Glava 11

11 OBOJENI METALI I NJIHOVE LEGURE

11.1 Aluminijum

Pripada grupi lakih obojenih metala, jer je gustina aluminijuma 2.7 g/cm3, što znači da je oko tri puta lakši od gvoždja. Dobija se iz rude boksita elektrometalur-škim metodama. Odlikuje se dobrom električnom (38 MS⋅m-1) i toplotnom (200 W⋅m-1⋅K-1) provodnošću.

Aluminijum je nealotropski metal sa površinski centriranom kubnom kristal-nom rešetkom. Takodje se odlikuje dobrom obradljivošću deformisanjem na toplo i hladno, otpornošću na atmosfersku koroziju, ali ima malu jačinu. Temperatura top-ljenja je 660°C.

Mehaničke i tehnološke osobine hemijski čistog Al (99.99%), i tehnički čistog Al (99.5%) (metalurškog) date su u tablici 11.1, odakle se uočava uticaj čistoće Al na njegove mehaničke osobine. U cilju dobijanja veoma čistog aluminijuma, obi-čan Al se prečišćava (rafiniše) takodje elektrometalurškim metodama.

U praksi se ne primenjuje hemijski čist već metalurški aluminijum. Najčešće primese u Al su Fe i Si1 koje potiču iz polaznih sirovina i teško se odstranjuju. Već pri sadržaju iznad 0.05% Fe (granica čvrstog rastvora α) pojavljuje se eutektikum (α + Al3Fe) koji negativno utiče na obradljivost deformisanjem i otpornost na ko-roziju. Rastvorljivost Si u Al (čvrst rastvor α) je u poredjenju sa rastvorljivošću Fe višeg reda, ali grubi igličasti kristali silicijuma izlučeni kao faza β utiču na osobine Al slično kao i eutektikum (α + Al3Fe).

Pri istovremenom prisustvu primesa Fe i Si snižava se čistoća aluminijuma na 99.5% i manje, pa se obrazuje kompleksna faza AlmFenSi umesto faze β, tj. čistih kristala Si.

Efikasno usitnjavanje zrna livenog Al postiže se dodavanjem metalnih dodata-ka Ti za stvaranje više centara kristalizacije.

1 Silicijum je primesa u čistom aluminijumu, ali i glavni legirajući element u livačkim legurama Al.

Mašinski materijali

262

Tablica 11.1 Osobine čistog Al u žarenom stanju pri temperaturi 20°C

Mehaničke osobine Al 99.99 Al 99.5

Tehnička granica tečenja Rp, MPa 15 50

Jačina na kidanje Rm, MPa 50 80 Izduženje A5.65, % 45 30 Kontrakcija Z, % 90 70 Modul elastičnosti E, MPa 71000 71000 Tvrdoća HB 15 20 Tehnološke osobine Obradljivost na hladno Veoma dobra Obradljivost na toplo Veoma dobra Livkost Otežana Zavarljivost Veoma dobra, uslovna Obradljivost rezanjem Dobra

Aluminijumski odlivci skloni su ka poroznosti zbog rastvaranja vodonika u ras-topu, jer se odlivci od Al-legura liju u vlažnim peščanim kalupima1; tog problema nema pri livenju u kokilama ili pod pritiskom. Sličan problem nastaje i pri zavari-vanju aluminijumskih legura, pa se moraju primeniti tehnologije koje daju veoma nizak sadržaj vodonika u metalu šava (uglavnom u zaštiti argona).

11.1.1 Tehnički čist aluminijum

Tehnički čist aluminijum (Al 99.5) dobro provodi električnu struju pa alumini-jumske žice služe za prenos električne struje na dalekovodima ili nisko naponskoj mreži. S obzirom na malu jačinu žica od čistog aluminijuma, za dalekovode se ko-riste kombinovana čelično-aluminijumska užad. Jačina čelične žice dostiže 1200 MPa, a oko nje su upletene aluminijumske žice. Slični provodnici upotreblja-vaju se i za trolejbuske mreže. Takodje se od aluminijumskih žica izradjuju namo-taji generatora i elektromotora.

Dobra toplotna provodljivost kao i velika otpornost aluminijuma na delovanje znatnog broja hemikalija i životnih namirnica, dovela je do njegove široke primene u hemijskoj i prehrambenoj industriji, kao i u domaćinstvu. Isto tako se aluminijum upotrebljava za metalizaciju u brodogradnji, vagonogradnji i arhitekturi. Sem toga

1 Pri livenju u suvim kalupima u odlivcima se (pri hladjenju oko solidus temperature) pojavljuju prsline na toplo.

Obojeni metali i njihove legure

263

aluminijum se koristi kao dezoksidator u metalurgiji čelika i kao sastojak mešavine za termitno zavarivanje.

Dobra koroziona otpornost aluminijuma često se veštački popravlja postupkom eloksiranja, tj. povećanjem debljine oksidnog sloja Al2O3 koji u stvari štiti od ko-rozije. Tako, ta debljina dostiže 10 µm, što je uglavnom dovoljno u hemijskoj i prehrambenoj industriji.

Od ukupne količine proizvedenog tehnički čistog Al preradjuje se oko 35% u poluproizvode, a oko 65% služi za proizvodnju aluminijumskih legura (silumina, durala i dr.).

Otpornost aluminijuma prema koroziji

Otpornost prema koroziji kod Al se postiže stvaranjem zaštitnog oksidnog sloja Al2O3 na temperaturi okoline. Taj sloj doseže do dubine oko 0.1 µm. Ovaj oksid či-ni Al stabilnim na vazduhu i u morskoj vodi. Koroziji u aktivnim sredinama alumi-nijum odoleva tim bolje što je čistiji. Medjutim ne odoleva hidroksidima (NaOH, KOH) niti kiselinama halogenih elemenata (HCl, HF).

Mehaničke osobine čistog aluminijuma

Tehnički čist aluminijum ima nisku jačinu, ali se ona može povećati preradom na hladno. Veličina deformacionog ojačanja, pri istom stepenu prerade, obrnuto je srazmerna čistoći aluminijuma (sl. 11.1a); tok oporavljanja, tj. porasta duktilnosti (izduženja A5.65, %) i pada jačine (Rm) pri rekristalizacionom žarenju, dat je na sl. 11.1b. Stepen prerade na hladno definiše se odnosom (s-so)/so, gde je: so- početna, a s- krajnja debljina.

U toku etape oporavljanja kod aluminijuma je karakteristična poligonizacija (izdužena zrna postaju ravnoosna), što usporava tok stvaranja i rasta novih zrna. Kod veoma čistog aluminijuma i većih stepena prerade te promene započinju već i na sobnoj temperaturi. Rekristalizaciona temperatura Al 99.5 pri srednjem stepenu prerade, iznosi oko 150°C (sl. 11.1b). U praksi se rekristalizaciono žarenje obavlja na temperaturi 300-400°C.

Prerada aluminijuma na toplo, kao uostalom i drugih metala, odvija se na tem-peraturi višoj od temperature rekristalizacije, uglavnom u opsegu 350-500°C. Pola-zni materijal za izradu aluminijumskih poluproizvoda: šipki, profila, cevi, limova, traka i žica postupkom deformisanja jesu gredice ili slabovi proizvedeni kontinual-nim livenjem. Žice većeg prečnika prave se u dve faze: najpre kontinualnim live-njem i potom valjanjem. Aluminijumske žice manjih prečnika produkuju se vuče-njem na hladno kroz otvore u ploči (kalibre) odgovarajućeg prečnika.


264

0 40 800

100

200

20

40

0

Rm

A5

Al 99.99

Al 99.99

Al 99.5

Al 99.5A

5, %

Rm, MPa

(s-s0)/s0, %

0 200 4000

100

200

20

40

0

T, °C

Rm

A5

Al 99.99

Al 99.99

Al 99.5

Al 99.5

A 5,

%

Rm, MPa

a) b)

Slika 11.1 Promena jačine Rm i istegljivosti A5.65 tehnički čistog aluminijuma: a) u zavisnosti od stepena prerade na hladno (s-so)/so, b) u zavisnosti od temperature rekristalizacionog žarenja ((s-so)/so = 50%, vreme žarenja 1h)

11.1.2 Legure aluminijuma

Da bi se aluminijumu popravile mehaničke i tehnološke osobine (plastičnost i livkost), on se legira različitim elementima (Si, Cu, Mg, Mn, Zn,...). Većina ovih elemenata gradi ograničene čvrste rastvore u površinski centriranoj kubnoj rešetki Al, a njihov višak obrazuje sa aluminijumom hemijska jedinjenja i pri većem sadr-žaju eutektičke mešavine.

O pogodnosti legura aluminijuma za plastičnu preradu može se zaključiti raz-matranjem ravnotežnog dijagrama stanja datog sistema. Radi uprošćenja uzećemo

samo binarni sistem (sl. 11.2), premda su aluminijumske le-gure pretežno višekomponen-tne. Homogene legure, ili le-gure koje se zagrevanjem mo-gu prevesti u homogeno stanje (α-faza, sl. 11.2), istegljive su, tj. pogodne za plastičnu obra-du (valjanje, kovanje, preso-vanje). Legure koje u strukturi sadrže eutektikum pogodne su za livenje. Legure koje na so-bnoj temperaturi sadrže u strukturi produkte segregacije (segregate) mogu se taložno

Rastop (R)

α

R + α

Legure za deformisanje Livačke legure

Tem

pera

tura

T,

°C

α + eutektikum + AlmXnα +AlmXn

Neotvrdnjav. Otvrdnjavajuće Podeutektičke Nad.

Sadržaj X, %

Slika 11.2 Shema binarnog ravnotežnog dijagrama Al-X


265

ojačavati. Kod nekih legura, iako se mogu ojačavati, to se izbegava jer se time ne može postići povoljna kombinacija mehaničkih osobina i otpornosti na koroziju.

Prema načinu prerade polufabrikata u gotove proizvode razlikuju se: • legure za plastičnu preradu i • legure za livenje (livačke legure).

Neke od legura iz obe grupe mogu se precipitaciono ojačavati mehanizmima koji će dalje biti opisani.

11.1.2.a Struktura i termička obrada legura aluminijuma

Odlivci aluminijumskih legura, pa čak i neke legure posle prerade deformisa-njem imaju uglavnom malu jačinu, uz istovremeno visoku duktilnost (istegljivost). Korisno povećanje jačine može se postići odgovarajućom termičkom obradom koja se zasniva na zagrevanju dela do odredjene temperature, držanju (progrevanju) pri toj temperaturi i zatim brzom hladjenju u vodi. Brzim hladjenjem čvrstog rastvora obrazovanog pri visokoj temperaturi, taj se rastvor zadržava i na sobnoj temperatu-ri. Opisani termički postupak koji obuhvata zagrevanje, progrevanje i hladjenje zo-ve se presićenje. Posle toga dešavaju se veoma složeni procesi taložnog (precipita-cionog) ojačavanja, usko povezani sa pojavom tzv. starenja. Ova pojava se do ne-davno objašnjavala disperzionim izlučivanjem nove faze iz prethodno presićenog čvrstog rastvora. Tipična termička obrada većine Al-legura upravo je taložno oja-čavanje ili otvrdnjavanje. Pri ovome, talože se fine i ravnomerno rasporedjene (di-spergovane) čestice koje deluju kao prepreka kretanju dislokacija i time dovode do ojačanja legure.

Suština mikrostrukturnih procesa koji se dešavaju pri taložnom ojačanju može se objasniti na primeru binarnog sistema Al-Cu (sl. 11.3). Rastvorljivost Cu u čvrs-tom rastvoru α opada sa 5.7% pri temperaturi od 548°C na svega 0.1% na sobnoj

temperaturi, čime je ispunjena osno-vna pretpostavka za obrazovanje pre-sićenog čvrstog rastvora pri brzom hladjenju iz α- zone.

Ako izaberemo, npr. leguru sa sadržajem 3% Cu, vidimo da ona na sobnoj temperaturi ima heterogenu strukturu koju čine čvrst rastvor α i segregat faze θ (Al2Cu), izlučen na granicama zrna (sl. 11.3). Relativni udeo segregata raste kad se sastav le-gure približava maksimalnoj rastvor-ljivosti bakra (5.7%) u fazi α.

Proces ojačavanja odvija se u sle-deće tri etape:

300

500

700660

548

0 20 40 60

α 5.7 33 52

Rastop (R)

α + R θ + R

α + θ

θ (A

l 2Cu)

100%Al Sadržaj Cu, %

Tem

pera

tura

, °C

3

Slika 11.3 Deo ravnotežnog dijagrama Al-Cu


266

1) Etapa rastvornog žarenja obuhvata zagrevanje izabrane legure do oblasti čvrs-tog rastvora α, tj. iznad segregacione tačke od 490ºC, ali ispod solidus linije (na primer na 520°C). Na toj temperaturi leguru treba zadržati sve dok se ne rastvori sav segregat, tako da toj temperaturi odgovara samo homogena α-faza.

2) Kaljenje predstavlja drugu etapu. Legura se brzo hladi do niže temperature, obično sobne. Na taj način se ometa segregacija koja bi inače kod legura sa 3% Cu započela već pri 490°C. Naglim hladjenjem dobija se presićeni čvrst rastvor α' koji sadrži 3% Cu umesto 0.1% Cu što bi odgovaralo ravnotežnom stanju. Takvo stanje faze α' je termodinamički nestabilno i do njenog raspada došlo bi spontano i pri temperaturi okoline (prirodno starenje). Mnogo brže do raspada metastabilne faze α' može doći uvodjenjem odredjene aktivacione energije (npr. toplotne, mehaničke).

3) Starenje, kao treća etapa u ojačavanju, može biti prirodno (na temperaturi oko-line) i veštačko (na povišenim temperaturama). Pojave koje se odvijaju pri sta-renju zavise pre svega od hemijskog sastava legure i od temperature starenja. Kod legure koju pratimo odvijaće se pri 130°C starenje tako što će se najpre u odredjenim kristalografskim ravnima faze α' nagomilavati atomi bakra. Te ob-lasti se nazivaju Ginije-Prestonove zone (GP-zone, sl. 11.4a, b). U docnijim stadijumima ove GP-zone (sl. 11.4c, d) obrazuju sopstvenu tetragonalnu rešet-ku, čije se kristalografske ravni nadovezuju na ravni površinski centrirane ku-bne rešetke faze α. Ove su rešetke koherentne, što znači da izmedju GP-zona i α- faze nema oštre fazne granice. GP-zone se mogu uočiti samo na elektron-skom mikroskopu, a ne i na optičkom. Ove zone deformišu kristalne rešetke faze α što stvara u njihovoj okolini odredjeno naponsko stanje koje blokira pomeranje dislokacija i time ojačava legure.

a) b) c) d)

Slika 11.4 Shema starenja presićenog čvrstog rastvora legure AlCu4: a) posle presićenja, b) nastanak Ginije-Prestonove zone, c) obrazovanje koherentnih faza θ', d) izdvajanje faze θ

U daljem toku starenja (sl. 11.4c) nastaje metastabilna faza θ' čija je tetragonal-na rešetka polukoherentna; agregati faze θ' ovde su okruženi dislokacijama koje


267

dovode do delimične relaksacije okolnih naponskih polja, tako da je ojačanje u poredjenju sa GP-zonama manje. Dalje dolazi do ogrubljavanja čestica θ', koje ti-me postaju manje koherentne sa prethodnom fazom. Taj stadijum označava se kao predstarenje. Najzad ceo sistem dospeva u rav-notežno stanje u kome se nalaze faze α i θ (sl. 11.4.d).

Opisanim pojavama pri stare-nju odgovaraju i promene meha-ničkih osobina. Taj odnos je pri-kazan na slici 11.5, koja još uka-zije na uticaj sadržaja bakra i

temperature starenja. Precipitaciono (taložno) ojačanje je tim veće što je sastav le-gure bliži ka maksimalnoj rastvorljivosti bakra u čvrstom rastvoru α.

Proces starenja se može ubrzati sa povišenjem temperature, ali iznad neke gra-nične temperature dalje ne nastaju GP-zone koje dovode do maksimalnog ojačanja.

Do sličnih promena mikrostrukture i mehaničkih osobina dolazi i kod drugih složenijih sistema u koje spadaju višekomponentne legure aluminijuma.

11.1.2.b Legure aluminijuma za preradu deformisanjem

Najčešći legirajući elementi kod ovih legura jesu Mn, Mg, Cu, Zn i Ni. • Mn povećava jačinu, obradljivost deformacijom, rekristalizacionu temperaturu,

otpornost na koroziju i ograničava rast zrna pri rastvornom žarenju. • Mg povećava jačinu i otpornost na koroziju. • Cu, Zn ojačavaju leguru, ali pogoršavaju obradljivost deformisanjem i otpor-

nost na koroziju. • Ni pozitivno utiče na mehaničke osobine naročito na višim temperaturama, kao

i na otpornost prema koroziji.

Legure za deformisanje koje taložno ne ojačavaju

U ove legure spadaju dvokomponentne legure Al-Mn i Al-Mg (tab.11.2). Ispo-ručuju se u obliku limova, štapova, cevi, žica, profila. Rastvorljivost Mn u fazi α je mala. Koriste se legure do 1.5% Mn, jer već pri 2% Mn nastaju u toku kristalizacije primarni kristali faze Al6Mn, koji pogoršavaju mehaničke osobine.

Legure Al-Mn sklone su krupnozrnastoj i stubičastoj kristalizaciji, što se spre-čava mikrolegiranjem (Ti, B, Zr). Ove legure imaju dobru otpornost protiv korozi-

0.01 0.1 1.0 10 100 100040

60

80

100

120

140

Tvrd

oća,

HV

Vreme, h

GP zonafaza θ

4.5%Cu; 130°C3%Cu; 130°C4.5%Cu; 190°C3%Cu; 190°C

Slika 11.5 Zavisnost tvrdoće HV od vremena starenja t za dve legure Al-Cu i dve temperature starenja


268

je, dobru zavarljivost i mogu se ojačati preradom na hladno do Rm = 200 MPa (de-formaciono ojačanje).

Rastvorljivost Mg u fazi α je znatna, ali se izbegava taložno ojačavanje legure Al-Mg, jer bi neznatno povećanje jačine dovelo do velikog smanjenja istegljivosti. Zato se koriste legure koje sadrže do 5% Mg jer sa porastom Mg raste i udeo faze β (Al3Mg2) koja pogoršava obradljivost deformacijom i otpornost na koroziju.

Zavisnost mehaničkih osobina plastično preradjenih legura Al-Mg od njihovog hemijskog sastava i stanja data je na slici 11.6. Jako ojačane legure Al-Mg lako se oporavljaju (često i na temperaturi okoline), ali zadržavaju dobre mehaničke osobi-ne i pri niskim temperaturama.

Legure za deformisanje koje taložno ojačavaju

Ove se legure dele na tri grupe: • Al-Cu-Mg-(Ni), • Al-Mg-Si i • Al-Zn-Mg-(Cu).

Tablica 11.2 Legure Al za plastičnu preradu (brojevi znače % prethodnog leg. elementa) Oznaka hemijskog sastava

Primena

AlMn1 Manje opterećeni delovi u hemijskoj i prehrambenoj industriji, platiranje; zavareni rezervoari za tečnost i gasove.

AlMg1 AlMg2 AlMg3 AlMg5

Komponente transportnih sredstava, hemijska i prehrambena industrija, gradjevinarstvo. Legure AlMg5 poznate su pod nazivom hidronalium

AlCu4Mg AlCu4Mg1 Avioni, drumska vozila, automobili (dural i superdural)

AlCu2Mg Zakivci AlCu2Mg2Ni AlMg1Si

Komponente turbokompresora, avio, auto, prehrambena industrija, precizna mehanika

AlMgSiFe Elektroprovodljiva legura

AlZn4Mg1 Komponente za sredstva vazdušnog i železničkog transporta, sudovi pod pritiskom

AlZn6Mg2Cu Visoko opterećene komponente

Najviše se upotrebljavaju legure tipa Al-Cu, te će stoga samo o njima biti više reči. Legure sastava Al-Cu4-Mg nazivaju se durali, a legure sa povećanim sadrža-jem magnezijuma superdurali (Al-Cu4-Mg1). Ojačavanje ovih legura postiže se rastvornim žarenjem i taložnim otvrdnjavanjem koje traje nekoliko dana. Za to vreme izlučuje se tvrda faza Al2CuMg koja dovodi do porasta napona tečenja i ja-


269

čine, ali pada izduženja A5 (sl. 11.7). Sa slike se takodje uočava da se maksimalno ojačanje postiže veštačkim starenjem pri 140ºC, ali je to praćeno velikim padom re-lativnog izduženja. Zato je bolje prirodno starenje pri 20ºC kojim se postiže jačina od 400 MPa kod durala i 450 MPa kod superdurala.

Sadržaj Mg, %

A10

, %

0 5 100

200

400

100

300

0

10

20

30

40

Rp,

Rm, MPa

Rp

Rp

Rm

Rm

A10

A10

Vreme, h

A 5,

%

Rp,

Rm, MPa

0

100

200

300

400

500

0.1 1.0 10 1000

10

20

30

Rm

140°C

140°C

140°C

20°C

20°C

20°C

175°C

175°C

175°C

Rp

A5

Slika 11.6 Uticaj Mg na mehaničke osobine Slika 11.7 Zavisnost mehaničkih legure Al-Mg za deformisanje u osobina legura žarenom stanju (puna linija) i u Al-Cu4-Mg1 od vremena i ojačanom stanju (isprekidana) temperature starenja

Ako se posle prirodnog starenja ne može postići dovoljna otpornost na korozi-ju, izvodi se platiranje ovih legura aluminijumom Al 99.5 ili legurom AlMn1. Du-rali i superdurali isporučuju se u obliku: limova, aluminijumom platiranih limova, otkovaka, štapova, cevi, profila, namenjeni pre svega za avionsku industriju.

11.1.2.c Legure aluminijuma za livenje

Za razliku od legura za deformisanje, legure za livenje karakterišu se većim sa-držajem dodataka (Si, Cu, Mg, Mn, Ni), odredjenim udelom eutektike u strukturi i rdjavijim mehaničkim osobinama. Njihove povoljne tehnološke osobine omoguću-ju livenje u peščanim kalupima, kokilama ili livenje pod pritiskom. Način livenja utiče na osobine tih legura isto kao i hemijski sastav ili termička obrada. Tako npr. pri livenju pod pritiskom kalupi se brzo hlade, pa se dobija sitnozrnasta struktura odlivka; faza α je presićena primesama te su skloni prirodnom starenju i bez pret-hodnog rastvornog žarenja.

Čist aluminijum je male jačine i rdjave livkosti, pa se čisto aluminijumski odli-vci prave samo za potrebe elektrotehnike (dobra električna provodljivost). Nasup-rot čistom aluminijumu, neke njegove legure se lako liju, te su zato pogodne za tankozidne delove složenog oblika. Aluminijumske legure liju se u vlažnim pešča-nim kalupima, u metalnim kalupima (kokilama) ili pod pritiskom. Legure alumini-juma za livenje dele se na legure koje termički ne ojačavaju i legure koje termički ojačavaju.


270

Livačke legure koje termički ne ojačavaju

U ovu grupu se ubrajaju višekomponentne legure tipa Al-Si, Al-Mg i Al-Cu (tab. 11.3). Tablica 11.3 Odabrane livačke legure aluminijuma

Oznaka hemijskog sastava Primena

AlSi13Mn Tankozidni odlivci, nepropustljivi za tečnost AlSi10Mn Pribor koji dolazi u dodir sa životnim namirnicama AlMg5SiMn Rebraste cilindarske glave, komponente u arhitekturi AlMg9MnBe Odlivci otporni u atmosferi i morskoj vodi AlSi10MgMn Tankozidni odlivci u avio i auto industriji AlSi12Ni2Cu Za rad na visokim temperaturama (klipovi) AlSi8Cu4Mn Visokoopterećeni složeni odlivci (blok motora) AlCu4Ni2Mg Klipovi većih dimenzija AlCu8FeSi Kućišta i košuljice kliznih ležišta

Legure tipa Al-Si, tzv. silumini sadrže 5-20% Si i druge dodatke, od kojih je najuobičajeniji Mn, koji eliminiše nepovoljan uticaj primesa Fe na istegljivost, ži-lavost i livačke osobine silumina. Dodatkom Cu može se povećati zamorna jačina, iako se ponekad pogoršava otpornost prema koroziji. Najbolje livačke osobine ima-ju eutektički silumini koji sadrže 9-13% Si (sl. 11.8). Sastojak eutektike (α+β), faza β predstavlja čiste kristale Si, jer je Al nerastvorljiv u Si. Pošto se faza β brže kris-tališe nego α (čvrst rastvor Si u Al), faza α počinje eutektičku transformaciju sa za-kašnjenjem u odnosu na već narasle kristale Si.

Radi dobijanja povoljnijih sitnozrnastih kristala faze β, siluminski liv se modi-fikuje odgovarajućim dodacima (0.1% Na ili 2% NaCl + NaF), koji umanjuju kris-talizacionu sposobnost faze β. Na taj način rastop očvršćava uz veće pothladjivanje te nastaje sitan eutektikum. Tako nastalim pothladjivanjem eutektička temperatura pada sa 577 na 564ºC (sl. 11.8), što odlivku daje sitnozrnastu strukturu, a time i bo-lje mehaničke osobine. Modifikacija manje utiče na podeutektički silumin liven u kokilama ili pod pritiskom, jer je tu dovoljno pothladjivanje metalnim kalupima. Uticaj procenta Si i modifikacije na mehaničke osobine silumina prikazan je na sli-ci 11.9.

Silumini imaju nisku specifičnu masu (2.65 g/cm3), dobru otpornost prema ko-roziji, malu mogućnost poliranja, a pri livenju dobru tečljivost, malo skupljanje (0.5%) i nisu skloni ka prslinama.


271

Legure tipa Al-Mg sadrže 3 do 11% Mg. Dodatak Mn eliminiše šte-tan uticaj primese Fe, a dodatak Si poboljšava livačke osobine. U mikros-trukturi javljaju se faze α, segregat β (Al3Mg2), kao i nerastvorljiva faza AlFeMnSi, a kod legura livenih pod pritiskom ili u kokilama još i 6 do 7% eutektikuma. Pojava eutektike pri koncentraciji ispod 7% Mg izazvana je neravnotežnom kristalizacijom pri ubrzanom hladjenju. Sadržaj Mg utiče i na promenu mehaničkih osobina prema slici 11.10. Legure Al-Mg liju se u pesku i kokilama, lake su (2.5 g/cm3), visokootporne prema ko-roziji i dobro se poliraju.

Rm, MPa

A 5,

%

0 5 10 150

200

400

0

10

20

Sadržaj Mg, %

A5

Rm

Rm, MPa

A5,

%

0 5 10 150

100

200

0

10

20

Sadržaj Si, %

Rm

A5

Modifikovano

Nemodifikovano

Slika 11.9 Uticaj Si na mehaničke osobine Slika 11.10 Uticaj Mg na mehaničke osobine silumina livenih u kokilama legura Al-Mg livene u peščanim kalupima

Legure aluminijuma tope se u gasnim jamskim pećima, elektro-pećima (otpor-skim i indukcionim), i u pećima na čvrsto ili tečno gorivo. Za proizvodnju liva po-lazni materijali su aluminijumske gredice iz topionica, povratni materijali (proiz-vodni otpad), strugotina, ponekad i predlegure; peć se puni osušenim predgrejanim materijalom, a u toku hladjenja dodaju se legirajući elementi (pri oko 700ºC). Za-tim se temperatura povećava na 800ºC, liv ispušta i degazacija izvodi van peći.

500

550

600

650

700

11.70 5 10 15 20

577°C

564°C

A Rastop (R)S

S'

C'E'B'

D

100% Al

CEα

α + R

α + E E + β

R + βSi

lum

in12

-13%

Si

Tem

pera

tura

, °C

Sadržaj Si, %

B (1.65% Si)

Slika 11.8 Ravnotežni dijagram legura Al-Si


272

Livačke legure koje termički ojačavaju

Od livačkih legura aluminijuma, taložno ojačavaju kako silumini sa dodacima Cu, Mg i Ni, tako i legure tipa Al-Cu sa ostalim dodacima navedenim u tab. 11.3.

Silumini sa dodatkom Mg ojačavaju na toplo pri čemu je glavna otvrdnjavajuća faza β' (Mg2Si). U ojačanom stanju se dostiže Rm = 200-250 MPa, pri veoma ma-lom izduženju (1-3%).

Dobra otpornost na habanje je dovela do primene nekih legura Al-Cu-Si za kli-zna ležišta. Posle livenja u peščanim kalupima termički se ojačavaju, ali dostignuta jačina (Rm ≈ 200 MPa) mnogo ne prevazilazi jačinu termički neobradjenih odliva-ka livenih u metalnim kalupima (Rm ≈ 180 MPa).

11.2 Titan

Titan ima dve alotropske modifikacije: α- titan postojan do 882°C (kome odgo-vara gusto pakovana heksagonalna rešetka) i β- titan postojan od 882-1665 ± 5°C tj. temperature topljenja titana (β- titan ima prostorno centriranu kubnu rešetku).

Titan je lak metal (4.505 g/cm3) sa veoma dobrim mehaničkim osobinama, ve-oma dobrom otpornošću prema koroziji i niskom električnom i termičkom provod-nošću.

Fizičke, mehaničke i tehnološke osobine titana date su u tab. 11.4.

Tablica 11.4 Osobine tehnički čistog Ti (Ti 99.5) u žarenom stanju pri temperaturi 20°C

MEHANIČKE OSOBINE Tehnička granica tečenja Rp, MPa 200-260 Zatezna jačina Rm, MPa 300-400 Izduženje A5.65, % 40-30 Kontrakcija Z, % 60-50 Modul elestičnosti E, MPa 112000 Tvrdoća HBS 90-120

TEHNOLOŠKE OSOBINE Obradljivost na hladno dobra Obradljivost na toplo veoma dobra Livkost otežana Zavarljivost veoma dobra, uslovna Obradljivost rezanjem otežana

Na mehaničke osobine titana štetno utiču i male primese elemenata koji sa tita-nom obrazuju intersticijalni čvrst rastvor (H, C, N, O); posle presićenja čvrstog ras-tvora obrazuju se krte intermedijalne faze (hidridi, karbidi, nitridi, oksidi). Ove


273

primese povećavaju jačinu Ti, ali umanjuju njegovu žilavost, obradljivost deforma-cijom, zavarljivost i korozionu otpornost. Zato se H, C, N smatraju nečistoćama, dok se mala količina kiseonika uvodi radi povećanja jačine.

Tehnički titan izradjuje se u obliku ploča, limova, cevi, šipki, žica i drugih polufabrikata.

Otpornost titana prema koroziji u industrijskim atmosferama i u morskoj vodi bolja je nego kod koroziono otpornih čelika. Zahvaljujući pasivizaciji površine, ti-tan ima veoma dobre korozione osobine u oksidacionim sredinama (npr. u 70% HNO3 do 200°C) i čak u carskoj vodi (HCl + HNO3). Organskim kiselinama, hlorisanim organskim jedinjenjima i alkalnim rastvorima odoleva i pri povišenim temperaturama.

Titan nije otporan na koncentrovanu sonu kiselinu, koncentrovanu sumpornu kiselinu, fosfornu kiselinu i jake alkalije srednje i velike koncentracije.

Na temperaturi preko 500°C, titan i njegove legure lako apsorbuju gasove O2, N2, H2 što dovodi do poroznosti i krtosti (vodonična krtost).

Obradom na hladno titan ojačava tako da se maksimalna jačina (Rm ≈ 800 MPa, A5 ≈ 7%) dostiže, u zavisnosti od sadržaja primesa, već pri malim stepenima deformacije. Bez zagrevanja se dobro preradjuju samo tanki limovi, dok je limove debljine oko 2 mm potrebno zagrevati na 300 do 400°C; vučenje šipki, žica i cevi je otežano. Deformaciono ojačan titan rekristališe se i omekšava posle jednosatnog žarenja pri temperaturi 650 d0 800°C.

Titan se preradjuje na toplo u intervalu 950 do 800°C, znači kako u oblasti sta-bilnosti α-Ti, tako i u oblasti β-Ti. Dobro se valja (900 do 800°C) i kuje (950 do 800°C), ali pri presovanju sa ekstruzijom (oko 900°C) ima tendenciju zaribavanja za alat.

Na visokim temperaturama titan se lako sjedinjuje sa kiseonikom i azotom. I pored toga se pri preradi ne koristi zaštitna atmosfera, već je ekonomičnije da se posle prerade na toplo, tanki difuzni slojevi kiseonika i azota odstrane mehanički.

Titan se žari u vakuumu (1 h pri 1 Pa) ili u inertnoj atmosferi (Ar, He), čime se poboljšavaju plastične osobine titana i snižava sadržaj vodonika.

U zemljama sa razvijenom avio industrijom proizvode se obično 3-4 vrste tita-na sa različitim vrednostima mehaničkih osobina. Vrste sa srednjom i visokom ja-činom koriste se u konstrukcijske svrhe, a sa mekim titanom se prave odgovarajuće legure titana.

Sa porastom temperature titan gubi jačinu tako da je primenljiv do oko 300°C (sl. 11.11).

Oblast primene titana se proširuje površinskim tretmanom, uglavnom nitrira-njem, čime se povećava otpornost prema zaribavanju i oksidaciji, a time i otpornost prema koroziji.


274

Klasične oblasti primene ti-tana su skeleti aviona (mlazni i raketni motori), jer se titan odli-kuje visokim odnosom jačine prema težini. Ova osobina titana zajedno sa njegovom zadovolja-vajućom otpornošću protiv koro-zije u morskoj vodi čini ga pri-menljivim i za izradu specijalnih morskih plovnih sredstava. Za-tim se titan primenjuje u hemij-skoj industriji (pumpe, cevovodi, razmenjivači toplote, rezervoari za azotnu kiselinu). Takodje se koristi kao legirajući element specijalnih čelika, legura lakih metala i alatnih čelika.

11.2.1 Legure titana

Legure titana naročito sa aluminijumom, kao i dodacima hroma, mangana i va-nadijuma uglavnom se upotrebljavaju u avionskoj industriji i za delove koji rade u

jako korozionim uslovima. Aluminijum i kalaj, kao i nečistoće (C, O, N) stabilizuju α-fazu tako što podižu temperaturu transformacije α→β. Sup-rotno tome Fe, Cr, Mo i V kao legirajući elementi snižavaju temperature preobražaja α u β (sl. 11.12) i dovode do toga da se β-faza zadržava i na tempe-raturama znatno nižim od 882ºC, i čak na sobnoj temperaturi.

Prema strukturi koja nastaje pri sporom hlad-jenju, titan obrazuje legure: • jednofazne tipa α - (Ti-5 Al-2.5 Sn), • jednofazne tipa β – (Ti-10 V-2 Fe-3 Al) i • dvofazne tipa (α + β) – (Ti-6 Al-4 V).

Legure tipa α i tipa β ne podležu polimorfnim preobražajima, te nisu kaljive, a mogu se kaliti le-gure tipa (α + β).

U posebnu grupu spadaju β legure sa gvož-djem poznate kao fero-titan. Proizvode se termit-

0

30

60

90

0

300

600

900

A5

Rm

-200 0 200 400

Rm, MPa

Temperatura, °CA 5

, %

Slika 11.11 Zavisnost jačine Rm i izduženja tehnički čistog titana od temperature

β

α

R + β

α + TimXn

α + β

882

1665

Rastop (R)

550°C

β + TimXn

Ti → Cr, Mn, Fe, Mo, V, %

Tem

pera

tura

, °C

Slika 11.12 Binarni ravnotežni dijagram legura titana


275

nom reakcijom1, a koriste se za legiranje specijalnih čelika i za dezoksidaciju i de-nitriranje tečnog čelika. Istim postupkom proizvode se fero-mangan i fero-hrom.

Titan i njegove legure primenjuju se uglavnom gde su primarni zahtevi - visok odnos jačine prema težini kao i velika otpornost na koroziju. To je avionska indus-trija (delovi aviona, obloge i lopatice kompresora, nosači motora), rudarstvo (dvostruke obloge motora, boce za komprimovane tečne gasove, mlaznice itd.), op-rema za procesnu hemijsku industriju (oprema za medijume, kao što su vlažan hlor, vodeni i kiseli rastvori hlora, izmenjivači toplote koji rade u azotnoj kiselini), u brodogradnji (propeleri, oplate morskih brodova, podmornica i torpeda), u termoe-lektranama (za doboše i lopatice stacionarnih turbina). Titan je biokompatibilan materijal, što znači da ga ljudski organizam ne odbacuje, te se upotrebljava za veš-tačke kukove.

Titan i njegove legure se teže mašinski obradjuju (termička provodnost λ = 15 W/mK) nego ugljenični i niskolegirani čelici (λ = 30 W/mK), a približno kao nerdjajući austenitni (Cr-Ni) čelici (λ≈ 15 W/mK). Zbog male termičke provodnosti titana, temperatura oštrice reznog alata brzo raste, što dovodi do privarivanja i ubr-zanog tupljenja noža. Zato treba raditi sa sinterovanim alatom, malom brzinom re-zanja i sa dosta sredstva za hladjenje i podmazivanje.

Sve legure titana mogu se preradjivati plastičnim deformisanjem na toplo (800-1000ºC), a na hladno samo legure tipa α i β, za koje se preporučuje zagrevanje do temperature iznad 200ºC, a ispod temperature rekristalizacije Tr = (0.5-0.6) Tt.

Legure titana mogu se argonski zavarivati i lemiti čistim srebrom sa topiteljima od soli alkalnih metala. Kada se legure titana zavaruju, kale, otpuštaju ili žare, sve se mora raditi u zaštitnoj atmosferi inertnih gasova - argona ili helijuma. Pri izvod-jenju ovih radova u atmosferi vazduha legure postaju znatno krtije (reaktivan me-tal).

11.2.2 Termička obrada legura titana

Uglavnom se koristi žarenje, kaljenje sa otpuštanjem i ponekad nitriranje. Ža-renje može biti rekristalizaciono, stabilizaciono i za popuštanje napona. Rekristali-zaciono žarenje pri oko 800ºC izvodi se posle hladne prerade legura α i β. Stabili-zaciono žarenje ima za cilj da se postigne najveća strukturna stabilnost, što je bitno za vatrootpornost. Popuštanje zaostalih napona nastalih pri preradi deformisanjem ili obradi rezanjem izvodi se žarenjem legure na oko 600°C i zatim sporim hladje-njem.

Legure titana koje zagrevanjem prelaze u strukturu (α+β) (sl. 11.12), mogu se kaliti. Pri tome α- faza ostaje nepromenjena, a β- faza prelazi u titanov martenzit, 1 Termit je smeša čistog zrnastog metala većeg afiniteta prema kiseoniku nego gvoždje (Al, Ti, Mn, Cr) i praha oksida gvoždja. Paljenjem te smeše u vatrostalnom loncu, nastaje dezoksidacija praćena oslobadjanjem velike količine toplote i topljenjem svih sastojaka. Posle kristalizacije rastopa, na dnu lonca ostaju ferolegure (ili čisto gvoždje kad se upotrebi Al), a na površini lonca izdvaja se kao ot-padni materijal novostvoreni oksid (titan-dioksid u konkretnom slučaju).


276

slično kao što se dogadja pri kaljenju podeutektoidnih čelika sa nedovoljno visoke temperature (ferit se ne menja, a austenit prelazi u martenzit). Martenzitna faza ov-de je u stvari presićen čvrst rastvor legirajućih elemenata u β- titanu. Za razliku od martenzita kod čelika, titanov martenzit ne utiče bitno na rast tvrdoće, već usitnjava strukturu i daje optimalnu kombinaciju jačine i istegljivosti (duktilnosti).

Pri otpuštanju zakaljenih legura titana, dolazi do porasta tvrdoće, suprotno od čelika, pa se zato i zove ojačavajuće otpuštanje. Porast jačine praćen je pri tome velikim padom duktilnosti.

Pored već opisanih načina termičke obrade, legure titana se mogu nitrirati pri 850-950°C u toku 30-60 h u atmosferi azota, čime raste otpornost titana na haba-nje.

Legure titana retko se koriste za livenje jer titan lako reaguje sa materijalom peščanog kalupa i gasovima zahvaćenim pri livenju. U tom smislu izuzetak je legu-ra sa 5% Al koja ima dobru livkost i dobre mehaničke osobine.

11.3 Bakar

Bakar se dobija iz sulfidnih ruda: kuprit (Cu2S), halkopirit (CuFeS2), bornit (Cu3FeS3), lazurit (2CuCO3·Cu(OH)), malahit (CuCO3·Cu(OH)2). Ovaj element nema svojstvo alotropskih promena, tj. zadržava u čvrstom stanju površinski centri-ranu kubnu rešetku na svim temperaturama. Parametar rešetke iznosi 0.36151 nm, a poluprečnik atoma 0.128 nm. Tehnički bakar proizvodi se u klasama datim u tab. 11.5. Tablica 11.5 Podela tehničkog Cu prema čistoći

Grupa Najmanji sadržaj Cu u %

1 99.0

2 99.25

3 99.5

4 99.75

Elektrotehnički 99.9-99.99

Pripada grupi teških metala (specifična masa je 8.96 g/cm3) i crvenkaste je bo-je, nije magnetičan. Temperatura topljenja mu je Tt ≈ 1083°C.

Mehanička svojstva bakra veoma zavise od stanja isporuke, odnosno prethodne mehaničke i termičke obrade. Na primer, zatezna jačina mu je u livenom, odnosno žarenom stanju oko 200-250 MPa, tvrdoća 45-60 HB; medjutim u deformisanom stanju jačina se povećava na 400-500 MPa, tvrdoća 90-110 HB, a istegljivost opa-da sa 50% na 2-6%.


277

U mašinstvu se Cu upotrebljava u vidu limova, traka, cevi, šipki i sl. Razlikuju se sledeća stanja bakra (u zavisnosti od stepena deformisanja u hlad-

nom stanju): • meki bakar (Rm = 200-250 MPa), • polutvrdi bakar (Rm = 250-300 MPa), • tvrdi bakar (Rm = 300-370 MPa) i • opružno-tvrdi bakar (Rm > 370 MPa).

Bakar je veoma plastičan materijal koji se uspešno obradjuje deformisanjem, kako u hladnom tako i u toplom stanju. Optimalna oblast obrade deformisanjem u toplom stanju je ograničena temperaturama 680 do 780°C.

Čist bakar nije pogodan za obradu livenjem i zavarivanjem zbog velikog skup-ljanja. Prema atmosferskoj koroziji i vodenoj pari bakar je otporan, jer se izložen ovim medijima prevlači tankom zelenkastom zaštitnom skramom - patinom (CuSO4⋅3Cu(OH)2) koja ga štiti od dalje korozije. Kad se zagreje do iznad 400°C bakar po površini formira krti, tanki oksidni sloj (CuO).

Koristi se u obliku limova, šipki, cevi i žica. Zbog svoje male jačine, retko se preradjuje livenjem. Pošto ima odličnu elektroprovodljivost, bakar je glavni materijal u elektrotehnici, elektronici i elektro-vakuumskoj tehnici. Dobra toplotna provodlji-vost bakra dovela je do njegove primene za parne kotlove, rashladne ploče i sl.

11.3.1 Legure bakra

U mašinstvu legure bakra imaju znatno veću primenu od čistog bakra. Bakar se uspešno legira mnogim elementima: Zn; Sn; Al; Ni; Pb; Mn; Si; Be,.... (tab. 11.6). Pri tome se dobijaju legure poznate kao mesing i bronza. Mesing je legura bakra i cinka, a bronza bakra i kalaja, a ponekad i drugih elemenata. Tablica 11.6 Pregled legura bakra i njihovi uobičajeni nazivi

Osnova sistema Eventualni dalji dodaci Naziv

Cu-Zn Pb Mesing i "tombak" Cu-Zn Ni, Sn, Al, Pb, Mn, Fe, Si Specijalni mesing Cu-Sn Zn, P Bronza (kalajna) Cu-Al Ni, Fe, Mn Aluminijumska bronza Cu+→ Mn, Si, Ni, Cd, Be Specijalna bronza Cu-Ni-Zn Pb, Mn, Fe, Al "Novo srebro " Cu+→ Zn, Ni, Mn, Si, Ag, P -


278

11.3.1.a Mesing

Procenat cinka u mesingu kao konstrukcionom materijalu je najčešće 30-44%. Medjutim postoji jedna grupa legura bakra i cinka u kojoj je procenat cinka znatno niži (5 do 20%) i one se nazivaju tombak. Tombak se upotrebljava u dekorativne svrhe jer su mu sjaj i boja slični zlatu, a poseduje i dobru otpornost na koroziju (za unutrašnju arhitekturu, umetničko zanatstvo i sl.).

Na normalnoj temperaturi bakar može u svojoj rešetki da rastvori najviše oko 39% cinka (sl. 11.13). Takav mesing je poznat kao α- mesing. Ukoliko se sadržaj cinka povećava iznad gornjeg iznosa u strukturi se pojavljuje nova faza tvrdog i kr-tog jedinjenja bakra i cinka koja je poznata kao β-faza. Zato se dvofazna legura sa sadržajem cinka 39-44% naziva α+β- mesing. Količina β-faze pri eventualnom sa-držaju cinka preko 44% toliko poraste da dovodi do naglog pogoršavanja mehanič-kih svojstava (pre svega do smanjenja plastičnosti). Ovi fazni odnosi prikazani su na dijagramu stanja Cu-Zn na slici 11.13.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100100%Cu

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

A

B C

D

SH

L M N

RS

P QO

UVW

α β

γ

ε

η

β'

δ

α +

β

Rastop (R)

1083°C

902°C

834°C

700°C

598°C

550°C

419°C

454°C468°C

31.9(32.5)

38.3(39.0) 44.8

(45.5)49.2

(48.9)

34.6(35.7)

97.23(97.3)

99.69(99.7)

α +

β'

Sadržaj Zn, %

Tem

pera

tura

, °C

Slika 11.13 Dijagram stanja Cu-Zn


279

Najviše je u primeni α-mesing, jer se uspešno obradjuje deformisanjem u hlad-nom stanju, a takodje i livenjem. Prisustvo β-faze pri većim sadržajima cinka uslo-vljava njegovu obradljivost deformisanjem samo u toplom stanju.

Najbolja kombinacija mehaničkih svojstava mesinga postiže se pri sadržaju Zn oko 40%. Sve do oko 44-45% zatezna jačina raste, ali duktilnost već pri sadržaju Zn preko 30% opada.

Prema tehnološkoj nameni mesing se deli na: • mesing za gnječenje (deformisanje) i • mesing za livenje.

Mesing koji je ojačao usled izvršene hladne deformacije može se ponovo dove-sti u plastično stanje ako se izvrši rekristalizaciono žarenje na temperaturi 500-700°C i hladjenje u vodi.

U tablici 11.7 navedene su vrste mesinga za gnječenje, a u tab. 11.8 livačke le-gure (P- livenje u pesku, K- u kokili, T- pod pritiskom). Tablica 11.7 Vrste mesinga za gnječenje

Oznaka Primena

CuZn10 CuZn15 CuZn20 CuZn28

Za delove u elektrotehnici, za bižiteriju i sl.

CuZn30 Za izradu čaura svih vrsta, cevi za kondenzatore, izmenjivače toplote

CuZn33 Za mreže, trake za hladnjake, šuplje zakivke

CuZn37 CuZn40

Za mašinske i zavrtnje za drvo, valjke za štampanje tekstila, trake za hladnjake, lisnate opruge, ....

Tablica 11.8 Livačke legure mesinga

Mehanička svojstva Oznaka Rp,

MPa Rm, MPa

A5, % HB

Primena

P.CuZn33Pb2 60 150 10 45 Odlivci liveni u pesku, sklopovi i vezni konstrukcioni elementi. Delovi za opštu upotrebu u elektrotehnici

K.CuZn40 80 250 25 75 Odlivci liveni u kokili, armature metalno-svetlih površina, okovi, delovi u elektrotehnici, …

T.CuZn40 100 250 2 75 Odlivci liveni pod pritiskom, armature, delovi u elektrotehnici, …


280

11.3.1.b Bronza

Pod bronzom se podrazumeva legura bakra i kalaja. Medjutim, u širem smislu, to ne mora biti dvojna legura, niti samo kalaj legirajući element; tako postoje: • aluminijumske, • olovne i • manganske i druge bronze.

Kalajne bronze

Sadržaj kalaja u ovim bronzama ide do 14%. Prisustvo kalaja u leguri utiče na povećanje njene jačine i istovremeno opadanje plastičnosti. Otuda je kod bronzi za livenje sadržaj Sn veći nego kod bronzi za obradu deformisanjem (gnječenjem). Boja bronze zavisi od njenog sastava; što je manje kalaja, boja bronze bliža je ba-kru. Pod uticajem atmosferskih činilaca bronza se prevlači zelenkastom pokoricom, tzv. patinom.

Oko 14% Sn se može rastvoriti u rešetki bakra, pri čemu se formira jednofazna struktura čvrstog rastvora, α- bronza. Pri većim sadržajima kalaja pojavljuje se u strukturi i β-faza (kristali jedinjenja Cu3Sn) koja negativno utiče na svojstva bron-ze, tako da to predstavlja granicu maksimalnog sadržaja kalaja kod legura za gnje-čenje. Bronze koje se upotrebljavaju u mašinstvu retko sadrže preko 10% Sn.

Prema tehnološkoj nameni razlikuju se: • bronze za obradu deformisanjem (≈ 2-8% Sn) i • bronze za livenje (≈ 6-14% Sn).

S obzirom na dobra svojstva, bronze se uglavnom upotrebljavaju za mašinske delove koji su izloženi: • jakom trenju (klizna ležišta, pužni prenosnici,...), • pritisku (delovi pumpi,...) i • dinamičkim opterećenjima (opruge,...).

Aluminijumske bronze sadrže do 8-11% Al (bez kalaja); imaju veliku otpornost prema habanju i koroziji kako na sobnoj tako i na povišenim temperaturama. Ko-riste se za jako opterećene delove izložene koroziji i kovane delove koji rade na to-plo pod pritiskom.

Olovne bronze sadrže 8-10% Sn i 4-12% Pb, imaju dobra ležišna svojstva, pa se koriste kao antifrikcioni materijali za klizna ležišta. Takozvana trgovačka bronza je legura Cu-Sn-Zn-Pb, gde Pb u iznosu 2-3% uglavnom povećava livkost, obrad-ljivost i ležišna svojstva.

Silicijumske bronze (do 4.5% Si, i sa dodacima Zn, Mn i Fe) odlikuju se dob-rom toplotnom i električnom provodnošću, otpornošću na trenje i na delovanje vi-sokih temperatura. Ove se bronze pre svega primenjuju u elektro i radio - tehnici.


281

Silicijumsko-manganska bronza (CuSi3Mn1) koristi se za izradu ležišnih čaura po-kretnih zupčanika u menjaču.

Manganske bronze su otporne na visoke temperature jer zadržavaju kako tvr-doću tako i istegljivost. Nalaze primenu za izradu parnih mašina.

Berilijumova bronza odlikuje se najvećom tvrdoćom od svih legura bakra i znat-nom otpornošću na koroziju. Termički obradjene (kaljene u vodi) i otpuštene dostižu tvrdoću 370 HB i Rm = 1350 MPa. One su skupe, ali se ipak upotrebljavaju za opru-ge otporne na koroziju, delove pumpi, lopatice parnih turbina, merne pribore.

Bakarne legure za livenje tope se u gasnim jamskim i indukcionim pećima (srednje ili visoko frekventnim). Kao šarža (uložak) upotrebljavaju se gredice dobi-jene iz topionice bakra, te proizvodni otpad i stari bakar. Teži se da se izbegne pre-grevanje i dugo držanje na temperaturi livenja. Pre samog livenja izvodi se dezok-sidacija pomoću fosfora (fosforni bakar), a kod aluminijumskih i olovnih bronzi pomoću mangana (manganski bakar).

11.4 Ostali inženjerski metali i legure

Cink i njegove legure. Cink je metal sjajane plavičasto-bele boje, gustine 7.13, temperature topljenja 419ºC, toplotne provodnosti λ = 110 W/mK i koeficijenta li-nearnog širenja α = 31·10-6 m/mºC. Otporan je na dejstvo spoljne atmosfere jer se na vlažnom vazduhu prekriva slojem hidroksida ili oksida. Kovnost, plastičnost i istegljivost cinka na hladno je veoma mala, dok pri zagrevanju na 100-150ºC posta-je plastičniji i može se preradjivati u limove, folije, šipke i žice. Pri temperaturi 500ºC uz dovoljnu količinu vazduha sagoreva u cink oksid, koji služi za izradu be-le uljne boje. Cink se upotrebljava kao sastojak većine legura za livenje pod pritis-kom, za cinkovanje čeličnih proizvoda, za galvanske elemente, štamparski kliše (otisak slike). Legure za livenje uglavnom su ZnAlMg, ZnAl4Cu1 poznate pod na-zivom "zamak" (špialter). Primenjuju se za kućišta karburatora i pumpi za gorivo, ukrasne poklopce na točkovima, ukrasne letvice automobila, kvake, ručice i dr.

Kalaj i njegove legure. Kalaj je metal srebrno-bele ili sive boje, mek je i ko-van (pri savijanju kalajne šipke škripe i pucketaju). Lako se valja na hladno što omogućuje izradu folija debljine 0.01 mm, poznatih pod nazivom staniol. Kalaj se rastvara u neorganskim kiselinama i bazama, ali je otporan na vazduhu, vodi i or-ganskim kiselinama, te se koristi za zaštitu kuhinjskog posudja, za izradu belih li-mova i folija za pakovanje životnih namirnica. Kalaj je takodje sastojak mnogih le-gura: bronzi, legura za klizna ležišta, α - legura titana, lemova za meko lemljenje. Legure na bazi kalaja, koje još sadrže oko 6% Cu i oko 11% Sb upotrebljavaju se za klizna ležišta; ove su legure poznate pod nazivom beli metali ili babiti.

Olovo i njegove legure. Olovo je metal sive boje, gustine 11.34 g/cm3, tempe-rature topljenja 327ºC, najmekši od svih metala (može se rezati nožem i grebati noktom.). Topionice ga isporučuju u komadima od 10 ili 50 kg, ili u obliku šipki, limova, cevi. Olovo je na sobnoj temperaturi veoma istegljivo, još više ako se malo zagreje, ali već na 300ºC postaje veoma krto. Odlikuje se dobrim livačkim osobi-


282

nama (skupljanje 0.9%), lako se zavaruje i lemi. Na vazduhu se prekriva tankim oksidnim slojem PbO koji štiti olovne predmete od dalje oksidacije. Bitna je karak-teristika olova da je otporno na dejstvo sumporne i sone kiseline. Dodatak antimo-na olovu još povećava otpornost u sumpornoj kiselini, te se legure Pb-Sb koriste pre svega za produkciju akumulatorskih ploča, te vodovodnih i kanalizacionih cevi, komora u fabrikaciji sumporne kiseline, različitog posudja u hemijskoj industriji kao i za oblaganje i zaptivanje rezervoara za tečnosti. Legura Pb, Sb i nešto Sn (tzv. tvrdo olovo) služi kao štamparska legura, a od olova sa 0.03% arsena prave se livene kuglice (sačma) za punjenje patrona za lovačke puške. Za meko lemljenje koristi se legura Sn-Pb, s tim što se u prehrambenoj industriji dopušta najviše 10% Pb, jer su olovne soli veoma otrovne (olovo se gomila u organizmu i više ne izluču-je). Olovne legure sa dodacima antimona i kalaja služe za klizna ležišta vagonskih osovina. Olovo se još upotrebljava kao dodatak pri fabrikaciji nekih vrsta stakla; njegov oksid Pb3O4 - minijum (dobijen zagrevanjem PbO do 500ºC) pomešan sa lanenim uljem daje crvenu boju namenjenu za zaštitu metalnih predmeta od rdje. Osim toga olovo se dodaje nekim vrstama mesinga i bronzi radi lakše obrade reza-njem, a drugi je po redu sastojak niskotopljivih legura za termo-osigurače. Tako npr. metal koji sadrži 50% Bi, 25% Pb, 12.5% Sn i 12.5% Co, (topi se na 60ºC) ima negativan koeficijent termičkog širenja; pri hladjenju se širi, a pri zagrevanju skuplja. Zbog toga osigurači pri prekoračenju jačine električne struje "pregore", ta-ko što pucaju, a ne krive se od izduženja.

Magnezijum i njegove legure. Od svih inženjerskih metala magnezijum je najlakši (1.47 g/cm3). U čistom stanju u industriji ima ograničenu primenu zbog rd-javih mehaničkih osobina i mogućnosti samopaljenja za vreme zagrevanja. Zato se uglavnom koriste legure Mg sa Al kao glavnim ojačavajućim elementom na bazi rastvornog žarenja i termičkog starenja. Dodatkom cinka (Zn) povećava se plastič-nost, a mangana (Mn) koroziona otpornost u spoljnoj atmosferi i hidroksidima KOH i NaOH. Legure magnezujuma dele se na legure za livenje i legure namenje-ne plastičnoj preradi. I jedne i druge upotrebljavaju se u avionskoj i automobilskoj industriji i industriji motora. Najpoznatija je livačka legura magnezijuma sa Al i Zn koja nosi naziv elektron. Ova i druge legure magnezijuma služe za izradu lakih po-klopaca, kućišta i kartera motora, kućišta pumpi za gorivo, obloga zadnjeg mosta motornih vozila, nekih delova kočionog sistema i sl. Legure magnezijuma najbolje se zavaruju u zaštiti argona, a mogu se lepiti pomoću specijalnih lepkova.

Nikal i njegove legure. Nikal je metal srebrnaste boje, gustine 8.9, temperature topljenja 1452ºC, termičke provodnosti 60.7 W/mK i koeficijenta termičkog širenja 13.3·10-6 m/mºC. U livenom stanju je jedan od najotpornijih metala na dejstvo spo-ljašnje atmosfere, morske vode, rastvora alkalnih soli i organskih soli kao i na hla-dnu vodu i sumpornu kiselinu. Nije otporan na razblaženu azotnu kiselinu. Nikal se lako valja na toplo, dok pri preradi na hladno dolazi do znatnog ojačanja pa su pot-rebni znatno veći pritisci i medjuoperaciono žarenje. Materijali osetljivi na dejstvo atmosferskih činilaca i hemikalija zaštićuju se prevlakama nikla nanetih galvan-skom tehnikom, tj. niklovanjem. Nikal je takodje veoma važan legirajući element u


283

mnogim legurama, naročito kod čelika otpornih na kiseline i vatrootpornih čelika (rečju nerdjajućih čelika). Primenjuje se isto tako za izradu brojnih legura sa ba-krom, hromom, gvoždjem, manganom. Tako se na primer legura sa 60% Cu i 40% Ni, poznata pod nazivom konstantan upotrebljava za električne otpornike čija tem-peratura ne prelazi 500ºC. Od legure Ni-Cr izradjuju se električni grejni elementi kao i delovi otporni na visokim temperaturama. Nikl-manganska legura služi za iz-radu elektroda kod svećica benzinskih motora. Od žice Ni-Fe prave se obložene elektrode za zavarivanje sivog livenog gvoždja na hladno. Poznata je i legura mo-nel metal (67% Ni, 30% Cu, 1.5% Fe, 1.5% Mn), koja se proizvodi u obliku limo-va, traka, šipki i žica raznih stepena deformacionog ojačanja. Monel metal se odli-kuje dobrom otpornošću na koroziju čak i u prisustvu kiselina, jakih baza i gasova, te se koristi za izradu hemijske aparature, rezervoara kao i delova mašina koji rade u agresivnim sredinama. Takodje se primenjuje za visokonaponske uljne kablove i za izradu hirurških instrumenata.

Legure poznate pod nazivom inkonel (12-16% Cr, 6-8% Fe, ostalo Ni) spadaju u izuzetno koroziono otporne materijale koji ustupaju mesto samo plemenitim me-talima (Ag, Au i metalima platinske grupe: platina, iridijum, rodijum). Nikal spada u zavarljive metale, a može se zavarivati kako elektrolučnim postupcima tako i ga-snim plamenom. Ipak se preporučuje elektrolučno zavarivanje jer iz oksi-acetilenskog plamena prelazi ugljenik u rastop što povećava krtost zavarenog spo-ja. Delovi od nikla mogu se lemiti tvrdim lemovima, a ako se ne traži velika jačina spoja i mekim lemovima.

DEFINICIJE I DOPUNE:

Tehnički čist aluminijum: aluminijum koji sadrži do 0.5% primesa (Si, Fe) na-menjen za električne provodnike, sudove u hemijskoj i prehrambenoj industriji, te za dekorativne i zaštitne komponente u arhitekturi. Legure aluminijuma: legure tipa ograničenih čvrstih rastvora nekih elemenata u aluminijumu; uglavnom to su Si, Cu, Mg, Mn, Zn. Silumini: legure aluminijuma sa silicijumom (5-20% Si) koje imaju dobre livačke osobine; od silumina se izradjuju glave motora, kućišta menjača i slični delovi za motore i motorna vozila. Duraluminijum (dural): legure aluminijuma sa približno 5% Cu koje su obradl-jive deformisanjem, na toplo i hladno; isporučuju se u obliku limova, šipki, cevi, profila. Termička obrada legura aluminijuma: ta se obrada zasniva na rastvornom žarenju, te kaljenju i starenju. Legure titana: uglavnom legure Ti-Al koje se upotrebljavaju u avionskoj indus-triji.


284

Fero-titan: legura dobijena termitnom reakcijom izmedju zrnastog titana i sprašenog oksida gvoždja; koristi se kao stabilizator za austenitne čelike otporne na kiseline. Tehnički i elektrolitički bakar: bakar visoke čistoće koji se proizvodi za potrebe elektrotehnike i termotehnike u obliku limova, traka, cevi, šipki, žice. Legure bakra: osnovne su legure sa cinkom (mesing) i sa kalajem (bronza); u širem smislu bronza može biti i aluminijumska, manganska, olovna, berilijumska. Ostali metali i njihove legure: u mašinstvu se još upotrebljavaju legure Zn, Sn, Pb, Mg, kao i Ni.

PITANJA:

1. Navesti neke od osobina kojima se odlikuje tehnički čist aluminijum. 2. Skicirati binarni dijagram Al-legirajući element i na njemu dati granicu legura

za deformisanje i livenje. 3. Principi termičke obrade Al-legura; GP- zone. 4. Nacrtati binarni dijagram Al-Si i objasniti kako se modifikacijom mogu usitniti

metalna zrna. 5. Šta je duraluminijum i kako se može ojačati? 6. Legure titana i njihova primena. 7. Termička obrada legura titana. 8. Pomoću dijagrama Cu-Zn objasniti koje vrste mesinga nalaze tehničku primenu. 9. Vrste bronzi i njihova primena. 10. Navesti vrste i oblast primene legura na bazi Zn, Sn, Pb, Mg i Ni.

Glava 11

Documents

Transcript of Glava 11