Materials Metàl·lics II: Metalls no ferrosos i aliatges

Materials base ferro

Materials no ferris

• Alumini
• Coure
• Magnesi
• Níquel
• Titani

UNIVERSITAT DE
BARCELONAMaterials no ferris.

Aliatges de coure

• Aliatges alumini
  Ilautó: Zn en solució solida subst.
  (joieria, monedes, resist. corrosió)
  Bronze : Sn, Al, Si, Ni en sol. sòlida
  substitucional.
  (coixinets)
  Cu-Be : resistencia per
  enduriment per
  baixa p : 2,7g/cm3
  Cu, Mg, Si, Mn, Zn com el. d'aliatge
  Com a solució solida o enduriment
  per precipitació
  (estructures aeronautiques i envasos
  per precipitació

Aliatges no ferris

• Aliatges Ti
• Aliatges de magnesi
  baixa p : 1,7g/cm3
  Combustió amb facilitat
  (aeronàutica )
  baixa p : 4,5 g/cm3
  Reactiu a alta Tª

Materials Biocompatibles

• Metalls refractaris
  elevada Tª fusió
  Nb, Mo, W, Ta
• Metalls nobles
  Au, Ag, Pt
  resistencia a la oxid/corr

Based on discussion and data provided in Section 11.3, Callister 6e.
UNIVERSITAT DE
BARCELONA
2

Alumini i aliatges d'alumini

Alumini i aliatges
Producció anual = 30 Mt
2.70 €/kg (2022)
1,3 €/kg (2014)
700
660 ℃
L + €2
Temperatura, ℃
600
L + 21
L + 0
a
5,65
548 ℃
33,2
52,5
0 + n1
500
a + 0
0 + 72
400
300
0
10
20
30
40
50
60
70
Al
100%
% en neso de cobre
Per forja
Per emmotllament
Element
d'aliatge
Codi AISI-SAE
Element
d'aliatge
Codi AISI-SAE
> 99,0% Al
1xxx
>99,0% Al
1xx.x
Cu
2xxx
Cu
2xx.x
Mn
3xxx
Si-Cu-Mg
3xx.x
Si
4xxx
Si
4xx.X
Mg
5xxx
Mg
5xx.x
Mg-Si
6xxx
Zn
7xxx
Zn
7xxx.x
Estructura
FCC
Densitat
2,70 g/cm3
Punt de fusió
660ºC
Punt d'ebullició
2057ºC
Calor específic
1045 J/Kg.K
Coeficient de dilatació
23,6×10-6(ºC-1)
)
Conductivitat tèrmica
238 W/m.K
Conductivitat electrica
3,6 ×107 0-1m-1
Modul d'elasticitat
72,4 GPa
Límit elàstic
30 MPa (recuit)
Resistència a la tracció
70 MPa (recuit)
Ductilitat
30 % (recuit)
UNIVERSITAT DE
BARCELONA
3
L
L + &

Obtenció de l'alumini

Matèria prima i procés Bayer

Matèria prima: Bauxita (mescla d'hidroxid (AI(OH)3) i oxihidroxid (AIO(OH)) + oxids de
Fe, Si, ... )
Obtenció:
Proces Bayer
Bauxita -> Alúmina pura
Lixiviació
Al(OH)3 s + OH AQ
Precipitació
AI(OH)4 AQ
pulpa
Bauxita -
LIXIVIACIO A
PRESIÓ 4-8 atm
140-180℃
FILTRACIÓ
> Impureses insolubles
(red mud) (SiO2, Fe2O3)
Solució d'aluminat
solució OH concentrada
PRECIPITACIÓ
(dilució i sembrat)
-H2O
--- AI(OH)3
pulpa
solució OH diluida
EVAPORACIÓ
PARCIAL
FILTRACIÓ
Impureses precipitades
(compostos de Ga, etc .. )
AI(OH)3 -
CALCINACIÓ Al2O3
Bauxita:
- Gibbsita Al(OH)3
(facilment soluble)
- Böhmita AlOOH
(moderadament soluble)
- Diàspor AlOOH
(pràcticament insoluble)
UNIVERSITAT DE
BARCELONA

Obtenció de l'alumini: Procés Hall-Heroult

Matèria prima i electròlisi

Matèria prima: Bauxita (mescla d'hidroxid (AI(OH)3) i oxihidroxid (AIO(OH)) + oxids de
Fe, Si, ... )
Obtenció:
Proces Hall-Heroult
Alúmina + criolita -> Alumini pur
a)
Electròlit (fos a 1000℃)
Al2O3 dissolt (10-15%) en Na3AlF6 (criolita)
Especies: AIF ,3-, AIF4, F-, Al2OF2x4-2x, Na+
b)
Reacció global
2/3 Al2O3 + C > 4/3 Al + CO2
AGº1273 = 443,1kJ
T (℃)
Rolin
* Arakeyla
1040
Método
saturación
O
Phillps
& Ginsberg
1020
L
Método
visual
1000
980 -
Criolita ß + L
Alúmina a+ L
960 -
Criolita ß + Alúmina o.
·
940
2 4 6 8 10 12 14 16 18
Na3 AIF 6
% Al 2 O3
Càtode (Al)
3AIF4 + 6Na+ + 6e- - > 2 Al + 6 (Na+F-) + AIF6-
Anode (C)
Al2OF2- + 6F- > 0 + 2AIF4 + 6e-
C+20 > CO2
Potencial de treball ~ 4V
Productes
Potencial descomposició
Al 99,5-99,85% (Fe 0,18, Si 0,06. Ti 0,006, Mn 0,004, V 0,002)
UNIVERSITAT DE
BARCELONA

Alumini i aliatges d'alumini: Efecte elements d'aliatge

Resistència mecànica i precipitats

Bàsicament per augmentar la resistencia mecanica => T. T de maduració
(duralumini)
700
L
600
a+ L
1
5.65
548°
500
Solution treating
Temperature (℃)
1
400
300
Quench
V
200
-
3 Age
Oss
100
2
Quench
Oss
0
Al
2
4
6
8
Weight percent copper
Precipitats petits amb coherencia o semicoherencia amb la matriu.
AI-Cu
Al-Mg-Si
Al-Cu-Mg
Al-Cu-Mg-Si ...
UNIVERSITAT DE
BARCELONA
Cal que:
Sistemes eutectics
Existència de línies de solvus
Cinetica de precipitació controlable.
Age
1
Oss

Alumini i aliatges d'alumini: Maduració (Envelliment)

Tractament tèrmic d'enduriment

Tractament termic d'enduriment per dispersió de precipitat (TT de precipitació. Maduració)
Diagrama de fases Al-4,5% Cu i les
estructures que es poden obtenir
mitjançant un refredament d'equilibri
o després d'un tractament de
maduració
700
L
600
a+ L
1
5.65
548°
500
Solution treating
Temperature ('℃)
400
300
Quench
200
3
Age
100
2
Quench
0
Al
£
2
4
6
8
Weight percent copper
Diagrama de fases Al-Cu
mostrant les fases en el TT
d'enduriment per maduració i
les estructures corresponents.
Solubilització
To
Tremp
Temperatura
Maduració
T
T
Tiempo
Solubilització, Tremp i Maduració
a > a1 + zones GP -> a2+ 0"> a3+ 0'> 04 + 0
UNIVERSITAT DE
BARCELONA
TemperAtura, ℃
548 ℃
-a
,a
0,02%
4,5%
54,0%
27 °℃
1
2C
y
Ideal
Typical
100%
Al
Peso, % Cu
8
0
/ Age
CAS
1
1
8

Alumini i aliatges d'alumini: Efecte de la temperatura

Precipitats i resistència mecànica

î Tª => \ periodes d'inducció i creixement
î Tª => \ temps per arribar al sobreenvelliment
\ Tª => Precipitat més fins. Millor resistencia
mecanica (s'afavoreix la nucleació i es dificulta el creixement)
Tipus de precipitats.
a) Precipitat coherent
b) Precipitat incoherent
Aquest tipus de precipitat té
la seva pròpia estructura
Aliatge 6061 (Mg-Si-Cu)
/20℃
30
150℃
Kg/M2
170℃
200°C
20
230 ℃
260℃
10
1
TIEMPO DE MADURACIÓN (HORAS)
30
120℃
150℃
170℃
20-
200 ℃
10-
260℃
TIEMPO DE MADURACIÓN HORAS)
Efecte del temps en la microestructura
Pico de envejecimiento (tamaño
óptimo y distribución del
precipitado por endurecimiento)
Resistencia y dureza
Solución sólida
supersaturada
Sobreenvejecimiento
(engrosamiento del precipitado)
Hipoenvejecimiento (precipitado pequeño
y poco desarrollado)
Tiempo de envejecimiento a una temperatura
UNIVERSITAT DE
BARCELONA
9

Alumini i aliatges d'alumini: Nomenclatura

Aliatges per forja i emmotllament

Aliatges per forja
ABCD (quatre digits)
A: Identifica a l'element principal
B: Modificacions
CD: aliatge concret
Notacions addicionals.
H1x: Enduriment per deformació
H12:enduriment fins a un 25% de deformació
H14:enduriment fins a un 50% de deformació
H18:deformació total
Tx: Enduriment per tractament termic
T4: Solució + tremp+ envelliment natural
T6: Solució +tremp + envelliment artificial
Procés Bayer Bauxita -> Alúmina pura
Aliatges per emmotllament. Igual però
ABC. D
UNIVERSITAT DE
BARCELONA

Alumini i aliatges d'alumini: Propietats

Aliatges per forja i emmotllament

Propietats d'aliatges d'alumini per forja
Codi
Composició
Tractament
SM
(MPa)
So
(MPa)
A
(%)
No tractables termicament
1100
>99,0Al-0,12Cu
Recuit
H14
89
124
24
97
35
4
3003
1,2 Mn-0,12Cu
Recuit
H14
110
34
129
30
5052
2,5Mg-0,25Cr
Recuit
H14
193
65
179
18
Tractables termicament
2024
4,4Cu-1,5Mg-0,6Mn
Recuit
T6
220
442
97
345
12
5
6061
1,0Mg-0,6Si-0,27Cu-
0,2Cr
Recuit
T6
152
82
16
290
291
10
7075
5,6Zn-2,5Mg-1,6Cu-
0,23Cr
Recuit
T6
276
504
145
428
10
8
Propietats d'aliatges d'alumini per emmotllament
Codi
Composició
Tractament
SM
(MPa)
So
(MPa)
A
(%)
355.0
5Si-1,2Cu
T6
220
138
2
356.0
7Si-0,3Mg
T6
207
138
3
332.0
9,5Si-3Cu-1,0Mg
T5 (*)
214
-
-
Facil afaiçonament
Resistencia a la corrosió
Soldabilitat
1xxx planxisteria
3xxx estris de cuina
5xxx estructurals automobil
Alta resistencia mecanica
2024 Estructures Aeronautica (Al2CuMg)
6061 Perfils estructurals (MgSi2)
7075 Estructures Aeronautica (MgZn2)
Facil colabilitat
Alta resistencia mecanica i a la corrosió
355.0 components per aviació
356.0 peces complicades
332.0 pistons d'automobil
H1x endurit per deformació fins a ... de reducció d'area; Tx Endurit per maduracio (natural, artificial .... )
UNIVERSITAT DE
BARCELONA
11
7
159
262
4

Coure i aliatges de coure

Propietats i composició

Coure i aliatges
Estructura
ECC
Densitat
8,96 g/cm3
Punt de fusió
1083ºC
Punt d'ebullició
2595ºC
Calor específic
386 J/Kg.K
Coeficient de dilatació
16,5×10-6(ºC-1)
Conductivitat tèrmica
398 W/m.K
Conductivitat electrica
(estàndard)
100% IACS
= 6,0 x107 0-1m-1
Modul d'elasticitat
110 GPa
Límit elàstic
70 MPa (recuit)
Resistència a la tracció
220 MPa (recuit)
Ductilitat
~50 % (recuit)
Conductivitat relativa (%IACS)
00 1
Ph
99
Te
it
S
Cd
98
O
97
>6
Sn
15
As
Ni
Mg
Ip
AI
F
1
0
0,05
0,10
0,15
0.20
% en pes
Producció 12Mt
8.67€/kg (2022)
5.00€/kg (2014)
Codi
Composició
Tractament
OM (MPa)
σο (MPa)
A(%)
Coures
C10100
(OFHC)
99,99 Cu
Recuit
Treball en fred
345
310
6
C80500
99,75 Cu
Emmotllat
172
62
40
Baix aliatge
C17000
96,5Cu-1,7Be-
0,2Co
Solubilitzat
Tractament termic
410
190
1070
4
Llautons
C28000
60Cu-40Zn
Recuit
Treball en fred
370
145
45
485
345
10
Bronzes
C51000
94,8Cu-5Sn-
0,2P
Recuit
Treball en fred
324
131
64
-
-
-
Cuproalumini
C96400
85Cu-11Al-
4Fe
Emmotllat
Tractament termic
586
242
18
725
373
8
Cuproníquels
C71500
70Cu-30Ni
Recuit
Treball en fred
380
125
36
580
545
3
UNIVERSITAT DE
BARCELONA
12
220
69
45
60
1240
Ag

Obtenció del coure

Procés pirometal·lúrgic i hidrometal·lúrgic

COURE i aliatges de coure.
Procés pirometal·lúrgic
Menes SULFURADES + (PbS (galena), FeS (pirita)
CuFeS2 (calcopirita)
Cu5FeS4 (bornita)
Cu2S (calcosina)
Cu3AsS4 (enargita)
4 CuSFeS + 5 O2 <> 2 Cu2S.FeS+2 FeO+4 SO2
Fusió a mata
2 FeO + SiO2 <- >2 FeO.SiO2
Cu2O + Fes <> Cu2S + FeO
MATA
3Fe3O4 + FeS <> 10 FeO + SO2
Conversió a forn
2 FeS + 3 02 <> 2 FeO + 2 SO2
2 Cu2S + 3 02 <> 2 Cu2O +2 SO2
Cu2S + 2 Cu20 <> 6 Cu+SO2
COURE BLISTER
Afinatge reductor
COURE PER ÀNODES
Afinatge electrolític
Cu catòdic
Procés hidrometal·lúrgic
Menes OXIDADES
Cu2O (cuprita)
CuO (tenorita)
Cu(OH)2.2CuCO3 (azurita)
Cu(OH)2·CuCO3 (malaquita)
Cu2Cl(OH)3 (atacamita)
CuSiO3.2H20 (crisocola)
H2SO4
Lixiviació en piles
CuSO4 (aq)
Purificació i/o extracció
Electròlisis
Cu catòdic
UNIVERSITAT DE
BARCELONA
13

Coure i aliatges de coure: Efecte elements d'aliatge

Resistència mecànica i enduriment

Bàsicament per augmentar la resistencia mecanica
Enduriment per deformació
Enduriment per dissolució sòlida (Zn, Sn, Ni, Al).
Per precipitació. Formació d'intermetallics
Cu-Be (1,7% Be) 1460MPa
UNIVERSITAT DE
BARCELONA

Coure i aliatges de coure: Diagrames de fase

Coures, Cuproaluminis, Llautons, Bronzes i Cuproníquels

Coure i aliatges de coure.
Coures
1250
1000
A
900
2 líquidos
12:00
(1.5)
1200°℃
G
500
0.002
0,004
0,006
0,008
Temperatura ºC
1150
Liquido
Líquido + CuzO
1100
1083℃ A
1065℃
B (0,008)
: (0,39)
D (11,2)-
1050
a
« + Cu2O
6 600°℃ (0,0017)
1000 0
04
06
1.0
1.7
1.4
1.6
1.8 2.0
% en pes d'oxigen
Coure electrolític (ETC) 0,04%O
Coure oxigen free (OFHC) 0,001%O
Cuproaluminis
Al-Cu
% atomic de Cu
10
20
30
40
50
60
70
80 90 100
1100
1084.87
1000
900
Temperatura ℃
800
700
660.452℃
600
548.2℃
500
400
+-(AI)
.
(Cu)
300
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Al
% en pes de Cu
Cu
Llautons
Cu-Zn
% atòmic de Zn
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1084.898℃
1000
900
32.5 902
Temperatura ºC
800
50.8
8
700
89.8
173.02
600
8 76.5
88.2
7 70.6)
78.6
500
680°C
38.95 4486
88.3
419.58℃
400
300
K
1-2
200
100
0
6
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Cu
% en pes de Zn
Zn
Monofàsics (%Cu<30) Bifàsics (%Cu ~40)
Radiadors, frontisses, barres, perns, fornillaria,
munició, canonades
peces complexes
Bronzes
% atòmic Sn
20
30
60
70
80
90
100
1000
900
Temperatura (C)
755°℃
Liquide
200
640°C
500
586℃
...
= . 6
415.0
400
350ºC
...
300
227*℃
200
189ºC
.
10
20
30
6
70
80
90
100
% en pes Sn
Coixinets, engranatges,
bombes, pistons,
instal·lacions de vapor
Cuproníquels
Monofàsic (7-8%Al)
Radiadors, frontisses,
munició, canonades ..
Fins a 300ºC
Bifàsics (11%Al)
Coixinets, valvules,
engranatges
Composición (% atómico Ni)
20
40
60
80
100
2800
1500
Líquido
1455°C
Temperatura (°C)
1400
Línea liquidus
Línea solidus
1300
a+ L
2400
1200
2200
-
1100
1085°C
· A
2000
1000
0
20
40
60
80
100
(Cu)
Composición (% en peso Ni)
(Ni)
ALNICO
Aliatges
magnètics
Temperatura (ºF)
Canonades, vàlvules,
bombes, reactors en
contacte amb Cl-
UNIVERSITAT DE
BARCELONA
15
0
10
37.5
B34ºC
56.57
700°C
80.3
598℃
188℃ 57.7
98.3
425℃
A
798*℃
800
0
2600
L
Y