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
R
m
R
e
HB
A
[MS/m]
[g/cm
3
]
[
o
C]
(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
/
),urządzeń dla przemysłu chemicznego i spożywczego (odporność na działanie O
2
(Al
2
0
3
),Cl
2
,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)
Rys.1. Fragment typowego ukł. równowagii
fazowej stopów Al z zaznaczeniem
zakresów stężęń stopów do przeróbki
plastycznej,umacnianych zgniotowo i
wydzieleniowo,oraz stopów odlewniczych.
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
modyfikacj
i
R
m
[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 H
2
O 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)
2. 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
Rys.2. Zależność stosunku naprężeń
rozciągających do ciężaruwłaściwego
od wydłużenia dla stali i stopow
Rys.3 Fragment układu
równowagiAl - Cu
- wygrzaniu w tej temperaturze
- gwałtownym chłodzeniu(H
2
O 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
Rys. 4.Kinetyka procesu starzenia stopu Al. Z dodatkiem 4%Cu
ETAPY I MECHANIZM STARZENIA DURALI
( na przykł stopu AlCu4)
w stopie tym występują cztery różnego rodzaju wydzielenia :
Strefy
GP
‘’
‘
I.etap - wydzielenie :strefy GP1 (Guiner-Prestona) - miejsca wzbogacone w Cu,powstają jako
pierwsze wydzielenie(temp. ok100
0
C) 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.210
0
C)
II.etap - wydzielenie :
‘’
(dawniej GP2),powstaje jako drugie wydz. w temp ok. 130
0
C, 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 :
‘
powstaje w temp>130
0
C - zawsze nieco później niź
‘’
- o strukturze
częściowo tetragonalnej i częściowo koherentnej oraz
do pł
osnowy
IV.etap - faza :
powstaje w temp.>200
0
C, przez przekształcenie
‘
do równowagowej fazy -
CuAl
2
- 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
Rys.5.Wzajemne nakładanie
się mechanizmów utwardzania
wydzieleniowego
prowadzącego do wystąpienia
kolejnych stadiów na wykresie
zmian twardości od czasu
starzenia
Z danych zawartych na tym rysunku wynika,że maksymalne umocnienie duralu ma
miejsce dla pośredniego stadium wydz.
‘
(lub
‘’
)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.>200
0
C IV
etap),wynika ze zmiany mechanizmu odkształcenia- tzw. mechanizm Orowana-Rys.6.
Rys.6 Mechanizm Orowana dla dyslokacji przechodzących przez szereg cząstek dyspersyjnych