Ćwiczenie 2
Obróbka cieplna stopów nieżelaznych
Własności wytrzymałościowe czystego aluminium są stosunkowo niskie,
Stopy aluminium wykazują następujące właściwości:
mała gęstość ok. 2,8g/cm3
duża wytrzymałość względna (stosunek wytrzymałości na rozciąganie do gęstości)
duża odporność na korozję
duża przewodność elektryczna i cieplna - łatwość obróbki mechanicznej
niezdolność do iskrzenia i niepalność.
Klasyfikacja stopów aluminium
W zależności od sposobu wytwarzania stopy aluminium można podzielić na:
Stopy aluminium do obróbki plastycznej – stężenie pierwiastków stopowych do 5%, głównie Cu, Mg, Mn, Zn a także Si, Cr, Ti.
Odlewnicze stopy aluminium - stężenie pierwiastków stopowych od 5% do 25%, głównie Cu, Si, Mg, Zn i Ni. W większości są to stopy wieloskładnikowe.
Odlewnicze stopy aluminium
Stopy odlewnicze Al z Si zwane są siluminami.
Według zawartości krzemu siluminy dzieli się na:
podeutektyczne o zawartości 4 ÷ 10 % Si,
eutektyczne o zawartości 10 ÷ 13 % Si,
nadeutektyczne o zawartości 17 ÷ 30 % Si.
Siluminy o składzie zbliżonym do eutektycznego mają bardzo dobre własności odlewnicze, cechuje się dobrą lejnością, małym skurczem i nie wykazuje skłonności do pękania na gorąco. Jego wadą jest powstawanie, zwłaszcza po niezbyt szybkim chłodzeniu, gruboziarnistej struktury z pierwotnymi kryształami krzemu, co prowadzi do znacznego obniżenia własności mechanicznych stopu. Można temu zapobiec przez modyfikację, która polega na wprowadzeniu do ciekłego stopu dodatków zwanych modyfikatorami, lub przez przyspieszone chłodzenie.
Stopy aluminium do obróbki plastycznej
Stopy aluminium z miedzią są typowymi stopami aluminium (do ok. 5% Cu) nadającymi się do obróbki plastycznej oraz obróbki cieplnej, zwanej utwardzaniem wydzieleniowym. Oprócz stopów Al-Cudo obróbki plastycznej i utwardzania wydzieleniowego nadają się stopy Al-Mg, Al-Mn oraz stopy wieloskładnikowe, w których oprócz Mg i Mn znajduje się dodatek Si, Zn, Cr.
Stopy te można podzielić na dwie podgrupy:
stopy stosowane bez obróbki cieplnej,
stopy stosowane w stanie utwardzonym dyspersyjnie.
Pierwsza podgrupę tworzą stopy aluminium-mangan, aluminium-magnez i aluminium magnez-mangan.
Stopy aluminium-mangan umacnia się jedynie przez obróbkę plastyczną na zimno (zgniot).
Stopy aluminium-magnez można obrabiać cieplnie, ale efekt tej obróbki jest niewielki, toteż praktycznie umacnia się je również tylko przez obróbkę plastyczną a zimno.
Naważniejszym składnikiem stopowym drugiej podgrupy stopów aluminium jest miedź, podwyższająca wytrzymałość i twardość.
Najstarszymi stopami aluminium, mającymi zresztą do dziś szerokie zastosowanie przede wszystkim w lotnictwie, są durale (nazwa duraluminium lub krótko dural oznacza „twarde aluminium", z francuskiego dur — twardy).
Rozróżnia się dwa rodzaje durali:
bezcynkowe,
durale zawierające cynk
W duralach bezcynkowych głównymi dodatkami stopowymi umacniającymi są miedź i magnez. Mangan dodawany jest w celu polepszenia odporności na korozję, pozostałe pierwiastki są nieuchronnymi zanieczyszczeniami.
Durale zawierające cynk są najbardziej wytrzymałymi stopami aluminium (po utwardzeniu dyspersyjnym Rm osiąga wartość do 600 MPa), wykazują jednak mniejszą podatność do przeróbki plastycznej i nieco obniżoną odporność na korozję naprężeniową.
Obróbka cieplna durali - utwardzanie wydzieleniowe
podstawą dla przeprowadzenia procesu utwardzania wydzieleniowego jest występowanie zmiennej (granicznej) rozpuszczalności składnika stopowego, w stanie stałym
2 - proces składa się z dwóch zabiegów : przesycania i starzenia
3 - Przesycanie polega na:
nagrzaniu stopu(<5.65%Cu) do temperatury powyżej linii granicznej rozpuszczalności w stanie stałym
wygrzaniu w tej temperaturze
gwałtownym chłodzeniu (H2O lub powietrze) zawsze z szybkością > niż rozpad fazy K (przesunięcie obszaru jednofazowego do temp. otoczenia - równowaga metastabilna)
4 - starzenie ma na celu :
wydzielenie przsyconego składnika(Cu)z roztworu stałego K w odpowiednim st. dyspersji - starzenie może przebiegać samorzutnie (w temp. otoczenia) lub sztucznie (w temperaturze wyższej niż pokojowa i w krótszym czasie.
konsekwencją tego zabiegu jest wzrost własności wytrzymałościowych stopu - w wyniku zmian zachodzących po przesyceniu w jego strukturze
uzyskiwany efekt jest funkcją temp. i czasu starzenia; im temp. procesu jest wyższa tym efekt uzyskiwany jest wcześniej, niemniej jednak jest on zawsze niższy od otrzymywanego w niższych temperaturach
Wyżarzanie stopów aluminium
Stopy aluminium można poddawać następującym rodzajom wyżarzania:
Wyżarzanie ujednorodniające przeprowadza się głównie w celu ujednorodnienia struktury, zwłaszcza odlewów. Polega ono na nagrzaniu stopu do temperatury, w której ma on strukturę roztworu stałego, wygrzaniu w tej temperaturze przez dłuższy okres czasu (2 - 12 godzin) i następnie powolnym chłodzeniu.
Wyżarzanie zmiękczające ma na celu zmniejszenie twardości i polepszenie plastyczności stopu poprzez koagulację wydzielonych faz. Przeprowadza się je w zakresie temperatur leżących poniżej krzywej granicznej rozpuszczalności. W praktyce stopy aluminium w zależności od składu wyżarza się w temperaturze 320 - 400°C przez 2 -3 godziny
Wyżarzanie rekrystalizujące przeprowadza się w celu usunięcia niektórych skutków zgniotu zwykle w temperaturze nieco wyższej od temperatury rekrystalizacji (300 - 400°C). Wyżarzanie to przeprowadza się jako zabieg między operacyjny w czasie obróbki plastycznej na zimno lub jako zabieg końcowy,
Wyżarzanie odprężające ma na celu usunięcie naprężęń własnych, zwłaszcza w odlewach kokilowych. Temperatura wyżarzania wynosi, zależnie od gatunku stopu, 200 - 300°C. Po wyżarzaniu stosowane jest powolne chłodzenie.