(+-)

Główne dziedziny zastosowań Al

budowa pojazdów,
statków, samolotów

budownictwo

budowa maszyn

opakowania

elektrotechnika

U

d

zi

ał

p

ro

ce

n

to

w

y

•

1852 – 1890 wyprodukowano ok. 200t aluminium na drodze chemicznej redukcji związków,

•

1886 – metody otrzymywania Al na drodze elektrolizy, P.T. Heroult (Francja), C.M. Hall (USA)

•

1906 – stopy aluminium

⇒

zdecydowane podwyższenie wytrzymałości, A. Wilm (Niemcy)

•

1825 – H.C. Oersted (Dania) pierwsze Al na drodze redukcji chlorku ,

(-)

∗

- maksymalna wytrzymałość w stopach (po obróbkach cieplno-mechanicznych),

Be

– niestety toksyczny i bardzo drogi,

Ti

– trudny w przetwarzaniu oraz drogi,

(O. Beffort, EMPA)

(współczynnik
przewodzenie ciepła)

(współczynnik
temperaturowy
rezystancji)

(+-)

•

porównanie własności Al z innymi metalami

T

0

[°C]

1083
1536
1668
660
650
1277

aluminium technicznie czyste po zgniocie 80%

aluminium technicznie czyste po zgniocie 80% oraz
rekrystalizacji i rozroście ziaren

(A. Krajczyk)

(+)

(-)

(W

– od ang. „wrought”)

(17 gatunków )

⇒

b. często używane są określenia:

stop aluminium serii, np. 2000, 5000 itd.

(-)

Systemy oznaczania odlewniczych stopów aluminium

(PN-EN 1780-1 oraz 2)

(-)

(casting)

(+)

(+!)

EN AW- serie:

1xxx

(Al 99,..)

3xxx

(Al Mn)

5xxx

(Al Mg)

8xxx

(Al Fe)

EN AW- serie:

2xxx

(Al Cu)

6xxx

(Al MgSi)

7xxx

(Al Zn)

8xxx

(Al Li)

EN AC-

4xx

(Al Si)

•

podział stopów aluminium w zależności od usytuowania na wykresie równowagi

odlewnicze
bez eutektyki:

EN AC- serie:

2xx (Al Cu)

5xx

(Al Mg)

7xx (Al Zn)

(+)

Stopy odlewnicze

•

stopy aluminium z krzemem (siluminy) – stopy z eutektyką

(-)

2005

-

dobra rzadkopłynność oraz lejność i mały skurcz odlewniczy

, niska temperatura odlewania,

-

wadą jest gruboziarnista struktura

, której zapobiega

modyfikowanie

:

- podeutektyczne i eutektyczne – sodem

(także Sr lub niekiedy Sb),

którego związki ułatwiają

zarodkowanie oraz tworząc „błonkę” utrudniają wzrost kryształów Si (drobne i bardziej owalne),

(punkt eutektyczny przesuwa się w kierunku wyższych zawartości Si i niższej temperatury),

- nadeutektyczne – fosforem (cząstki AlP stanowią zarodki heterogeniczne),

- zastosowanie:

- eutektyczne i nadeutektyczne, np. tłoki silników spalinowych (znaczna żarowytrzymałość),

- podeutektyczne, np. elementy dla przemysłu okrętowego i elektrycznego, pracujące w
podwyższonej temperaturze i w wodzie morskiej,

- wieloskładnikowe stopy Al z Si, np. głowice silników spalinowych, alufelgi oraz inne
odlewy w przemyśle maszynowym.

(+)

•

stopy aluminium z krzemem (siluminy) – stopy z eutektyką

niemodyfikowana eutektyka
(

α

+ Si) układu Al-Si

modyfikowana eutektyka
układu Al-Si

obszar eutektyki niezmodyfikowanej
(częsta wada struktury)

Pow. 125x

Pow. 125x

(-+)

α

Si

prawidłowo modyfikowany silumin przedeutektyczny

Pow. 100x

Pow. 500x

AlSi13Mg1CuNi
(nieudane
modyfikowanie)

(A. Krajczyk)

(R. Haimann)

modyfikowanie
przesuwa linie
wykresu

eutektyka
niezmodyfikowana

⇒

(-+)

silumin zaeutektyczny
niemodyfikowany

(nieregularne wydzielenia Si
na tle eutektyki (

α

+ Si))

silumin zaeutektyczny
po modyfikowaniu

(regularne wydzielenia Si
na tle drobnoiglastej eutektyki)

(A. Krajczyk)

(-+)

Przykłady odlewniczych stopów aluminium z krzemem

wg PN-EN 1706:2001

Minimalne właściwości

Znak stopu
(C od ang. „casting”)

R

p0,2

MPa

R

m

MPa

A

5

%

HB

Uwagi dotyczące stanu

EN AC-AlSi11

70

150

6

45

stan surowy

EN AC-AlSi5Cu1Mg

200

230

1

100 przesycanie i starzenie

EN AC-AlSi5Cu3Mg

180

270 2,5

85

przesycanie i starzenie

EN AC-AlSi5Cu3Mn

200

230

1

90

przesycanie i starzenie

EN AC-AlSi9Cu1Mg

235

275

1,5

105 przesycanie i starzenie

EN AC-AlSi12CuNiMg

240

280

1

100 przesycanie i starzenie

EN AC-AlSi2MgTi

180

240

3

85

przesycanie i starzenie

EN AC-AlSi7Mg0,3

190

230

2

75

przesycanie i starzenie

(-)

typowa struktura obręczy koła (alufelgi),
(modyfikowany silumin przedeutektyczny),

- prawidłowa drobna eutektyka (

α

+ Si),

- typowy dendrytyczny kształt wydzieleń
roztworu stałego

α

,

- silnie rozgałęzione dendryty negatywnie
wpływają na własności mechaniczne, np. R

m

, K

(-+)

Casting

Low pressure casting

High pressure casting

Investiment casting

Sand or plaster casting

Permanent mold casting

Die casting

Squeeze casting

Thixocasting

Thixomolding

Rheocasting

Semi-solid forming

Hot chamber DC

Cold chamber DC

(kokilowe)

(forma piaskowa lub gipsowa)

(forma trwała)

(metoda traconego wosku)

(z gorącą komorą)

(z zimną komorą)

(w stanie półstałym)

(przez prasowanie)

(odlewanie)

(nowe metody formowania)

•

metody odlewania stopów aluminium i magnezu,

(-)

•

ciśnieniowe odlewanie (formowanie) w stanie półstałym „

semi-solid forming

”,

- wykorzystanie

tiksotropowego

zachowania się stopu

w temperaturach między linią likwidus a solidus,

(O. Granath – Jönköping University)

- rozbicie dendrytów roztworu stałego na drobne i zaokrąglone
ziarna poprzez intensywne mieszanie w stanie półstałym,

- wtłaczanie do formy w stanie tiksotropowym
z rozbitymi dendrytami,

stan tiksotropowy

(Kevin Pang)

(Kevin Pang)

(-+)

•

stopy odlewnicze bez eutektyki (Al-Mg,

Al-Cu, Al-Zn

)

•

stopy odlewnicze Al-Mg (poza siluminami najczęściej stosowane stopy odlewnicze Al)

(-+)

(-+)

•

stopy odlewnicze Al-Mg

•

stopy odlewnicze Al-Cu oraz Al-Zn

- są rzadziej stosowane - skład chemiczny, własności i rekomendowane zastosowanie można znaleźć
w normie PN-EN 1706:2001 lub aktualnych informatorach producentów,

(-)

Stopy do obróbki plastycznej

•

walcowanie na zimno oraz na gorąco,

- wytwarzanie płyt, blach, taśm, folii,

•

ciągnienie na gorąco oraz na zimno,

- wytwarzanie drutów, prętów, rur, kształtowników

•

wyciskanie na gorąco,

•

kucie na gorąco,

(+)

•

historycznie pierwsze stopy Al-Cu (ok. 4%), obecnie stopy wieloskładnikowe,

- stopy Al-Cu utwardzane wydzieleniowo (

durale, duraluminium

) – seria 2000,

(+)

2005

(-)

(+-)

(M.F. Ashby, D.R.H. Jones)

(+-)

(M.F. Ashby, D.R.H. Jones)

(L.A. Dobrzański)

(+-)

(L.A. Dobrzański)

(M.F. Ashby, D.R.H. Jones)

(+-)

(M.F. Ashby, D.R.H. Jones)

(+-)

(L.A. Dobrzański)

(M.F. Ashby, D.R.H. Jones)

(+-)

Czas starzenia [h]

R

0,2

[MPa]

R

m

[MPa]

•

wpływ temperatury i czasu starzenia na wytrzymałość stopów:

- dwuskładnikowy klasyczny AlCu4

- wieloskładnikowy serii 6000 (AlMgSi)

- starzenie samorzutne daje najwyższą wytrzymałość,
- żarowytrzymałość prostych stopów AlCu jest niewielka
(powyżej 100°C obniża się szybko z upływem czasu)

- najwyższą wytrzymałość daje starzenie sztuczne
(fazy o złożonym składzie),
- wyższa żarowytrzymałość zależna od temperatury
starzenia,

•

należy pamiętać, że im wyższa wytrzymałość tym mniejsza ciągliwość (potrzebny kompromis)

(-+)

(L.A. Dobrzański)

Zmiana R

0,2

stopu aluminium typu AlCu4 w trakcie starzenia sztucznego w 150°C

struktura równowagi

(M.F. Ashby, D.R.H. Jones)

(-+)

(-)

(-)

Wieloskładnikowe stopy Al-Cu (seria 2000) –

durale

wieloskładnikowe

Stopy Al-Cu-Mg (seria 2000) -

durale miedziowe

- wysokie właściwości wytrzymałościowe, ale mała żarowytrzymałość i odporność na korozję,

- utwardzanie wydzieleniowe (przesycanie w wodzie z ok. 500ºC oraz kilkudniowe
starzenie samorzutne w temp. pokojowej lub starzenie sztuczne w ok. 180ºC),

- wytrzymałość można jeszcze zwiększyć poprzez obróbkę plastyczną (gniot 3÷5%) po starzeniu samorzutnym,
- stosowane na elementy maszyn, pojazdów, taboru kolejowego, samolotów i w budownictwie,

(+-)

Wieloskładnikowe stopy Al z Zn (seria 7000) -

durale cynkowe

Stopy Al-Mg (seria 5000) oraz Al-Mg-Si (seria 6000) -

hydronalia

(+-)

Stopy Al-Mn (seria 3000) –

alumany

(nie utwardzane wydzieleniowo)

(+-)

•

stopy Al z litem

(wieloskładnikowe)

- opracowane niedawno ( do 4% Li),

- specjalne metody metalurgiczne
(reaktywność Li z tlenem),

-

mniejsza gęstość stopów o ok. 8

÷

10%

(gęstość Li = 0,53 g/cm

3

),

- stopy wieloskładnikowe do obróbki
plastycznej utwardzane wydzieleniowo,

- wytrzymałość równa lub większa w
porównaniu z duralami klasycznymi,

- dobra odporność na zmęczenie,

- dobra udarność w niskich temperaturach,

- zastosowanie:
- elementy nowoczesnych samolotów (poszycie, podłogi, użebrowanie)

EN AW-AlLi2,5Cu1Mg1
EN AW-AlCu2Li2Mg1,5

wg PN-EN 573-3 (durale wieloskładnikowe, seria 8000)

- obecnie produkowane stopy wieloskładnikowe o zawartości 1,9

÷

2,7% Li

(do 4% Li wymaga specjalnych metod krzepnięcia)

(+-)

(-+)

(B. Kuźnicka)

R

e

(R

0,2

)

R

m