Aluminiu și aliaje de aluminiu

Aluminiul este un element metalic alb argintiu cu simbol chimic Al și număr atomic 13. Aluminiul este remarcabil prin densitatea scăzută a metalului de 2,70 g/cm³ și prin capacitatea sa de a rezista la coroziune datorită fenomenului de pasivare. Aluminiul este al treilea element cel mai abundent și cel mai abundent metal din scoarța terestră. Majoritatea aplicațiilor aluminiului și aliajelor sale sunt realizate din componente structurale, care sunt vitale pentru industria aerospațială și sunt importante în alte domenii de transport datorită raportului lor ridicat rezistență-greutate, unde este necesară greutatea ușoară sau rezistența la coroziune. Datorită densității scăzute, potențialului excelent de reciclare și îmbunătățirii continue a proprietăților mecanice de către metalurgiști, cererea de aluminiu și aliajele sale în toate industriile, în special în industria transporturilor, este în creștere. Insă, aluminiul pur este prea moale pentru astfel de aplicații și nu are rezistența ridicată la tracțiune necesară pentru industria aerospațială și de transport.

În general, microconstituenții prezenți în aliajele de aluminiu influențează semnificativ caracteristicile de prelucrare. Constituenții neabrazivi au un efect benefic, în timp ce constituenții abrazivi insolubili demonstrează un efect dăunător asupra duratei de viață a sculei și a calității suprafeței prelucrate. De fapt, aluminiul și aliajele de aluminiu sunt considerate ca familia de materiale care oferă cele mai înalte niveluri de prelucrabilitate, în comparație cu alte familii de metale ușoare, cum ar fi aliajele de titan și magneziu. În general, ele aparțin celor mai prelucrabile materiale în producția de volum mic spre mediu și producția de masă, care pot fi prelucrate relativ ușor.

Deoarece temperatura de topire a aluminiului (aproximativ 659^oC) și a aliajelor de aluminiu este relativ scăzută, în consecință, temperaturile de prelucrare sunt în general scăzute și nu sunt niciodată suficient de ridicate pentru a deteriora microstructura sculelor de tăiere, cum ar fi sculele din oțel de mare viteză și sculele din carbură. Viteza mare de așchiere poate fi utilizată până la 600 m/min atunci când sunt folosite scule din carbură și 300 m/min pentru scule din oțel de mare viteză. Viteza de tăiere poate fi atinsă până la 5.000 m/min atunci când se utilizează scule cu diamant policristalin (PCD). Uzura sculei apare în general sub formă de uzură a flancurilor la prelucrarea aluminiului și aliajelor de aluminiu. O durată de viață bună a sculei poate fi obținută până la 20 km atunci când sunt utilizate scule PCD sau diamantate monocristaline.

Aluminiu pur

Pentru aluminiul pur comercial, ca multe alte metale pure, în ciuda rezistenței mai mici la acțiune, sunt generate forțe de tăiere mai mari decât cele pentru aliajele de aluminiu, în special la viteze de tăiere mici, datorită unei aderențe foarte puternice între unealta de tăiere și materialul de lucru. Lungimea de contact pe interfața sculă-așchie este foarte mare și nu este prezentă nicio muchie încorporată (BUE = built-up edge) la prelucrarea aluminiului pur comercial. Se formează așchii lungi și ductile, indiferent de geometria sculei de tăiere utilizată. Tendința ridicată a aluminiului de a adera la sculele de tăiere produce un risc ridicat care duce la ruperea sculei în timpul prelucrării aluminiului pur comercial.

Deoarece așchiile formate în timpul prelucrării aluminiului pur din comerț sunt continue, puternice și nu se sparg ușor, întotdeauna înfundă canelurile și spațiile dintre dinți sau se acumulează și se înfășoară la vârful sculei pentru tăierea într-un singur punct. Prin urmare, scula de tăiere trebuie să fie ascuțită și să aibă un unghi pozitiv mare de degajare cu un spargător de așchii și, uneori, sunt necesare scule de tăiere special concepute pentru tăierea aluminiului.

Aliaje de aluminiu

Aliajele de aluminiu sunt aliajele în care aluminiul (Al) este elementul predominant. În mod obișnuit, elementele de aliere tehnic utilizate pentru aliajele de aluminiu sunt siliciul, magneziul, manganul, zincul și cuprul, vizând îmbunătățirea fluidității, rezistenței, ductilității, turnabilității, călirea prin lucru etc. Aliajele de aluminiu pot fi clasificate în linii mari ca aliaje turnate și aliaje forjate. Aliajele de aluminiu forjate sunt, în general, împărțite în grupele tratabile termic și netratabile termic. Aliajele forjate reprezintă aproximativ 85% din utilizarea aluminiului și sunt fabricate în principal pentru produsele de formare, de exemplu, plăci laminate, folii și extrudate. Cele mai importante aliaje turnate sunt aliajele Al–Si, unde nivelurile ridicate de siliciu (4,0–13 %) contribuie la oferirea unor caracteristici bune de turnare.

Este bine cunoscut faptul că compoziția chimică, defectele structurale și elementele de aliere au efecte semnificative asupra prelucrabilității aliajelor de aluminiu. Nivelurile ridicate de magneziu (Mg) cresc forțele de tăiere, menținând în același timp același nivel de duritate, iar un procent scăzut de cupru (Cu) în aliajele de aluminiu scade forța de tăiere (Tash și colab. 2006). Aliajele care conțin mai mult de 10 % Si sunt cele mai dificil de prelucrat, deoarece particulele dure de siliciu liber provoacă uzura rapidă a sculei. Prezența particulelor dure de siliciu în aliaje scade prelucrabilitatea datorită uzurii abrazive accelerate a sculelor din carbură și așchierii sculelor PCD, care de obicei sunt limitate la viteze de așchiere mici atât pentru sculele din carbură, cât și pentru sculele PCD. La tăierea uscată a aliajelor de aluminiu, problemele majore întâlnite sunt BUE generate la viteze mici de așchiere și lipirea la viteze mari de așchiere, de aici și necesitatea unor geometrii speciale de scule. Diferite metode de tratare termică pot fi utilizate pentru a îmbunătăți prelucrabilitatea aliajelor de aluminiu, care măresc duritatea și reduc tendința marginii acumulate (BUE) în timpul proceselor de prelucrare. Tratamentul termic al Al 6061, în special îmbătrânirea, influențează forțele de tăiere numai la viteze de tăiere mici, dar influența este neglijabilă la viteze mari de tăiere din cauza creșterii scăzute a temperaturii găsite în regiunea de tăiere.

Cupru, alamă și aliaje de cupru

Cuprul este un element metalic de culoare portocalie roșiatică cu simbol chimic Cu și număr atomic 29, care este un metal relativ greu cu o densitate de 8,98 g/cm³. Este moale și maleabil și un metal extrem de ductil, cu o structură cubică centrată pe față, dar are un punct de topire ridicat de 1.083^oC. Cuprul este unul dintre cele mai vechi metale cunoscute de om și a fost folosit de mii de ani. Proprietățile atractive care au făcut ca cuprul să fie utilizat în aplicații foarte largi sunt rezistența la coroziune bună, culoarea atractivă, lucrabilitatea excelentă și cea mai bună conductivitate electrică și termică dintre oricare metale disponibile în comerț. Astăzi, peste 50 % din cuprul produs este folosit în aplicații electrice și electronice.

Aliajele de cupru sunt aliaje metalice care au ca component principal cuprul. De obicei, principalele elemente de aliere utilizate pentru aliajele de cupru sunt zincul, staniul, aluminiul, siliciul și nichelul. Există până la 400 de cupru și aliaje de cupru diferite, grupate vag în categorii: cupru, alamă, bronz, cupru nichel, cupru-nichel-zinc (nichel-argint), cupru cu plumb și aliaje speciale. Tabelul 1 enumeră principalele elemente de aliere dintre cele mai comune tipuri utilizate în industria modernă.

Cupru și aliaje de cupru

Cuprul pur este ductil și slab, dar poate fi întărit prin aliere, prelucrare mecanică și, într-un număr mic de cazuri, întărire prin precipitare. Același comportament ca și aluminiul pur, cuprul pur este dificil de prelucrat din cauza forțelor mari de frecare dintre așchii și scula de tăiere. În general, aliajele de cupru au o prelucrabilitate bună deoarece creșterea temperaturii generată de forfecarea în zona de tăiere nu este suficient de mare pentru a avea un efect foarte grav asupra duratei de viață a sculei și a performanței de tăiere. Cuprul și aliajele sale pot fi clasificate în trei grupe în funcție de caracteristicile lor de prelucrare (Mills și Redford 1983):

• Aliaje cu prelucrare liberă
• Aliaje dificil de prelucrat
• Aliaje cu prelucrare intermediară

Atât sculele din carbură cât și cele din oțel de mare viteză ar putea fi utilizate pentru prelucrarea cuprului și a aliajelor sale. La tăierea cuprului de înaltă conductivitate nu apare nicio margine încorporată (BUE). Uzura sculei apare, în general, sub formă de uzură a flancului sau uzura craterului sau ambele la prelucrarea cuprului și a aliajelor sale. O durată de viață bună a sculei poate fi obținută până la 10 km atunci când sunt utilizate scule cu diamante monocristaline sau PCD. Forțele de tăiere sunt foarte mari, în special la viteză mică de tăiere. Prelucrabilitatea cuprului și a aliajelor sale se bazează adesea pe tipul de așchii formate, mai degrabă decât pe durata de viață a sculei, deoarece au o rezistență moderată la forfecare. Comportamentul la prelucrare a cuprului este într-un fel îmbunătățit prin prelucrare la rece și aliere.

Alamă

Alama este un aliaj de cupru și zinc, iar conținutul de zinc poate fi de până la 43%, care are o maleabilitate mai mare decât bronzul sau zincul. Punctul de topire relativ scăzut al alamei (900–940^oC, în funcție de compoziție) și caracteristicile sale de curgere o fac relativ ușor de turnat. Astăzi, aproape 90% din toate alamele sunt reciclate. Variind proporțiile de zinc și cupru, proprietățile acesteia pot fi modificate. Dacă conținutul de zinc este mai mic de 35 %, alama va fi solidificată într-o microstructură monofazată, α-alamă. O concentrație mai mare de zinc produce o microstructură în două faze, adică alamă α-β.

La tăierea alamei-α, forțele de tăiere sunt mai mici. Există o mare reducere a forțelor de tăiere la tăierea alamei α-β. Faza β mai mare în alamă, forță de tăiere mai mică. Pentru alama care conține între 62 % și 65 % cupru, adaosurile de plumb de până la 3 % oferă o îmbunătățire continuă a caracteristicilor de prelucrare. Datorită forțelor de tăiere mai scăzute și consumului de putere al mașinii în tăierea atât a alamei-α, cât și a alamei α-β, împreună cu rata lentă de uzură a sculei, alamele sunt clasificate ca materiale ușor de prelucrat, adică prelucrabilitate ridicată.

Cupru fără oxigen

Cuprul de înaltă puritate este produs prin rafinare electrolitică. Cuprul fără oxigen (OFC = Oxygen-free copper) se referă în general la un grup de aliaje de cupru forjate de înaltă conductivitate care au fost rafinate electrolitic pentru a reduce nivelul de oxigen la 0,001 % sau mai jos. Pentru aplicații industriale, cuprul fără oxigen este apreciat mai mult pentru puritatea sa chimică decât pentru conductivitatea sa electrică. Cuprul fără oxigen este adesea folosit ca material de lucru pentru componentele optice, datorită proprietăților sale materiale și a prelucrabilității favorabile cu diamant, deoarece suprafețele de calitate optică pot fi obținute cu tăierea diamantată într-un singur punct. La tăierea cuprului fără oxigen, varietățile de forță de tăiere sunt foarte sensibile la orientarea granulelor și tranziția sculei de tăiere de-a lungul limitelor de granule ale aliajelor.

Cupru-Nichel

Cupru-nichel sau cupronickel este un aliaj de cupru care conține nichel și alte elemente de rezistență, care este un aliaj foarte ductil și cu microstructură monofazată α, deoarece cuprul și nichelul sunt reciproc solubile în stare solidă în toate gamele de compoziții. Cele mai populare două aliaje bogate în cupru conțin 10 % și 30 % nichel, care au o rezistență excelentă la coroziunea apei de mare. Rezistența la coroziune a aliajelor de cupru-nichel se datorează unei pelicule protectoare formate la contactul cu apa de mare. Ca rezultat, cupru-nichel este folosit pentru multe hardware marine și sisteme de apă de mare.

Proprietățile de prelucrare ale aliajelor de cupru-nichel sunt similare cu multe alte aliaje de înaltă rezistență pe bază de cupru, cum ar fi bronzul de aluminiu și bronzul fosfor. La prelucrarea aliajelor de cupru-nichel, se formează așchii continue fără segmentare pe toată gama de viteze de tăiere. Materialele piesei de prelucrat sunt strâns legate de sculele de tăiere pe toate zonele de contact atât pentru sculele din oțel de mare viteză, cât și pentru sculele din carbură. Forțele de tăiere sunt foarte mari la viteză mică de tăiere. La creșterea vitezei de tăiere, forțele de tăiere au scăzut rapid. Nu se formează muchie încorporată (BUE) la viteză mică de tăiere. Uzura flancurilor și uzura craterului se întâmplă la tăierea cu unelte din oțel de mare viteză.

Cupru beriliu

Cuprul beriliu, numit și beriliu cupru, este un aliaj de cupru cu un conținut de beriliu în jur de 0,5–3% și alte elemente de aliere, care pot fi întărite prin îmbătrânire și tratate termic pentru a-și îmbunătăți rezistența. Aliajele de cupru beriliu nemagnetice și fără scântei, cu rezistență ridicată și conductivitate electrică și termică bună sunt utilizate pentru a face scule pentru folosire în siguranță în medii în care există vapori și gaze explozive, cum ar fi pe platformele petroliere. Până una alta, ele pot fi folosite pentru a face arcuri, conectori electronici, rulmenți, matrițe și hardware rezistente la coroziune.

Toate aliajele de cupru beriliu sunt ușor de prelucrat folosind procese convenționale de prelucrare fie cu scule din oțel de mare viteză, fie cu carbură. Datorită caracteristicilor de prelucrare ale aliajelor de cupru beriliu, durata de viață a sculei de tăiere este excelentă. În general, uzura sculei este proporțională cu viteza, viteza de avans și adâncimea de tăiere. Inhalarea de beriliu din aer poate provoca o tulburare pulmonară gravă la persoanele susceptibile, deoarece compușii de beriliu sunt otrăvuri toxice și cumulative. De aceea există o mare preocupare de siguranță în manipularea și prelucrarea aliajelor de cupru beriliu. De fapt, ca piese finite, cuprul beriliu nu prezintă niciun pericol cunoscut pentru sănătate.

Fier, oțel și aliaje de oțel

Fierul este un element metalic de culoare gri argintiu strălucitor cu simbolul chimic Fe și numărul atomic 26. Are o densitate de 7,874 g/cm³ și un punct de topire ridicat de 1.358^oC. Microstructura sa este cubică centrată pe corp (fier α) la temperatura camerei și se transformă în cubic centrat pe față (fier γ) chiar peste 900^oC. Fierul are rezistență la forfecare relativ scăzută, dar ductilitate ridicată cu prelucrabilitate slabă. Aliajele de fier cu conținut mai mic de carbon sunt cunoscute sub numele de oțel. Oțelul este practic un aliaj de fier cu până la aproximativ 1,5 % carbon.

Fonte

Fonta este un aliaj feros care conține 2,0–4,5 % carbon (C). Siliciul (Si) este un alt element de aliere principal pentru fontă, cu o cantitate variind de la 1,0 % la 3,0 %. Conținutul ridicat de carbon al fontelor duce la o scădere a temperaturii de topire în comparație cu oțelurile. Cu punct de topire relativ scăzut, fluiditate bună, turnabilitate, prelucrabilitate excelentă, rezistență la deformare și rezistență la uzură, fontele au devenit un material de inginerie popular utilizat pe scară largă în diferite industrii pentru fabricarea țevilor, cilindrilor, paturi de mașini-unelte și piese auto.

Din punct de vedere istoric, prima clasificare a fontei s-a bazat pe ruptura acesteia: fontă albă și fontă cenușie. Odată cu apariția metalografiei, fontele pot fi clasificate cel mai exact pe baza caracteristicilor microstructurale. Iată cele mai frecvente clasificări citate utilizate astăzi:

• Fonta albă – o microstructură care conține fază de cementită, Fe3C
• Fonta cenușie – fulgi de grafit într-o matrice de ferită, perlită sau austenită
• Fontă nodulară (numită și fontă ductilă) – grafit sferoidal într-o matrice de perlită, ferită, bainită, sau martensită
• Fontă maleabilă – o fontă albă care este tratată termic la aproximativ 900^oC pentru a îmbunătăți ductilitatea

Proprietățile fontei sunt modificate prin adăugarea diferitelor elemente de aliere. Majoritatea fontelor de inginerie sunt de tip feritic sau perlitic.

Fontele prezintă o gamă largă de comportamente de prelucrare, care depinde de compoziție și microstructură. În general, fonta are o prelucrabilitate bună: rată mare de îndepărtare a materialului, rată scăzută de uzură a sculei, forțe de tăiere relativ mici, așchii mici de fragmente formate și consum redus de energie. Deoarece așchiile formate nu sunt continue, lungimea contactului pe fața de degajare este foarte scurtă. La tăierea fontelor cu unelte din carbură sau din oțel de mare viteză, se formează o muchie construită și se poate obține o durată de viață foarte bună a sculei chiar și la viteze mari de așchiere. Sculele ceramice au fost dezvoltate și utilizate pentru prelucrarea fontelor, în principal în producția de masă. Oarecum, prelucrarea fontelor este o operație murdară și prăfuită, deoarece aruncă în aer un spray fin de grafit.

Oțeluri carbon

Oțelurile variază foarte mult ca conținut chimic și microstructură. Principalul constituent de aliere interstițială pentru oțelul carbon este carbonul. În general, oțelurile sunt clasificate în funcție de conținutul de carbon:

• Oțel cu conținut scăzut de carbon, cu mai puțin de 0,3 % carbon
• Oțel cu carbon mediu, conținut de carbon între 0,3 % și 0,8 %
• Oțel cu conținut ridicat de carbon, conținut de carbon peste 0,8 % și sub 1,5 %

Elementele de aliere din oțel, cum ar fi carbonul, manganul și cromul, îi măresc rezistența. Pe măsură ce conținutul de carbon crește, oțelul poate fi mai dur și mai rezistent prin tratament termic, dar fiind mai puțin ductil. Acest lucru influențează solicitările de tăiere și temperatura de tăiere generată. Forța de tăiere este redusă prin adăugarea de elemente de aliere. Oțelurile cu conținut scăzut de carbon au duritate scăzută și ductilitate ridicată, cu tendința de formare a muchiei încorporate (BUE) aderată puternic la scula de tăiere, ceea ce duce la reducerea duratei de viață a sculei și la finisarea slabă a suprafeței. Comportamentul său la prelucrare poate fi îmbunătățit prin creșterea rezistenței și reducerea ductilității prin tragere la rece. Conținutul mai mare de carbon îmbunătățește prelucrabilitatea în așa fel încât duritatea crește moderat și ductilitatea scade.

S-au folosit scule de oțel de mare viteză și carbură pentru a tăia un procent foarte mare de oțeluri carbon. Utilizarea sculelor din oțel de mare viteză pentru prelucrarea oțelurilor cu duritate mai mare de 300 HV este foarte dificilă. Sculele din carbură pot fi folosite pentru tăierea oțelurilor cu duritate mai mare. Dar când duritatea depășește 500 HV, durata de viață a sculei din carbură devine foarte scurtă și vitezele de tăiere admise sunt foarte scăzute. Pentru a tăia oțelurile călite, sculele de tăiere trebuie să-și păstreze duritatea și rezistența la curgere la temperaturile ridicate de tăiere. Sculele ceramice pot fi folosite pentru a tăia oțeluri cu duritate de 600–650 HV. Folosind sculele cu nitrură de bor cubică (CBN = cubic boron nitride) se pot prelucra oțeluri complet călite cu o rată mare de îndepărtare a materialului și o durată lungă de viață a sculei. Dar sculele CBN costă și sunt foarte mari. Prin urmare, nu este surprinzător că industriile de inginerie solicită întotdeauna îmbunătățirea continuă a prelucrabilității oțelului, păstrând în același timp proprietățile mecanice pentru a asigura performanța acestuia.

Oțel inoxidabil

Oțelurile inoxidabile, numite și oțeluri rezistente la coroziune, sunt aliaje pe bază de fier care conțin 10,50 % sau mai mult crom (Cr). Aceste oțeluri își ating caracteristicile „inoxidabile” ca urmare a peliculei de oxid invizibil și aderent, bogat în crom, care formează suprafața materialului. Oțelurile inoxidabile pot fi împărțite în cinci grupuri în funcție de microstructura dominantă la temperatura camerei: tipuri austenitice, feritice, martensitice, călire prin precipitare și duplex. În ultimele câteva decenii, oțelurile inoxidabile au fost utilizate pe scară largă într-o varietate de aplicații, cum ar fi chimice, petrol, energie nucleară, maritime, transporturi, spitale, lactate, industria alimentară etc. Aliajele austenitice sunt cele mai utilizate pe scară largă dintre toate oțelurile inoxidabile atât în ​​mediu criogenic, cât și la temperaturi ridicate datorită fabricării ușoare și rezistenței la coroziune.

Oțelurile inoxidabile sunt considerate a fi mai dificil de prelucrat decât oțelurile carbon datorită rezistenței ridicate la tracțiune, ductilității ridicate, vitezei ridicate de călire prin lucru, conductivității termice scăzute și caracterului abraziv, ceea ce duce la o rată mai mare de uzură a sculei, dificultăți cu ruperea așchiilor și finisare slabă a suprafeței. Oțelurile inoxidabile austenitice au o călire prin lucru puternică. O muchie construită se formează în timpul tăierii oțelurilor inoxidabile austenitice chiar și la o viteză de tăiere relativ mai mică decât tăierea oțelurilor carbon. Acestea se leagă foarte puternic de oțelul de tăiere, iar așchiile rămân adesea lipite de unealtă, provocând fragment de sculă odată ce așchia s-a desprins. De obicei, oțelurile inoxidabile austenitice sunt mai dificil de prelucrat decât oțelurile inoxidabile feritice și martensitice. Oțelul inoxidabil duplex este similar cu oțelul inoxidabil austenitic, dar mai greu de prelucrat datorită rezistenței sale ridicate la recoacere. În general, carburile acoperite cu TiN-TiCN sunt recomandate pentru prelucrarea oțelurilor inoxidabile folosind viteze de așchiere și rate de îndepărtare a materialului mai mici decât la oțelurile carbon, adâncime de tăiere mai mare decât grosimea stratului de călire prin lucru și lichid de răcire.

CONTINUARE