Generalitati

Aluminiu este cel mai raspandit metal in scoarta tereatra, iar printre elemente ocupa locul al treilea in urma oxigenului si siliciului. Datorita activitatii sale chimice mari, se gaseste in natura numai sub forma de compusi. Impreuna cu oxigenul si siliciul formeaza 82,58% din scoarta terestra. t1k9kk
Aluminiul este cunoscut inca din antichitate si era utilizat de catre greci si romani. Denumirea de aluminiu vine de la latinescul “alumen” care este folosit pentru a denumi substante astringente.
Primele incercari de separare ale aluminiului dateaza din anul 1810 si apartin fizicianului englez Davy , care a efectuat electroliza hidroxidului de aluminiu usor umezit, dispus intr-o atmosfera de hidrogen, intr-o pila Volta, folosind in calitate de anod platina, iar in calitate de catod, o sarma de fier. In urma acestui proces s-a obtinut un aliaj Al-Fe, din care insa nu s-a reusit sa se separe aluminiu.
Prima data aluminiu a fost descoperit in anul 1827 de un chimist german Wohler care a obtinut primele 30g de aluminiu sub forma de bobite.
In anul 1854 Saint-Claire-Deville, a folosit metoda lui Wohler pentru obtinerea industriala a aluminiului, inlocuind potasiul cu sodiu, iar clorura de aluminiu, instabila si higroscopica, cu clorura dubla de aluminiu si sodiu.
La sfarsitul secolului al XIX-lea, metoda lui Saint -;Claire-Deville a fost inlocuita, fiind aplicat procedeul de extragere a aluminiului prin electroliza aluminei dizolvata in criolita topita, procedeu aplicat si in prezent in metalurgia acestui metal.
1810 -; Davy obtine aliajul fier-aluminiu pe cale electrolitica;
1821 -; Berthie descopera bauxita;
1824 -; Oersted obtine in stare elementara metalul;
1827 -;Wohler produce aluminiu sub forma de pulbere prin reducerea cu potasiu a clorurii sale;
1854 -; Sainte-Claire-Deville toarna primul lingou de aluminiu;
1886 -; Herault si Hall descopera si breveteaza procedeul de electroliza a aluminei dizolvate in criolita topita;
1890 -; Bayer descopera procedeul de fabricare a aluminei prin atacul bauxitei cu solutii de soda caustica;
1903 -; Odam realizeaza sudarea autogena a aluminiului cu ajutorul fluxurilor;
1905 -; Betts stabileste principiile rafinarii electromagnetice a aluminiului;
1905 -; Claessen demonstreaza posibilitatile de imbunatatire a proprietatilor aliajelor de aluminiu prin calire;
1906 -; Wilm aplica aluminiului aliajul tip duralumin tratamentul termic de calire si imbatranire;
1911 -; De Saint-Martin determina principiile de baza ale anodizarii aluminiului si aliajelor sale;
1920 -; Pacz imbunatateste proprietatile aliajelor de aluminiu-siliciu prin modificarea cu sodiu;
1920 -; Hoopes -; elaborarea aluminiului de inalta puritate;
1926 -; Soderberg introduce la electroliza anozi continui;
1932 -; Gadeau aplica pe scara industriala tehnologia de rafinare electrolitica;
1938 - aparitia unor publicatii despre proprietatile aluminiului ultra pur.
Principalul minereu din care se extrage aluminiul este bauxita, contine aproximativ 60% aluminiu.
Bauxita se gaseste in muntii Bihorului, Grecia, Turcia si in Ungaria.
Principalele elemente de aliaje sunt, Mg, siliciu, cupru, Mn.
In natura se gaseste numai sub forma de combinatii intr-un numar foarte mare de minerale ce contin oxizi, silicati. Cateva dintre mineralele ce contin aluminiu sunt: bauxita Al2O3*nH2O, corindonul Al2O3, hidrargilitul Al(OH)3, ortoclazul K(AlSiO8), albitul Na(AlSi3O8), anortitul Ca(Al2Si2O8), alaunitul KAl(SO4)2*2Al(OH)3, nelelinul Na(AlSiO4), criolitul Na3(AlF6).
Industrial aluminiul se obtine aproape in intregime prin descompunerea electrolitica a aluminei pure dizolvate intr-o topitura de criolit cu adaus de fluorura de calciu. Prin electroliza se obtine “aluminiul tehnic primar” numit si “aluminiu tehnic pur” care contine de la 0,2% la 1% impuritati metalice (Fe, Si, Ca, Ti, Na) si nemetalice (alumina, electrolit, carbura de aluminiu, gaze). In tara noastra sunt standardizate urmatoarele marci de aluminiu tehnic pur: Al 99,8, Al 99,7, Al 99,6, Al 99,5, Al 99,4, Al 99 si AIE.
“Aluminiul de inalta puritate” se obtine din aluminiul tehnic filtrat, spalat cu gaz sau degresat, prin rafinarea electrolitica cu anod solubil in saruri topite cunoscute sub numele de rafinare in trei straturi. Acest aluminiu contine de la 0,05% la 0,1% impuritati, in tara noastra fiind stabilizate trei marci Al 99,99, Al 99,95 si Al 99,90.
“Aluminiul extra pur” se obtine prin topirea zonara, distilarea halogenurilor inferioare sau electroliza compusilor organici ai aluminiului de inalta puritate, gradul de puritate putand ajunge pana la 99,999995%.

Proprietati fizice si caracteristicile mecanice

Proprietatile fizice si caracteristicile mecanice ale diferitelor sorturi de aluminiu sunt influentate de prezenta impuritatilor. Cele mai frecvente impuritati din aluminiu sunt fierul si siliciul, elemente care se pot gasi pana la 0,5-0,6% fiecare. Fierul este practic insolubil in aluminiu, formand cu acesta eutecticul Al-Al3Fe care contine doar 7% Al3Fe (1,7%Fe). Ca urmare aluminiul impurificat cu fier prezinta un aspect microscopic format din cristale poliedrice de aluminiu si precipitate aciculare de Al3Fe. Eutecticul din sistemul Al-Si se formeaza la 11,7% Si Si este alcatuit din solutie solida a si siliciu. Daca in acelasi timp sunt prezente simultan fierul si siliciul, se formeaza doua faze noi: faza a(Fe3SiAl3) si faza ß (FeSiAl5), care nu exista in aliaje binare. Acesti compusi, situati in mod obisnuit la limitele cristalelor de aluminiu micsoreaza mult plasticitatea acestuia.
Aluminiul face parte din grupa IIIA a sistemului periodic al elementelor, are un singur izotop stabil 27Al si cinci izotopi radioactivi (24Al,25Al,26Al,28Al) cu perioadele de injumatatire cuprinse intre 2,10 s si 94 s.
Aluminiul se caracterizeaza prin plasticitate foarte mare, rezistenta mecanica mica, conductibilitate electrica si termica ridicata si rezistenta mare la coroziune in aer, apa si acizi organici.
Principalele proprietati ale aluminiului care influenteaza defavorabil sudabilitatea sunt:
-conductibilitatea termica ridicata; deci si temperatura de topire a aluminiului este redusa (6500C) totusii, datorita conductibilitatii de calbura si preancalzirea intregii piese la temperaturii ridicate;
-coeficientul mare de dilatare al aluminiului care determina probucerea de tensiunii permanente si deformatii mari;
-la incalzire, aluminiul nu-si schimba culoarea din care cauza la sudare nu se poate aprecia vizual gradul de incalzire; difilcultatea se mareste, deoarece aluminiul se topeste in mod brusc;
-fragilitatea aluminiului la temperaturi inalte; deformarea si fisurarea peretilor se preantampina prin fixarea piesei pe suporturi cat mai exact;
-iin stare lichida, aluminiul absoarbe cu avilitate oxigenul, reduce rezistenta imbinarii;
-oxidul de aluminiu avand punctul de topire ridicat (20500C) formeaza o pojghita solida care impiedica sudarea; indepartarea oxidului se poate realiza pe cale chimica prin utilizarea unor fluxurii carea formeaza cu oxidul o zgura usor fluzibila si care protejeaza metalul topit.

Utilizari

Folosirea aluminiului ca material pentru constructii mecanice si metalice este limitata din cauza proprietatilor de rezistenta scazute. Totusi, o serie dintre proprietatile aluminiului fac ca acest metal sa fie deosebit de apreciat pentru o serie de aplicatii. Astfel, plasticitatea mare a aluminiului permite ca din el sa se obtina prin deformare plastica produse foarte subtiri ca foliile utilizate pentru ambalaje in industria alimentara; conductibilitatea electrica mare, 65% din cea a cuprului determina ca aluminiul sa fie mult utilizat ca material pentru conductorii electrici; rezistenta mare la coroziune permite folosirea aluminiului in industria chimica si alimentara. Aluminiul este utilizat pe scara larga ca baza pentru o serie importanta de aliaje.

Aliaje pe baza de aluminiu

Principalele elemente de aliere ale aluminiului sunt Cu, Mg si Zn, la care se adauga MN, Ni, Cr, Fe, alierea avand ca principiu si imbunatatirea caracteristicilor de rezistenta mecanice ale acestuia.
Cele mai raspandite si utilizate aliaje sunt aliajele din sistemele Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Mn, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg-Cu.
Clasificarea aliajelor pe baza de aluminiu
Aliaje pe baza de aluminiu se impart in: 1) aliaje deformabile;
2) aliaje pentru turnatorie;
3) aliaje obtinute prin metalurgia pulberilor. Aliajele deformabile se impart in aliaje deformabile nedurificabile prin tratament termic si aliaje deformabile durificabile prin tratament termic.

Aliaje de aluminiu deformabile, nedurificabile prin tratament termic

In aceasta 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 contin mai mult de 1,4% Mg au in alcatuire structurala solutie solida a si compusul Al8Mg5. Aliajele deformabile contin pana la 7% Mg; dintre acestea, cele ce contin pana la 5% Mg nu se durifica prin tratament termic, iar cele ce contin peste 5% Mg pot fi durificate prin tratament termic insa efectul durificarii este foarte mic. Avand in vedere faptul ca aliajele din acest sistem contin o serie de impuritati, structura lor este alcatuita din solutie solida, compusul Al8Mg5 si alte faze intermediare, care se dispun de obicei la limitele grauntilor de solutie solida.
Aliajele Al-Mg au o rezistenta mecanica ridicata asociata cu o buna plasticitate, ele putandu-se deforma plastic la rece foarte usor, au rezistenta la coroziune ridicata si o buna sudabilitate. Proprietatile mecanice si caracteristicile tehnologice ale aliajelor Al-Mg pot fi modificate prin alierea, cu diferite elemente ca: Ti, B, Mn, Cr, Cu, Fe, Zr, Be, Li. Titanul si borul actioneaza asupra marimii de graunte finisand granulatia, manganul si cromul maresc rezistenta mecanica si rezistenta la coroziune, siliciul mareste fluiditatea, cuprul impiedica susceptibilitatea la coroziune pitting, fierul si zirconiul maresc temperatura de recristalizare, beriliu si litiu reduc gradul de oxidare al magneziului la elaborare.
Aliajele Al-Mg avand rezistenta mecanica ridicata in comparatie cu aluminiul au o larga utilizare in constructii metalice, in industria constructoare de masini, in transporturi, in aviatie si in industria de armament.
Aliajele Al-Mn contin de obicei 1-1,7% Mn. Deoarece solubilitatea compusului Al6Mn in aluminiu este variabila cu temperatura, teoretic aceste aliaje pot fi durificate prin tratament termic. Aliajele Al-Mn au aceleasi utilizari ca si aliejele Al-Mg. Aliajele deformabile nedurificabile, prin tratament termic din sistemul Al-Mn-Mg contin pana la 3% Mg si 1-1,5% Mn; sunt caracterizate prin rezistenta mecanica ridicata, plasticitate buna, rezistenta la coroziune mare si sunt usor sudabile.
Aliajele deformabile nedurificabile prin tratament termic din sistemul Al-Ni-Fe contin circa 1% Ni si 0,6% Fe; au rezistenta buna la coroziune, in apa la temperaturi si presiuni ridicate si sunt utilizate in energetica nucleara.
Aliajele deformebile nedurificabile structural din sistemul Al-Sn-Ni-Cu au proprietati antifrictiune foarte bune fiind utilizate la confectionarea lagarelor in industria automobilelor.

Aliaje de aluminiu durificabile prin tratament termic

Aceasta grupa cuprinde aliaje cu elemente care au solubilitatea in aluminiu relativ ridicata: Cu, Mg, Zn, variatia solubilitatii acestora cu temperatura permitand aplicarea tratamentelor termice. Din aceasta clasa mai des sunt utilizate aliaje din sistemele Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si, 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%.

Aliaje deformabile, durificabile prin tratament termic din sistemul Al-Cu sunt formate in solutie solida a si compusul CuAl2. Deoarece aceste aliaje contin o serie de elemente ca impuritati sau ca elemente de aliere in structura lor apar si alte faze intermetalice, care fie se dizolva in solutia solida favorizand durificarea, fie sunt insolubile dispunandu-se la limitele de graunti. Caracteristicile tehnologice si de expluatare ale aliajelor Al-Cu sunt puternic influentate de prezenta elementelor de aliere. Siliciul mareste rezistenta mecanica, micsoreaza ductilitatea si rezistenta la oboseala, influenteaza comportarea la tratament termic, reduce rezistenta la cald si rezistenta la fluaj. Magneziu mareste rezistenta mecanica si duritatea, influenteaza comportarea la tratament termic.
Aliajele din sistemul Al-Cu-Mg sunt formate din solutie solida si compusii: CuAl2, CuMgAl2, CuMg4Al6. Compusii intermetalici prezenti in structura influenteaza asupra comportarii la tratamente termice, influenta lor manifestandu-se in functie de marimea raportului Cu:Mg. In aliajele cu raport Cu:Mg mai mare de 8:1 faza durificatoare este CuAl2, in cele pentru care raportul este cuprins intre 8:1 si 4:1 fazele durificatoare sunt CuAl2 si CuMgAl2, in aliajele la care raportul este cuprins intre 4:1 si 1,5:1 faza durificatoare este CuMgAl2 si in alijele pentru care raportul este sub 1,5:1 durificarea se face prin participarea compusului CuMg4Al6. Aliajele Al-Cu-Mg dupa imbatranirea naturala au o rezistenta mecanica ridicata, asociata cu o plasticitate buna comparabila cu plasticitatea obtinuta la recoacere. Comportarea la tratamente termice si caracteristicile mecanice ale aliajelor Al-Cu-Mg este puternic imfluentata de prezenta impuritatilor sau elementelor de aliere astfel: manganul mareste rezistenta mecanica dar la continuturi mai mari de 1% micsoreaza mult plasticitatea, siliciul mareste rezistenta mecanica si imbunatateste comportarea la imbatranirea artificiala, nichelul mareste refractaritatea, fierul la continuturi mai mari de 0,5 micsoreaza rezistenta mecanica.
Aliajele Al-Cu-Ni sunt aliaje cu rezistenta mecanica mare atat la temperaturi joase cat si la temperaturi ridicate. In aliajele de tip Y durificarea la imbatranire se datoreste compusilor ternari (CuNi)2Al3 si Cu4NiAl7, fiind posibila si prezenta unui compus cuaternar ce contine in plus Mg.
O alta categorie de aliaje deformabile durificabile prin precipitare o constitue aliajele Al-Mg-Si. Structura aliajelor din acest sistem este relativ simpla, fiind alcatuita din solutie solida a si compus Mg2Si.
Aliajele Al-Mg-Si sunt utilizate in industria constructoare de masini datorita caracteristicilor de rezistenta mecanica ridicate, rezistentei la coroziune bune, prelucrabilitatii prin aschiere si sudabilitatii foarte bune. O parte din aceste aliaje sunt utilizate pentru executarea unor obiecte decorative.
Tot in categoria aliajelor deformabile durificabile prin tratament termic sunt incluse si aliajele din sistemul Al-Zn-Mg, aliaje caracterizate prin rezistenta mare la coroziune. Aceste aliaje contin 2-8% Zn, la care se mai adauga Cu, Fe, Si, Cr, Mn, Ti, Ag.
Aliajele din acest sistem se impart in:
Ø Aliaje de inalta rezistenta, pentru care suma Zn+Mg+Cu>10%;
Ø Aliaje de medie rezistenta, cu suma Zn+Mg+Cu=7-9%;
Ø Aliaje cu rezistenta scazuta pentru care suma respectiva este mai mica de 6%.

Aliaje de aluminiu pentru turnatorie

Aliajele de aluminiu pentru turnatorie trebuie sa aiba fluiditate mare, contractie relativ mica, susceptibilitate scazuta de fisurare la cald si de formare a porilor, proprietati caracteristice aliajelor care contin eutectice. Dintre aliajele pentru turnatorie se mentioneaza aliajele: Al-Cu, Al-Mg, Al-Si, Al- Zn si Al-Mg-Cu-Ni-Cr.
Aliajele Al-Cu pentru turnatorie se impart in:
ü Aliaje cu 4-6% Cu si mici adausuri de Si, Mg, Ni, Mn, Ti;
ü Aliaje cu 6-8% Cu si adausuri de Fe, Si, Mn, Cr, Zn si Sn;
ü Aliaje cu 10-14% Cu ce contin pana la 0,4% Mg, 1,5% Fe, 5% Si si mici proportii de Ni, Mn, Cr.
Adaugarea elementelor de aliere are ca scop imbunatatirea proprietatilor mecanice si a caracteristicilor tehnologice; si imbunatateste proprietatile de turnare si in prezenta Mg face posibila aplicarea tratamentelor termice de durificare, Mg contribuie la cresterea proprietatilor de rezistenta mecanica, Ti finiseaza granularea marind tenacitatea, Ni mareste rezistenta la temperaturi ridicate, Mn mareste rezistenta mecanica, dar scade plasticitatea.
Aliajele Al-Cu pentru turnatorie, ce contin 4-6% Cu deoarece nu contin eutectic, au proprietati de turnare scazute, in schimb aliajele cu peste 10% Cu au proprietati de turnare foarte bune. Aliajele Al-Cu sunt utilizate pentru turnarea unor piese puternic solicitate in constructia de masini si aviatie cum ar fi: tambure de frana, pistoane, chiulase, blocuri motoare.
Aliaje Al-Mg pentru turnatorie contin de la 1% pana la 13%Mg si unele elemente de aliere sau insotitoare: Si pana la 2%, Mn pana la 2%, Zn pana la 3%, Li pana la 3% si alte elemente ca : Fe, Cu, Cr, Ni, Ti, B, Be, Zr. Ele au proprietati mecanice ridicate, densitate mica si rezistenta la coroziune in altmosfera sau mediu salin. Proprietatile de turnare ale acestor aliaje depind de continutul in Mn. Manganul mareste rezistenta mecanica si indeparteaza actiunea negativa a Fe asupra rezistentei la coroziune, Zn imbunatateste proprietatile de turnare, Cu, Fe, Ni micsoreaza rezistenta la coroziune si plasticitatea, ridica refractaritatea, Ti, Zr,B finiseaza granulatia marind tenacitatea, Be micsoreaza susceptibilitatea la oxidare a aliajelor topite. Aliajele din sistemul Al-Mg sunt utilizate in industria constructoare de masini, la turnarea unor piese rezistente la coroziune in atmosfera, in apa de mare si solutii alcaline, cu proprietati de rezistenta mecanica corespunzatoare.
Aliajele Al-Si cunoscute sub denumirea de siluminuri contin obisnuit de la 2 la 14% Si si diferite impuritati: Fe pana la aproximativ 1,4%, Mg pana la circa 0,15%, Cu maxim 0,6%. Foarte utilizate sunt aliajele cu 10-13% Si. Al si Si sunt partial solubili in stare solida si nu formeaza compusi. Structura aliajelor cu 11-13% Si este formata din cristale primare de siliciu si masa de baza din eutectic grosolan de a+Si. La solidificare eutecticului cristalele de siliciu se depun la limita cristalelor de a sub forma de cristale aciculare si efectueaza negativ proprietatile mecanice. Aceste neajuns este inlaturat prin modificari care produc urmatoarele efecte:
ü Micsorarea grauntilor dentritici;
ü Subtiera si fragmentarea ramurilor dentritice;
ü Schimbarea morfologiei si formei eutecticului.
Prin urmare un aliaj cu 12% Si dupa modificare are o structura hipoeutectica, fiind alcatuit din solutie solida a si eutectic fin. Siluminurile sunt carcterizate prin proprietati bune de turnare, sudabilitate buna si rezistenta la coroziune ridicata. Sunt utilizate in constructia de masini pentru turnarea unor piese subtiri cu sectiuni complicate care sa aiba caracteristici mecanice si rezistente la coroiune bune.

Imbunatatirea caracteristicilor mecanice si tehnologice a acestor aliaje poate fi realizata prin aliere cu:Mg, Mn, Cu, Ni. Dintre aliajele Al-Si aliate se mentioneaza aliajele Al-Si-Mg, Al-Si-Cu, Al-Si-Cu-Mg-Ni. Aliajele Al-Si-Mg contin 2-14% Si, pana la 2% Mg si adausuri de Fe, Mg, Ti. Sunt utilizate la turnatea unor piese puternic solicitate in expluatare, in constructii importante cum ar fi motoarele cu ardere interna sau la turnarea unor piese cu rezistenta la coroziune ridicata. Aliajele Al-Si-Cu contin 5-12% Si pana la 5%Cu si mici adausuri de Mn si Fe. Caracteristicile tehnologice si de exploatare ale acestor aliaje pot fi modificate prin tratamente termice. Sunt utilizate in industria constructoare de masini si aviatie, la piese turnate supuse la solicitari mari cum ar fi: carcase capete de cilindrii, blocuri de motor, pistoane si alte piese rezistente la solicitari la cald in timpul exploatarii.
Aliajele din sistemul Al-Zn contin aproximativ 12% Zn, la care se mai adauga 0,1-1,0% Mg, 5-8% Si si uneori Ti, Cr, Fe. Cresterea proportiei de Zn micsoreaza caracteristicile de turnare. Proprietatile mecanice ale acestor aliaje depind de procedeul de turnare si de tratamentul termic aplicat pieselor. Sunt utilizate pentru obtinerea unor piese cu stabilitate dimensionala ridicata si cu proprietati mecanice foarte bune.

Aliaje de aluminiu obtinute prin metalurgia pulberilor

Dintre aliajele pe baza de aluminiu obtinute prin metalurgia pulberilor, cele mai utilizate sunt aliajele Al-Al2O3 cunoscute sub denumirea de aliaje de tip SAP. Aliajele SAP sunt alcatuite dintr-o matrice de aluminiu in care sunt dispersate particule de Al2O3. Proportia de Al2O3 variaza de la 6-9%(SAP1), pana la 18-20%(SAP4). O data cu cresterea continutului in Al2O3 creste rezistenta la rupere de la 30-32 daN/mm2, la 44-46daN/mm2 si scade alungirea de la 5-8 la 1,5-2%. Aliajele de tip SAP in comparatie cu celelalte aliaje de aluminiu au o inalta rezistenta la coroziune si refractaritate ridicata, sunt utilizate in industria chimica si aeronautica.
Tot prin metalurgia pulberilor se pot obtine piese din aliaje a caror elaborare sau deformare este foarte dificila. In aceasta categorie sunt cuprinse aliajele de tip SAS, aliaje ale aluminiului cu: Fe, Si, Ni, Mg, Cr, Mo, W, Ti, Zr, Be, Sn, Pb. De exemplu aliajul SAS1 cu 25-30% Si si 5-7% Ni are coeficient de dilatare mic si conductibilitate termica scazuta. Aliajele Al-Zn-Mg-Cu-Fe-Ni-Cr cu 7,5%Zn, 2,5%Mg, 1,1%Cu, 1,1-2,2%Fe, 1-2,3%Ni si 0,2%Cr au rezistenta mecanica ridicata, sunt refractare, au rezistenta la coroziune ridicata si proprietati antifrictiune. Prin metalurgia pulberilor se pot obtine si aliaje ale Al cu SiO2, SiC, B4C, AlPO4. De exemplu, aliajele aluminiului cu bor sau carbura de bor sunt utilizate pentru obtinerea unor bare modelatoare de la reactoarele nucleare.

Materiale compozite pe baza de aluminiu

Aluminiul si aliajele sale sunt utilizate si pentru obtinerea unor materiale compozite. Aceste materiale se pot obtine prin mai multe metode: solidificarea unidirectionala a aliajelor eutectice bifazice cum ar fi Al-NiAl3, CuAl2-Al, Al-Co, Al-Be, includera unor fibre de bor, B4C, Be, grafit, Nb, Al2O3, otel, SiO2, SiC intr-o matrice de aluminiu sau aliaje pe baza de aluminiu; la laminarea multistrat a aluminiului cu cadmiu si stamiu.

Extragerea aluminiului prin electroliza aluminei

Alumina pura, este supusa electrolizei in mediu topit in vedera obtinerii aluminiului.
Alumina dizolvata in criolita topita este supusa actiunii unui curent electric continuu, la 940-9600C, fiind descompusa in aluminiu si oxigen- reactia generala este:

Al2O3=2Al+3/2O2

La catod se va depune aluminiul metalic, iar la anod se degajeaza O2 care reactioneaza cu anodul. Principalele teorii ale electrolizei aluminiului sunt: a)-elecroliza florurii de sodiu cu urmatorale reactii secundare
-la anod: 6F+Al2O3?2AlF3+3/2O2 sau: 12F+3O+2Al2O3?3CO2+4AlF3 sau: 4F+C?CF4
3CF4+2Al2O3?3CO2+4AlF3
- la catod: 3Na+2AlF3?Al+AlF3*3NaF sau 6Na+Al2O3?2Al+3Na2O
3Na2O+2AlF3?2AlF3?Al2O3+6NaF b)-electroliza florurii de aluminiu cu depozit primar de aluminiu la catod si reactia florului asupra aluminei la anod c)-electroliza criolitei disociata in ionii Na+ si AlF63- si a aluminei partial disociata in ioii Al3+ si AlO33 d)-electoliza sodei care exista in stare ionizata ca urmare a reactiei:
Al2O3+6NaF?2AlF3+6Na++3O2 e)-electoliza aluminatului de sodiu format dupa reactia:
2Al2O3+AlF3*3NaF?2AlF3+3/2Al2O4Na2
Majoritatea acestor teorii admit formarea primara a CO2 la anod.

Rafinarea aluminiului

Aluminiul obtinut prin electroliza aluminei nu depaseste puritatea de 99,5…99,85%.Al; el contine o serie de impuritati metalice si nemetalice pentru eliminarea acestor impuritati se practica rafinarea cloruranta si cea electrolitica.

Rafinarea cloruranta

Se urmareste indepartarea Mg,Na,K si a incluziunilor nemetalice. Prin creuzetul cu metal topit se barbateaza un curent de clor care indeplineste functii multiple: separa metalele respective sub forma de cloruri; degazeifica metalul daca acesta e solubil; antreneaza suspensiile de alumina cu ajutorul clorurii de aluminiu, care rezulta in stare gazoasa. Spre sfrsitul operatiei se introduce azot pentru a se raci baia si se elimina urmele de clor, care ar putea ramane in topitura.

Rafinarea electrolitica

Rafinarea se realizeaza in topitura de floruri si este cunoscuts sub denumirea de rafinare intre straturi. Procesul se desfasoara la 850…9200C, temperatura necesara ca toate cele trei straturi sa fie in intregime topite. Pe baza celulei de electoliza se introduce topitura de aluminiu care urmeaza sa fie rafinata prin adaos de cupru (25…35%), acest strat avand o grosime de 60…70mm. Acest electolit contine 60%BaCl2, 23%AlF3 si 17%NaF. Cel de-al treilea starat este format din aluminiu rafinat in stare lichida, care se colecteaza la suprafata baii. Stratul metalic inferior formeaza anodul, cadodul fiind constituit de stratul superior al aluminiului rafinat. Curentul este adus prin bare metalice incastrate in zidaria vetrei. Se lucreaza cu curent continu, de mare intensitate (pana la 45000A), cu o tensiune de 6…7V si densitate de curent de 0,5A/cm3

Sudura aluminiului si aliajelor de aluminiu

Procedeul de sudare cu flacara este larg folosit la sudarea aluminiului si a aliajelor de aluminiu. In cazul folosirii unei flacari puternice se pot produce strapungeri, deoarece aluminiul are o temperatura de topire mult mai joasa decat aliajele din aluminiul. Pentru sudare se recomanda ca flacara sa aiba un foarte mic exces de acetilena ceea ce produce formarea oxidului de aluminiu. Masa de lucru a sudorului trebuie sa aiba tablia din caramizi de samota sau sa fie captusita cu foi de azbest. Suflaiurile pentru sudare se aleg cu un numar mai mare, decat cele folosite la sudarea otelului.

Pentru sudarea aluminiului se fabrica numeroase marci de fluxuri pe baza de clorura sau fluorura de litiu. O compozitie corespunzatoare cuprinde 79% clorura de potasiu, 16% clorura de sodiu si 5% acid de potasiu. Pisele se vor degrasa si decapa complect inainte de sudare pe o portiune de 30mm de la marginile tablelor. Dupa sudare tablele trebuie curatate bine de flux deoarece fluxurile provoaca coroziuni.
Compozitia metalului de adaos se stabileste in functie de cea a metalului de baza, dupa cum urmeaza:
-vergele de aluminiu pur pentru sudarea constructiilor electrotehnice (conductoare, contacte);
-vergele turnate din aliaj de aluminiu-siliciu pentru sudarea pieselor turnate din aluminiu sau aluminiu-siliciu;
-vergele de aluminiu-magneziu si aluminiu-titan pentru sudarea constructiilor din aceste aliaje;
-vergele din aluminiu-cupru pentru sudarea duraluminiului.
In cazul cand nu se dispune de material de adaos corespunzator se decupeaza fasii din materialul de baza. Sudarea tablelor cu margini rasfrante se executa prin metoda spre stanga, fara oscilatii tranzversale. Sudarea cap la cap la grosimi de tabla pana la 5 mm se executa tot spre stanga, insa arzatorul se tine la inceput aproape in pozitie verticala pana la formarea baii de sudura. Aceasta metoda poate fi folosita si la grosimi reduse de material, fara oscilatii transversale.
In cazul cand in timpul sudurii se produce un defect, se opreste sudarea, se scobeste locul defect si se reancepe sudarea pe o lungime redusa a sudurii efectuata, spre a fi siguri ca defectul a fost inlaturat. Dupa racirea completa, linia de sudura se curata si se spala cu apa fierbinte. Piesele turnate se sudeaza cu preancalzire la 3000C, iar dupa sudarea comleta se supun unei recoaceri foarte uniforme la temperatura de 5000C, urmate de o racire foarte lenta.

Sudarea in mediu de gaz protector

Aliajele de aluminiu, in principiu, pot fi sudate in atmosfera protectoare de argon; trebuie insa sa se tina seama ca rezistenta elementelor sudate se reduce in zona influentata termic la cea a metanului de baza in stare moale. Alegerea procedeului se face in functie de grosimea tablei sau elementelor de sudare.
Procedele de sudare in atmosfera protectoare au fata de alte procedee avantajul ca pelicula de oxid este distrusa datorita efectului de curatire a arcului. Efectul de curatire a baii este determinat de polaritatea curentului. Acest efect are loc numai daca se sudeaza in curent continuu, cu electrodul la polul pozitiv sau in cazul sudarii cu curent alternativ. Amorsarea arcului la sudura in atmosfera inerta este foarte usoara. Arcul de sudra in argon are, datorita lungimii si stabilitatii lui asigurata de ionizarea usoara a gazelor,avantajele mari fata de arcul in aer cu alte gaze.
Acest procedeu mai are marele avantaj ca poate fi aplicat la sudarea in orice pozitie.Tablele pana la 2 mm se pot asambla prin resfarngere si se sudeaza fara material de adaos. Cele cuprinse intre 6 si 10 mm sau cele mai groase se sudeaza in V tablele cu grosimea de peste 10 mm se sudeaza in X sau in U. Pentru evitarea polilor atat tablele cat si electrozii trebuie sa fie curati, lipsitii de grasimi si umezeals.
In vederea sudarii, tablele se asambleaza pe cat posibil fara prinderi, cu ajutorul dispozitivelor de prindere in pozitia dorita, tinadu-se seama de dilatari si contracti. Tablele pana la grosimea de 4 mm nu trebuiesc preancalzite. Sudarea se va incepe tot la 50-60 mm de la capatul tablelor
In tabelul urmator se dau valorile orientative pentru alegerea caracteristicelor de sudare.

Grosimea materialelor in mm Intensitatea curentului in amperii Diametrul electrodului in mm Debit de argon in l/min Diametrul sarmei de adaos in mm Viteza de sudare in mm/min
1 40-50 1 4-6 - 400
2 80-90 1,6 4-5 2 300-250
3 120-140 2,4 6-7 2-4 260-300
6 220-340 4 8-10 4 200-250
8 300-350 4,8 12 4-5 120-140

Pentru pozitia verticala sau pe plafon, intensitatea curentului se reduce cu circa 10%.
Sudarea aluminiului si a aliajelor sale in mediu de argon cu electrod fuzibil se aplica in sudarea tablelor cu grosimi de peste 4 mm; totdeauna se sudeaza cu curent continuu legandu-se piesa de polul negativ. Procedeul este foarte potrivit pentru mecanizare si aumatizare. Productiviatea este foarte mare datorita unei incarcarii specifice cu curent mare, cuprinsa intre 50 si 100 A/mm2.

Sudare cu gaze

Sudarea aluminiului si a aliajelor sale.

Pregatirea elementelor in vederea sudarii se face asemanator ca pentru otel. Prin sudarea oxiacetilenica se pot imbina piese de aluminiu cu grosimi cuprinse intre 2 si 4mm, in cazuri speciale chiar si table de un mm. Prinderile la tabla subtire se fac la distante de 50-100mm, tablele peste 5mm pe cat posibil nu se vor prinde. Sudarea se executa cu un arzator, cu unu sau cu doua numere mai mic, sau de aceasi marime ca si pentru sudarea otelului de aceasi grosime. In general se sudeaza spre stanga, exceptie facand piesele sau tablele foarte groase. Deschiderea tablelor in capatul spre care se sudeaza va fi putin mai mare pentru compensarea contractiilor.
Se recomanda preancalzirea elementelor la 200- 3000C si sudarea pe o suprafata rau conducatoare de caldura. Pentru a evita oxidarea baii, arzatorul nu va fi tinut prea aproape de ea. In ceea ce priveste prelucrare cusaturii dupa executie se obisnuieste sa se ecruseze si sa se mareasca duritatea cusaturii executate prin ciocnire.
Aceasta ciocnire se poate face in stare calda, la 3500C, sau dupa ce cusatura sa racit complect. De asemenea, se va evita ciocnirea cusaturii la temperaturi in jur de 5000C pentru ca aluminiul la aceasta temperatura se sfarama usor. Se va evita ingrosarea mare a cusaturii, in special a aceleia care se va ciocni ulterior. In general, cusatura forjata la cald(3500C) rezista mai mult la coroziune.
Pentru zgurificarea oxidului de aluminiu trebuie sa se foloseasca, in cazul sudarii oxiacetilenice pasta sau pulberi de sudat.
O pulbere sau pasta buna de sudat trebuie sa aiba urmatoarele calitati:
-sa dizolve repede si complet oxidul de aluminiu, trecandu-l intr-o zgura fluida cu punctul de topire redus;
-sa acopere bine suprafetele pregatite pentru sudare;
-atat zgura cat si resturile de pasta sa se poata indepara usor de pe cusatura;
-sa nu corodeze metalul.
Nu totdeauna pastele sau pulberile indeplinesc toate aceste conditii si mai ales ultima, de aceea cusaturile tebuie plasate astfel incat sa permita accesul in vedera curatirilor.