Alte aliaje din metale neferoase
Deși știința materialelor se referă cel mai adesea la oțeluri și aliaje de aluminiu și cupru, multe aplicații tehnice cheie se bazează pe aliaje din metale neferoase mai specializate. Aceste aliaje permit proiectarea îmbinărilor prin frecare cu uzură controlată, crearea de îmbinări sudate etanșe și durabile, construirea de elemente de siguranță care funcționează prin topire și obținerea unei rezistențe la coroziune ridicate sau a unui raport rezistență-greutate excepțional de favorabil.
Acest studiu discută șase grupe de materiale: aliaje pentru rulmenți, aliaje de lipit, aliaje cu punct de topire scăzut, zinc și aliajele sale, titan și aliajele sale și aliaje de metale prețioase. Tabelul arată cum alegerea compoziției și microstructurii se traduce în cerințe operaționale specifice: de la lubrifiere și „rodaj” la rezistență chimică și păstrarea proprietăților la temperaturi ridicate.
Acest articol se bazează pe manualul „Metaloznawstwo” al profesorului Stanisław Rudnik. Conținutul următor este doar o prezentare generală a subiectului. Pentru cei interesați de acest subiect, recomandăm să aprofundați literatura de specialitate.
Aliaje pentru rulmenți
Aliajele pentru rulmenți sunt utilizate la fabricarea carcaselor rulmenților în rulmenții glisanti, unde suprafața carcasei rulmentului interacționează direct cu jurnalul arborelui. Materialul carcasei rulmentului trebuie, prin urmare, să asigure un coeficient de frecare redus, să reducă uzura ambelor suprafețe de frecare și, în același timp, să reziste la presiuni unitare ridicate. Este foarte important ca carcasa rulmentului să fie mai puțin dură decât jurnalul, astfel încât orice deteriorare să apară în elementul care este mai ușor de înlocuit, și nu pe arbore. Rezistența la zgâriere este, de asemenea, importantă: carcasa rulmentului trebuie să fie suficient de plastică pentru a se adapta la micro-neregularitățile axului, dar, în același timp, nu trebuie să fie prea moale, astfel încât să nu se lipească de suprafața axului la temperatura de funcționare.
În practică, aceste cerințe sunt completate de proprietăți tehnologice și operaționale: aliajul trebuie să fie ușor de topit (pentru a facilita turnarea cupelor), dar punctul său de topire nu trebuie să fie prea scăzut, astfel încât cupa să nu se înmoaie atunci când este încălzită în timpul funcționării. Alți factori importanți includ o bună aderență a aliajului la materialul carcasei rulmentului, conductivitate termică adecvată (disiparea căldurii de frecare), rezistență la coroziune și costul cel mai mic posibil.
Cele mai bune proprietăți sunt obținute de un aliaj cu o structură în care incluziunile dure de dimensiuni și cantități adecvate sunt distribuite uniform într-o matrice relativ moale și ductilă. Matricea moale facilitează adaptarea la forma jurnalului fără abraziune intensă, în timp ce componentele dure reduc tendința matricei de a adera și favorizează formarea de goluri capilare în care poate rămâne un strat subțire de ulei lubrifiant. Nodul de frecare funcționează apoi mai stabil, iar condițiile de lubrifiere sunt mai ușor de „menținut” chiar și în timpul suprasolicitării temporare.
Cel mai ieftin material pentru rulmenți este adesea fonta perlită cenușie. Poate rezista la presiuni unitare ridicate, dar datorită abraziunii relativ ridicate, nu este potrivit pentru motoarele de mare viteză. Prezența grafitului are un efect benefic: grafitul zdrobit amestecat cu unsoare formează un strat subțire pe suprafață care reduce abraziunea. Cu toate acestea, în aplicațiile care necesită parametri mai buni, se utilizează cel mai frecvent aliaje moi, ușor topibile, pe bază de staniu sau plumb.
Cel mai bun grup de aliaje pentru rulmenți este cel al aliajelor de staniu-antimoniu-cupru, cunoscut sub numele de babbitt. Cuprul și antimoniu cresc rezistența acestor aliaje cu o ușoară reducere a plasticității, deci este crucial să le echilibrăm. Pentru conținutul obișnuit de cupru de 3-6%, cea mai mare rezistență se obține la aproximativ 9-10% Sb, iar compozițiile care nu depășesc 10-12% Sb și 6-7% Cu sunt considerate deosebit de favorabile. Acest grup include, printre altele, SnSb8Cu3 și SnSb11Cu6. Matricea este o soluție de antimoniu și cupru în staniu – moale și ductilă, deși mai dură decât staniul pur – și pe acest fundal există cristale cubice ale compusului SnSb și cristale Cu6Sn5 sub formă de stele și ace. Fazele dure acționează ca „purtătoare” de sarcină și stabilizează condițiile de frecare, dar babbite sunt scumpe, astfel încât sunt utilizate în principal în rulmenți care funcționează la sarcini și viteze mari.
O alternativă mai ieftină o reprezintă aliajele de staniu-plumb-antimoniu, în care o parte din staniu este înlocuită cu plumb. Matricea moale din aceste aliaje este un eutectic triplu cu un conținut ridicat de plumb, iar structura conține în continuare cristale cubice SnSb. În practică, se adaugă adesea cupru pentru a reduce segregarea rezultată din diferențele de densitate ale componentelor; cuprul formează apoi compuși Cu2Sb duri în formă de ace. Un exemplu este aliajul PbSn16Sb16Cu2, care este mai ieftin decât babbitt, dar funcționează de obicei în condiții mai puțin solicitante (sarcini și viteze mai mici).
Al treilea grup este format din aliaje de plumb cu metale alcaline, cum ar fi calciu, bariu sau stronțiu. Aceste elemente formează compuși duri cu plumb (de exemplu, Pb3Ca, Pb3Ba) distribuiți într-o matrice moale de plumb aproape pur; uneori se adaugă și o cantitate mică de sodiu pentru a crește duritatea. Avantajul este costul redus și calitatea bună, ceea ce favorizează utilizarea pe scară largă, în special în căile ferate. Limitări includ rezistența scăzută la coroziunea atmosferică și arderea elementelor de aliere în timpul retopirii. În rulmenții care funcționează în condiții deosebit de dure (presiuni și viteze ridicate), se utilizează și bronzuri de staniu sau bronzuri de plumb.
Aliaje de lipit
Lipirea este procesul de îmbinare a metalelor folosind un metal suplimentar – lipitura – care este topit, curge și umple spațiul de îmbinare. Punctul de topire al lipiturii trebuie să fie mai mic decât punctul de topire al metalelor îmbinate, pentru a nu le topi. Un aliaj de lipit bun trebuie să ude bine suprafețele lipite, să se dizolve într-o măsură limitată în metalele îmbinate, să prezinte o fluiditate bună în stare lichidă, iar intervalul său de solidificare nu trebuie să fie prea larg, deoarece acest lucru face dificilă obținerea unei îmbinări omogene și etanșe.
Datorită punctului lor de topire, există aliaje de lipit moi (până la 450 °C) și aliaje de lipit dure (peste 450 °C). Aliajele de lipit moi au o duritate redusă și o rezistență la tracțiune scăzută (aproximativ 50-70 MPa), dar sunt ductile, motiv pentru care asigură o etanșeitate bună, deși nu sunt de obicei proiectate pentru a suporta sarcini grele. Cele mai comune sunt aliajele de lipit staniu-plumb, în care un punct de referință important este compoziția eutectică de 61,9% Sn și un punct de topire de 183 °C.
Aliajele de lipit staniu-plumb sunt reglementate de standardul PN-76/M-69400, iar aliajele individuale sunt marcate cu literele LC și un număr corespunzător conținutului mediu de staniu în procente. Variantele cu adaos de antimoniu au litera „A” la sfârșitul denumirii, de exemplu, LC30A conține aproximativ 30% Sn, 68% Pb și 2% Sb. Soldul LC60 (60% Sn și 40% Pb) are o compoziție apropiată de eutectică, astfel încât este cel mai ușor de topit și are un interval de solidificare foarte îngust, de aproximativ 7°C. Pe măsură ce conținutul de plumb crește, intervalul de solidificare crește; într-un liant cu 20% Sn și 80% Pb, acesta poate depăși 100°C, ceea ce favorizează formarea de pori și afectează etanșeitatea și rezistența îmbinării. La temperatura camerei, duritatea și rezistența aliajelor Sn-Pb cresc odată cu conținutul de staniu, iar valorile cele mai ridicate sunt obținute de obicei de aliajele cu 50-80% Sn; pe de altă parte, aliajele cu un conținut foarte scăzut de staniu (5-10%) sunt mai puțin rare, dar au proprietăți mai slabe.
Aliajele de lipit funcționează la temperaturi de topire mult mai ridicate (de la aproximativ 400 °C până la 2000 °C) și sunt utilizate acolo unde este necesară o rezistență ridicată a îmbinării. Rezistența îmbinărilor realizate cu aliaje de lipit poate fi de aproximativ 200-700 MPa. În practică, există trei grupe principale: aliaje de lipit pe bază de cupru, aliaje de lipit pe bază de argint și aliaje de lipit speciale. Cuprul are proprietăți bune de lipire și este utilizat pentru îmbinarea oțelului, fontei și aliajelor de cupru, dar punctul său de topire ridicat necesită lipirea la temperaturi de 1100-1200 °C, ceea ce crește consumul de energie și poate afecta proprietățile componentelor lipite din cauza modificărilor structurale în timpul încălzirii. Din acest motiv, pe lângă cuprul pur, aliajele sale sunt utilizate pe scară largă. Aliajele de argint (acoperite, printre altele, de PN-80/M-69411) sunt importante în ingineria electrică, printre alte domenii, iar cele mai semnificative sunt aliajele Ag-Cu-Zn cu proprietăți mecanice bune și rezistență la coroziune, permițând îmbinarea oțelului, aliajelor de cupru, metalelor prețioase și carburilor sinterizate. Aliajele speciale de lipit includ, printre altele, aliajele pe bază de aur și platină (de exemplu, bijuterii, stomatologie), aliajele pe bază de aluminiu (îmbinarea aliajelor ușoare) și aliajele pe bază de magneziu (îmbinarea aliajelor de magneziu).
Aliaje cu punct de topire scăzut
Aliajele cu punct de topire scăzut (ușor de topit) sunt aliaje cu un punct de topire mai mic decât cel al staniului, adică sub 232 °C. Acestea sunt compuse din metale cu punct de topire scăzut, în principal plumb, staniu și bismut, precum și, în cantități mai mici, cadmiu, antimoniu, zinc, indiu și alți aditivi. Compoziția este selectată astfel încât să se formeze eutectice cu punctul de topire cel mai scăzut posibil, ceea ce permite „setarea” precisă a punctului de topire al elementului fuzibil.
O bună ilustrare a efectului multicomponenței este sistemul Sn-Pb-Cd-Bi-In, în care aliajul eutectic poate avea un punct de topire de aproximativ 47 °C. În practică, aliajele cu punct de topire scăzut utilizate în țara noastră sunt enumerate în standardul PN-71/H-87203. Dintre aliajele enumerate în acest standard, unul dintre cele mai scăzute puncte de topire (aproximativ 70 °C) este cel al aliajului BiPb25Sn12Cd12, cunoscut sub numele de aliajul Wood, cu o compoziție de 25% Pb, 12% Sn, 12% Cd și 51% Bi.
Aplicațiile rezultă direct din funcție: aliajele cu punct de topire scăzut sunt utilizate pentru siguranțe și inserții de siguranță, componente ale sistemelor de alarmă și incendiu, în turnarea de precizie, precum și în industria echipamentelor medicale și ortopedice, unde temperaturile scăzute de proces sunt adesea cruciale pentru siguranță și precizie.
Zincul și aliajele sale
Zincul este un metal alb-albăstrui cu o greutate specifică de aproximativ 70 kN/m³. Are un punct de topire scăzut (419,4 °C) și un punct de fierbere scăzut (907 °C). Rezistența sa la tracțiune este moderată (Rm aprox. 150 MPa) cu o alungire ridicată (A10 aprox. 50%), dar la temperatura camerei, zincul este fragil. Numai când este încălzit la peste 100-150 °C devine maleabil și poate fi laminat în foi subțiri și tras în sârmă.
Zincul este rezistent la atmosfere uscate, dar în prezența vaporilor de apă și a dioxidului de carbon, se acoperă cu un strat alb de carbonat de zinc alcalin, care acționează ca un strat protector și limitează coroziunea ulterioară. Zincul se dizolvă în acizi diluați și alcali. Cea mai importantă utilizare industrială a zincului este în protecția oțelului: acoperirile cu zinc (galvanizarea) sunt benefice deoarece, chiar și în cazul scurgerilor locale, zincul acționează ca un anod protector. Deoarece are un potențial electrochimic mai mic decât fierul, zincul se dizolvă, iar oțelul este astfel protejat de coroziune.
Zincul este, de asemenea, utilizat ca material pentru produse semifabricate (de exemplu, în construcții) și este o componentă importantă a multor alte aliaje metalice. Există câteva aliaje în care zincul este componenta principală, cele mai importante fiind aliajele de zinc cu aluminiu, cupru și magneziu, cunoscute sub numele de znale. Acestea se împart în aliaje de turnare și aliaje forjate. În plus față de zinc, ele conțin de obicei până la 30% Al, până la 6% Cu și cantități mici de Mg; diferențele dintre varietăți rezultă din utilizarea prevăzută și tehnologia de fabricație.
Aliajele forjate ating o rezistență mai mare (aproximativ 280-320 MPa) cu o plasticitate mai bună (A5 aproximativ 5%). Aliajele turnate au o rezistență de 150-300 MPa, dar o plasticitate foarte scăzută (A5 aproximativ 1%), ceea ce este tipic pentru piesele turnate, în special pentru piesele turnate sub presiune. În ciuda plasticității lor limitate, aliajele de zinc turnate sunt utilizate pe scară largă în industria mașinilor (caroserii, cadre, capace), industria auto (carburatoare, pârghii, mânere de uși) și industria electrotehnică (carcase de dispozitive). Aliajele care pot fi prelucrate plastic pot înlocui aliajele de cupru mai scumpe atunci când economia și tehnologia mai simplă sunt importante.
Titanul și aliajele sale
Titanul este unul dintre cele mai abundente elemente din scoarța terestră, dar producția sa industrială la scară largă s-a dezvoltat abia din 1948. Este un metal de culoare alb-argintiu, asemănător oțelului inoxidabil, cu o greutate specifică redusă de aproximativ 44,1 kN/m³, care este aproape jumătate din cea a fierului. De aceea, raportul său rezistență-densitate este deosebit de avantajos, ceea ce se traduce în aplicații în care fiecare kilogram contează.
Titanul se găsește în două forme alotrope: Tiα (stabil la temperaturi scăzute, rețea hexagonală compactă) și Tiβ (stabil la temperaturi mai ridicate, rețea regulată centrată spațial). Temperatura de tranziție alotropă este de 882 °C. Acest material se caracterizează printr-o rezistență foarte mare la coroziune, comparabilă cu cea a oțelurilor austenitice din crom-nichel. La temperaturi de până la aproximativ 500 °C, titanul este practic neafectat de aer; numai la temperaturi mai ridicate se formează pe suprafața sa un strat subțire și bine aderent de oxizi și nitruri, care protejează metalul de efectele oxigenului și azotului, atâta timp cât temperatura nu depășește aproximativ 560 °C. Peste acest interval, activitatea chimică a titanului crește semnificativ.
Proprietățile mecanice ale titanului depind în mare măsură de puritatea sa. Titanul foarte pur este extrem de ductil și are parametri similari cu cei ai fierului pur: Rm aprox. 250–300 MPa, R0,2 aprox. 100–150 MPa, A10 aprox. 50% și Z aprox. 70%. Aditivii cresc rezistența în detrimentul plasticității, motiv pentru care, în practica ingineriei, puritatea și clasa de aliere sunt selectate în funcție de cerințe. Datorită rezistenței la coroziune și rezistenței ridicate la greutate, titanul și aliajele sale sunt utilizate în vehicule, avioane, construcții navale și echipamente chimice, deși prețul ridicat al acestora rămâne o barieră.
În aliajele de titan bazate pe ambele varietăți alotrope, există soluții solide de α și β. Deoarece faza β este stabilă la temperaturi ridicate și faza α la temperaturi scăzute, tratamentul termic bazat pe transformări de fază devine posibil. Mecanismul transformării β→α depinde de temperatură: la temperaturi mai ridicate, acesta este difuziv și duce la o structură granulară, în timp ce la o răcire semnificativă – datorită mobilității reduse a atomilor – poate avea loc o transformare martensitică nedifuzivă, rezultând o structură aciculară (martensitică) denumită adesea α’.
Aliajele de titan utilizate în practică se împart în aliaje monofazate α, monofazate β și bifazate α+β. Aliajele α includ, printre altele, aliaje de titan cu aluminiu, care este singurul aditiv care stabilizează faza α; aluminiul crește rezistența și, datorită densității sale scăzute, are un efect pozitiv asupra greutății specifice a aliajului. Aliajele β sunt relativ mai puțin comune, în timp ce cele mai importante sunt aliajele bifazice α+β, care conțin aditivi care stabilizează faza β, cum ar fi vanadiu, molibden, staniu, fier, crom sau magneziu. Acestea sunt de obicei mai rezistente decât aliajele monofazate, ușor de prelucrat plastic și susceptibile la tratament termic; Rm tipic este de aproximativ 900-1200 MPa, iar în intervalul de temperatură de până la 500 °C, rezistența lor pe unitate de densitate este uneori mai favorabilă decât în cazul oțelului.
Deși transformarea martensitică sugerează posibilitatea unei întăriri clasice, în practică, aceasta nu este utilizată în mod obișnuit, deoarece efectul asupra proprietăților mecanice este uneori neglijabil. Pentru aliajele bifazice α+β, tratamentul termic implică de obicei supra-saturare și îmbătrânire: supra-saturarea implică încălzirea la o temperatură la care faza β este stabilă, urmată de răcire rapidă pentru a păstra această structură. În timpul îmbătrânirii, faza β se descompune parțial într-un amestec α+β, ceea ce permite modelarea rezistenței și plasticității.
Aliaje din metale prețioase
Metalele prețioase includ aurul, argintul și platina, precum și aliajele acestora. Acestea se disting prin rezistența foarte mare la coroziune în condiții atmosferice, în apă și în numeroase medii chimice. În același timp, aceste metale au o rezistență relativ scăzută, cu proprietăți plastice foarte bune, motiv pentru care, în aplicații expuse la abraziune și deformare (de exemplu, bijuterii, elemente dentare), sunt utilizate cel mai adesea sub formă de aliaje, rather than as technically pure metals.
Datele mecanice ale metalelor pure arată această specificitate: aurul are un Rm de aproximativ 130 MPa, o rezistență la curgere de aproximativ 50 MPa și o duritate de aproximativ 20 HB, cu o reducere de aproximativ 95% și o alungire de aproximativ 55%. Argintul are o Rm de aproximativ 160 MPa și o duritate de aproximativ 25 HB, cu o plasticitate foarte ridicată (Z aproximativ 95%, A10 aproximativ 60%). Platina atinge o Rm de aproximativ 150 MPa și o duritate de aproximativ 50 HB, de asemenea cu o plasticitate ridicată (Z aproximativ 90%, A10 aproximativ 50%).
Aurul este rezistent la majoritatea acizilor și bazelor, motiv pentru care este utilizat, printre altele, pentru aurirea chimică și galvanică, în echipamente de laborator și în aliaje utilizate în electronică. Argintul este deosebit de rezistent la bazele puternice, dar este slab solubil în acizii organici; datorită conductivității sale electrice foarte bune, este utilizat în fire și componente electrice, precum și pentru placarea cu argint. Platina este foarte rezistentă chimic, deși se dizolvă în aqua regia fierbinte; în industria chimică, este utilizată atât pentru rezistența sa la coroziune și proprietățile catalitice, cât și pentru fabricarea echipamentelor de laborator (plase, creuzete, evaporatoare).
Aurul și argintul sunt utilizate în principal în bijuterii și stomatologie sub formă de aliaje, deoarece, în stare pură, sunt prea moi. Cuprul și argintul sunt aditivi cheie în aliajele de aur. Topirea aurului cu argint nu crește semnificativ duritatea acestuia, în timp ce adăugarea de cupru crește duritatea mai vizibil, deși cu prețul unei anumite scăderi a rezistenței la coroziune. Din acest motiv, se utilizează adesea aliaje triple Au-Ag-Cu, care echilibrează culoarea, duritatea și rezistența chimică. În Polonia, finețea aurului stabilită legal corespunde unui conținut de Au de 96%, 75% și 58,3%; istoric, aceasta corespundea cu 23, 18 și, respectiv, 14 karate (aurul pur are 24 de karate). Aliajele cu a treia finețe au cea mai mare duritate și rezistență la abraziune, dar au și o culoare distinct roșiatică datorită conținutului ridicat de cupru.
Principalele componente ale aliajelor de argint sunt cuprul și zincul, iar finețea legală a argintului este de 94%, 87,5% și 80% Ag. Finețea cea mai mare nu este utilizată de obicei din cauza durității sale insuficiente, în timp ce a doua și a treia finețe sunt utilizate în produse artistice, veselă și accesorii. Din punct de vedere tehnic, este importantă și utilizarea aliajelor de argint ca lipituri dure, unde combină proprietăți mecanice bune și rezistență la coroziune cu umectabilitate. Platina și aliajele sale sunt utilizate în principal în industrie: aliajele Pt-Ir cu o duritate de aproximativ 265 HB la 40% iridiu (utilizate în inginerie electrică, electrochimie, medicină și bijuterii) sunt de o mare importanță, în timp ce aliajele de platină cu rodiu sunt utilizate ca catalizatori și sub formă de fire pentru fabricarea termocuplurilor.
Alte aliaje din metale neferoase – rezumat
Grupurile de aliaje discutate arată că, în inginerie, adesea nu este vorba despre rezistența „maximă” a unui material, ci despre un set de proprietăți selectate cu precizie. Aliajele pentru rulmenți sunt proiectate pentru proprietăți de frecare, lubrifiere și rodaj, motiv pentru care structura incluziunilor dure într-o matrice moale este crucială. Aliajele de lipit sunt selectate pentru a controla umezirea și solidificarea îmbinării: lipiturile moi asigură etanșeitatea, în timp ce lipiturile dure permit construirea de îmbinări de înaltă rezistență.
Aliajele cu punct de topire scăzut utilizează punctul lor de topire scăzut ca o caracteristică funcțională în componentele de siguranță și tehnologia de precizie. Zincul și aliajele sale combină rolul unui material structural cu funcția extrem de importantă de a proteja oțelul împotriva coroziunii și posibilitatea de a produce matrițe turnate la prețuri accesibile. Titanul și aliajele sale oferă o rezistență ridicată la coroziune și o rezistență excelentă la greutate, în special în varietățile α+β tratate termic. Pe de altă parte, metalele prețioase și aliajele lor sunt de neînlocuit acolo unde rezistența chimică, conductivitatea sau duritatea controlată, menținând în același timp o plasticitate ridicată, sunt decisive.
Mai jos este prezentată o imagine de ansamblu transversală a metalelor neferoase și a aliajelor lor – proprietăți și aplicații (material în limba engleză).
