ALUMINIUM I JEGO STOPY

Najbardziej rozpowszechniony pierwiastek metaliczny w skorupie ziemskiej - wyst. głównie w postaci licznych skaleni i skałach magmowych itp; jednak techniczne zastos. znalazł boksyt{AlO(OH)}. Al otrzymywuje się met. hydrometalurgiczną, jego własności natomiast zależą od stopnia jego czystości (rafinowany elektrolit. Al-99.995%).

Własności fizyczne i mechaniczne Al

przew.elektr.	gęstość	temp.top.	typ sieci	Rm	Re	HB	A
[MS/m]	[g/cm^3]	[^oC]	(12 syst. pślizgu)	[MPa]	[MPa]		[%]
37.74	2.7	660	A1	70-120	20-40	15-30	30-45

Zastosowanie Al: przewody elektryczne, do produkcji stopów (lekkich- niskie R_m/ρ),urządzeń dla przemysłu chemicznego i spożywczego (odporność na działanie O₂ (Al₂0₃),Cl₂,CO_2,HS ) jako odtleniacz do redukcji różnych met. i stopów;oraz w elektrotechnice.

STOPY ALUMINIUM

Techniczne stopy Al - dwuskładnikowe lub wieloskładnikowe - ze względu na sposób otrzymywania dzielimy na :

• - odlewnicze

• - do przeróbki plastycznej(Rys.1)

Niektóre z nich mogą być stosowane zarówno jako odlewnicze, do p. plastycznej oraz OC - tzn. utwardzania wydzieleniowego.

Stopy odlewnicze Al:

Zaliczamy stopy (dwu-lub wieloskładnikowe) o dużej zawartości dodatków stopowych-5 do 20%-głównie z - Si,Cu,Mg lub Ni.

Siluminy

Dominującą grupę odlewniczych stopów Al stanowią stopy z Si - stopy te o składzie zbliżonym do eutektycznego,nazywamy siluminami.W zależności od zawartości Si i dodatków siluminy dzielimy na:

dwuskładnikowe:

1.podeutektyczne, zawierające od 4 do 10% Si

2.eutektyczne, zawierające od 10 do 13% Si

3.nadeutektyczne, zawierające od 13 do 30%Si.

wieloskładnikowe

Siluminy, przeważnie są wieloskładnikowe - tzn.oprócz Si- zawierają dodatki Cu, Mg,Mn(Ni); dodatki te umożliwiają znaczne polepszenie ich własności mechanicznych poprzez OC-utwardzanie wydzieleniowe.

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.

STOPY Al PRZERABIALNE PLASTYCZNIE

Można je podzielić ze względu na podatność do OC na:

1. nie obrabialne cieplnie (wydzieleniowo)

1. obrabialnie cieplnie ( wydzieleniowo)

ad.1Stanowią je stopy Al o niedużej ilości dodatków stopowych(<5%),przeważnie jednofazowe o budowie r-ru stałego ,przez co charakteryzują się dużą ciągliwością w temp. otoczenia i odpornością na niektóre ośrodki korozyjne.

np.Stopy z ukł. Al -Mg (2-5%) z dodatkami (Si,Mn i Cr ) zwane hydronaliami (npAlMg1,AlMg1SiMn),

oraz stopy z ukł. AlMn(<2%) np.AlMn1 zwany alumanem.

Zastosowanie na średnio obciążone elementy w przemyśle okrętowym i lotniczym oraz w urządzeniach przemysłu spożywczego i chemicznego

ad.2 Są to stopy wieloskładnikowe - zwane duralami - oparte na ukł. równowagii:

Al-Cu(3-5%) z dodatkami Mg i Mn zwane duralamin miedziowymi,

Al-Mg(<1,5%) z dodatkami Si(aldrey) i Mn(anticorodal),

Al-Si (ok.1%) z dodt. Cu (avia),

Al-Zn(5-7%) z dodatkamiCu,Mn,Mg i Cr zwane duralami cynkowymi.

Obróka cieplna durali polega na wyżarzaniu rekrystalizującym po zgniocie i utwardzaniu wydzieleniowym.Durale po OC mają wysokie własności mechaniczne-Rys.2(Durale Zn po OC:

R_m ok. 700MPa, A10 - 12%, czyli własności zbliżone do stali SSPW).

Główne ich zastosowanie w przemyśle lotniczym i samochodowym oraz na elementy maszyn i taboru kolejowego.

Obróka cieplna durali - utwardzanie wydzieleniowe

(na przkładzie stopów z układu Al - Cu {do ok. 5%}

1- 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 temp.>linii granicznej rozp. w stanie stałym.(solvus) Rys.3

- 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 temp.<od linii solvus)

- 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-Rys. 4

ETAPY I MECHANIZM STARZENIA DURALI

( na przykł stopu AlCu4)

w stopie tym występują cztery różnego rodzaju wydzielenia :

Strefy GP → ϑ^{`'</sup> → ϑ<sup>`}→ ϑ

I.etap - wydzielenie :strefy GP1 (Guiner-Prestona) - miejsca wzbogacone w Cu,powstają jako pierwsze wydzielenie(temp. ok100⁰C) w kształcie dysków o grubości 1-2 śr. atm. i śr. ok.25Ǻ. Strefy te są koherentne i do pł{100} osnowy (są metastabilne ponieważ rozp. się w temp. ok.210⁰C)

II.etap - wydzielenie : ϑ^`' (dawniej GP2),powstaje jako drugie wydz. w temp ok. 130⁰C, ma kształt płytek (o gr. ok 25 Ǻ i śr. ok. 150 Ǻ ) koherentne i  do pł. {100} osnowy.Pod koniec tego etapu starzenia następuje utrata idalnej koherentności pomiędzy wydzieleniami a osnową(tetragpnalne zniekształcenie w kier. c)

III.etap - wydzielenie : ϑ^{`</sup>powstaje w temp>130<sup>0</sup>C - zawsze nieco później niź ϑ<sup>`'} - o strukturze częściowo tetragonalnej i częściowo koherentnej oraz  do pł osnowy

IV.etap - faza : ϑ powstaje w temp.>200⁰C, przez przekształcenie ϑ^`do równowagowej fazy -CuAl₂ - wydzielonej w postaci płytek o budowie tetragonalnej,których płaszczyzny {100} są  do płaszczyzn {100} osnowy.

Efekt starzenia i odpowiadające im mechanizmy umocnienia duralu (dla poszczególnych jego etapów) - przestawiono schematycznie na Rys.5

Z danych zawartych na tym rysunku wynika,że maksymalne umocnienie duralu ma miejsce dla pośredniego stadium wydz. ϑ^{`</sup>(lubϑ<sup>`'} )utrata koherentności - i konieczności w zwązku z tym podczas odkształcenia wzrostu naprężenia,celem jego ścięcia przez dyslokację(tzw. efekt przecinania) lub koniecznością przejścia dyslokacji na inną płaszczyznę,przecinającą pł. poślizgu.

Spadek umocnienia tzw. efekt przestarzenia (długotrwałe starzenie w temp.>200⁰C IV etap),wynika ze zmiany mechanizmu odkształcenia- tzw. mechanizm Orowana-Rys.6.

Rys.6 Mechanizm Orowana dla dyslokacji przechodzących przez szereg cząstek dyspersyjnych

Rys.1. Fragment typowego ukł. równowagii fazowej stopów Al z zaznaczeniem zakresów stężęń stopów do przeróbki plastycznej,umacnianych zgniotowo i wydzieleniowo,oraz stopów odlewniczych.

Rys. 4.Kinetyka procesu starzenia stopu Al. Z dodatkiem 4%Cu

Rys.2. Zależność stosunku naprężeń rozciągających do ciężaruwłaściwego od wydłużenia dla stali i stopow

Rys.3 Fragment układu równowagiAl - Cu

Rys.5.Wzajemne nakładanie się mechanizmów utwardzania wydzieleniowego prowadzącego do wystąpienia kolejnych stadiów na wykresie zmian twardości od czasu starzenia

---