TEHNOLOGII ŞI MATERIALE METALICE

1. DEFINIŢIE

2. PROVENIENŢĂ

3. CLASIFICARE

4. PROPRIETĂŢI

5. METODE DE OBŢINERE

6. UTILIZĂRI

1. DEFINIŢIE

• COMPUŞI CHIMICI AI UNUI METAL DE BAZĂ CU ALTE METALE SAU/ŞI NEMETALE, CU PROPRIETĂŢI SPECIFICE.

• DIN PUNCT DE VEDERE FIZICO-CHIMIC POT FI:

• METALE PURE

• ALIAJE METALICE

2. PROVENIENŢĂ

• METALE PURE: ZĂCĂMINTE NATURALE (MINEREURI)

• ALIAJE METALICE: AMESTECAREA A DOUĂ SAU MAI MULTE METALE ÎN STARE TOPITĂ, URMATĂ DE SOLIDIFICAREA AMESTECULUI

3. CLASIFICARE

1. MATERIALE METALICE FEROASE- SUNT ALIAJE ALE FIERULUI CU ALTE

METALE/NEMETALE: crom, nichel, molibden, titan, vanadiu, wolfram/carbon

2. MATERIALE METALICE NEFEROASE- ALTE METALE ŞI ALIAJE ALE ACESTORA :

aluminiu, cupru, argint, aur, magneziu, zinc, nichel, platină, staniu, wolfram, vanadiu, zinc

4. PROPRIETĂŢI

A. Proprietăţi fizice şi chimice

B. Proprietăţi mecanice

C. Proprietăţi tehnologice

Proprietăţi fizice şi chimice

Proprietăţi fizice – proprietăţi care nu modifică compoziţia şi structura materialelor; însuşiri observabile cu organele de simţ; comportamentul în raport cu factorii din mediul înconjurător.

Proprietăţi chimice – proprietăţi care modifică compoziţia şi structura materialelor; comportamentul în raport cu alte materii prime şi materiale.

Proprietăţi fizice

• Stare de agregare• Culoarea• Luciul metalic• Densitatea• Fuzibilitatea• Dilatarea termică• Conductibilitatea termică• Conductibilitatea electrică• Proprietăţi magnetice

Proprietăţi chimice

• Rezistenţa la coroziune

Stare de agregare

• La temperatură obişnuită sunt solide; excepţie – mercurul, care este lichid.

• Culoarea – dela cenuşiu închis la alb strălucitor; excepţii: aurul – galben, cuprul – roşcat

Luciul metalic

• Proprietatea metalelor de a reflecta lumina - se poate accentua prin lustruire mecanică

DensitateaEste mărimea fizică egală cu raportul între masă şi volum; masa

unităţii de volum.Simbol: ρ (ro - literă grecească)Formula: ρ=m/V, în care:

m- masa [kg, g]V- volumul [m3, cm3]

Unitate de măsură: kg/ m3, g/ cm3

Din punct de vedere al densităţii se întâlnesc metale: • ultrauşoare (magneziu - Mg), • uşoare (aluminiu - Al), • semiuşoare (titan - Ti), • grele (fier - Fe), • foarte grele (aur - Au)

Cel mai uşor metal – litiu(Li) – ρ=0,53g/cm3; Cel mai greu metal – osmiu(Os) - ρ=22,6g/cm3

FuzibilitateaEste proprietatea metalelor de a se topi.Fiecare metal are o temperatură de topire – punct de

topire. Punctul de topire variază foarte mult de la metal la metal:• cupru(Cu) - 1083°C, • wolfram(W) - 3410°C,• fier(Fe) - 1535°C,• aluminiu(Al) - 658oC.Metalele se pot clasifica după temperatura de topire: • uşor fuzibile (natriu – Na), • greu fuzibile(cupru), • foarte greu fuzibile(niobiu – No), • refractare (wolfram)

Dilatarea termică

Este proprietatea metalelor de a se dilata – mărirea dimensiunilor (suprafaţă, volum,lungime) la creşterea temperaturii (încălzire).

Fenomenul invers se numeşte contracţie termică - micşorarea dimensiunilor la scăderea temperaturii (răcire).

Conductibilitatea termicăConductibilitatea termică este fenomenul de

propagare a căldurii în masa unui material metalic.

Conductivitatea termică este mărimea fizică prin care se caracterizează capacitatea unui material de a transmite căldura atunci când este supus unei diferenţe de temperatură.

Cea mai mare conductivitate termică au: argintul cuprulaurul aluminiul Cea mai slabă conductivitate termică au: plumbul mercurul

Conductibilitatea electricăConductibilitatea electrică este proprietatea

materialelor de a permite trecerea curentului electric.

Conductanţa electrică este mărimea care exprimă capacitatea a unui conductor sau circuit dat de a conduce curentul electric

Materialul care conduce curentul electric se numeşte conductor electric; metalele sunt buni conductori electrici, iar dintre acestea conductivitatea cea mai mare o are argintul, urmat la mică distanţă de cupru.

Proprietăţi magneticeMagnetismul este proprietatea materialelor de a atrage

materiale feroase.Marimea fizică care caracterizează această proprietate se

numeşte permeabilitate magnetică.Din punct de vedere magnetic materialele sunt:- Diamagnetice - permeabilitate magnetică relativă

subunitară, foarte aproape de unitate (<1) (Ag,Au,Cu,Zn,Ge- germaniu)

- Feromagnetice - permeabilitate magnetica relativă mult mai mare decat unitatea ,ajungand la valori peste 100000 (Fe, Co - cobaltul , Ni - nichelul , aliaje)

- Paramagnetice - permeabilitate magnetică relativă supraunitară , foarte apropiată de unitate (>1) (Al,Cr,Pt).

Rezistenţa la coroziuneEste proprietatea de a rezista la o degradare lentă de la

suprafaţă la interior sub acţiunea agenţilor chimici (în prezenţa substanţelor chimice).

Tipuri de coroziune:_ chimică – fără transfer de sarcină electrică în timpul

procesului (oxigen, acid clorhidric,dioxid de carbon, alte soluţii rău conducătoare de electricitate – benzine, alcooli)

_ electrochimică - cu transfer de sarcină electrică (soluţii bune conducătoare de elctricitate- electroliţi)

Metale şi aliaje rezistente la coroziune: metalele nobile (Au, Ag, Cu) şi aliajele lor (scumpe)

Metale şi aliaje autoprotectoare - metalele şi aliajele care în urma coroziunii iniţiale se acoperă cu o peliculă izolatoare datorită fenomenului de pasivare (pasivarea Ag în acid clorhidric prin formarea peliculei de clorură de argint , a Fe în acid azotic concentrat)

Alierea metalelor cu un component adecvat - concentraţii relativ scăzute ale componentului de aliere, reduc considerabil viteza de coroziune (introducerea Cu de 0,2...0,3%, Cr sau Ni în oţeluri etc.)

Proprietăţi Mecanice

• comportamentul materialelor metalice sub acţiunea diferitelor forţe exterioare.

Proprietăţi mecanice:

- DURITATEA

- ELASTICITATEA

- PLASTICITATEA

- REZISTENŢA MECANICĂ

DURITATEA- reprezintă rezistenţa opusă de metale la zgârierea sau la

pătrunderea unui corp - se exprimă convenţional cu valori de la 1-10 în scara

mineralogică MOHS sau în unităţi Brinell. Metalele cu duritatea cea mai mare sunt: Re (7,4) şi Os (7,0) urmate

de Be (6,7), In (6,5), Pt (4,3). Cu duritatea cea mai mică sunt: Cs (0,2) urmat de Rb (0,3), Na

(0,4), K (0,5), Li (0,6).

În metalurgie, duritatea unui metal sau al unui aliaj este definită ca rezistenţa locală a acestuia la pătrunderea unui corp mai dur.

Caracteristica se determină prin încercări (cu bila de oţel sau diamant) şi se numeşte duritatea Brinell, respectiv duritatea Rockwell; în funcţie de metoda de încercare utilizată metalele se pot caracteriza din punct de vedere a durităţii Vickers sau Shore.

ELASTICITATEA

- este proprietatea metalelor de a reveni la forma şi dimensiunile iniţiale

după încetarea acţiunii sarcinilor exterioare care au produs

deformarea.

PLASTICITATEA

- este proprietatea metalelor de a se deforma sub acţiunea sarcinilor exterioare, fără a se fisura sau sfărâma, fără a-şi schimba volumul şi fără a reveni la forma iniţială. Majoritatea metalelor sunt plastice, putând fi uşor prelucrate la cald sau la rece prin diferite operaţii tehnologice - laminarea.Aurul este cel mai plastic metal, după care urmează: Ag, Pt, Mg, Al, Pb, Sn, Cu. Plasticitatea influenţează proprietăţile tehnologice - maleabilitatea şi ductibilitatea

MALEABILITATEA este capacitatea unui metal de a fi tras în foi, prin comprimare la o

temperatură inferioară punctului de topire. • Unele metale cum sunt: Au, Ag, Al, Pt,

Cu, Ni şi Ta pot fi prelucrate în foi FOARTE SUBŢIRI

• Se laminează uşor la rece: Mg, Ti, Sn, Pb, Fe, Pd, Ir

• Zincul este maleabil şi se laminează între 273-423 K.

Ductibilitatea

Cele mai ductile metale sunt: Au, Ag, Pt, Ni.

- din 1g Au sau Ag se pot trage fire de 2000m, respectiv 1800m.

Se trefilează uşor şi Fe, Cu, Al.

Un număr mic de metale cum ar fi: Ti, nu se pot trefila.

este proprietatea metalelor de a fi trase în fire, prin procesul de trefilare.

REZISTENŢA MECANICĂ - constă în împotrivirea materialelor metalice la acţiunea forţelor exterioare care tind să le rupă.

Dintre solicitările mecanice la care pot fi supuse metalele, deosebim:

• TRACŢIUNEA (ÎNTINDEREA);

• COMPRESIUNEA;

• ÎNCOVOIEREA;

• RĂSUCIREA (TORSIUNEA).

MODELAREA EXAMINĂRII REZISTENŢEI MECANICE

• Examinarea rezistenţei la forfecare:

• Examinarea rezistenţei la răsucire:

• Examinarea rezistenţei la întindere:

• Examinarea rezistenţei la încovoiere:

Proprietăţi tehnologice

• FLUIDITATEA

• DUCTIBILITATEA

• MALEABILITATEA

• SUDABILITATEA

Fluiditatea

• Este proprietatea materialului metalic topit de a curge şi a umple golurile tiparului (formei) în care a fost turnat.

Sudabilitatea

• Este proprietatea materialelor metalice de a se îmbina între ele prin diferite procedee de sudare: cu electrozi, cu flacără de gaze, prin presare.

5. Metode de obţinere

Metodele de obţinere a metalelor din minereuri constituie obiectul metalurgiei extractive şi se împart în:

1. procedee pirometalurgice (extracţia se desfăşoară la temperaturi ridicate): prăjirea, topirea, vaporizarea).

2. procedee hidrometalurgice (minereul sfărâmat şi macinat este separat în util şi steril, prin spălare în bazine de flotaţie sau cuve).

A. Obţinerea materialelor metalice feroase

Minereuri feroase: hematitul magnetitul

(magnetul natural)

sideritul taconitul

pirita - Se obţin aliajele Fe-C: fonte, oţeluri

- se introduc în instalaţii de tip furnal sau cubilou pentru fonte, respectiv furnale Martin, cuptoare electrice şi convertizoare pentru oţeluri.

B. Obţinerea materialelor metalice neferoase

Minereuri neferoase pot conţine: Cu – în stare liberă şi minereuriZn - principalul minereu de zinc folosit astăzi este sfaleritul sau blenda

(sulfura de zinc) Pb - principala sursă de plumb este sulfura de plumb Al - este metalul cel mai răspândit din scoarţa terestră; principalul minereu

este bauxita, bogata în alumină hidratată - oxid de aluminiu combinat cu apa.

Au - participă la puţine transformări chimice – metal nobil, de aceea se găseşte în stare liberă; apare în roca de cuarţ şi în nisipuri formate din această rocă, însă fiecare tonă de nisip poate conţine 30g aur, chiar şi într-un zăcământ bogat.

.

Minereuri care conţin cupru (cuprifere):

calcozina (sulfura de cupru) calcopirita sau criscolul (ferosulfura de

cupru)

cupritul (oxidul cupros)

malachitul, azuritul (forme ale carbonatului

basic de cupru)

Obţinerea materialelor metalice din cupru

Metoda folosită pentru extracţia de cupru depinde natura minereului. Dacă cuprul se găseşte în stare liberă, el poate fi separat prin sfărâmarea minereului în bucăţi mici şi amestecarea sa cu apa. Cuprul, fiind relativ greu, se depune pe fund.

Aliaje ale cuprului: Alamele - Cu-ZnBronzurile - Cu-Sn

Obţinerea materialelor metalice din aluminiu

• Aluminiul se obţine din bauxită prin electroliza apei - utilizarea unui curent electric care separă elementele unui compus chimic.

Aliajele aluminiului:

Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg,

Al-Mg-Mn, Al-Mg-Si,

Al-Zn-Mg-Cu.