Stopy aluminium

oprac. Krzysztof Krzysztofowicz

Aluminum

Cu

Mn

Si

Mg

Zn

Inne

1xxx

1050

2xxx

2519

3xxx

3103

4xxx

4043

5xxx

5050

6xxx

6101

7xxx

7136

8xxx

8090

obrabialne
cieplnie

nieobrabialne
cieplnie

Mg

2

Si

Oznaczanie stopów Al wg IADS

2

IADS – International Alloy Designation System

Najczęstsze stopy Al

3

Al

Cu

Mn

Si

Mg

Zn

Al-Cu

Al-Cu-Mg

Al-Mn

Al-Si

Al-Mg

Al-Mg-Mn

Al-Mg-Si

Al-Zn-Mg

Al-Zn-Mg-Cu

seria 2000

seria 2000

seria 3000

seria 4000

seria 5000

seria 5000

seria 6000

seria 7000

seria 7000

• Materiał lekki, dobra odporność korozyjna,

stosunkowo łatwy w obróbce plastycznej i
skrawaniu

• Dobrze wygląda
• Generalnie w stanie odpuszczonym

– O = wyżarzony
– H = umocniony odk. plast.
– T =

obrobiony cieplnie

• 6061-T6

Aluminium

Umocnienie przez
odkształcenie plastyczne:
kontrolowana przeróbka
plastyczna stopu na zimno

–

zwiększa twardość i
wytrzymałość, zmniejsza
plastyczność.

• Temper designations are designated by

hyphen.

•

Example:

2024-T6

F – as fabricated
O – Annealed
H – Strain hardened.
T – Heat treated to
produce stable
temper

H1 – Strain hardened
alloy.
H2 – Strain hardened
and partially
annealed.
H3 - Strain hardened
an annealed

T1 – Naturally aged
T3 – Solution heat treated.
T4 – Solution heat treated
and naturally aged.
T5 - Cooled and artificially
aged.
T6 - Solution heat treated
and artificially aged.
T7 - Solution heat treated
and stabilized.
T8 - Solution heat treated,
cold worked and then
artificially aged.

9-35

Oznaczenie

Opis

F

Wytworzony

O

Wyżarzony

T1

Schłodzony z podwyższonej temperatury i naturalnie starzony

T4

Przesycony i naturalnie starzony w razie potrzeby

T5

Schłodzony z podwyższonej temperatury i sztucznie starzony

T6

Przesycony i sztucznie starzony

T64

Przesycony i sztucznie starzony w temperaturze dla stanu
podstarzonego

T7

Przesycony i sztucznie przestarzony (stabilizowany)

Oznaczenie obróbki cieplnej stopów aluminium

wg PN-EN 1706:2001

Pozyskiwanie glinu - ogólnie

•

Trzeci najczęściej występujący
pierwiastek na Ziemi (ok 7,5% składu
skorupy ziemskiej)‏

•

Pozyskiwanie:

–

Wytop z rud boksytów

–

Wytop z złomu

•

Złoża

–

Świat

•

Australia,Ameryka Łacińska,Chiny

–

Europa

•

Grecja,Węgry

–

Polska

•

Dolny Śląsk (Nowa Ruda)‏

Za: Andrzej Korpysz,
Piotr Kołacz, Paweł Janik

Pozyskiwanie glinu - ogólnie

Otrzymywanie czystego aluminium:

-wydobycie rudy

-wzbogacanie rudy

-uzyskanie tlenku aluminium w procesie Bayera

-elektroliza tlenku glinu w procesie Hall-Héroulta

Wytwarzanie stopów aluminium

Za: Andrzej Korpysz,
Piotr Kołacz, Paweł Janik

SCHEMAT OTRZYMYWANIA Al Z BOKSYTÓW

BOKSYT – ruda aluminium

OTRZYMYWANIE Al

2

O

3

METODĄ BAYERA

Al

2

O

3

ELEKTROLIZA Al

2

O

3

Aluminium hutnicze 98,0 – 99,5

RAFINACJA ALUMINIUM HUTNICZEGO

Aluminium rafinowane Al99,60 - Al99,99

Stopy odlewnicze i do przeróbki plastycznej

Odlewy, druty, blachy, profile, folie

Za: Tomasz Wróbel

Proces Hall-Héroulta

Za: Andrzej Korpysz,
Piotr Kołacz, Paweł Janik

Aluminium

• występuje w przyrodzie w bardzo wielu minerałach i jest trzecim (po tlenie i
krzemie) pierwiastkiem pod względem udziału w skorupie ziemskiej,
liczba atomowa 13,
• masa atomowa wynosi 26,9815,
• nie wykazuje ono odmian alotropowych i krystalizuje w sieci regularnej
ściennie centrowanej typu A1 o parametrze 0,40408 nm.
• temperatura topnienia aluminium wynosi 660,37°C, a wrzenia 2494°C,
• gęstość aluminium wynosi 2,6989 g/cm3 w 20°C.
W stanie wyżarzonym cechuje się:
• wytrzymałością na rozciąganie wynoszącą Rm = 70÷120 MPa,
• granicą plastyczności Re = 20÷40 MPa,
• wydłużeniem A = 30÷45%
• przewężeniem Z = 80÷95%.

Za: Krzysztof Miernik

Aluminium - korozja

Aluminium wykazuje dużą odporność na korozję. Na powietrzu

pokrywa się cienką warstwą Al

2

O

3

, chroniącą przed korozją

atmosferyczną, działaniem wody, stężonego kwasu
azotowego, licznych kwasów organicznych, a także
siarkowodoru.

Natomiast kwasy redukujące HCl i HF, woda morska, pary i jony

rtęci powodują przyspieszenie korozji aluminium.

W celu polepszenia odporności na korozję aluminium może być

poddane tzw. anodowaniu, tj. elektrolitycznemu procesowi
wytwarzania powłoki tlenkowej, np. w roztworze 10% kwasu
siarkowego, połączonemu z barwieniem powierzchni metalu
na różne kolory.

Za: Krzysztof Miernik

Aluminium - zastosowanie

Gatunki aluminium hutniczego (o ograniczonej czystości) są

stosowane do:

• produkcji stopów oraz licznych produktów codziennego

użytku,

• urządzeń dla przemysłu spożywczego,
• na niektóre przewody elektryczne,
• wymienniki ciepła (PN-EN 683-2:2000),
• w budownictwie (PN-EN 508-2:2002U),
• w postaci folii – na opakowania artykułów spożywczych (PN-

EN 546-2:2000).

Aluminium rafinowane (o wysokiej czystości) jest stosowane w

elektronice i elektrotechnice oraz do budowy specjalnej

aparatury chemicznej.

Za: Krzysztof Miernik

•

Umocnienie wydzieleniowe:

zapewnia

uzyskanie dobrego rozkładu drobnych
wydzieleń w metalu i blokuje ruchy
dyslokacyjne.

• Etapy:



Przesycanie:

stop nagrzewany jest do

temperatury między temp. likwidus i solidus i
wygrzewany w tej temperaturze



Hartowanie:

materiał jest następnie chłodzony w

wodzie do temperatury pokojowej



Starzenie:

materiał przesycony i zahartowany

jest następnie starzony w celu uzyskania
drobnych wydzieleń

9-28

Starzenie jest ostatnim etapem optymalizacji własności
obrabialnych cieplnie stopów aluminium.

• Starzenie naturalne – w temperaturze pokojowej
• Starzenie sztuczne – w podwyższonych temperaturach (100-

190

℃)

Temperatura i czas starzenia zależą od stopu i wymaganych
właściwości końcowych.

Utwardzanie dyspersyjne/wydzieleniowe

◇ Starzenie jednostopniowe:

to

develop high strength about

8-24 hrs.
◇ Starzenie wielostopniowe:

to give specific properties

such as stress-corrosion

resistance, toughness.

Starzenie

Wpływ starzenia na wytrzymałość

•

Krzywa starzenia:

Plot

of strength or hardness

versus aging time.

• As aging time increases
alloy becomes

stronger

harder and

less ductile.

•

Przestarzenie

zmniejsza

wytrzymałości

twardość.

Figure 9.43

9-30

Wpływ temperatury i czasu starzenia na
wytrzymałość R

m

stopu EN AW-AlCu4Mg1

przesyconego z temperatury 500°C

Stopy serii 1xxx

17

SP

– b. czyste (super purity),

99,99%

CP

– zwykłej czystości (commercial purity),

do 1%

zanieczyszczeń lub dodatków

Fe

oraz

Si

są zawsze obecne w stopach

jako zanieczyszczenia tworząc drobne
wtrącenia w postaci

FeAl

3

, Fe

3

SiAl

12

or

Fe

2

Si

2

Al

9

wtrącenia w
blasze stopu
1100

Własności:

• mała wytrzymałość, ok. 90 MPa w CP 1100
• niska granica plastyczności, 7 – 11 MPa

Zastosowanie:

• przewodniki prądu
• aparatura chemiczna
• ozdoby
• folie

przewody aluminiowe

Gatunki czystego aluminium wg PN-EN 573-3

Norma PN-EN 573-

3 zastępuje normę PN-79/H-82166.

Porównanie gatunków:
1. EN AW-Al99,90

»

AR1

2. EN AW-Al99,85

»

AR2

3. EN AW-Al99,70

»

A00

4. EN AW-Al99,60

»

A0

5. EN AW-Al99,50

»

A1

6. EN AW-Al99,00

»

A2

Norma PN-79/H-

82166 uwzględnia także gatunek

A3

o czystości 98,00%, który w

normie PN-EN 573-

3 nie występuje.

Za: Tomasz Wróbel

Makrostruktura Al99,5 w stanie

surowym

Makrostruktura Al99,5 w stanie

modyfikowanym Ti i B wprowadzanych

w postaci zaprawy AlTi5B1

Temperatura topnienia oraz
charakterystyka struktur sieciowych faz,
które mogą stanowić podkładki dla
zarodkowania heterogenicznego Al

Za: Tomasz Wróbel

Stopy serii 3xxx

20

Stopy Al-Mn (do 1,25% Mn)

Stopy Al-Mn-Mg

Większa ilość Mn powoduje
występowanie dużej liczby cząstek
Al

6

Mn, które zmniejszają ciągliwość

stopów

Własności:

Zastosowanie:

• średnia wytrzymałość, np. stop

3003 wyżarzony ok. 110 MPa

• bardzo dobra ciągliwość
• świetna odporność korozyjna

• folie
• pokrycia

dachowe

są umacniane roztworowo
i odkształceniowo

Własności:

• średnia wytrzymałość, np. stop

3004

wyżarzony ok. 180 MPa

• bardzo dobra ciągliwość
• świetna odporność korozyjna

Zastosowanie:

•opakowania, gł. puszki

Stopy serii 5xxx

21

Rozpuszczalność Mg w Al w temp. pokojowej ok. 3%
→ umocnienie roztworowe → duża rozpiętość własności

•

Al-0.8Mg (5005): Re 40 MPa, Rm 125 MPa

•

Al-(4.7-5.5)Mg (5456): Re 160 MPa, Rm 310 MPa

•

Duża szybkość umocnienia

•

Wysoka odporność korozyjna

•

Jasna, estetyczna powierzchnia

Własności:

Zastosowanie:

• transport (kontenery)
• cysterny na paliwo, mleko, zboże
• zbiorniki ciśnieniowe
• elementy architektoniczne

zbiornik paliwa

kontener

Stopy serii 2xxx

22

Przemiana eutektyczna L ↔ α + θ
Faza θ – CuAl

2

Stopy Al – Cu i Al – Cu – Mg

Faza

α (5,65% Cu) - plastyczna

Faza

θ (52,75% Cu) - krucha

Eutektyka zbudowana jest z
naprzemiennych płytek faz α +θ
(podobnie jak perlit)

Klasyczne stopy umacniane wydzieleniowo

– Alfred Wilm, 1906 r.

Pierwszy stop umacniany wydzieleniowo

–

Duraluminium

Klasyczne Duraluminium (2017):
Al

– 3,5% Cu – 0,5% Mg – 0,5% Mn

Stopy serii 2xxx

23

Własności:

Zastosowanie:

• Wysoka wytrzymałość (np. 2519, R

m

> 500 MPa

• Dobra odporność na pełzanie
• Znakomita odporność na pękanie w temperaturach kriogenicznych
• Dobra skrawalność
• Słaba odporność na korozję, zwłaszcza pękanie naprężeniowo-

korozyjne

• Dobre własności balistyczne

Konstrukcje lotnicze
Zbiorniki na paliwo
Pojemniki na ciekłe gazy
Osłony helikopterów wojskowych
Nity w konstrukcjach lotniczych

Stopy serii 6xxx

24

Pseudopodwójny układ
Al

– Mg

2

Si (Mg:Si 1,73:1)

Mg

i

Si

są dodawane w

odpowiednich proporcjach celem
umożliwienia umocnienia
wydzieleniowego

Własności:

• średnie wartości wytrzymałości, R

m

< 300 MPa

• odporne na korozję
• stosunkowo dobrze spawalne
• niewrażliwe na pękanie naprężeniowo-korozyjne

Stopy komercyjne – trzy grupy:

• Mg + Si (0.8-1.2%)
• Mg + Si > 1,4 oraz dodatek Cu
• Mg + Si >1,4 oraz nadmiar Si

Stopy serii 6xxx

25

Stopy Mg + Si (0.8-1.2%)

Łatwo ekstrudowalne, przesycane z temperatury wyciskania
Reprezentant:

6063 T6

– R

e

215 MPa, R

m

245 MPa

Zastosowanie:

Architektura
Elementy dekoracyjne
Rury

Stopy Mg + Si > 1,4

Większa wytrzymałość, lecz wymagane
przesycanie, jako osobna operacja

Reprezentant:

6013

– Al-Mg-Si-Cu

–

R

e

330 MPa (T6), R

m

415 MPa (T8)

przekroje elementów wyciskanych

Zastosowanie:

Transport
Lotnictwo
Sport i rekreacja

Stopy serii 7xxx

26

Stopy Al – Zn – Mg oraz Al – Zn – Mg – Cu

Własności:

• Granica plastyczności

600

– 700 MPa

– rośnie ze wzrostem Zn + Mg

• Odporne na pękanie naprężeniowo-korozyjne

– odporność

zmniejsza się ze wzrostem Zn + Mg; najlepsza odporność, gdy iloraz
Zn/Mg wynosi 2,7

÷ 2,9

Zastosowanie:

• Konstrukcje lotnicze – kadłuby i skrzydła
• Komponenty pojazdów

Al 7039

Al 7075 część
motocykla

27

Stop

Zn (%)

Mg (%)

Zn+Mg (%)

Iloraz

Zn/Mg

Stopy Al-Zn-Mg o
średniej
wytrzymałości

7104
7008
7011
7020
7004
7005
7051

4,0
5,0
4,7
4,3
4,5
4,2
3,5

0,7
1,0
1,3
1,2
1,4
1,5
2,1

4,7
6,0
6,0
5,5
5,9
5,7
5,6

5,7
5,0
3,7
3,6
3,2
2,8
1,7

Stopy Al-Zn-Mg o
większej
wytrzymałości

7003
7046
7039
7017

5,8
7,1
4,0
4,6

0,8
1,3
2,8
2,5

6,6
8,4
6,8
7,1

7,2
5,5
1,4
1,8

Stopy Al-Zn-Mg-
Cu o wysokiej
wytrzymałości

7049
7050
7010
7475
7001
7075
7055
7085

7,7
6,2
6,2
5,7
7,4
5,6
8,0
7,5

2,5
2,3
2,5
2,3
3,0
2,5

2,05

1,5

10,2

8,5
8,7
8,0

10,4

8,1

10,05

9,0

3,1
2,7
2,5
2,5
2,5
2,2
3,9
5,0

Niektóre ważniejsze stopy Al-Zn-Mg i Al-Zn-Mg-Cu

Odlewnicze Stopy Al

28

Zalety Al:

• niska temperatura topnienia
• mała rozpuszczalność gazów ( z wyjątkiem H

2

)

• dobra lejność
• dobra powierzchnia odlewów

Wady Al:

• duży skurcz przy krzepnięciu (3,5 – 8,5%)

Czynniki wpływające na jakość odlewów:

• praktyka odlewnicza
• zawartość zanieczyszczeń
• wielkość ziarna
• szybkość krzepnięcia

blok silnika

rozwój stopów odlewniczych i
technologii odlewania jest
ukierunkowany głównie na
przemysł samochodowy

Stopy Odlewnicze

29

Układ Al – Si

Dominującą grupę odlewniczych
stopów Al stanowią stopy z Si – tzw.

siluminy

(85 – 90% wszystkich odlewów) o
zawartości 2÷30% Si (najczęściej
5÷13,5% Si).

Krzem zapewnia:

1. dobrą rzadkopłynność
2. lejność
3. relatywnie mały skurcz odlewniczy.

Stopy odlewnicze

– przeważnie

stopy wieloskładnikowe o dużej
zawartości (5 do 25%) pierwiastków
stopowych, głównie

Si,

Cu, Mg, Zn i Ni

lub ich różnych zestawień

Siluminy

30

Skład zbliżony do eutektycznego.
W zależności od zawartości Si i dodatków siluminy dzieli się
na:

•

Podeutektyczne

, zawierające od 4 do 10% Si

•

Eutektyczne

, zawierające od 10 do 13% Si

•

Nadeutektyczne

, zawierające od 13 do 30% Si

Siluminy pod- i nad-

eutektyczne są zwykle

wieloskładnikowe, oprócz krzemu zawierają dodatki
Cu, Mg, Mn i Ni (np. AlSi21CuNi, AlSi5Cu1), co
pozwala obrabiać je cieplnie (przesycanie i starzenie)
zwiększając ich wytrzymałość

Po odlaniu struktura siluminów zawiera grubokrystaliczną fazę -

b

-

praktycznie czysty Si (szczególnie przy wolnym chłodzeniu). Konsekwencją
tego jest drastyczny spadek ich plastyczności.Celem poprawy ich własności ,
siluminy poddaje się procesowi modyfikacji:

Modyfikacja

31

Modyfikator

- dodawany w celu uzyskania mniejszego,

bardziej jednorodnego i równoosiowego ziarna.

Wielkość ziarna w odlewie jest zależna od liczby zarodków tworzących
się w procesie krystalizacji

modyfikator Al-5%Ti-1%B
ok. 5 ppm Ti w stopie

stop Al

Siluminy c.d.

32

Po odlaniu struktura siluminów zawiera grubokrystaliczną fazę -

b

-

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

eraturę przemiany eutekt. oraz powoduje przesunięcie punktu

eutektycznego do większego stężenia (w prawo) - do ok.13% Si.
Strukturę takiego stopu stanowi drobnoziarnista eutektyka (

a + b )

z

wydzieleniami drobnymi fazy

- a.

•

Siluminy nadeutektyczne

,

duże wydzielenia

b {

Si

}

modyfikuje się

fosforem ,który tworzy dyspersyjne cząstki AlP-stające się
heterogencznymi zarodkami krystalizacji cząstek fazy

b

{Si}- w wyniku

czego otrzymuje się w temp. otoczenia drobnokrystaliczną eutektykę (

a

+b)

oraz

drobne wydzielenia cząstek fazy

- b{

Si

}

o dużej dyspersji.

Siluminy c.d.

33

W celu rozdrobnienia eutektyki stosuje

się tzw. modyfikację. Pod wpływem

modyfikatora

skład eutektyki ulega jak gdyby przesunięciu w prawo. Na

skutek tego silumin w zasadzie nadeutektyczny staje

się stopem

podeutektycznym o strukturze

kryształów α na tle drobnoziarnistej eutektyki

(α + Si).

Obok tego przeprowadza

się zabieg rozdrabniania dendrytów roztworu

stałego α za pośrednictwem związków Ti (TiB, TiC).

Podstawowym celem modyfikacji siluminów nadeutektycznych jest zmiana
kształtu wydzieleń krzemu pierwotnego, co realizuje się przez dodanie
związków fosforu

Fotomikrografia stopu AlSi9: a) bez modyfikacji,
b) po modyfikacji; pow. 100x

Własność

Przed
modyfikacją

Po modyfikacji

R

m

[MPa]

110

250

A10

0,1

7

Zmiana własności mechanicznych

Własności siluminów

34

• Dobre własności odlewnicze (nie wykazują skłonności do pękania na gorąco)

• Mały skurcz odlewniczy

• Duża rzadkopłynność (umożliwia wykonywanie cienkich wyrobów)

• Jako stopy eutektyczne krzepną w stałej temperaturze nie wykazując przy tym

skłonności do segregacji

• Dobra odporność na korozję pod warunkiem, że nie mają nadmiernej ilości

zanieczyszczeń, a zwłaszcza żelaza

• Są odporne również na działanie wody morskiej, wód mineralnych, a nawet

sodu, amoniaku i kwasu azotowego, stężonego i rozcieńczonego

• Dobre właściwości mechaniczne, które można jeszcze znacznie zwiększyć na

drodze umacniania wydzieleniowego o ile stop zawiera dodatek Mg lub Cu

• Wadą siluminów jest gruboiglasta eutektyka, a w siluminach nadeutektycznych

duże iglaste wydzielenia krzemu pierwotnego, które obniżają plastyczność
stopów.

Zastosowanie siluminów na części

silników spalinowych

35

• Ciężar właściwy

aluminium jest około 3-krotnie

mniejszy od ciężaru właściwego żeliwa (oszczędność
na ciężarze kadłuba)

• Duże silniki

– ze względu na mniejszą wytrzymałość

stopów aluminium w kadłubach większych silników
trzeba stosować grubsze ściany i obfitsze
użebrowanie, co powoduje, że praktycznie można
uzyskać tylko ok. 50% zmniejszenia ciężaru.

• Małe silniki

– grubość ścianki zależy tylko od

względów odlewniczych, można osiągnąć obniżenie
ciężaru kadłuba o ok. 70%.

Zastosowanie siluminów na części

silników spalinowych

36

Zalety

kadłubów ze stopów aluminium:

• łatwiejsza i szybsza obróbka ze względu na dopuszczalne większe

szybkości skrawania,

• lepsze odprowadzanie ciepła, co zmniejsza obciążenie układu

chłodzenia silnika.

Wady:

• wyższa cena materiału,
• łatwość uszkodzenia powierzchni obrabianych w czasie transportu,
• mała odporność na korozję, jeśli stosuje się niewłaściwą ciecz

chłodzącą.

Stopami aluminium stosowanymi na kadłuby silników są głównie:

Siluminy podeutektyczne

AlSi9Mg

(jeżeli w kadłubie nie wykonuje się tulei)

o

składzie chemicznym: 8.5÷10.5% Si, 0.25÷0.5% Mn, 0.25÷0.4% Mg.

Znak lub

rodzaj stopu

Cecha lub

oznaczenie

Składniki stopowe [%]

Si

Mn

Cu

Ni

Mg

Fe

Ti

AlSi7Mg

AK7

6,0 –

8,0

0,1 -

0,5

-

-

0.25

– 0,4

-

-

AlSi9Mg

AK9

8,5 –

10,5

0,25

– 0,5

-

-

0.25

– 0,4

-

-

AlSi5Cu1

AK51

4,5 –

5,5

0,1 –

0,4

1,0 –

1,5

-

0,4 –

0,6

-

-

AlSi5Cu2

AK52

4 - 6

0,2 –

0,8

1,5 –

3,5

-

0,3 –

0,8

-

-

AlSi6Cu2

AK62

~6

~2

We współczesnych silnikach samochodowych głowice najczęściej są produkowane
ze stopów aluminium ze względu na

dobre właściwości odlewnicze, dobrą

skrawalność i dobre przewodnictwo cieplne.

Skład chemiczny stopów aluminium stosowanych na odlewy głowic

(„Elementy i materiały” Zbigniew Jaśkiewicz)

Głowice silników

Tłoki

38

•

wysoka wytrzyma

łość doraźna materiału,

szczególnie w wysokich temperaturach
roboczych t

łoków,

•

du

ża wytrzymałość zmęczeniowa,

•

w

łaściwa twardość materiału w temperaturze

otoczenia oraz w temperaturach
podwy

ższonych,

•

dobra przewodno

ść cieplna,

•

niski współczynnik rozszerzalności cieplnej,

•

ma

ła masa właściwa,

•

w

łaściwa odporność na zużycie cierne,

•

odporno

ść na korozję,

dobre w

łaściwości technologiczne w zakresie

mo

żliwości odlewania materiału, obróbki

skrawaniem itp.

Tłoki

39

• stopy Al-Si (

eutektyczne

), zawierające 11 – 14% Si oraz niewielkie

dodatki Cu, Ni, Mg i ewentualnie innych pierwiastków. Stopy te spełniają
wymagania dotyczące przewodności i rozszerzalności cieplnej,
ścieralności oraz wytrzymałości w podwyższonych temperaturach,

• stopy Al-Si (

nadeutektyczne

), zawierające 17 – 25% Si oraz niewielkie

dodatki Cu, Ni, Mg, Co, Cr, Mn i Fe. Stopy te wykazują najmniejszą
rozszerzalność ze wszystkich stopów aluminium używanych na tłoki
silników spalinowych, co wywiera korzystny wpływ na dobór luzów
między tłokiem i gładzią cylindrową.

Felgi Aluminiowe

40

Felga ma za zadanie rozłożyć równomiernie opór toczenia opony
oraz zapewnić dobrą sztywność podczas pokonywania zakrętów.
We współczesnych samochodach ma również wentylować elementy
układu hamulcowego (tarczę/bęben, przewody hamulcowe, zacisk).

Na felgi aluminiowe stosuje się głownie siluminy:

AK7 (AlSi7Mg), AK9 (AlSi9Mg) oraz AK11 (AlSi11Mg).

Zastosowanie siluminów - podsumowanie

41

• 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
wodzie morskiej.

• Wieloskładnikowe stopy Al z Si są

stosowane m.in. na

głowice

silników spalinowych

oraz inne

odlewy w przemyśle
samochodowym,

gdyż mają mały

współczynnik rozszerzalności
cieplnej i dobrą odporność na
ścieranie.

obudowa skrzyni biegów

Odlewanie ciśnieniowe

(Die Casting)

• Ciekły metal jest

wtryskiwany z dużą
szybkością i pod dużym
ciśnieniem do stalowej
formy

• Formy stalowe mogą być

używane wielokrotnie,
co odróżnia ten proces
od innych procesów
odlewniczych

Odlewanie ciągłe

43

Molten
Metal

Coiler

ciekły
metal

zwijarka

krystalizator

walcarki

Tym sposobem można uzyskać
największe szybkości chłodzenia

Odlewanie ciągłe stosuje się niemal wyłącznie
do aluminium o komercyjnej czystości (stopy
serii 1000), do stopów zawierających do 2%
Mn (seria 3000), do stopów z zawartością Mg
do maks. 3%, do stopów Al–Fe (maks. 2% Fe)
na przewody elektryczne oraz do stopów Al–
Mn–Fe zawierających do 1% każdego z
dodatków.

Proces DC (Direct-Chill)

44

• Ciekły metal wlewany jest do

krystalizatora chłodzonego
wodą

• wlewek jest obniżany w wyniku

przemieszczenia się stempla

Metal krzepnie na
przesuwalnym dnie

Otrzymany wlewek może mieć przekrój
okrągły lub prostokątny, w zależności od
rodzaju dalszej przeróbki: walcowanie, kucie,
wyciskanie

Homogenizacja

45

Homogenizację wlewków DC przeprowadza sie w temp.

450

– 600°C

Czas homogenizacji:

6

– 24 godzin

Homogenizacja ma na celu:

1.

usunięcie mikrosegrgacji

2.

usunięcie nierównowagowych, łatwotopliwych eutektyk, które mogłyby
prowadzić do pęknięć podczas dalszej przeróbki plastycznej

3.

spowodowanie wydzielania niektórych cząstek, np. Al

3

Zr lub Al

3

Sc

• Podczas homogenizacji pierwiastki

stopowe dyfundują od granic ziarn lub
innych miejsc o zwiększonej koncentracji
do wnętrz ziarn

• Czas dyfuzji zależy od drogi dyfuzji

(wielkości ziarna, odleglości miedzy
dendrytami oraz od współczynnika
dyfuzji daneg pierwiastka

x =√ Dt

x

– średnia odleglość dyfuzji

t

– czas

D

– współczynnik dyfuzji

Stopy Odlewnicze

46

Al >99.00%

1xx.x

Al-Cu

2xx.x

Al-Si, z Cu lub Mg

3xx.x

Al-Si

4xx.x

Al-Mg

5xx.x

Al-Zn

7xx.x

Al-Sn

8xx.x

Ti &

Mg alloys Ni alloys

Super

alloys

Non-ferrous

Metal Alloys

Ferrous

Cu alloys

Pure Cu

Brasses

Bronzes

Cupronickel

Be-copper

Nickel silver

Al alloys

Alloying

Elements

Cu

Mg

Mn

Si

Zn

Alloying

Elements

Al

Zn

Mn

V

Refractory

metals

Nb

(2468



C)

Ta

(2996



C)

W

(3410



C)

Mo

(2617



C)

Fe-based
Ni-based
Co-based

Monel
Inconel
Hastealloy

Metale nieżelazne

ZA:

Dr Tim Sercombe

School of Mechanical Engineering The University of Western Australia

Ti i stopy Ti

• Ti jest jednym ze

metali lekkich.

• Al (2.7), Be (1.85), Mg (1.74), Ti (4.51)

• The demand for materials of high

strength-to-weight ratios from the

aerospace and aircraft industry and

more recently from automobile and

other transportation industries has

promoted the development of these

light alloys.

0

2

4

6

8

10

Mg

Be

Al

Ti

Steel

Cu

Density (kg/m

3

)

ZA:

Dr Tim Sercombe

School of Mechanical Engineering The University of Western Australia

Produkcja Ti

• First produced in 1910
• Its use pioneered by the Soviet Union in 50’s and 60’s in

military and submarines

• Produkcja z wykorzystaniem procesu Kroll

2TiFeO

3

+ 7Cl

2

+ 6C (900 °C) → 2TiCl

4

+ 2FeCl

3

+ 6CO

then

TiCl

4

+ 2Mg (1100 °C) → 2MgCl

2

+ Ti

sponge

• This is an expensive batch process and therefore Ti is only

used where the cost can be justified or tolerated.

ZA:

Dr Tim Sercombe

School of Mechanical Engineering The University of Western Australia

General Properties of Ti

• Melting temperature: 1678 °C
• Modulus of elasticity: 127 GPa
• Low density: 4.5 g/cm3
• Very high specific strength /stiffness
• High Corrosion and oxidation resistance (up to

~500

o

C)

• Bio-compatible

• High affinity to O, H, N, C
• High tendency to form intermetallic

compounds with other metals

F22 jet fighter, some 39% of its weight is

made of titanium. Use of titanium in the F22,

Eurofighter, JointStrike fighter and Rafale

fighter aircraft over the next ten years will

maintain titanium demand from the military

ZA:

Dr Tim Sercombe

School of Mechanical Engineering The University of Western Australia

Klasyfikacja stopów Ti

• Commercially pure titanium (CP):
• 99+% purity
• ~20% of all Ti usage

– Applications

• process plant equipment for its
corrosion resistance
• Jewelry, ring and watches
• Wire
• Heat exchangers in corrosive
environments

– Properties

• Yield Strength

: 400MPa

• UTS:

up to 450MPa

• Ductility:

18%

ZA:

Dr Tim Sercombe

School of Mechanical Engineering The University of Western Australia

a

- Titanium

• Contain C, O, N, H, Al, & Sn as alloying elements
• not quench hardenable,
• strengthened by solid solution

– Strength increases by ~50MPa per 1% addition
– Common alloy is Ti-5Al-2.5Sn
– Used as pressure vessels to store liquid H

2

in space vehicles

• Properties Ti-5Al-2.5Sn

• Yield Strength

: 800MPa

• UTS:

up to 860MPa

• Ductility:

15%

ZA:

Dr Tim Sercombe

School of Mechanical Engineering The University of Western Australia

Tytan

a

+

b

• Ti containing Al, Cr, V, Fe, Mo….)
• Contains 2 phases at equilibrium (

a

&

b

)

• Accounts for more than 70% of Ti products
• most common type: Ti-6Al-4V
• Properties Ti-5Al-2.5Sn

– Yield Strength

: 925MPa

– UTS:

up to 990MPa

– Ductility:

14%

• Applications

– Aircraft components (inc engines)
– Sporting equipment (bike frames, motor

sport….)

– Hip implants….

ZA:

Dr Tim Sercombe

School of Mechanical Engineering The University of Western Australia

Tytan

b

• Ti containing Mo,V,Nb,Fe,Cr

• Single phase at equilibrium

• Formable when not heat treated

• May be quenched to martensite or
age hardened

• Highest strength of all Ti alloys

• Properties Ti-8Mo-8V-2Sn-2Fe

– Yield Strength

: 1280MPa

– UTS:

up to 1400MPa

– Ductility:

6%

• Applications

– Golf drivers

– Dive Knives

– Wheel spokes

ZA:

Dr Tim Sercombe

School of Mechanical Engineering The University of Western Australia

45%
Jet engines,
civil aviation
Military
aeroplanes,
space

45%
Industrial
corrosion
application

10%
miscellaneous

Ti - podsumowanie

• ~40 stopów dostępnych komercyjnie

• 8 account for 90% consumption

3 unalloyed Ti
Ti-5Al-2.5Sn
Ti-6Al-4V
Ti-8Al-1Mo-1V
Ti-6Al-6V-2Sn
Ti-13V-11Cr-3Al

• Two main reasons for application:

–

high specific strength

: military, transport, sport goods

–

high corrosion resistance

: surgical implants, chemical industry

ZA:

Dr Tim Sercombe

School of Mechanical Engineering The University of Western Australia

Aerospace applications: aircraft; aero-engines; airframes;
commercial and military aerospace industry; space flight
Industrial applications: chemical and petrochemical; metal recovery
and refining; oil and gas industry; geothermal energy; marine
applications; thermal power generation & transmission; nuclear power
stations; water desalination; building and construction; tool &
machinery coatings; automotive applications;
Land & sea based military applications: armour; field guns and
small arms; naval applications; watches;
Consumer applications: golf clubs; bicycles; sports equipment;
computer casing; spectacle frames;
Medical applications: hip & knee prostheses; spinal implants &
cages; heart components; wheelchairs; dentistry;
High technology applications: sputtering targets; superconductivity;
computers; optical systems;
Alloying additives: carbon & stainless steels; superalloys; tool, die
and valve steels; shape memory alloys

Ti - zastosowania

ZA:

Dr Tim Sercombe

School of Mechanical Engineering The University of Western Australia

Production of Magnesium

•

First commercial Mg alloys were

developed in WWII in Germany (Mg-Al-

Zn alloys)

•

Poor corrosion in moist environments

•

Addition of Mn improved corrosion

resistance

–

VW beetle engine components

•

Either extracted by electrolysis from

MgCl

2

in seawater

cathode: Mg

2+

+ 2 e

-

→ Mg

anode: 2 Cl

-

→ Cl

2

(gas) + 2 e

-

•

or reduction of MgO by ferro-silicon at

~1400

o

C

ZA:

Dr Tim Sercombe

School of Mechanical Engineering The University of Western Australia

Mg i jego stopy

• Over 50% of Mg produced is consumed in:

– Al alloys (eg 6061 contains 1%Mg)
– removal of sulfur from iron and steel.

• The rest are used in alloyed forms, up to 90% is in

cast form:

• Alloys still based on the Mg-Al-Zn system

– Al, Zn Alloying for precipitation hardening
– Mn improves corrosion resistance
– Zr refines grain structure
– Rare-earths increase creep resistance

ZA:

Dr Tim Sercombe

School of Mechanical Engineering The University of Western Australia

Ogólne własności

• Low density (1.74g/cm

3

) ~ 1/5 that of steel

• Mg has a HCP structure: poor formability
• Mg alloys are advantageous over Al alloys:

– better machinability
– lower density
– slightly higher specific modulus
– Better flowability in castings

• Poor corrosion performance
• Relatively poor creep performance

ZA:

Dr Tim Sercombe

School of Mechanical Engineering The University of Western Australia