterizării și observării diferitelor materiale organice și anorganice la scară micro (µm) și nanometrică (nm) din punct de vedere morfologic și structural, a fost utilizată microscopia electronică de baleiaj [5].

În general prin această metodă de analiză se efectuează observații calitative, dar sunt realizabile și măsurători de lungime, de înălțime sau de adâncime ale unor detalii de microrelief ale probelor examinate [6]. De asemenea, se obțin diferite imagini topografice cu diferite măriri cuprinse în intervalul de 10 – 10000x [5]. SEM este bazată pe crearea unei imagini prin concentrarea unui fascicul fin de electroni de tensiune înaltă asupra probei și detectarea semnalelor prin incidența electronilor în interacțiune cu suprafața probei [7].

Spectrul continuu de radiații X al probei cuprinde fotonii proveniți din ciocnirile neelastice ale electronilor fasciculului incident cu electronii țintei [6]. Radiația X caracteristică oferă atât, contrast imaginii, cât și informații cantitative și calitative despre compoziția chimică a probelor examinate, informații care se pot obține la adâncimi de 1 µm [5].

Pentru examinarea structurii aliajelor studiate și determinarea micro-analizei compoziției chimice realizată prin spectroscopia de raze X dispersive în energie (EDX), s-au utilizat două modele de microscope electronice de baleiaj, și anume: FEI Inspect S ce aparține companiei Renault Technologie (figura 3.10) și LEO 1450 VP aflat în dotarea laboratorului de caracterizare structurală din cadrul departamentului de Știința Materialelor și Inginerie Chimică al Universității "Politehnico di Torino".

Figura 3.10. Microscopul electronic de baleiaj FEI Inspect S (imagine de ansamblu)

3.3.3. Analiza aliajelor prin analize termice diferențiale cu scanare calorimetrică (DSC)

Dintre metodele termice de analiză, calorimetria diferențială de scanare este una dintre metodele cel mai des utilizate în domeniul tehnicilor de caracterizare termică ale materialelor solide și lichide, furnizând informațiile cele mai complete.

Calorimetria diferențială de scanare este tehnica prin care se monitorizează modificarea diferenței fluxului de căldură dintre o probă și o probă de referință în funcție de timp și temperatură, în timp ce sunt supuse unui program de temperatură controlat. Diferența fluxului de căldură este atribuită calibrării calorimetrice [15]. În principiu, pe baza tehnicii experimentale DSC, una dintre cele mai rapide și sensibile metode de analiză s-a urmărit identificarea și caracterizarea posibilelor efecte endotermice și exotermice, determinarea și măsurarea temperaturilor de transformare, capacității calorice. De asemenea, metoda DSC se aplică pentru analiza proceselor enegetice, cum ar fi: comportamentul la topire și solidificare, reacții solid – solid și polimorfism, temperaturi caracteristici și temperaturi de tranziție, entalpii de transformare, reacții chimice cum ar fi descompunerea termică sau polimerizarea, comportamentul în timpul unei reacții, stabilitate termică și oxidativă, degradare oxidativă [16].

Pentru analiza prin calorimetrie cu scanare diferențială s-a fost utilizat un calorimetru diferențial de tip DSC 200 F3 Maia, produs de firma germană Netzsch, figura 3.11, aflat în dotarea laboratorului de analiză termică a materialelor al departamentului C08 având ca entitate de cercetare Institutului de Cercetare-Dezvoltare-Inovare: Produse High-Tech pentru Dezvoltare Durabilă. Parametrii acestuia de lucru sunt:

domeniul de temperatură cuprins între -170 ºC ÷ 600 ºC;

atmosferă protectoare de gaz inert – N2;

pentru temperaturi negative, sub – 100 ºC, se folosește N2 lichid;

celula – creuzet din Al;

viteza de scanare încălzire/răcire: 0,001 – 100 K /min.;

precizia calorimetrică: 0,2µW.

Datele înregistrate au fost evaluate cu ajutorul softului Proteus.

Fig. 3.11. Calorimetrul diferențial prin scanare 200 F3 Maia (imagine de ansamblu)

3.3.4. Analiza aliajelor prin analiză dilatometrică (DIL)

Dilatometria este o tehnică termoanalitică utilizată pentru măsurarea variației lungimii (ΔL) unui eșantioan funcție de o anumită temperatură (T) [12].

Dilatometrul este un aparat capabil sa înregistreze și să măsoare automat atât dilatarea cât și contracția eșantionului în timpul încălzirii, respectiv răcirii ulterioare. Pe baza acestei analize dilatometrice, se pot determina punctele critice ale transformărilor de fază ce apar odată cu modificarea temperaturii în tratamentul termic al eșantioanelor (solide, lichide, pulberi, foi și fibre) [13].

Tipul de aparat, pe care s-au realizat determinările, este prezentat în figura 3.12, dilatometrul orizontal L75PT/1400○C, aflat în dotarea laboratorului de analiză termică al departamentului C08 având ca entitate de cercetare Institutul de Cercetare-Dezvoltare-Inovare: Produse High-Tech pentru Dezvoltare Durabilă. Acest echipament de laborator poate măsură: modificarea lungimii care poate fi reversibilă sau ireversibilă, transformări de fază, transfer de masă, transformări de cristalizare, temperatura de sinterizare.

Fig. 3.12. Dilatometrul orizontal L75PT/1400 ºC (imagine de ansamblu)

Echipamentul prezentat este conectat la un calculator pe care este instalat software – ul TA – WIN & WIN – DIL care permite înregistrarea, trasarea și prelucrarea curbelor de variație dimensională pentru obținerea de informații referitoare la transformările de fază. Probele necesare realizarii determinarilor experimentale pot fi cilindrice, paralelipipedice, cu grosimi cuprinse între 0,1 – 5 mm, cu diametrul de 6 mm și cu suprafețele de contact plate și paralele. Principiul de funcționare constă în încălzirea sau răcirea probelor într-un interval de temperatură cuprins între 20○ – 1400 ○C, unde variația temperaturii probei este măsurată cu ajutorul unui termocuplu și cu viteza de încălzire cuprinsă între 0,1 – 50 ○C/min. Proba introdusă în cuptorul tubular intră în contact cu tija de împingere de Al2O3. Măsuratorile se realizează în aer iar răcirea cuptorului se face cu apă. În cadrul acestei teze am fost folosit acest tip de aparat necesar determinării temperaturilor critice de transformare cu ajutorul diagramei temperatură/timp înregistrată în timpul încălzirii eșantionului studiat [14].

3.3.5. Caracterizarea proprietăților de exploatare

3.3.5.1. Analiza proprietăților mecanice prin metoda Vickers

În vederea determinării microdurității aliajelor pe bază de zinc s-a apelat la măsurarea microdurității prin metoda Vickers, prin intermediul microdurimetrului de tip FM – 700 Ahotec (figura 3.13, (a)), aflat în dotarea laboratorului de caracterizare a proprietăților materialelor din cadrul Institutului de Cercetare – Dezvoltare al Universității Transilvania Brașov, Centrul de Cercetare Științifică – C08 – MMC.

Prin intermediul acestei metode se determină rezistența pe care o opun aliaje din sistemul Zn-Al, utilizându-se un indentor foarte mic din diamant cu geometrie piramidală patrulateră dreaptă cu unghiul la vârf de 136 °C, figura 3.13 (b). Forma acestui indentor prezintă un avantaj important aplicând legea rezistențelor proporținale: sarcina aplicată este proporțională cu suprafața de indentare.

Măsurătorile se realizează pe regiuni atent selectate pe suprafața epruvetelor. Secțiunea amprentei imprimată de vârful de diamant piramidal în material, în urma aplicării unei forțe (timpul minim de menținere de 15 s) care nu depășește 1 kgf depinde de unghi, fiind vizualizată microscopic și apoi măsurată.

(a) (b)

Fig. 3.13. Microdurimetrului FM – 700 Ahotec: (a) imagine de ansamblu; (b) reperezentarea schematică a penetratorului Vickers [18]

Procedura de măsurare a durității Vickers se realizează conform relațiilor (3.1), (3.2), (3.3):

S=d²/2 sin(α/2 ) (3.1)

HV = F / S (3.2)

HV=(2F sin α/2) / d² = 1,8544 F / d² (3.3)

unde: S = aria suprafeței amprentei [mm2];

d = valoarea lungimii medii a celor două diagonale ale amprentei: d1, respectiv d2 (vizualiată cu ajutorul microscopului) [mm];

HV = duritatea în unități Vickers;

F = forța de penetrare [N];

α = unghiul dintre fețele opuse ale indentorului Vickers (α = 136°C) [19].

Testele de microduritate sunt cunoscute ca fiind unele dintre cele mai valoroase metode în controlul numeroaselor operațiuni de producție în plus față de utilizarea lor în activitatea de cercetare, prezentând câteva avantaje și dezavantaje. Printre avantaje se enumeră:

sunt simple și necostisitoare – de obicei un eșantion nu necesită pregătire în mod special;

testul este nedistructiv – proba nu este fisurată și nici excesiv deformată; măsurarea cu precizie a piselor care sunt prea mici și nu pot fi măsurate prin metodele comune de duritate;

se pot realiza măsurări pe materiale metalice sub formă de benzi, foițe de metal și fire de sârmă foarte subțiri sau mici în diametru;

este cea mai adecvată metodă pentru determinarea durității microconstituienților, straturilor de suprafață, cum ar fi depunerea, cât și pentru straturile superficiale cementate. Măsurătorile de duritate prezintă și câteva dezavantaje, de exemplu:

timpul de testare este relativ lung datorită lungimii diagonalelor;

deteriorarea sensibilității indentorului sub formă de diamant;

în cazul în care testele de încercare sunt scurte din punct de vedere al timpului, există o dependența a durității privind abaterile formei indentorului și pregătirea suprafeței de testare;

testele de duritate sunt foarte sensibile la efectul vibrațiilor, în special în intervalul de microduritate [20], [21].

3.3.5.2. Analiza proprietăților mecanice prin metoda nano-indentării

Considerată una dintre cele mai avansate tehnici de investigare a durității și modulului de elasticitate a materialelor metalice, metoda nanoindentării, dezvoltată de Oliver și Pharr permite măsurarea adâncimii de penetrare (h) prin aplicarea unei forțe efectuând o deplasare locală de ordinul micronilor, printr-un ciclu de încărcare-descărcare. Reprezentarea curbei încărcare-descărcare se poate observa în figura 3.14.

Fig. 3.14. Reprezentarea schematică a curbei de încărcare – descărcare

Procedura de măsurare a durității obținută prin indentare (HIT) și modului de elasticitate (EIT) se realizează conform următoarelor relații (3.4), (3.5), (3.6):

(3.4)

(3.5)

unde: Fmax = sarcina maximă aplicată asupra indentorului;

Ap = aria de contact rezultată în urma aplicării sarcinii Fmax;

v = coeficientul lui Poisson [X]

Testele experimentale de nanoindentare s-au efectuat în cadrul centrului de cercetare MMC utilizând un echipament de tip CSM Instruments NHT – 2, prezentat în figura 3.15 (a), dotat cu un penetrator de tip Berkovich, figura 3.15 (b).

(a) (b)

Fig. 3.15. Nanoindentorul CSM Instruments: (a) imagine de ansamblu; (b) schema penetratorului Berkovich [Y]

3.3.5.3. Analize proprietăților tribologice

În vederea determinării comportamentul la uzură a aliajului Zn-Al22 s-a utilizat un tribometru rotativ cu un sistem pin pe disc (pin on disk) figura 3.16 (a), produs de firma CSM Instruments, existent în Laboratorul de Încercări Mecanice din cadrul departamentului de Cercetare MMC, pentru care s-a ales varianta de lucru liniară.

(a)

(b) (c)

Fig. 3.16. Tribometrul CSM Instruments: (a) imagine de ansamblu; (b) profilometru portabil SURTONIC 25; (c) profilul urmei de uzare

Încercarea tribologică s-a făcut prin teste de tip pin pe disc, pe o epruvetă de formă paralelipipedică fixată într-un suport special, acționându-se asupra ei prin intermediul unui cuplu de frecare sub formă de bilă confecționată din oțel de tip 100Cr6, cu ϕ de 6mm, cu o forță normală de apăsare de 5 N. În momentul în care pinul vine în contact cu suprafața de contact a probei aflată în mișcare de rotație pe discul special, aceasta este zgâriată și astfel se produce uzura probei.

Pe baza aceastui dispozitiv se determină rata de uzură în funcție de principalii parametri: forța aplicată bilei și viteza de zgâriere. Citirea valorilor coeficientului de uzură s-a realizat prin măsurarea practică a profilului urmei de pe suprafața probei analizate prin intermediul profilometrului înregistrând curba de portanță, figura 3.16 (b), respectiv (c).

Viteza de deplasare liniară a epruvetei a fost cuprinsă între 12,57 – 20,00 mm/s, amplitudinea cuprinsă între 2,00 și 3,50 mm. Condițiile de lucru au fost temperatura de 20 ºC și umiditatea de 32%.