1. Podaj właściwości mechaniczne i fizykochemiczne czystego aluminium.

2. Przedstaw klasyfikację stopów aluminium.

3. Narysuj podwójny układ Al-Si i wyjaśnij dlaczego stopy około-eutektyczne są najczęściej stosowane.

4. Przedstaw na czym polega modyfikacja siluminów i jakie są jej efekty.

5. Scharakteryzuj durale, - skład chemiczny, struktura, właściwości i zastosowanie.

6. Podaj na czym polega obróbka stopów Al zwana utwardzaniem dyspersyjnym.

1. Wesja 1.

• Aluminium krystalizuje w sieci A1, a więc cechuje się dużą plastycznością. Ma parametr sieci a = 0,40408 nm, temperaturę topnienia 660,4 °C, temperaturę wrzenia 2060 °C. Mała gęstość 2,7 g/cm3 (3 razy mniejsza niż żelaza) kwalifikuje ten metal do grupy metali lekkich. Dzięki tej własności i stosunkowo bogatemu występowaniu w przyrodzie (ok. 7%) jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym i transporcie. Aluminium cechuje się dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym (gorszym jednak niż miedź), stąd jego zastosowanie na przewody elektryczne. Ma wysoką energię błędu ułożenia 200 - 250 mJ/m2. Na powietrzu pokrywa się cienką warstwą Al2O3, która chroni je przed dalszym utlenianiem. Jest odporne na działanie wody, H2CO3, H2S, wielu kwasów organicznych, związków azotowych. Natomiast nie jest odporne na działanie wodorotlenków (np. NaOH, KOH), kwasów beztlenowych (HF, HCl), wody morskiej i jonów rtęci. Wytrzymałość czystego wyżarzonego aluminium jest niska Rm = 70 - 120 MPa, Re = 20 - 40 MPa, wydłużenie A10 = 30 - 45, przewężenie Z = 80 - 95 %. Twardość wynosi 15 - 30 HB; może jednak być umacniana przez zgniot. Wytwarza się aluminium o różnych stopniach czystości (zgodnie z normami PN-79/H-82160 i PN-79/H-82163): najczystszy gatunek A199,995R jest używany przy wytwarzaniu aparatury chemicznej i folii kondensatorowych, gatunek A199,8H stosuje się na folie, powłoki kablowe i do platerowania, A199,5HE na przewody elektryczne, A199 na wyroby codziennego użytku. Do najczęstszych zanieczyszczeń aluminium należą Fe, Si, Cu, Zn, Ti, które obniżają plastyczność i przewodnictwo elektryczne, natomiast zwiększają twardość i wytrzymałość. Aluminium przerabia się plastycznie - walcuje (blachy, folie) lub wyciska (pręty, rury, drut, kształtowniki). Obróbkę plastyczną można przeprowadzać na zimno lub na gorąco (ok. 450°C). Aluminium ma duże powinowactwo do tlenu, stąd jego zastosowanie w aluminotermii oraz do odtleniania stali. Oprócz tego jest szeroko stosowane w przemyśle spożywczym oraz do aluminiowania dyfuzyjnego stali.

Wersja 2.

2. Wersja 1.

Własności wytrzymałościowe czystego aluminium są stosunkowo niskie, dlatego stosuje się stopy, które po odpowiedniej obróbce cieplnej mają wytrzymałość nawet kilkakrotnie większą. Stopy aluminium cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym, tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, a oprócz tego ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki czemu w niskich temperaturach mają większą udarność niż stal. Mają jednak niską wytrzymałość zmęczeniową. Stopy aluminium dzieli się na:

odlewnicze (PN-EN 1706:2001)

do obróbki plastycznej (PN-EN 573-3:2005)

Do odlewniczych zaliczamy stopy przeważnie wieloskładnikowe o większej zawartości pierwiastków stopowych (5 - 25%), np. z krzemem (silumin); z krzemem i magnezem, z krzemem, miedzią, magnezem i manganem, z krzemem, miedzią, niklem, magnezem i manganem i inne. Cechują się one dobrą lejnością i małym skurczem. Stopy do przeróbki plastycznej zawierają na ogół mniejsze ilości dodatków stopowych, głównie miedź (do ok. 5%), magnez (do ok. 6%) i mangan (do 1,5%), rzadziej krzem, cynk, nikiel, chrom, tytan. Niektóre stopy aluminium można poddawać utwardzaniu wydzieleniowemu, po którym ich własności wytrzymałościowe nie są gorsze niż wielu stali.Najnowszy stop, dzięki któremu można spawać aluminium, to alumilut (temperatura topnienia 380 °C). Niektóre stopy aluminium nadają się zarówno do odlewania, jak i przeróbki plastycznej.

Wersja 2.

Stosunkowo niskie właściwości wytrzymałościowe aluminium można zwiększyć, nawet kilkakrotnie, przez wprowadzenie pierwiastków stopowych i obróbkę cieplną stopów. W porównaniu ze stalami stopy aluminium charakteryzują się znacznie mniejszą masą, a w niskiej temperaturze niską udarnością.

Stopy aluminium dzieli się na:

1. do obróbki plastycznej

2. odlewnicze

Niektóre stopy mają właściwości i takie i takie. Podział stopów aluminium:

- ze względu na podatność do utwardzenia wydzieleniowego

- nie utwardzane wydzieleniowo

- utwardzane wydzieleniowo

- ze względu na ilość pierwiastków stopowych

- wieloskładnikowe

- dwuskładnikowe

- ze względu na rodzaj głównego dodatku stopowego:

Al-Si, Al-Cu, Al-Mg, Al-Zn, Al-Mn(Fe), Al-Li

4. wersja 1.

Silumin, alpaks - typowy stop odlewniczy - stop aluminium z dodatkiem krzemu, oraz innymi (o mniejszym udziale procentowym) dodatkami takimi jak miedź, magnez, mangan i nikiel, odporny na korozję, o dobrej lejności, małym skurczu i małą skłonnością do pękania, popularny w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym. Siluminy maja bardzo dobre właściwości odlewnicze, tzn. dobrą lejność, mały skurcz, dokładnie wypełniają formę, tworzą skoncentrowaną jamę usadową i nie wykazują skłonności do pękania. Dodatki stopowe, takie jak magnez i miedz zwiększają wytrzymałość, nikiel poprawia odporność korozyjną stopu. Najpopularniejsze siluminy to AK12 i AK20 (o 12% i 20% zawartości krzemu), wykorzystywane powszechnie na tłoki cylindrów. W celu poprawy własności siluminów stosuje się ich modyfikację. Siluminy podeutektyczne i eutektyczne modyfikuje się fluorkiem sodu nie przekraczającym 0,1%, a siluminy nadeutektyczne fosforem. W celu poprawy właściwości mechanicznych siluminu, bardzo często stosuję się zabieg utwardzania dyspersyjnego, polegający na wyżarzaniu i starzeniu stopu.

Wersja 2.

STRUKTURA I MODYFIKACJA SILUMINÓW

Po odlaniu struktura siluminów zawiera grubokrystaliczną fazę -  - praktycznie czysty Si(szczególnie przy wolnym chłodzeniu).Konsekwencją tego jest drastyczny spadek ich plastyczności.Celem poprawy ich własności , siluminy poddaje się procesowi modyfikacji:

siluminy podeutektyczne i eutektyczne, modyfikuje się sodem ,dodawanym w postaci mieszaniny NaF,NaCl i KCl. Dodatek Na obniża temp. przemiany eutekt. oraz powoduje przesunięcie punktu eutektycznego do większego stężenia ( w prawo) - do ok.13% Si. Strukturę takiego stopu stanowi drobnoziarnista eutektyka (     z wydzieleniami drobnymi fazy 

siluminy nadeutektyczne, (duże wydzielenia  Si, modyfikuje się fosforem ,który tworzy dyspersyjne cząstki AlP-stające się heterogencznymi zarodkami krystalizacji cząstek fazy {Si}- w wyniku czego otrzymywuje się w temp. otocznia drobnokrystaliczną eutektykę (  oraz drobne wydzielenia cząstek fazy  Sio dużej dyspersji.

EFEKTEM MODYFIKACJI SILUMINÓW JEST WZROST ICH WłASNOŚCI MECHANICZNYCH np: SlLUMIN EUTEKTYCZNY

Własność mechaniczna	przed modyfikacją	po modyfikacji
Rm [MPa]	110	250
A10 [%]	0,1	7

zastosowanie siluminów - siluminy eutektyczne i nadeutektyczne wykazujące wysoką żarowytrzymałość są stosowane na wysokoobciążone tłoki silników spalinowych.

Z siluminów podeutektycznych wytwarza się silnie obciążone części dla przemysłu okrętowego i elektrycznego, pracującego w podwyższonej temperaturze i w H₂O morskiej.

Wieloskładnikowe stopy Al z Si są stosowane m.in. na głowice silników spalinowych oraz inne odlewy w przemyśle samochodowym.

5. Wersja 1.

Duraluminium (skrótowo: dural) to ogólna nazwa stopów metali, zawierających głównie aluminium oraz dodatki stopowe: zwykle miedź (2,0-4,9 %), mangan (0,3-1,0 %), magnez (0,15-1,8 %), często także krzem, żelazo i inne w łącznej ilości ok. 6 do 8%, przeznaczony do przeróbki plastycznej. Gęstość duraluminium to ok. 2,8 g/cm³ (przy 2,7 dla czystego glinu). Po poddaniu stopu przesycaniu, a następnie starzeniu (utwardzanie wydzieleniowe lub inaczej dyspersyjne), posiada on wysoką wytrzymałość mechaniczną: wytrzymałość doraźna ponad 400 MPa. Najlepsze własności wytrzymałościowe uzyskuje po starzeniu naturalnym. Zastosowanie: m.in. w lotnictwie do części konstrukcyjnych, niegdyś także do ram naziemnych pojazdów sportowych, itp. Rozróżnia się także dural cynkowy, który ma większą zawartość cynku 5-7% oraz miedź, magnez i mangan.

Durale bezcynkowe: PA6, PA7, PA21, PA23, PA24, PA25

Dural cynkowy: PA9

Oporność na korozję [edytuj]

Durale mają niewielką odporność korozyjną. W celu poprawienia odporności korozyjnej blachy z durali bezcynkowych plateruje się czystym aluminium lub stopem Al+Zn w przypadku duralu cynkowego.

Odkuwki, pręty, rury i kształtki zabezpiecza się przed korozją innymi metodami.

Wersja 2.

Stopy aluminium z Cu i Mg oraz niewielkim dodatkiem Fe, Mn, lub Si są nazywane duraluminium lub duralami miedziowymi. Zwiększenie stężenia Cu oraz Mg powoduje podwyższenie własności wytrzymałościowych i zmniejszenie plastyczności oraz podatności na obróbkę plastyczną. Skład chemiczny durali jest dobierany tak, aby w stanie równowagi w temperaturze pokojowej wykazywały strukturę jednofazową. Podczas krystalizacji w warunkach termicznych tworzą się podwójne lub potrójne eutektyki, zwłaszcza w stopach o większym stężeniu Cu i Mg. Stopy Al z Cu i Mg są poddawane obróbce cieplnej polegającej na wyżarzaniu ujednorodniającym, rekrystalizującym i przede wszystkim na utwardzeniu wydzieleniowym. Przesycanie odbywa się w wodzie po wygrzaniu w temp. 490-510'C przez 4-6h. W czasie starzenia samorzutnego w temperaturze pokojowej przez kilka dni, lub sztucznego w temp. 170-190'C przez kilka do kilkudziesięciu godzin, w zależności od stężenia Cu i Mg, następuje kilkuetapowe wydzielanie.

6. wersja 1.

Utwardzanie wydzieleniowe także umocnienie dyspersyjne lub umocnienie wydzieleniowe - metoda obróbki cieplnej metali prowadząca w efekcie do zwiększenia ich wytrzymałości mechanicznej. Utwardzenie jest efektem wydzielenia rozpuszczonego składnika z roztworu przesyconego a w temperaturze niższej prowadzące w efekcie do zmiany właściwości stopu. Proces utwardzania składa się z dwu etapów: przesycania oraz starzenia. Przesycanie polega na nagrzaniu metalu do stanu płynnego, rozpuszczeniu składników fazy (lub faz) umacniającej i wygrzaniu stopu w tej temperaturze w celu uzyskania jednorodnego roztworu. Przy szybkim schłodzeniu otrzymuje się roztwór stały w stanie metastabilnym (przesyconym). Otrzymana struktura jest na ogół nietrwała, gdyż składnik stopowy znajdujący się w roztworze w nadmiernej ilości wykazuje tendencję do wydzielenia się. Przesycanie w niewielkim stopniu podwyższa właściwości mechaniczne stopów i w zasadzie poprzedza starzenie. Starzenie kolejny etap obróbki cieplnej stopów metali uprzednio przesyconych; polega na wygrzaniu ich w temperaturze odpowiednio niższej od temperatury przesycenia w celu wydzielenia z roztworu stałego przesyconego fazy (lub faz) o odpowiednim stopniu dyspersji, zawierającej składnik stopowy, znajdujący się w roztworze w nadmiarze. Skutkuje nawet prawie dwukrotnym zwiększeniem własności wytrzymałościowych, przy mniejszej ale wciąż stosunkowo niezłej ciagliwości. Dobre starzenie wymaga czasu i zachowania odpowiedniej temperatury procesu. Starzenie w temperaturze podwyższonej nazywa się przyspieszonym albo sztucznym, w temperaturze otoczenia - naturalnym albo samorzutnym. W niektórych przypadkach starzenie zachodzi z udziałem faz pośrednich oraz stref Guiniera - Prestona, będących kompleksami, w których segregują atomy rozpuszczone w sieci rozpuszczalnika. Stop przesycony powoli chłodzony do temperatur otoczenia podlega przemianie wydzielania składnika przesycającego w postaci stosunkowo dużych ziaren fazy, skupionych głównie na granicach ziarn fazy α. Ten sam stop szybko ochłodzony do temperatury otoczenia ma budowę jednofazową przesyconego roztworu stałego α, ponieważ składnik przesycający nie zdąży się wydzielić. Przesycenie roztworu nadaje mu niewielką wytrzymałość i twardość, ale znaczną ciągliwość. Uprzywilejowanym miejscem zarodkowania wydzieleń są defekty struktury krystalicznej, jak dyslokacyjne granice bloków, pętle dyslokacji, granice ziaren. Duże stężenie wakansów w stopie przesyconym ułatwia dyfuzyjne tworzenie się wydzieleń. Hamowanie poślizgów dyslokacji przez oddziaływanie pól naprężeń zlokalizowanych wydzieleń jest złożone. Prawdopodobnie polega na równoczesnym działaniu kilku mechanizmów. Dla umocnienia wydzieleniowego typowy jest zakres średniej odległości między źródłami pól naprężeń. Występuje przy tym oddziaływanie dyslokacji i odkształcalnych wydzieleń:

dalekigo zasięgu, jeżeli dyslokacja znajduje się od wydzielenia w odległości i rzędu miedzy wydzieleniami. Zostało opracowane przez Motta i Nabarro i dane zależnością: τ=2GεC

bliskiego zasięgu, jeżeli dyslokacja znajduje się bezpośrednio przy wydzieleniu. Opracowane przez Kelly'ego i Fine'a prawdopodobnie jest efektywniejszym czynnikiem umocnienia. Poruszająca się dyslokacja napotykając na drodze poślizgu wydzielenie, dzięki jego odkształcalności pokonuje je przez tzw. przepełzanie. Naprężenie uruchomienia poślizgu dyslokacji dane jest zależnością: τ=(γ*C1/2/b) gdzie C jest udziałem obiętościowym wydzieleń w stopie. W umocnieniu wydzieleniowym pewien udział ma również umocnienie roztworowe, związane z obecnością w roztworze atomów obcych.

Wersja 2.

Utwardzanie wydzieleniowe to proces złożony z dwóch operacji, przesycania - roztworu stałego przez szybkie oziębianie w temp 500-580'C oraz starzenia przesyconego stopu w celu wydzielenia się fazy dyspersyjnej - umocnienie wydzieleniowe. Starzenie dzieli się na dwa rodzaje: starzenie samorzutne - w temperaturze pokojowej oraz starzenie sztuczne (przyśpieszone) w wyniku wygrzewania w temp 100-180'C. Przemiana przesyconego stopu w równowagową mieszaninę nasyconą zwykle zachodzi w czterech etapach. Sprawa dotycząca stopów aluminium przedstawia się następująco: W wyniku przesycenia roztworu miedzią roztwór stały znajduje się w stanie metastabilnym, cechując się nadmiarem energii swobodnej. W pierwszym etapie starzenie w sieci przesyconego roztworu stałego różno węzłowego, o przypadkowym rozmieszczeniu atomów Cu w płaszczyznach tworzą skupiska atomów miedzi zwane strefami Guiniera-Prestona. Strefy GP powstają podczas samorzutnego starzenia w temperaturze pokojowej i mają postać cienkich płytek o grubości kilkudziesięciu i średnicy kilkuset nm, całkowicie koherentnych z osnową roztworu. Różnice średnic atomów Al i Cu powodują znaczne odkształcenia sprężyste i naprężenia w sieci i w wyniku tego umocowanie stopu.

---