Katedra Metaloznawstwa i Technologii

Materiałowych

Zakład Metaloznawstwa i Obróbki Cieplnej

Wykład 10:

STOPY METALI NIEŻELAZNYCH

Aluminium i jego

stopy

Aluminium

jest

metalem

barwy

srebrzystej

krystalizującym w sieci

A1 (RSC)

, bez odmian

alotropowych, o temperaturze topnienia

660,4

0

C

,

temperaturze wrzenia 2450

0

C i gęstości

2,7 g/cm

3

(prawie 3 razy mniejsza od żelaza – co kwalifikuje ten
metal do grupy metali lekkich) . Cechuje je dobra
przewodność elektryczna (

34,5 MS/m

) oraz cieplna

(

230 W/ m  K

), dość dobra odporność na korozję

atmosferyczną ( aluminium samorzutnie tworzy
na powierzchni cienką, ale szczelną i ściśle
przylegającą do podłoża warstewkę Al

2

O

3

, która

zabezpiecza je przed dalszym utlenianiem) oraz na
działanie wody, niektórych kwasów organicznych,
dwutlenku

siarki

i

wielu

innych

związków

chemicznych. Natomiast nie jest odporne na działanie
wodorotlenków ( np. NaOH), kwasów beztlenowych
( HF, HCl), wody morskiej i jonów rtęci. Stosunkowo
obficie występuje w przyrodzie (ok. 7%). Jest metalem
bardzo plastycznym, ale ma niewielką wytrzymałość.
Własności mechaniczne aluminium:

R

m

= 70120 MPa

,

R

e

= 2040 MPa, wydłużenie

A

5

= 3040%

, przewężenie

Z= 8090%, twardość

1530 HB

( może jednak być

zwiększona przez zgniot).

Zawiera od 0,01 do 0,1% zanieczyszczeń ( głównie Fe,
Si, Cu, Zn i Ti ), zależnie od metody otrzymywania i
oczyszczania. Dzieli się na:

aluminium hutnicze

( 99,8 ; 99,7 ; 99,5 i 99,0% Al ), które stosuje się
do produkcji powłok kablowych, do budowy aparatury
chemicznej, na przewody elektryczne i na wyroby
ogólnego przeznaczenia ( np. naczynia kuchenne ) i

aluminium rafinowane

( 99,99 i 99,95% Al) stosowane

na wyroby dla elektroniki i elektrotechniki. Aluminium
jest szeroko stosowane w przemyśle spożywczym ( np.
folie, puszki) oraz do aluminiowania i odtleniania stali.
Aluminium przerabia się plastycznie - walcuje ( blachy,
folie ) lub wyciska ( pręty, rury, drut, kształtowniki ).
Obróbkę można prowadzić na zimno lub na gorąco
( 450

0

C ).

Aluminium technicznie

czyste

Stopy

aluminium

Stopy

aluminium,

będące

najbardziej

rozpowszechnionymi tworzywami konstrukcyjnymi po
stopach żelaza, dzielą się na

odlewnicze i do przeróbki

plastycznej

. Stopy odlewnicze zawierają zwykle więcej

dodatków stopowych ( 525% ) niż do przeróbki

plastycznej ( do 6% ).

Odlewnicze stopy aluminium są stopami z: krzemem,
miedzią, magnezem i manganem, rzadziej zawierają
nikiel lub tytan. Odznaczają się dobrą lejnością, małym
skurczem odlewniczym i dość dobrymi własnościami
mechanicznymi. Można z nich wykonywać odlewy
zarówno piaskowe i kokilowe, jak i pod ciśnieniem.

Odlewnicze stopy

aluminium

Stopy aluminium z krzemem

zwane

siluminami

są

typowymi stopami odlewniczymi. Aluminium tworzy z
krzemem

układ

eutektyczny

z

ograniczoną

rozpuszczalnością krzemu ( max. 1,65% Si w roztworze
 przy temp. 577

0

C). Rozpuszczalność aluminium w

krzemie () jest bardzo mała. Eutektyka + powstaje

przy temperaturze 577

0

C.

AlSi7

AlSi11

AlSi20

Siluminy podeutektyczne

Silumin nadeutektyczny

Skład chemiczny i orientacyjne własności mechaniczne

wybranych siluminów

Skład chemiczny [%]

Własności mechaniczne

Cecha

stopu

Si

Cu

Mg

Mn

R

m

[MPa]

A

5

[%]

HB

gęstość

[g/cm

3

]

42000

(AK7)

68

-

0,20,4 0,10,5

160

24

60

2,68

44000

(AK11)

1013

-

-

-

180

36

55

2,65

AK20

2023 1,11,5 0,50,9 0,10,3

200

0,2

90

2,60

Siluminy

przed

odlaniem

zwykle

poddaje

się

modyfikacji dla uzyskania struktury drobnoziarnistej,
co poprawia ich własności mechaniczne, w tym także
udarność. W przypadku siluminów podeutektycznych i
eutektycznych modyfikatorem jest

sód

, a w siluminach

nadeutektycznych

modyfikację

przeprowadza

się

fosforem lub strontem

.

Silumin AK11 + 0,1% NaF

Po modyfikacji:

R

m

=250 MPa i A

5

= ok.

8%

Jako stopy
odlewnicze

aluminium z

miedzią

mogą

być

stosowane

stopy

podeutektyczne

o

zawartości

10%

Cu

( AlCu10). Ich struktura
składa się z eutektyki 

+ CuAl

2

rozłożonej na

granicach

ziaren

dendrytów

roztworu

stałego . Stop ten ma

dobrą

lejność,

ale

stosunkowo

niską

wytrzymałość.

Innym

stopem jest AlCu4 (AM4)
stosowany

na

odlewy

kokilowe.

Odlewnicze stopy

aluminium

Skład chemiczny [%]

Własności mechaniczne

Cecha

stopu

Si

Cu

Mg

Mn

R

m

[MPa]

A

5

[%]

HB

gęstość

[g/cm

3

]

21100

(AM4)

-

4,25,0 0,150,4

-

330

8

90

2,80

Odlewnicze stopy

aluminium

Jako

stop

odlewniczy

aluminium z magnezem

jest stosowany AlMg10
(AG10), nie zawierający
eutektyki, który może
być

umacniany

wydzieleniowo. Ma on
wprawdzie niezbyt dobrą
lejność, ale nadaje się na
odlewy

ciśnieniowe.

Cechuje

się

dobrą

odpornością na działanie

wody morskiej.

Skład chemiczny [%]

Własności mechaniczne

Cecha

stopu

Si

Cu

Mg

Mn

R

m

[MPa]

A

5

[%]

HB

gęstość

[g/cm

3

]

51200

(AG10)

-

-

911

-

300

10

70

2,55

Stopy aluminium do obróbki plastycznej i utwardzania

wydzieleniowego

Jako stopy do przeróbki plastycznej stosuje się
najczęściej stopy wieloskładnikowe zawierające magnez
i mangan lub miedź, jednak w mniejszych ilościach niż
w stopach odlewniczych. W niektórych stopach spotyka
się także inne dodatki, takie jak: Si, Ni, Fe, Cr, Ti. Są to
następujące stopy: AlMg1 ( PA1 – aluman ), AlMg2
( PA2 – hydronalium ), AlMg1Si1Mn ( PA4 – anticorodal
), AlMgSi ( PA38 – aldrey), AlCu4Mg2 ( PA 7 - dural),
AlZn6Mg2Cu ( PA9 - dural cynkowy), AlCu2SiMn

( PA31), AlSiMgCu ( PA10 ).

Skład chemiczny [%]

Własności mechaniczne

Cecha

stopu

Cu

Mg

Mn

Si

R

m

[MPa]

A

5

[%]

HB

gęstość

[g/cm

3

]

PA1

-

-

1,01,5

-

100

17

25

2,73

PA2

-

1,72,6

do 0,6

-

150

16

40

2,68

PA4

-

0,71,5 0,21,0 0,71,5

220

12

60

2,70

PA7

3,84,9 1,21,8 0,40,9

-

410

10

110

2,77

PA9

1,42,0 1,82,8 0,20,6 57 Zn

700

12

150

2,80

PA10 0,10,5 0,450,9 0,20,35 0,51,2

180

16

55

2,72

PA31 1,82,6 0,40,8 0,40,8 0,71,2

350

14

95

2,80

PA38

-

0,40,9

-

0,30,7

140

14

50

2,69

Utwardzanie

wydzieleniowe

Utwardzaniem wydzieleniowym

nazywamy obróbkę

cieplną stosowaną zarówno dla stopów aluminium, jak i
stopów innych metali nieżelaznych oraz niektórych
stali polegającą na wydzieleniu dyspersyjnych faz,
wywołujących silne umocnienie. Wydzielenie cząstek
fazy umacniającej można wywołać w tych stopach,
które wykazują zmienną rozpuszczalność składników w
funkcji temperatury.

Utwardzanie

wydzieleniowe

Utwardzanie wydzieleniowe składa się z
dwóch zabiegów:
a)

przesycania

b)

starzenia

( naturalnego lub

przyspieszonego )

przesycanie

starzenie

Mechanizm umocnienia przez

cząstki

Umocnienie przez wydzielenia można wyjaśnić na
podstawie

teorii dyslokacji

. Ruch dyslokacji jest

hamowany przez cząstki, jednak dyslokacja może się
przemieszczać między nimi. W wyniku poślizgu
następuje stopniowe wyginanie dyslokacji aż do
utworzenia pętli wokół każdej cząstki. Dyslokacja
odrywa

się

wówczas

od

cząstek,

powodując

zmniejszenie efektywnej odległości między nimi, co
utrudnia przejście następnej dyslokacji. Jeśli jednak
zdoła ona przejść, utworzą się dodatkowe pętle, aż
wreszcie

ruch

dyslokacji

zostanie

zupełnie

zablokowany. Stan taki odpowiada silnemu umocnieniu
stopu. Zgodnie z tym mechanizmem wzrost ilości fazy
umacniającej i jej dyspersji prowadzi do wzrostu
umocnienia.

Wpływ temperatury starzenia na własności

duralu PA7

Magnez i jego

stopy

Magnez

jest metalem lekkim, krystalizującym w sieci

A3

(HZ). Temperatura topnienia wynosi

650

0

C

, gęstość

1,75 g/cm

3

. Jego własności wytrzymałościowe i

plastyczne:

R

m

= 120 MPa

,

A

5

= 6%

, twardość

35HB

. Ma

duże powinowactwo do tlenu i azotu, łatwo się utlenia,
ale zwarta warstwa tlenku magnezu chroni metal
przed dalszym utlenianiem. W wyższych temperaturach
zapala się samoczynnie. W stanie czystym jest
stosowany głównie w pirotechnice oraz jako odtleniacz,
reduktor i modyfikator stopów.

Stopy magnezu

cechują

się dobrą wytrzymałością (

do 350 MPa

) i bardzo małą

gęstością.

Jako

dodatki

stopowe

stosuje

się:

aluminium, cynk, mangan, krzem oraz cer i cyrkon
( które poprawiają wytrzymałość w podwyższonych
temperaturach ). Stopy magnezu dzielą się na
odlewnicze i do obróbki plastycznej. Obie grupy mogą
być poddawane obróbce cieplnej.

Rower Merida Magnesium Elite 

Magnez i jego

stopy

Stopy magnezu stosowane są głównie
w przemyśle lotniczym, włókienniczym
(na wrzeciona ) i w transporcie.

Tytan i jego stopy

Tytan

jest metalem lekkim, jego

gęstość wynosi

4,5 g/cm

3

. Ma

dwie odmiany alotropowe



- o

sieci A3 (HZ) i



- o sieci A2

(RPC). Temperatura przemiany
alotropowej

wynosi

882

0

C,

temperatura topnienia

1668

0

C

.

Własności mechaniczne tytanu:

R

m

= 490 MPa

,

A

5

= 22%

. Jest

odporny

na

korozję

atmosferyczną,

w

kwasach

organicznych

i

w

wodzie

morskiej. Nie jest odporny na
działanie HF, H

2

SO

4

, HNO

3

. Nie

utlenia

się

do

temperatury

200

0

C.

W

wyższych

temperaturach tytan pochłania
gazy ( N, O, H ) oraz reaguje z
węglem

i

jego

własności

plastyczne ulegają drastycznemu
obniżeniu. W związku z dużą
zawartością tytanu w skorupie
ziemskiej jest on uważany za
metal przyszłościowy.

Tytanowa endoproteza



Stopy

tytanu