Studii şi cercetări privind caracterizarea aliajelor de aluminiu deformabile obţinute prin solidificare ultrarapidă [304629]

CAPITOLUL I. ALUMINIU ȘI ALIAJELE SALE. TEHNOLOGII DE OBȚINERE A ALIAJELOR DE ALUMINIU DEFORMABILE.STADIUL ACTUAL AL CUNOAȘTERII

1.2.[anonimizat], [anonimizat], prelucrabilitatea ușoară etc. Astăzi, [anonimizat], deși istoria cunoașterii acestui metal este mai scurtă de două secole.

[anonimizat]. Ponderea aluminiului în scoarța pămantului este de 7.5 %.

[anonimizat], rezistența la coroziune etc., aluminiul ocupă în prezent primul loc în producția mondială a metalelor neferoase. [1]

Aluminiul face parte din grupa a III-a principală a [anonimizat] 13, masa atomică 27, raza atomică 1,43 Å, 132 cristalizează în sistemul cubic cu fețe centrate și prezintă trei izotopi radioactivi cu perioada de înjumătățire mai mică de 7 minute.

Principalele proprietăți fizice și tehnologice ale aluminiului sunt:

greutatea specifică:

2,70 daN/dm3 la 20°C;

2,62 daN/dm3 la 400°C;

2,55 daN/dm3 la 660°C, în stare solidă;

2,38 daN/dm3 la 661°C, în stare lichidă;

contracția liniară: 1,7%;

contracția volumică la solidificare: 6,6%;

temperatura de topire: 660,2°C;

temperatura de vaporizare: 2450°C;

căldura latentă de topire: 93,96 Kcal/Kg;

[anonimizat], astfel:

Cp = 22,2 Kcal/Kg∙°C la 20 °C;

Cp = 11,2 Kcal/Kg∙°C la 175 °C;

Cp = 7,0 Kcal/Kg∙°C la 200 °C;

conductivitatea termică: λ = 0,52 cal/cm∙s∙°C;

rezistivitatea electrică: ρ = 2,699 μΩ∙cm;

maleabil și ductil;

rezistența la rupere la tracțiune: 7-10 daN/mm2 – turnat;

alungirea: 20-45%;

duritatea Brinell: 25-40 daN/mm2;

temperatura de turnare: 710-7300 C;

temperatura de prelucrare la cald: 350-4500 C;

temperatura de recoacere: 370-4000 C;

temperatura de revenire: 1500 C;

Din punct de vedere chimic aluminiul este un metal cu activitate ridicată care se combină energic cu oxigenul și halogenii. [anonimizat], fosforul și sulful. [anonimizat], [anonimizat], impermeabilă și puternic aderentă la metal. Aceasta face ca aluminiul să aibă o [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat]. Prezența anumitor impurități reduce semnificativ rezistența aluminiului la coroziune. [anonimizat], însă în stare aliată el este cel mai utilizat metal neferos. [1]

Industrial aluminiul se obține aproape în întregime prin descompunerea electroliticǎ a aluminei pure dizolvate într-o topiturǎ de criolit cu adaus de fluorurǎ de calciu. Prin electrolizǎ se obține "aluminiul tehnic primar" numit și "aluminiu tehnic pur" care conține de la 0,2% la 1% impurități metalice (Fe, Și, Că, Ți, Na) și nemetalice (alumină, electrolit, carbură de aluminiu, gaze).

În țară noastră sunt standardizate următoarele mărci de aluminiu tehnic pur: Al 99,8, Al 99,7, Al 99,6, Al 99,5, Al 99,4, Al 99 și AIE.

"Aluminiul de înaltǎ puritate" se obține din aluminiul tehnic filtrat, spǎlat cu gaz sau degresat, prin rafinarea electroliticǎ cu anod solubil în sǎruri topite cunoscute sub numele de rafinare în trei straturi. Acest aluminiu conține de la 0,05% la 0,1% impuritǎți, în țară noastrǎ fiind stabilizate trei mărci Al 99,99, Al 99,95 și Al 99,90.

"Aluminiul extra pur" se obține prin topirea zonarǎ, distilarea halogenurilor inferioare sau electroliză compusilor organici ai aluminiului de înalta puritate, gradul de puritate putând ajunge panǎ la 99,999995%. [2]

Aluminiu și aliajele lui reprezintă una dintre cele mai importante categorii de materiale utilizate de tehnică modernă datorită avantajelor legate de greutatea specifică mică, conductibilitatea termică și electrică ridicată, rezistență la coroziune bună, caracteristicile mecanice apreciabile, prelucrabilitate ușoară s.a.

Aliajele aluminiului pot avea caracteristici mecanice și tehnologice superioare multor aliaje neferoase, iar din anumite puncte de vedere pot fi superioare chiar și fontelor. Astfel de proprietăți sunt:

– rezistența mecanică la tracțiune: 15-45 daN/mm2;

– alungirea: 0,5-18 %;

– duritatea Brinell: 50-130;

– prelucrabilitate foarte bună atât metalurgic cât și mecanic;

– sudabilitate;

– greutate specifică redusă.

Deoarece sunt foarte diverse din punct de vedere a compoziției chimice și a proprietăților, este necesară clasificarea aliajelor de aluminiu după anumite criterii. [3]

Fig 1.1. Aluminiu și principalele sale aliaje

1.2. Clasificarea aliajelor de aluminiu

Tabelul 1. Clasificarea aliajelor de aluminiu dupa grupele ASTM

Principalele criterii de clasificare sunt:

-după tehnologiile de fabricație ale produselor:

aliaje pentru turnătorie – utilizate pentru obținerea pieselor fasonate;

aliaje deformabile – utilizate pentru deformarea plastică.

-după proprietăți și domenii de utilizare: antifricțiune, anticorozive, refractare, criogenice, cu proprietăți mecanice deosebite, superplastice, cu memorie, pentru pistoane, cu conductibilitate electrică bună, pentru îmbinări sudate și turnarea sub presiune etc., destinate tehnicii aerospațiale, industriei de automobile și de nave, industriei chimice și alimentare etc. [1]

1.2.1. Aliajele de aluminiu de turnătorie

Aliajele de aluminiu pentru turnătorie permit adaosuri mari de elemente de aliere și se tratează termic prin călire și îmbătrânire sau recoacere. În activitatea practică aliajele aluminiului pentru turnare se grupează după principalul element de aliere: siliciul, cuprul, magneziul, zincul. Ele pot fi aliaje binare însă cel mai adesea sunt aliaje complexe care pe lângă elementul principal de aliere mai conțin cantități importante de alte elemente. [1]

În afara aliajelor obișnuite de turnătorie se mai întâlnesc aliaje de aluminiu cu caracteristici mecanice superioare (spre valorile superioare prezentate mai sus), care în general au o destinație specială și conțin elemente de aliere mai scumpe.

Cele mai uzuale aliaje ale aluminiului sunt aliajele aluminiu – siliciu, aluminiu-cupru și aliminiu-magneziu. În funcție de procedeul de turnare adoptat mărcile de astfel de aliaje au în simbolizare următorul grup de litere:

ATN – pentru aliaje turnate în amestec de formare;

ATC – pentru aliaje turnate în cochilă;

ATP – pentru aliaje utilizate la turnarea sub presiune.

Aliaje aluminiu-siliciu

Cele mai importante aliaje ale aluminiului sunt aliajele aluminiusiliciu, care se folosesc foarte mult în turnătorii deoarece au proprietăți de turnare și caracteristici tehnologice superioare în comparație cu alte aliaje de 135 aluminiu. Aliajele binare, cunoscute și sub denumirea de siluminuri, au caracteristici mecanice satisfăcătoare, sunt impermeabile la lichide și gaze, sunt insensibile față de fisurile la cald, se sudează bine oxiacetilenic și au rezistența la coroziune mai bună decât cea a aluminiului datorită formării unei pelicule protectoare de SiO2xH2O. [1]

Diagrama de echilibru prezentată în Fig. 1.2 arată domeniul de existență al acestor aliaje care sunt de tipul aliajelor complet miscibile în stare lichidă și parțial miscibile în stare solidă, fără să formeze compuși intermetalici.

Fig.1.2. Diagrama de echilibru Al-Si

Se observă din diagramă că la temperatura de 5770 C și concentrația de 11,7% Si se formează eutecticul care poate cristaliza sub formă de lamele, de ace fine, sau sub formă globulară după efectuarea modificării. Soluția solidă α, care cristalizează în sistemul cubic cu fețe centrate, indică o 136 solubilitate maximă de 1,65%Si în aluminiu la temperatura de 5770 C și de numai 0,005%Si la 200 C. [1]

Aliajele aluminiu-siliciu hipoeutectice, cu structură α +eutectic, au conținutul de siliciu mai mic de 11,7%Si, iar aliajele hipereutectice, cu structură β+eutectic, au conținutul de siliciu mai mare de 11,7% Si. La aliajele hipereutectice, în condițiile unei răciri lente, separă Si primar sub forma unor cristale mari, colțuroase, care imprimă duritate și fragilitate.

Îmbunătățirea caracteristicilor mecanice ale acestor aliaje se poate face prin modificarea structurii de turnare la introducerea unor adaosuri mici de elemente modificatoare cum ar fi: sodiu, potasiu, calciu sau litiu, înainte de turnare. O modificare bună se obține cu adaosuri de 0,01 – 0,20%Na, sub formă metalică sau de săruri (NaF; NaCl), introduse la temperaturi de 775 – 7900 C. La modificare eutecticul se deplasează de la 11,7%Si la 13%Si, iar temperatura scade de la 5770 C la 5540 C. Adaosuri mai mari de 0,20%Na conduc la apariția fenomenului de supramodificare cu formarea eutecticului ternar Al- Si- Na care micșorează proprietățile materialului. Modificarea cu sodiu este temporară, adică se pierde prin retopire, în schimb stronțiu asigură modificarea permanentă a siluminurilor.

Aliajele Al – Si hipereutectice se modifică cu fosfor, introdus în proporție de 0,05 – 0,10%, la temperatura de 780- 8200 C.

Îmbunătățirea proprietăților mecanice și tehnologice ale siluminurilor se realizează prin alierea în diferite procente cu anumite elemente chimice. Influența favorabilă a elementelor de aliere, precum și cea dăunătoare produsă de impurități este redată în exemplele de mai jos. Magneziul – este cel mai important adaos în siluminuri deoarece în urma formării compusului Mg2Si, a cărui solubilitate variază cu temperatura, se poate aplica tratamentul termic de durificare care contribuie la ridicarea caracteristicilor mecanice.

Magneziul – este cel mai important adaos în siluminuri deoarece în urma formării compusului Mg2Si, a cărui solubilitate variază cu temperatura, se poate aplica tratamentul termic de durificare care contribuie la ridicarea caracteristicilor mecanice.

Cuprul – în adaosuri de până la 5%, durifică soluția solidă, sau formează compusul Al2Cu, care de asemenea durifică, mărește rezistența la rupere la tracțiune și prelucrabilitatea, dar diminuiază rezistența la coroziune.

Zincul – durifică și ridică proprietățile mecanice dar înrăutățește proprietățile de turnare.

Fierul – este dăunător deoarece se formează compusul binar FeAl3 și compușii ternari Al12Fe3Si sau Al9Fe2Si care precipită direct din lichid, scad plasticitatea și măresc fragilitatea. Conținutul de fier maxim admis în siluminuri este de 0,10%. Efectul negativ al fierului se înlătură cu adaosuri de Mn, Cr, Ti, Zr, V, Ni, Co.

Cobaltul – anulează efectul negativ al fierului, micșoreză coeficientul de dilatare și mărește rezitența la temperaturi înalte, ceea ce îl recomandă pentru aliajele de pistoane.

Nichelul – mărește caracteristicile mecanice, refractaritatea și micșorează coeficientul de dilatare.

Pentru îmbunătățirea caracteristicilor mecanice și lărgirea domeniilor de utilizare, în aliajele binare Al – Si se fac adaosuri de elemente secundare de aliere care formează faze intermetalice cu siliciul sau aluminiul a căror solubilitate variabilă în stare solidă permite durificarea prin tratament termic. [1]

Aliajele Al – Si – Mg cu până la 0,5%Mg, după tratamentul termic de revenire, au rezistența mecanică de rupere la tracțiune majorată cu 20%, plasticitatea dublă, iar rezistența la coroziune foarte înaltă. Dacă adaosurile mai mici de 0,5%Mg micșorează tendința de formare a golurilor de contracție, adaosurile mai mari măresc atât durata de omogenizare a soluției solide cât și conținutul de gaze din aliaj. Dacă în aliajele ternare Al – Si – Mg se fac adaosuri de până la 2%Cu crește susceptibilitatea la tratament termic și se îmbunătățesc caracteristicile mecanice ceea ce le conferă calitatea de a fi folosite pentru blocul motoarelor cu ardere internă și carcasa 138 compresoarelor. Aliaje de turnătorie deosebit de performante se obțin prin microalierea aliajelor Al – Si – Mg cu zecimi și sutimi de procent de calciu, stronțiu, stibiu, cobalt, beriliu etc. Aliajele Al – Si – Cu, în care conținutul de cupru variază între 2% și 6%, se pretează bine pentru turnarea în piese, au caracteristci mecanice superioare, refractaritate ridicată și prelucrabilitate prin așchiere bună. [1]

Aliajele complexe Al – Si – Cu – Mg au proprietăți bune de turnare și caracteristici mecanice superioare fiind utilizate pentru producerea pieselor supuse la solicitări mari și temperaturi ridicate. Dacă aceste aliaje sunt microaliate cu elemente greu fuzibile, precum: W, Nb, Mo, V, Ti, Zr, Ni, Cr etc., proprietățile cresc ceea ce face posibilă obținerea de piese pentru instalațiile de gaz sub presiune, corpuri de compresor și pistoane ale motoarelor cu ardere internă.

Aliaje aluminiu-cupru

Aliajele din sistemul aluminiu – cupru se împart în două grupe mari:

a) Aliaje pentru turnătorii, care se împart în 3 grupe importante:

– aliaje cu mai puțin de 5%Cu, în care frecvent se fac adaosuri de magneziu și mangan;

– aliaje cu 7 – 8%Cu, la care adesea se fac adaosuri de siliciu și fier, iar în cantități mai mici: mangan, crom, zinc, staniu etc.;

– aliaje cu 10 – 14%Cu, care mai conțin siliciu (max. 5%), fier (max. 1,5%), magneziu (max. 0,3%) și proporții reduse de nichel, mangan, crom.

b) Aliaje pentru deformare plastică care se pot grupa atfel:

– aliaje cu 5 – 6%Cu, binare sau cu adaosuri de: Si, Mn, Sn, Pb, Cd, Bi, Li, V, Zr;

– duraluminiu cu 4,0 – 4,5%Cu, 0,5 – 1,5%Mg, 0,5 – 1,0%Mn;

– aliaje cu nichel, precum cele de tip Y cu 4%Cu, 2%Ni, 1,5%Mg.

Conform diagramei de echilibru a sistemului Al – Cu, prezentată în figura 1.3., solubilitatea maximă a cuprului în aluminiu este de 5,7%, la temperatura de transformare eutectică de 5480 C și scade la 0,2%Cu la temperatura de 2000 C. Reacția eutectică are loc la 33%Cu și 5480 C, între soluția solidă α și faza intermetalică θ care cristalizează direct din topitură la 53,3%Cu și 5910 C sub forma compusului CuAl2.

Fig.1.3. Diagrama de echilibru parțială a sistemului Al – Cu

Spre deosebire de siluminuri, proporția de eutectic din aliajele de turnătorie hipoeutectice ATCu4, ATCu8 și ATCu10 este foarte mică ceea ce le face mai puțin fragile. Rezistența la rupere se dublează la călirea aliajelor cu peste 5%Cu și se triplează în urma îmbătrânirii artificiale la 1600 C.

Aliajele aluminiu-cupru au proprietăți de turnare mai slabe decât siluminurile deoarece au fluiditatea mai scăzută, iar tendința de a forma crăpături la cald și de absorbție a gazelor mai mare.

Alierea secundară cu siliciu conduce la îmbunătățirea proprietăților de turnare, prin creșterea fluidității și reducerea tendinței de fisurare la cald, dar și la reducerea plasticității și a rezistenței mecanice. Adaosurile de magneziu măresc duritatea și rezistența la rupere, chiar și la temperaturi mai ridicate, dar micșorează alungirea și proprietățile de turnare. La 1 – 1,5%Mg aliajele se durifică prin îmbătrânire naturală. Adaosurile de mangan măresc rezistența la temperaturi înalte și reduc tendința de formare a fisurilor la cald. [1]

Aliaje aluminiu-magneziu

Aliajele aluminiului cu magneziu fac parte din grupa aliajelor superușoare, au rezistență mecanică bună, se prelucrează bine prin așchiere, au proprietăți superioare de lustruire cu obținerea unui aspect deosebit de frumos după anodizare și posedă o foarte bună rezistență la coroziune.

Dezvoltarea producției de piese turnate din astfel de aliaje este dificilă datorită proprietăților slabe de turnare, dintre care remarcăm: fluiditate redusă, tendință mare de oxidare la elaborare și turnare, precum și tendintă ridicată de a forma retasuri, sufluri și fisuri la cald.

La mărirea conținutului de magneziu cresc caracteristicile mecanice, capacitatea de lustruire și rezistența la coroziune în apa de mare sau în soluții slab alcaline, în schimb sudabilitatea și plasticitatea scad.

Din diagrama de echilibru a sistemului Al – Mg, prezentată în figura 1.4. se observă că solubilitatea maximă a magneziului în aluminiu este de 17,4%Mg la temperatura eutectică de 4510 C și scade la 2,95%Mg la 1500 C. Eutecticul apare la 34,5%Mg în urma reacției dintre soluția solidă α și compusul intermetalic Al8Mg5.

Deoarece aliajele cu mai mult de 10–15%Mg sunt foarte fragile și au proprietăți proaste de turnare, ele nu sunt utilizate în tehnică și din acest motiv vom caracteriza doar aliajele de turnătorie cu 3%Mg, 5%Mg, 7%Mg și 9%Mg.

La răcirea lentă în forme de nisip, faza β formată pe baza compusului definit Al8Mg5 precipită din soluția solidă α sub forma unor rețele celulare continue la limita grăunților care permit pătrunderea agentului de coroziune.

Pentru a evita coroziunea intercristalină aliajul este supus încălzirii timp îndelungat la 5300 C pentru punerea în soluție a fazei β, apoi este răcit cu viteză mare în apă pentru a menține soluția solidă α suprasaturată în faza β.

Rezistența la coroziune se îmbunătățește prin îmbătrânirea artificială când particulele β separate sub forma unor șiruri de perle fără continuitate sunt înglobate în soluția solidă α. [1]

Fig.1.4. Diagrama de echilibru a sistemului Al – Mg, domeniul aliajelor turnate

Pentru îmbunătățirea anumitor proprietăți în sistemul binar Al – Mg se fac adaosuri de:

– siliciu pentru mărirea fluidității;

– cupru pentru diminuarea efectului coroziunii intercristaline;

– zinc pentru mărirea fluidității și a proprietăților mecanice;

– mangan și crom pentru mărirea rezistenței la coroziune;

– nichel și zirconiu pentru creșterea temperaturii de recristalizare;

– titan, tantal și bor pentru modificarea structurii de turnare;

– litiu, ytriu și beriliu pentru diminuarea fenomenelor de oxidare.

Proprietățile de turnare ale aliajelor Al-Mg sunt inferioare siluminurilor, din cauza următoarelor dezavantaje:

au fluiditate mică;

au tendință de a forma fisuri, sufluri și microretasuri;

au o puternică tendință de oxidare în timpul elaborării și turnării din cauza conținutului de magneziu. [1]

1.2.2. Aliajele deformabile

Fig 1.5. Clasificarea generală a aliajelor de aluminiu deformabile

Deformabilitatea este proprietatea metalelor și aliajelor de a capăta deformații permanente fără a se rupe, sub acțiunea unor forțe exterioare. Este influențată direct de proprietățile mecanice: elasticitate, plasticitate, rezistență la curgere, fluaj. [5]

Aliajele deformabile se împart în:

Aliajele de aluminiu deformabile, nedurificabile prin tratament termic

În această categorie sunt cuprinse aliajele din sistemele Al-Mg, Al-Mn, Al-Mg-Mn, Al-Mn-Cu, Al-Ni-Fe, Al-Sn-Ni-Cu.

Aliajele Al-Mg ce conțin mai mult de 1,4% Mg au în alcătuire structurală soluție solidă și compusul Al8Mg5. Aliajele deformabile conțin până la 7% Mg; dintre acestea, cele ce conțin până la 5% Mg nu se durifică prin tratament termic, iar cele ce conțin peste 5% Mg pot fi durificate prin tratament termic însă efectul durificării este foarte mic. Având în vedere faptul că aliajele din acest sistem conțin o serie de impurități, structura lor este alcătuită din soluție solidă, compusul Al8Mg5 și alte faze intermediare, care se dispun de obicei la limitele grăunților de solutiesolida. [5]

Aliajele Al-Mg au o rezistență mecanică ridicată asociată cu o bună plasticitate, ele putându-se deforma plastic la rece foarte ușor, au rezistență la coroziune ridicată și o bună sudabilitate.

Proprietățile mecanice și caracteristicile tehnologice ale aliajelor Al-Mg pot fi modificate prin alierea, cu diferite elemente că: Ți, B, Mn, Cr, Cu, Fe, Zr, Be, Li. Titanul și borul acționează asupra mărimii de grăunte finisând granulația, manganul și cromul măresc rezistență mecanică și rezistență la coroziune, siliciul mărește fluiditatea, cuprul împiedică susceptibilitatea la coroziune pitting, fierul și zirconiul măresc temperatura de recristalizare, beriliu și litiu reduc gradul de oxidare al magneziului la elaborare. [2]

Aliajele Al-Mg având rezistență mecanică ridicată în comparație cu aluminiul au o largă utilizare în construcții metalice, în industria constructoare de mașini, în transporturi, în aviație și în industria de armament. [6]

Aliajele Al-Mn conțin de obicei 1-1,7% Mn. Deoarece solubilitatea compusului Al6Mn în aluminiu este variabilă cu temperatura, teoretic aceste aliaje pot fi durificate prin tratament termic. Aliajele Al-Mn au aceleași utilizări că și aliejele Al-Mg.

Aliajele Al-Mn-Mg conțin până la 3% Mg și 1-1,5% Mn; sunt caracterizate prin rezistență mecanică ridicată, plasticitate bună, rezistență la coroziune mare și sunt usorsudabile.

Aliajele Al-Ni-Fe conțin circa 1% Ni și 0,6% Fe; au rezistență bună la coroziune, în apă la temperaturi și presiuni ridicate și sunt utilizate în energetică nucleară. Aliajele deformebile nedurificabile structural din sistemul Al-Sn-Ni-Cu au proprietăți antifrictiune foarte bune fiind utilizate la confecționarea lagărelor în industria automobilelor. [6]

Aliajele de aluminiu deformabile durificabile prin tratament termic

Această grupa cuprinde aliaje cu elemente care au solubilitatea în aluminiu relativ ridicată: Cu, Mg, Zn, variația solubilității acestora cu temperatura permițând aplicarea tratamentelor termice.

Din această clasa mai des sunt utilizate aliaje din sistemele Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Și, Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu, Al-Cu-Ni-Mg. Reprezentantul tipic al acestor aliaje este aliajul Al-Cu cu circa 4,0-5,5%. [3]

Aliajele deformabile, durificabile prin tratament termic din sistemul Al-Cu sunt formate în soluție solidă și compusul CuAl2. Deoarece aceste aliaje conțin o serie de elemente că impurități sau că elemente de aliere în structura lor apar și alte faze intermetalice, care fie se dizolvă în soluția solidă favorizând durificarea, fie sunt insolubile dispunându-se la limitele de grăunți. [6]

Caracteristicile tehnologice și de expluatare ale aliajelor Al-Cu sunt puternic influențate de prezența elementelor de aliere. Siliciul mărește rezistență mecanică, micșorează ductilitatea și rezistență la oboseală, influențează comportarea la tratament termic, reduce rezistență la cald și rezistență la fluaj. Magneziu mărește rezistență mecanică și duritatea, influențează comportarea la tratament termic.

Aliajele din sistemul Al-Cu-Mg sunt formate din soluție solidă și compușii: CuAl2, CuMgAl2, CuMg4Al6. Compușii intermetalici prezenți în structura influențează asupra comportării la tratamente termice, influență lor manifestându-se în funcție de mărimea raportului Cu: Mg.

În aliajele cu raport Cu: Mg mai mare de 8:1 faza durificatoare este CuAl2, în cele pentru care raportul este cuprins între 8:1 și 4:1 fazele durificatoare sunt CuAl2 și CuMgAl2, în aliajele la care raportul este cuprins între 4:1 și 1,5:1 faza durificatoare este CuMgAl2 și în alijele pentru care raportul este sub 1,5:1 durificarea se face prin participarea compusului CuMg4Al6. [5]

Aliajele Al-Cu-Mg după îmbătrânirea naturală au o rezistență mecanică ridicată, asociată cu o plasticitate bună comparabilă cu plasticitatea obținută la recoacere. Comportarea la tratamente termice și caracteristicile mecanice ale aliajelor Al-Cu-Mg este puternic imfluentata de prezența impurităților sau elementelor de aliere astfel: manganul mărește rezistență mecanică dar la conținuturi mai mari de 1% micșorează mult plasticitatea, siliciul mărește rezistență mecanică și îmbunătățește comportarea la îmbătrânirea artificială, nichelul mărește refractaritatea, fierul la conținuturi mai mari de 0,5 micșorează rezistență mecanică.

Aliajele Al-Cu-Ni sunt aliaje cu rezistență mecanică mare atât la temperaturi joase cât și la temperaturi ridicate. În aliajele de tip Y durificarea la îmbătrânire se datorește compusilor ternari (CuNi)2Al3 și Cu4NiAl7, fiind posibilă și prezența unui compus cuaternar ce conține în plusMg.

O altă categorie de aliaje deformabile durificabile prin precipitare o constitue aliajele Al-Mg-Și. Structura aliajelor din acest sistem este relativ simplă, fiind alcătuită din soluție solidă și compus Mg2Si.

Aliajele Al-Mg-Si sunt utilizate în industria constructoare de mașini datorită caracteristicilor de rezistență mecanică ridicate, rezistenței la coroziune bune, prelucrabilitătii prin așchiere și sudabilității foarte bune. O parte din aceste aliaje sunt utilizate pentru executarea unor obiecte decorative.

Tot în categoria aliajelor deformabile durificabile prin tratament termic sunt incluse și aliajele din sistemul Al-Zn-Mg, aliaje caracterizate prin rezistență mare la coroziune. Aceste aliaje conțin 2-8% Zn, la care se mai adaugă Cu, Fe, Si, Cr, Mn, Ti, Ag. [4]

1.3. Tehnologiile de obținere a aliajelor de aluminiu deformabile

Aliajele de aluminiu pot fi obținute prin toate procedeele cunoscute și utilizate în turnarea metalelor cum ar fi turnarea în forme temporare și permanente, sub presiune, centrifugală, în modele ușor fuzibile, turnarea continuă și semicontinua, prin procedeul melt-spinning (solidificare ultrarapidă).

Utilizarea corespunzătoare a aliajelor de aluminiu presupune cunoașterea proprietăților fizice, mecanice și de exploatare, dar pentru atingerea nivelului optim de performanță, înțelegerea relației procesare-structura-proprietăți, este absolut necesară.

O atenție deosebită trebuie acordată modului de obținere și control al structurii deoarece această dictează proprietățile finale ale produsului realizat.

Formele temporare

Procedeele la care formă nu rezistă decât la o singură turnare, se numesc procedee de turnare în forme temporare, la care formele se distrug în momentul dezbaterii pentru scoaterea pieselor. La aceste procedee materialul de formare fie se recuperează, fie se pierde complet.

Formele semipermanente

Sunt construite din material refractare, bazate în special pe argilă și șamotă. Se utilizează pentru un număr limitat de turnări (5-10) cu mici reparații intermediare. Aceste forme se execută de regulă în solul turnătoriei prin șablonare, care realizează cavitatea piesei de turnat. Jumătatea superioară se realizează prin unul sau mai multe miezuri montate în rame superioare.

Formele permanent

Mai sunt numite și cochile, sunt matrițe metalice executate din fontă sau oțeluri, prevăzute cu cavități corespunzătoare configurației exterioare a piesei și mărcilor pentru miez. Aceste forme se utilizează pentru un număr mare de turnări (2000-80000). Toate tipurile de forme sunt prevăzute cu rețele de turnare, răsuflători și eventual maselote.

Turnarea sub presiune

Calitatea pieselor turnate sub presiune este superioară celor turnate în forme temporare sau în forme metalice prin turnare liberă (gravitațională). Formele folosite la turnarea sub presiune sunt metalice și că atare asigura o mare viteză de răcire, deci se obțin piese cu structura fină și proprietăți mecanice superioare. În plus, presiunea ridicată din timpul turnării asigura o mai mare compactare a aliajului și reduce posibilitatea de apariție a suflurilor în piesele turnate.

Turnarea centrifugă

Este o metodă de obținere a pieselor prin turnarea metalului într-o formă care se rotește și se bazează pe acțiunea forței centrifuge asupra metalului lichid, care este proiectat pe pereții formei unde se solidifică.

Axa de rotație poate să corespundă cu axa piesei și atunci se obțin piese de revoluție sau să nu corespundă cu axa piesei și se obțin așa numitele piese fasonate. Axa de rotație poate fi vertical, orizontală sau înclinată. În toate cazurile aliajul se găsește sub acțiunea a două forțe:

– forța de gravitație G=m*g, [N];

– forța centrifugă Fc=m*ω*r, [N];

Turnarea continuă

Turnarea se face prin cădere liberă într-o formă metalică fără fund, intens răcită cu apă. Acest procedeu a devenit competitiv, în cazul oțelului, cu laminoarele și blumingurile pe care le completează și chiar le înlocuiește în ultimul timp. După poziția de curgere a aliajului lichid turnarea continuă poate fi verticală sau orizontală.

Procedeul “Melt-spinning” (Solidificarea ultrarapidă)

O tehnologie de turnare bine cunoscută, ce aigura o viteză mare de răcire din stare lichidă, este “melt-spinning”. Procesarea prin solidificarea rapidă este o tehnică acceptată și pusă în practică în industria procesării materialelor cu structura fină. Solidificarea ultrarapidă este definită destul de lax în literatura științifică metalurgică prin extragerea rapidă a energiei termice (incluzând atât conținutul caloric al topiturii supraîncălzite cât și căldura latentă de solidificare) în cursul tranziției de la starea lichidă specifică temperaturilor înalte la starea solidă aflată la temperatura ambiantă.

Aceasta constă din turnarea unui jet subțire de aliaj topit pe un disc în mișcare de rotație. Jetul de material topit se formează prin extruziune din baia metalică, prin acțiunea unui gaz inert sub presiune. La contactul cu suprafața discului, aliajul topit trece rapid din starea lichidă în stare solidă având ca rezultat înghețarea structurii acestuia. În literatura de specialitate se întâlnesc nenumărate studii de cercetare cu referire la obținerea de diferite materiale metalice prin solidificare ultrarapidă.

Solidificarea ultrarapidă prezintă multe caracteristici avantajoase din punctul de vedere industrial al obținerii de structuri avansate în materialele metalice.

1.4. Finisarea granulației aliajelor de aluminiu

Mărimea grăunților unui material metalic depinde de starea de tratare a topiturii înainte de turnare. În general cristalele de metal sau de aliaj cresc pornind de la germeni (nuclee). Cu cât numărul germenilor este mai mare, cu atât numărul de cristale va crește și acestea vor fi mai fine.

Finisarea granulatiei aliajelor neferoase constă în tratarea topiturilor înainte de turnare sau înaintea procesului de sofidificare. Acest proces este necesar pentru unele metale și aliaje ca urmare a îmbunătățirilor care se realizează:

Ameliorarea proprietăților mecanice și a refractarității;

Îmbunătățirea proprietăților de turnare (creșterea fluidității);

Micșorarea porozității de contracție și creșterea densității;

Realizarea mai ușoară a uniformității răspunsului la tratament termic;

Îmbunătățirea extrudabilitatii și prelucrabilitătii prin așchiere, a finisării suprafețelor datorită structurii fine.

Procesele de nucleere au rol important la solidificarea produselor turnate, controlând tipul structurii inițiale, gama de dimensiuni și distribuția spațială a fazelor.

În plus, efectele nucleerii exercită o influență considerabilă asupra microstructurii de solidificare, respective asupra mărimii grăunților, a morfologiei și a omogenității compoziției.

Microstructură finală este, de asemenea, modificată datorită creșterii cristalelor, curgerii topiturii și proceselor de coagulare care sunt importante în etapă de răcire ulterioară a metalului.

La turnare, temperatura de solidificare, corespunzătoare începutului răcirii, este adesea foarte apropiată, dar puțin mai mică decât punctul de topire sau temperature de echilibru liquidus.

Diferența dintre temperatura de solidificare și temperatura de echilibru se numește subrăcire ΔT și are un rol important în descrierea stadiului inițial al solidificării care este controlat de nucleere.

Mărimea gradului de subrăcire la începutul solidificării este un factor important în dezvoltatrea și înțelegerea varietătilor de modificări structurale și a practicilor de finisare a granulatiei, la turnarea aliajelor.

Principalele metode de finisare a grăunților sunt: răcirea rapidă, agitarea mecanică cu ultrasunete, retopirea dendritelor, adăugarea unor elemente care frânează creșterea și adaosul agenților de nucleere.

Răcirea rapidă produce grăunți fini în majoritatea aliajelor. Mecanismele acestui proces include: frânarea creșterii grăuntelui, micșorarea dimensiunii critice a nucleelor, creșterea numărului de centri de nucleere, nucleerea omogenă și recristalizarea.

Răcirea rapidă are o influență semnificativă asupra proprietăților materialului turnat, asupra distanței dintre ramurile secundare ale dendritelor (DAS), mărind solubilitatea în stare solidă și micsorand segregarea și fazele metastabile.

Finisarea granulatiei se poate realiza și prin introducerea în aliajul lichid, înainte de turnare, a unor particule solide (pulberi), care, absorbind căldură, accelerează solidificarea lingourilor și conduc la obținerea unei structure fine.

Turnarea lingourilor, o metodă de modificare a structurii aplicată industrial, constă în răcirea unei părți din aliajul lichid pe o suprafață (de exemplu jgheab) care are temperature mai mică decât temperatura de topire a acestuia, înainte de a intră în cristalizor.

În acest mod se formează un număr mare de centri de cristalizare, care conduc la obținerea unei structuri fine a lingoului. Este necesar că gradul de supraîncălzire al topiturii să fie cât mai redus.

Agitarea mecanică a topiturii se poate efectua manual, prin agitarea electromagnetica, prin insuflarea gazelor, prin tratarea cu ultrasunete sau în instalații de tip RHEOCASTING.

Agitarea topiturii duce la ruperea sau încovoiere ramurilor dendritice în creștere. Efectul de finisare obținut depinde de energia mecanică introdusă în topitură.

Prin acțiunea ultrasunetelor asupra topiturii metalice se fărămițează ramurile dendritice care cresc începând de la peretele formei

Prelucrarea topiturii cu ultrasunete de putere mică nu conduce la fragmentarea grăunților aliajului; această se realizează numai după atingerea pragului de cavitatie Nc (N-puterea ultrasunetelor).

Peste pragul de cavitatie se atinge, la un moment dat, un punct Nc corespunzător apariției structurii subdrendritice, când grăunții sunt mai mici decât celulă dendritică corespunzătoare aliajului.

Valoarea Nc depinde de dimensiunea lingoului și de compoziția aliajului. Structura subdendritica se caracterizează prin absența construcției dendritice a grăunților și această conduce la creșterea plasticității aliajului. La tratarea topiturii cu ultrasunete este posibilă și activarea impurităților insolubile, având că efect micșorarea grăunților.

Când modificatorul formează germeni active în topitură, ultrasunetele favorizează dispersarea și deci creșterea suprafeței acestora și, de asemenea, accelerează formarea germenilor că urmare a scăderii tensiunii superficiale la limita germene-topitură.

Fig.1.6. Formarea dendritei

a-apariția centrului de cristalizare; b-cedarea căldurii; c-dendrita

Eficientă tratării cu ultrasunete, la cristalizare, depinde de intensitatea și de frecvența ultrasunetelor. La tratarea cu ultrasunete în cazul turnării lingourilor de duraluminiu, se utilizează un generator de ultrasunete de 20.25 kW.

Ultrasunetele se recomandă la turnarea lingourilor și pieselor din aliaje speciale, la care se justifică din punct de vedere calitativ cheltuieli suplimentare.

Amestecarea electromagnetică a topiturii metalice în cristalizator, în special la aliajele cu tendința de formare a unei zone mari de cristale columnare (în cazul aliajelor cu conținut de aluminiu), este una din metodele dinamice recente de modificare a structurii. Prin această metodă se creează curenți verticali și orizontali în cristalizator.

Procedeul “retopirii” dendritelor constă în multiplicarea dendritelor prin convectie și pulsuri termice asociate.

Retopirea este intensificată prin agitarea puternică a metalului păstos în timpul solidificării. În acest fel structura dendritică este transformată într-o structura fină, cu particule mai mult sau mai puțin sferice. Deși se obțin rezultate bune și o serie de îmbunătățiri suplimentare (reducerea segregării), costul operațiilor este ridicat, iar complexitatea echipamentelor este mare.

Adaosurile care frânează creșterea grăunților sunt de obicei elemente de aliere sau substanțe dizolvate dintr-un sistem de aliaje în care poate avea loc o subrăcire constituțional în timpul solidificării. Ca urmare, există o zona în câte temperature reală este mai mică decât temperature de solidificare în care lichidul persistă.

Această este zona subrăcită în care îmbogățirea în elemental dizolvat sau suprasaturarea facilitează nucreerea, obținându-se grăunți mai mici. Cu cât temperature eutectică este mai mică și cantitatea de element dizolvat necesară este mai redusă cu atât este mai mare eficientă finisării grăunților. Această metodă este aplicată în cazul aliajelor de aluminiu.

Inocularea este principala cale pentru finisarea grăunților și constă în introducerea agenților de nucleere în topitură. Inocularea agenților de nucleere se poate realiza în două moduri:

inoculare externa sub forma de dispersie fina;

inoculare interna (“in-situ”) prin reactiile de faza sau reactiile chimice din care rezulta produse solide.

Desi succesul inocularii este realizat practice, din punct de vedere theoretic, mecanismul de operare al agentilor de nucleere ramane inca inert. Exista o experienta indelungata privind inocularea si au fost dezvoltate diferite modele ale procesului, in special in caz topiturilor de aluminiu.

Principalele elemente inoculate in topiturile neferoase sunt prezentate in Tabelul 2.

Tabelul 2. Elemente inoculante în topiturile metalice neferoase

În practică există o mare experiență privind inocularea titaniului, sau a titanului și borului în topiturile de aluminiu.

1.5. Aliajele de aluminiu deformabile din seria 7xxx (Al-Zn-Mg-Cu)

Din categoria aliajelor deformabile fac parte și aliajele din seria 7xxx (Al-Zn-Mg-Cu). Acest tip de aliaje a început să fie produs foarte mult în ultimul timp datorită utilizării lui intense în industria aerospațială, aeronautică și constructoare de mașini.

Atmosfera umedă având influență negative asupra corozitatii prin fisurare sub tensiune, necesită că șorțurile de aliaje elaborate pentru construcțiile de avioane să aibă rezistență mecanică și la oboseală (la solicitări dinamice) deosebită, și rezistență la coroziune foarte bună în special împotriva propagării fisurilor.

De asemenea, aceste aliaje posedă sudabilitate, rezistență la solicitări de lungă durata și la temperature înalte, rezistență convenabilă și proprietăți criogenice, capacitatea de îmbinare, de prelucrare prin așchiere, comportare bună la acoperiri de protective, sensibilitate la călire etc.

Aliajele din seria 7xxx au ca elemente principale de aliere Zn, Mg și Cu. Dintre aceste Zn reprezintă elementul de baza care produce durificarea. Aliajele din această grupă sunt utilizate cu prioritate în industria aeronautică și constructoare de mașini datorită caracteristicilor deosebite pe care le au.

Tabelul 3. Compoziția chimică a aliajelor din grupa 7xxx

Aceste aliajele sunt din mai multe puncte de vedere superioare celorlalte aliaje ale aluminiului, prin proprietatile lor de sudabilitate, rezistenta la rupere si la coroziune superioare.

Efectul durificator maxim este dat de prezenta Zn care formeaza compusul Al2MgZn3, solubil in Al, dar si ai altor compusi ZnAl, Mg5Al8.

Proprietățile mecanice ale aliajelor Al-Zn-Mg-Cu sunt influențate de valoarea absolută și de raportul între elementele principale de aliere (Zn, Mg, Cu), influența maximă având-o Mg ca urmare a formării compusului Mg2Zn.

Pentru un raport Zn: Mg > 2 faza durificatoare o reprezintă compusul MgZn2, iar pentru un raport Zn: Mg < 2 la durificare participă compusul Mg3Zn3Al2.în fazele de început ale descompunerii soluției solide suprasaturate se formează zonele Guinier – Preston care au o formă sferică, urmănd ca în fazele mai avansate ale procesului de îmbătrânire să se formeze o fază metastabilă alcătuită din precipitate intermediare semicoerente.

Conținutul de Cu prezent în aliaj ajută la procesul de durificare, crescând rezistența la rupere, dar reduce și viteza de propagare a fisurării sub sarcină. Pentru un raport Cu: Mg supraunitar, se formează fazele durificatoare CuMgAl2 sau CuAl2.

1.6. Aplicațiile actuale ale aliajelor de aluminiu deformabile din seria 7xxx

Aliajele de aluminiu din seria 7xxx (Al-Zn-Mg-Cu) au fost studiate de mulți cercetători datorită proprietăților lor adecvate și a aplicațiilor extraordinare, în special în industria aeronautică și aerospațială.

Aliajele de aluminiu Al-Zn-Mg-Cu (7xxx) sunt populare datorită proprietăților excelente, cum ar fi rezistența ridicată la tracțiune, rezistență ridicată,formabilitatea excelentă și rezistența la coroziune satisfăcătoare prin tratamente termice.

În imaginile care urmează, sunt prezentate cele mai importante industrii (domenii de aplicație) în care se folosesc aliajele deformabile din seria 7xxx (Al-Zn-Mg-Cu).

Aplicații pentru industria aerospațială

Fig 1.7. Motorul cu reacție al avionului

Fig 1.8. Aripa unui avion

Fig 1.9. Aliaje de aluminiu pentru construcția aeronavelor

Aplicații pentru industria constructoare de mașini

Fig 1.10. Componentele unei mașini

Fig 1.11. Utilizări în industria constructoare de mașini

Echipamente sportive

Fig 1.12. Utilizări pentru construcția bicicletelor

Fig 1.13. Suport sticlă pentru biciclete

Construcția rachetelor

Fig 1.14. Rachetă Ariane 5

Fig 1.15. Rachetă militară

CAPITOLUL 2. METODE DE SOLIDIFICARE A ALIAJELOR DE ALUMINIU. PARTICULARITĂȚI

Una dintre cele mai frecvent utilizate aliaje de aluminiu pentru aplicații structurale este aliajul 7075 datorită proprietăților sale atractive, cum ar fi densitatea scăzută, rezistența ridicată, ductilitatea, duritatea și rezistența la oboseală.

Au fost utilizate pe scară largă în piesele structurale ale aeronavelor și în alte părți extrem de solicitate. Cu toate acestea, aliajele de aluminiu-zinc sunt susceptibile la fragilizare datorită microsegregării precipitatelor de zinc de magneziu (MgZn2) care pot duce la defectarea componentelor produse de acestea. Aceste aliaje sunt, de asemenea, susceptibile la fisuri de coroziune datorate neomogenității și tensiunilor reziduale inerente asociate cu metodele lor de fabricație.

Aceste microsegregări și tensiunile reziduale inerente au efecte dăunătoare grave asupra proprietăților mecanice. Prin urmare, acest studiu vizează rezolvarea problemelor microsegregațiilor și a tensiunilor reziduale inerente care sunt asociate cu aliaje de aluminiu-zinc, pentru o performanță îmbunătățită în exploatare.

2.1. Răcire lentă

La răcire lentă dimensiunea, morfologia și distribuția compușilor în aliaj au o mare influență asupra proprietăților mecanice ale aliajului atât la temperatura camerei, cât și la temperaturi ridicate. Particulele fin dispersoide joacă un rol pozitiv în îmbunătățirea proprietăților mecanice ale aliajului la temperaturi ridicate prin creșterea stabilității microstructurale a aliajului sub expunere termică.

Gradul de deteriorare depinde de dimensiunea, forma și tipul compușilor intermetalici. Fazele bogate în fier sub formă de trombocite au fost de obicei considerate cele mai dăunătoare proprietăților mecanice ale aliajelor de aluminiu datorită caracteristicilor lor fragile și concentrației de tensiuni cauzate de morfologia asemănătoare. Prin urmare, eforturile trebuie să fie dedicate dezvoltării mijloacelor de control al precipitaților, creșterii și morfologiei acestor faze intermetalice bogate în fier în timpul solidificării.

Ca un prim pas, este necesar să se identifice și să se înțeleagă factorii care vor afecta comportamentul de solidificare și microstructura sub formă de turnare a aliajelor comerciale, în special formarea și rafinarea intermetalicilor bogați în fier.

S-a constatat că formarea intermetalicilor bogați în fier a fost puternic afectată de compoziția chimică a aliajului și de condițiile sale de răcire.

Rata de răcire este un factor important care ar afecta comportarea de solidificare a aliajului. Se presupune că în condițiile unei răciri rapide, compușii intermetalici bogați în fier formați în timpul solidificării aliajului pot fi foarte rafinați, minimizând formarea de intermetalici grosieri. Dacă această ipoteză este adevărată, în condiții de răcire aproape rapidă, pot fi evitață compușii intermetalici grosieri atunci când se adaugă mai multe elemente de aliere, ceea ce ar îmbunătăți proprietățile mecanice ale aliajului.

Răcirea procesului de turnare continuă a aliajului de aluminiu este o răcire aproape rapidă, cu o viteză de răcire de 101-102 K • s-1. Un nou material cu conținut ridicat de elemente de aliere ar putea fi astfel dezvoltat și produs prin procesul de turnare continuăîn bandă. Prin urmare, este interesant teoretic și comercial să se efectueze o cercetare asupra comportării de solidificare a aliajului în condițiile unei răciri rapide.

Cercetarea sistematică a comportamentului de solidificare al aliajului, formarea de compuși intermetalici ai aliajului și influența ratei de răcire vor fi utile în rafinarea intermerallicilor grosieri, îmbunătățirea proprietăților mecanice ale aliajului și optimizarea compoziției aliajului.

Odată cu scăderea temperaturii aluminiului topit la temperatura de solidificare, α-Al primar a precipitat și a format matricea materialului. În aliajul de aluminiu, fierul dizolvat a avut o tendință puternică de segregare și a format fier conținând compuși intermetalici. În timpul solidificării, substanțele dizolvate se separă de frontul de interfață al solidificării.

Atunci când aliajul solidificat, la o viteză de răcire mai mare, o schimbare semnificativă a avut loc în microstructura în stare brută, turnată. Nu s-au observat clustere eutectice asemănătoare florilor și celule celulare eutectice fine.

Doar o structură eutectică a fost formată la limita de grăunte. La mărire, s-a observat că structura eutectică a constat din doi compuși intermetalici.

Cu toate acestea, sunt necesare cercetări detaliate suplimentare pentru a studia structurile și proprietățile cristaline ale acestor faze formate în condiții de solidificare aproape rapidă cu compoziții chimice reduse.

Compușii intermetalici ar putea fi rafinați într-o mare măsură prin răcirea aproape rapidă. [3]

2.2. Răcire rapidă

Aluminiu și aliajele sale sunt utilizate într-o varietate de forme turnate, forjate și tratate termic. De peste 70 de ani, se situează lângă fierul și oțelul de pe piața metalurgică. Cererea de aluminiu crește rapid datorită combinației sale unice de proprietăți care îl fac să devină unul dintre cele mai versatile materiale folosite în inginerie și construcție.

Proprietățile optime ale aluminiului sunt obținute prin aliere și tratamente termice. Aceasta ajută la formarea de mici precipitate tari care interferează cu mișcarea dislocărilor și îmbunătățesc proprietățile mecanice. Unul dintre cele mai utilizate aliaje de aluminiu pentru aplicații structurale este aliajul 7075.

A fost utilizat pe scară largă în piesele structurale ale aeronavelor și în alte aplicații structurale tensionate puternic.

Dar aliajul de aluminiu-zinc, așa cum este în aliajul de aluminiu 7075, este susceptibil la fragilizare datorită microsegregării precipitatelor de MgZn2, ceea ce poate duce la eșecul catastrofic al componentelor produse din acesta. Aliajul este, de asemenea susceptibil la fisurarea din cauza coroziunii. Aceasta se datorează neomogenității aliajului și a tensiunilor reziduale inerente asociate metodelor sale de fabricare.

Formarea acestor microsegregări (precipitații tari) și a tensiunilor reziduale inerente care sunt asociate cu metodele lor de fabricare au un efect negativ grav asupra proprietăților lor mecanice. [4]

2.3. Melt- spinning

Aliajele de aluminiu sunt utilizate într-o mare varietate de aplicații, incluzând industria transporturilor aeriene și terestre. În prezent există o cerință critică pentru creșterea performanțelor aliajelor de aluminiu vizând în special mărirea rigidității și a ridicării rezistenței mecanice la temperaturi înalte cuplate cu creșterea fiabilității în serviciu.

Aceste cerințe au generat un mare interes pentru dezvoltarea unor procedee de producție noi care să conducă la aliaje cu proprietăți superioare celor ale aliajelor de aluminiu comerciale tradiționale.

În privința dezvoltării unor noi procedee este important să accentuăm că toate metodele clasice de turnare și în special turnarea continuă a lingourilor din aliaje de aluminiu se caracterizează prin viteze lente de solidificare care generează segregații puternice și microstructuri grosiere.

Solidificarea ultrarapidă cu viteze de răcire ce pot atinge valori de 105 106 C/s dă posibilitatea obținerii unor aliaje de aluminiu microcristaline cu grade de finețe a microstructurii și cu reducerea scării de manifestare a segregațiilor care depășesc cu mult limitele ce pot fi atinse în procedeele tradiționale de turnare, inclusiv la turnarea în cochile metalice.

Aceste modificări microstructurale cuplate cu alte efecte benefice care afectează constituția fazică a aliajelor au deschis posibilitatea aplicării în ultimele decenii a noii tehnologii de solidificare ultrarapidă nu numai pentru îmbunătățirea proprietăților aliajelor de aluminiu existente, dar și pentru crearea de noi compoziții de aliaje, bazate pe noi strategii de aliere. Aceste strategii includ pe de o parte utilizarea unor elemente de aliere care la solidificarea prin procedeele tradiționale nu pot fi folosite din cauza solubilității lor în stare solidă în aluminiu cu totul insuficientă (cum sunt metalele de tranziție și lantanidele), și pe de altă parte mărirea considerabilă a toleranței la impurități.

Pe baza acestor principii s-au studiat efectele care avantajează, microstructura și compoziția fazică, în ceea ce privește aplicarea solidificării ultrarapide în aliajele de aluminiu cu compoziții tipice unor aliaje de turnare în scopul transformării acestora pe cale fizică în aliaje deformabile și tratabile termic.

Studiul transformărilor fazice și structurale induse de solidificarea ultrarapidă într-un aliaj de aluminiu microcristalin a avut pe lângă obiectivul enunțat de înnobilare a microstructurii și proprietăților mecanice și un alt obiectiv privind mărirea toleranței la impurități fără alterarea gradului de performanță.

S-a acordat o atenție deosebită domeniului de aplicativitate în sensul obținerii unor produse sub formă de bare prin consolidarea produselor subțiri si discontinui obținute la răcirea ultrarapidă din stare topită utilizându-se în acest scop cicluri complexe de extruziune la cald, compactare prin presare la rece și degazare.

O atenție deosebită a fost acordată efectelor microstructurale produse de solidificarea ultrarapidă în aliajele de aluminiu microcristaline, fără faze amorfe sau cvasicristaline, dar cu o arie mai extinsă atât în privința compozițiilor cât și a gamei aplicațiilor.

CAPITOLUL III. CERCETĂRI PRIVIND CARACTERIZAREA ALIAJULUI 7075 OBȚINUT PRIN DIFERITE METODE DE SOLIDIFICARE

3.1. Materiale utilizate în experimentări

S-a achiziționat un aliaj commercial sub formă de bară de 30 mm din seria 7xxx de la S.C. COLOR METAL.SRL. având următoarea compoziție chimică conform tabelului:

Tabelul 4. Compoziția chimică a aliajului 7075 supus experimentări

Conform STAS (S.R.E.M) EN 485-2:2013 aliajul 7075 prezintă următoarele proprietăți mecanice:

Tabelul 5. Proprietățile mecanice ale aliajului 7075

Fig. 3.1. Bară de aluminiu 7075

S-au folosit ca materiale auxiliare in procesul de retopire urmatoarele:

flux de dezoxidare, COVERFLUX

tratament pentru cochile (grafit electrolytic + ulei)

3.2. Metoda experimentală

3.2.1. Retopirea și turnarea aliajului deformabil Al-Zn-Mg-Cu (7075)

Pentru topirea aliajului Al-Zn-Mg-Cu (7075) s-a folosit un cuptor electric cu bare de silită de capacitate redusă, în condiții de laborator, prezentat în figura următoare:

Fig. 3.2. Cuptorul electric

Regimul termic al cuptorului este cuprins între 100-1000 șC iar capacitatea și dimensiunile creuzetului de grafit folosit la experimentări a fost de 1 kg respective 130 mm înălțime, 105 mm diametrul exterior și 85 mm diametrul interior.

Instalația electrică a cuptorului este concepută și realizată pentru a asigura reglarea temperaturii în regim automat, și protecțiile necesare funcționarii corecte a utilajului.

Procesul tehnologic de retopire a aliajului Al-Zn-Mg-Cu constă într-o serie de operații:

pregatirea cuptorului de topire;

introducerea aliajului in cuptor;

topirea;

tratarea cu flux;

turnarea.

Pentru obținerea unui aliaj de calitate trebuie să ținem cont ca operațiile tehnologice să fie efectuate corect, respectiv determinarea optimi de topire, turnare și tratare în stare lichidă.

Experimentările de retopire-turnare s-au efectuat în condiții de laborator. Mărimea șarjelor a fost de cca. 300 g aliaj iar fluxurile pentru tratare au fost de protecție și dezoxidare la topire.

Retopirea aliajului s-a efectuat în următoarele etape:

Încălzirea cuptorului cu creuzet gol, la cca. 750 șC;

Introducerea aliajului sub formă de bară, împreună cu cca. 0,2% (~5g) flux de dezoxidare;

Topirea aluminiului și încălzirea la cca. 800 șC;

Amestecarea topiturii și scoaterea zgurii;

Protecția suprafeței cu flux de acoperire-dezoxidare;

Menținerea timp de cca. 20 minute, cu aducerea temperaturii la 720 șC;

Turnare succesivă de eșantioane.

Pregătirea încărcăturii s-a efectuat prin:

Cântărirea aliajului supus topirii (~300g);

Preîncălzirea formei de turnare (creuzet de cupru) la 150-200 șC.

Caracteristici tehnice:

Capacitatea creuzet: 1 kg (Al);

Tipul cuptorului: electric;

Reglajul temperaturii: automat;

Puterea inițială: 3,3 kW;

Tensiunea de alimentare: 220V, 50 Hz;

Cuptor: 370 x 400 x 510 mm;

Fig. 3.3. Creuzet de grafit

3.2.2. Răcirea lentă și rapidă a aliajului 7075

Pentru răcirea lentă și rapidă a probelor din seria 7xxx respectix 7075 s-a folosit un creuzet din cupru cu următoarele dimensiuni:

Diametru exterior: 60 mm;

Înălțime: 105 mm;

Diametru interior: 40 mm

Fig. 3.4. Creuzet de cupru

În cazul răcirii lente proba topită a fost turnată în creuzetul de cupru, apoi lăsată să se răcească în aer la temperatura camerei.

Fig. 3.5. Turnarea aliajului 7075 in creuzetul de cupru

Partea superioară și cea inferioară a instalației a fost acoperită cu discuri de azbest deci prin urmare, răcirea va avea loc numai prin perete. Distribuția în vrac examinată în această lucrare a fost în formă cilindrică cu diametrul de 50 mm și înălțimea de 100 mm. Grosimea peretelui grosier a fost aleasă la 10 mm.

Dimensiunile instalației răcite cu apă sunt aceleași cu cele ale răcirii în aer. Diametrul incintei de apă a fost ales de 140 mm.

Fig. 3.6. Reprezentare schematică

Instalație răcire cu aer; (b) Instalație răcire cu apă

Incinta de apă conține două orificii de intrare și două orificii de ieșire cu diametrul de 10mm. Apa rece intră în incinta din partea inferioară și extrage căldura de pe suprafața exterioară a ei, ieșind în final prin orificiile existente în partea superioară.

Pentru măsurarea temperaturii la mijlocul turnării, s-a utilizat termocuplul termoizolante cu izolație termică, care este identificat ca TM în figura 3.5. Termocuplul a fost cuplat cu un sistem de achiziție de date controlat de calculator pentru înregistrarea istoricului termic al piesei turnate.

Fig. 3.7. Răcirea rapidă a aliajului 7075 in apă

După răcirea lentă în aer la temperatura camerei și răcirea rapidă cu apă s-au obținut 2 probe cu următoarele dimensiuni:

(b)

Fig. 3.8. Probele obținute

Răcirea lentă (h=40 mm, θ=40 mm); (b) Răcirea rapidă (h=22 mm, θ=38 mm)

Acestea au fost secționate și pregătite pentru analiză de microscopie optică.

3.2.3. Solidificarea ultrarapida a aliajului 7075

Metoda de solidificare rapidă din topitură utilizată pentru probele experimentale este solidificarea ultrarapidă cunoscută și sub denumirea de “melt-spinning”.

La contactul cu suprafața discului, aliajul topit Al-Zn5,5Mg-Cu trece rapid din starea lichidă în stare solidă având ca rezultat înghețarea structurii acestuia.

Etapele experimentale parcurse au constat in:

– pregătirea instalației cu introducerea barelor de aliaj turnat în tubul de cuarț – creuzet grafit;

– topirea prin inducție la 1100°C cu menținere pentru omogenizare și fluidizare;

– poziționare dispozitiv turnare la 1-2 mm și unghi de incidență de 70 grade de discul rotitor din Cu de diametru Ф38 cm;

– ejectarea aliajului topit prin crearea unei suprapresiuni de gaz inert (25 KPa) în tubul de cuarț și colectarea benzilor cu prelevarea probelor pentru caracterizări.

Întregul proces a fost condus în atmosferă protectoare de argon. S-au obținut probe de aliaj Al-Zn-Cu-Mg solidificate ultrarapid cu viteze de rotație a discului de 400 – 1000 rot/min.

Principalii parametrii folositi in procesul de solidificare ultrarapidă prin melt-spinning sunt:

unghiul de impact cu suportul de răcire (Ө, grd):75ș;

distanța ajutaj-disc (dd-t, mm):10 mm;

temperatura de ejecție a materialului (TE, °C);

diametrul ajutajului (Dd, mm):370mm;

presiunea gazului în tubul de quarț (Pg, bari):2,5 bari;

rotația discului (Ntamb, rot/min):400-500-700-1000 rot/min.

În tratarea cantitativă a procesului de solidificare a jetului metalic pe suport de răcire în mișcare sunt de elucidat următoarele probleme: modul în care se formează banda solidificată; constrângerile de natură energetică, termică și termodinamică exercitate în proces; relațiile între dimensiunile benzii rezultate și condițiile de solidificare; natura și consecințele instabilităților dinamice care pot apărea în proces.

Cunoscând valorile parametrilor de proces se poate calcula geometria filamentului obținut. În acest sens, s-au realizat numeroase studii în literatura de specialitate, pentru diferite materiale supuse procedeului melt spinning. Marea majoritate a studiilor au ca punct comun teorii emise încă din anii ’70 de către Lieberman – Graham și Kavesh.

În aceste teorii se menționează dependența dimensiunilor geometrice ale benzii solidificate ultrarapid funcție de parametrii sistemului prin studiul a două regimuri de formare: formare dominată de fenomene de transport termic și formare dominată de echilibrul energetic.

În cazul regimului de formare guvernat de procese de transfer termic o mare importanță o are variația cu timpul a grosimii stratului limită termic. Astfel, în ipoteza formării benzii prin propagarea stratului limită guvernat termic se poate ajunge la următoarele relații:

unde:

t – grosimea medie a benzii, (μm);

w – lățimea benzii, (mm);

Q – debitul de aliaj, (L/min);

V – viteza de rotație a discului, (m/s);

θ – unghiul de incidență a topiturii pe suprafața discului, (grade);

n – panta medie a curbei de variație în timp a grosimii stratului limită termic, (adimensional).

Debitul de aliaj Q se determină funcție de elementele constructive ale tubului de quarț, natura materialului, suprapresiunea gazului aplicat topiturii Pg și diametrul ajutajului Dd. Viteza de rotație a discului V este determinată de numărul de rotații Ndisc și diametrul discului Ddisc prin relația:

V = Ndisc · π Ddisc (3)

unde:

D – diametrul discului, (mm);

Ndisc – numărul de rotații disc, (rot/min).

Unghiul de incidență al topiturii θ este fixat la începutul experimentelor, iar indicele n se calculează funcție de panta curbei grosime strat limită – timp (în practică se utilizează valoarea 0,75).

În cazul regimului de natură energetică se urmărește evaluarea termenilor din bilanțuri de energie cinetică și superficială. Rezultatul acestor corelații trimite la o relație simplă de proporționalitate de tipul t = c/V.

Factorul de proporționalitate c este dependent de debitul de material topit turnat pe suprafața de răcire și de natura materialului. Relații de determinare a grosimii benzii cu acest regim au fost emise recent de Vincent,

și de Kramer si colaboratorii:

unde:

η – vâscozitatea dinamică a aliajului, (Pa·s);

l – lungimea băii metalice la contactul aliajului topit cu discul, (m);

ρ – densitatea aliajului, (g/cm3).

Ambele relații exprimă un factor de proporționalitate de tipul t ~ V-1/2. Dar, în ambele situații nu au fost precizate detalii experimentale clare legate de presiunea de ejecție și debitul de aliaj utilizat.

Instalația experimentală melt spinning utilizată în procesul experimental (Figura 3.7) conține un ansamblu tub de cuarț – creuzet grafit, un echipament de topire în inducție și un disc rotitor din cupru.

Fig.3.9. Instalația experimentală de solidificare ultrarapidă prin metodă melt-spinning. (IMNR)

3.2.4. Debitarea, înglobarea și șlefuirea probelor

Debitarea probelor

Debitarea probelor s-a realizat cu mașina de debitat Delta AbrasiMet (figura 4.1.) care este o mașină de debitat robustă și de sine stătătoare, pentru probe cu diametrul de până la 65 mm. Probele metalice se debitează cu ajutorul discurilor tăietoare din carbură de siliciu (pentru aluminiu și aliajele sale se utilizează discuri diamantate), cu diametrul maxim de 254 mm (diametrul exterior). Mașina este alimentată la 380 V, curent trifazic 50 Hz. Pentru răcirea probelor în timpul tăierii, se utilizează un sistem de recirculare a lichidului de răcire. Lichidul de răcire constă din 30 litri apă distilată la care se adaugă 1 litru de lichid anticoroziv.

Mașina este prevăzută cu un sistem de prindere rapidă, montat pe un banc prevăzut cu caneluri în T, dând posibilitatea modificării poziției de prindere în funcție de forma și dimensiunile probei.

Lichidul de răcire este alimentat prin două ștuțuri flexibile în spațiul de lucru închis, în timpul operației de tăiere. Ștuțurile sunt poziționate în așa fel încât lichidul de răcire să fie dirijat pe discul de tăiere, chiar deasupra tăieturii. Rotirea discului antrenează lichidul în tăietură. Volumul de lichid poate fi reglat cu ajutorul unei valve situate pe partea din față a mașinii.

Rezervorul cu trei compartimente se poate scoate pentru curățire. Cu ajutorul unei manete discul de tăiere este apropiat de proba care va fi tăiată. Viteza de avans este reglabilă. Deplasarea discului de tăiere nu necesită forță și asigură o presiune constantă a probei pe discul de tăiere.

Figura 3.11. Mașina de debitat

Înglobarea probelor

Înglobarea probelor. Probele metalice se înglobează la cald în rășină (fenolică, transparentă, acrilică) în vederea șlefuirii. Înglobarea s-a realizat cu mașina SIMPLIMET 1000 (figura 4.0.). Aceasta este o presă automată de înglobat, robustă și de sine stătătoare, pentru probe cu diametrul maxim de 30 mm.

Presa este compusă dintr-o carcasă robustă, cu un sistem hidraulic de creștere a presiunii, un sistem de încălzire a cilindrului port-probă până la 180oC și un sistem de răcire cu apă, după înglobarea probei.

Timpul de încălzire, timpul de răcire, presiunea, temperatura și sistemul de ridicare și coborâre a cilindrului port-probă sunt controlate de un microprocesor, pentru dimensiunea de probă preselectată. Cilindrul port-probă este destinat pentru înglobarea probelor cu diametrul de până la 30 mm. Se pot îngloba fie două probe, fie una singură. Este prevăzut cu un capac tip baionetă care asigură închiderea etanșă.

Pentru înglobarea probelor de aluminiu și aliaje de aluminiu se folosește rășină fenolică sau rășină transparentă. Stabilirea timpilor de lucru, presiunea și temperatura, în funcție de rășina folosită se face conform datelor din tabelul 6.

Tabelul 6. Tipuri de rășină

Figura 3.13. Probe înglobate

1-Răcirea lentă 2-Răcirea rapidă

Șlefuirea probelor

Probele metalice sunt supuse șlefuirii și lustruirii. Beta/1 single este o mașină automată de șlefuire și lustruire cu 4 posturi de lucru, care oferă ușurință în utilizare, combinată cu o adaptabilitate mare. Mașina este alimentată la 380 V, curent trifazic, cu frecvența de 50–60 Hz, dezvoltând o putere de 1,2 kW. Viteza platanului de lucru este reglabilă, iar viteza suportului de probe cu plasare centrală și individuală de 150 rot/min.

Tabel 7. Conditiile de slefuire a probelor de aluminiu 7075

Beta/1 single oferă atât aplicarea centrală a forței de presare, cât și individuală, pe fiecare probă. Sistemul electronic de control, sub supravegherea operatorului, asigură combinația ideală între ușurința operării și nivelul ridicat tehnologic.

Mașina este prevăzută cu două platane de lucru cu prindere magnetică, cu diametrul de 300 mm fiecare, plasate pe un disc purtător. Capul vector al mașinii este prevăzut cu un dispozitiv cu zece poziții. Pentru fiecare tip de aliaj se selectează parametrii necesari.

Figura 3.14. Mașină de șlefuit și lustruit si substanțele diamantate utilizate

CAPITOLUL IV. REZULTATE EXPERIMENTALE PRIVIND METODELE DE SOLIDIFICARE ALE ALIAJULUI AL-ZN-MG-CU (7075)

4.1. Probele obținute prin metodele de solidificare utilizate

RĂCIRE LENTĂ RĂCIRE RAPIDĂ

Fig 4.0. Procesul de obținere prin răcire lentă și răcire rapidă a probelor de aluminiu 7075

SOLIDIFICARE ULTRARAPIDĂ

Fig 4.1. Procesul de obținere prin solidificare ultrarapidă a probelor de aluminiu 7075

4.2. Caracterizarea microstructurală prin microscopie optică