STRUKTURA
I
WŁASNOŚCI
ALUMINIUM I STOPÓW ALUMINIUM
Błażej Stankiewicz
Piotr Pabiańczyk
IM , semestr 3
STRUKTURA
I
WŁASNOŚCI
ALUMINIUM I STOPÓW ALUMINIUM
Błażej Stankiewicz
Piotr Pabiańczyk
IM , semestr 3
ALUMINIUM (AL)
Aluminium jest metalem lekkim, III
grupy układu okresowego, wykazuje
właściwości amfoteryczne z dość niską
temperaturą topnienia, 660°C. Na
powietrzu pokrywa się cienką zwartą
warstewką tlenku Al2O3, która chroni
go przed dalszą korozją.
Struktura czystego aluminium EN AW-Al99,98, pow. 50x, światło
spolaryzowane;
Leszek A. Dobrzański - Rozdział‚ 7 - Metale nieżelazne i ich stopy
WŁASNOŚCI
Liczba atomowa 13
Masa atomowa wynosi 26,9815
Krystalizuje w sieci regularnej ściennie
centrowanej typu A1
Temperatura topnienia wynosi
660,37°C, a wrzenia 2494°C.
Gęstość wynosi 2,6989 g/cm3 w 20°C.
Duża przewodność elektryczna i cieplna
OGÓLNA KLASYFIKACJA STOPÓW ALUMINIUM
Do obróbki plastycznej
Odlewnicze
STOPY ALUMINIUM
Stopy aluminium z krzemem
Stopy aluminium z magnezem
Stopy aluminium z miedzią
Stopy aluminium z cynkiem
Stopy aluminium z manganem
Stopy aluminium z litem
Wpływ niektórych pierwiastków na wytrzymałość stopów aluminium (wg K.
Wesołowkiego).
STOPY ALUMINIUM DO OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
Stopy do obróbki plastycznej zawierają zwykle
do ok. 5% pierwiastków stopowych, najczęściej
Cu, Mg, Mn, niekiedy także Si, Zn, Ni, Cr, Ti lub
Li.
Te
m
p
e
ra
tu
ra
Stężenie składnika B
Fragment typowego wykresu równowagi stopów Al z zaznaczeniem zakresów
stężenia stopów do obróbki plastycznej, umacnianych zgniotowo i
utwardzanych wydzieleniowo, oraz stopów odlewniczych
Leszek A. Dobrzański - Rozdział‚ 7 - Metale nieżelazne i ich stopy
ODLEWNICZE STOPY ALUMINIUM
Odlewnicze stopy aluminium są przeważnie
stopami wieloskładnikowymi o dużym stężeniu
– od 5 do 25% – pierwiastków stopowych,
głownie Si, Cu, Mg, Zn i Ni lub ich rożnych
zestawień. Charakteryzują się dobrą lejnością i
często małym skurczem odlewniczym. W
stanie lanym można także stosować stopy
zawierające mniej niż 5% pierwiastków
stopowych.
ALUMINIUM Z KRZEMEM
Aluminium z krzemem tworzy układ z
eutektyką, występującą przy stężeniu 12,6% Si,
i dwoma roztworami stałymi granicznymi o
rozpuszczalności składników zmniejszającej się
wraz z obniżeniem temperatury. Roztwór α (Si w
Al) wykazuje sieć regularną typu A1.
Struktura odlewniczego stopu Al-Si trawionego barwnie kwasem
molibdenowym, pow. 1000x;
Leszek A. Dobrzański - Rozdział‚ 7 - Metale nieżelazne i ich stopy
Grupa stopów
Odlewnicze
Do obróbki
plastycznej
dwuskładnikowe
wieloskładnikow
e
Zakres
Stężeni
a
składni
kow
stopu,
%
Al
84,3÷92
79,4÷97,6
75,4÷98,8
Si
8÷13,5
1,6÷13,5
0,5÷13,0
Cu
-
0÷5
0÷1,3
Mg
-
0÷1,5
0÷1,3
Mn
-
0÷0,65
0÷1,5
Ni
-
0÷1,3
0÷1,5
Ti
-
0÷0,25
-
Norma
PN-EN 1706:2001
PN-EN 573-
3:1998
Orientacyjne zakresy stężenia pierwiastków stopowych w stopach aluminium
z krzemem
Podstawową grupę stopów Al z Si
stanowią stopy odlewnicze zwane
siluminami o stężeniu 2÷30% Si
(najczęściej 5÷13,5% Si). Krzem, jako
podstawowy składnik tych stopów,
zapewnia dobrą rzadkopłynność oraz
lejność i mały skurcz odlewniczy.
ALUMINIUM Z KRZEMEM
Te
m
p
e
ra
tu
ra
Stężenie masowe Si %
Wykres równowagi Al–Si (według L.A. Willeya)
Leszek A. Dobrzański - Rozdział‚ 7 - Metale nieżelazne i ich stopy
Siluminy mogą być również stopami
wieloskładnikowymi. Zawierają wówczas
dodatki Cu, Mg i Mn, zwiększające
wytrzymałość.
Na
rysunku
poniżej
przedstawiono
fragmenty
potrójnych
układów równowagi.
ALUMINIUM Z KRZEMEM
Mikrostruktura siluminu
eutektycznego;
a) przed modyfikacją, b) po
modyfikacji; pow. × 100
Mikrostruktura siluminu eutektycznego po modyfikacji. Powiększ. 100x
Mikrostruktura siluminu eutektycznego przed modyfikacją. Powiększ. 100x
Stężenie masowe Mg %
Stężenie masowe Si %
Przekrój izotermiczny wykresu równowagi Al–Mg–Si w temperaturze zmiennej rozpuszczalności
solvus (według L.A. Willeya)
Stężenie masowe Si %
Stężenie masowe Cu %
Fragment przekroju izotermicznego wykresu równowagi Al–Cu–Si w temperaturze
zmiennej rozpuszczalności solvus (według L.A. Willeya)
Siluminy
eutektyczne
i
nadeutektyczne
wykazujące znaczną żarowytrzymałość są
stosowane na wysoko obciążone tłoki silników
spalinowych. Ze stopów podeutektycznych
wytwarza się silnie obciążone elementy dla
przemysłu
okrętowego
i
elektrycznego,
pracujące w podwyższonej temperaturze i w
wodzie morskiej.
ALUMINIUM Z KRZEMEM
STOPY ALUMINIUM Z MANGANEM
W zakresie stężenia występującego w stopach
technicznych mangan tworzy z aluminium
roztwór stały graniczny α oraz eutektykę α +
β(Al6Mn). Niewielkie zmiany rozpuszczalności
manganu w aluminium wraz ze zmianą
temperatury
nie
dają
możliwości
przeprowadzenia
utwardzania
wydzieleniowego stopów Al–Mn.
Obróbka
cieplna
stopów
aluminium
z
manganem
polega
na
wyżarzaniu
ujednorodniającym i rekrystalizującym.
STOPY ALUMINIUM Z MANGANEM
Stop aluminium mangan, miedź, tytan
Dzięki dobrej odporności na korozję stopy
aluminium
z
manganem
znajdują
zastosowanie na elementy pracujące w
agresywnych ośrodkach korozyjnych, w
szczególności na urządzenia produkcyjne i
transportowe w przemyśle spożywczym i
chemicznym, a także spawane zbiorniki na
ciecze i gazy techniczne oraz inne elementy
spawane lub zgrzewane.
STOPY ALUMINIUM Z MANGANEM
Te
m
p
e
ra
tu
ra
◦
c
Stężenie masowe Mn %
Fragment wykresu równowagi Al–Mn (według L.F. Mondolfo)
WIELOSKŁADNIKOWE STOPY ALUMINIUM Z LITEM
Lit w stężeniu 1,9÷2,7% jest stosowany
w stopach Al do obróbki plastycznej jako
pierwiastek stopowy wraz z Cu oraz
zwykle z Mg, zmniejszającymi jego
rozpuszczalność w roztworze stałym i
wchodzącym
w
skład
faz
międzymetalicznych.
Fragment układu równowagi Alumnium-Lit.
STOPY ALUMINIUM Z MAGNEZEM
Aluminium tworzy z Mg roztwór stały graniczny o
rozpuszczalności zmniejszającej się wraz z obniżaniem
temperatury. Roztwór ten krystalizuje w sieci ściennie
centrowanej typu A1 układu regularnego. W stopach
przemysłowych Al z Mg stężenie Mg jest zawarte w
przedziale od 0,5 do ok. 13%. Stopy o małym stężeniu
Mg wykazują dużą podatność na obróbkę plastyczną, a
o dużym stężeniu bardzo dobre własności odlewnicze.
Fragment wykresu równowagi Al–Mg (według L.A. Willeya)
Leszek A. Dobrzański - Rozdział‚ 7 - Metale nieżelazne i ich stopy
ODLEWNICZE STOPY ALUMINIUM Z MAGNEZEM
Stopy aluminium z Mg oprócz siluminów są najczęściej
stosowanymi
stopami
odlewniczymi.
Wykazują
bowiem
największą spośród stopów aluminium odporność na korozję i
najmniejszą gęstość. Własności odlewnicze tych stopów są
jednak gorsze niż siluminów. Stopy Al z Mg zawierają dodatki
stopowe t.j.: Mn, Cr, Fe, Cu, Zn, Ti, Pb. Stopy odlewnicze Al z Mg
znajdują zastosowanie na odlewy o dużej odporności na korozję,
np. na armaturę morską, elementy aparatury chemicznej oraz
elementy dekoracyjne, a także silnie obciążone i narażone na
uderzenia.
STOPY ALUMINIUM Z MAGNEZEM DO OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
Stopy Al z Mg do obróbki plastycznej, zwane
zwyczajowo
hydronaliami,
zawierają
0,4÷5,6% Mg, a także niewielki dodatek Mn,
Si, Cr, Fe lub Pb. Charakteryzują się
podwyższonymi własnościami mechanicznymi,
odpornością na korozję w środowisku wody i
atmosfery morskiej oraz dobrą spawalnością i
podatnością na głębokie tłoczenie.
STOPY ALUMINIUM Z MAGNEZEM DO OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
Hydronalia
mają
strukturę
dwufazową
roztworu stałego i wydzieleń fazy. Stopy Al z Mg
znajdują zastosowanie na średnio obciążone
elementy w przemyśle okrętowym i lotniczym
oraz w urządzeniach przemysłu spożywczego i
chemicznego.
Stosowane
są
też
na
opakowania, np. na puszki do napojów.
STOPY ALUMINIUM Z MIEDZIĄ
W układzie podwójnym Al–Cu występują
dwa roztwory stałe oraz 9 roztworów
wtórnych
na
osnowie
faz
międzymetalicznych. Niektóre z tych faz i
roztworów wtórnych utworzonych na ich
osnowie krystalizują bezpośrednio z cieczy
w
wyniku
reakcji
eutektycznej
lub
perytektycznej, niektóre zaś powstają w
stanie stałym.
Fragment wykresu równowagi Al–Cu (według L.A. Willeya)
Leszek A. Dobrzański - Rozdział‚ 7 - Metale nieżelazne i ich
stopy
ODLEWNICZE STOPY ALUMINIUM Z MIEDZIĄ
Odlewnicze stopy Al z Cu zawierają do ok. 5% Cu,
niekiedy
z
dodatkiem
Ti,
wpływający
na
rozdrobnienie ziarn i zwiększenie lejności. Są
stosowane rzadziej niż stopy Al z Si ze względu na
trudności technologiczne związane z wytwarzaniem
odlewów (wykazują podatność na mikropęknięcia
podczas
odlewania).
Dodatek
Cu
zwiększa
żaroodporność, pogarsza jednak odporność na
korozję w szczególności międzykrystaliczną. Stopy te
są stosowane na średnio i bardzo obciążone
elementy samochodów i maszyn.
STOPY ALUMINIUM Z MIEDZIĄ I MAGNEZEM DO OBRÓBKI
PLASTYCZNEJ
Stopy aluminium z Cu i Mg oraz niewielkim dodatkiem Mn albo
Fe, lub Si są nazywane duraluminium lub duralami
miedziowymi. Zwiększenie stężenia Cu oraz Mg powoduje
podwyższenie własności wytrzymałościowych i zmniejszenie
własności plastycznych oraz podatności durali na obróbkę
plastyczną. Skład chemiczny durali jest dobierany tak, aby w
stanie równowagi w temperaturze pokojowej wykazywały
strukturę jednofazową roztworu α(ω).
STOPY ALUMINIUM Z MIEDZIĄ I MAGNEZEM DO OBRÓBKI
PLASTYCZNEJ
Stopy Al z Cu i Mg są poddawane obróbce cieplnej
polegającej
na
wyżarzaniu
ujednorodniającym,
rekrystalizującym i przede wszystkim na utwardzaniu
wydzieleniowym. Przesycanie odbywa się w wodzie
po wygrzewaniu w temperaturze ok. 490÷510°C
przez 4÷6 h.
Durale miedziowe są stosowane na elementy
maszyn,
pojazdów
mechanicznych,
taboru
kolejowego, samolotów, a także w budownictwie. Ich
zastosowanie jest jednak ograniczone z powodu
braku odporności na korozję.
WIELOSKŁADNIKOWE STOPY ALUMINIUM
Z MIEDZIĄ
DO OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
Wieloskładnikowe stopy Al z Cu zawierają oprócz Mg, Si
i Mn także Fe, Ni, Ti, Zr lub Li cechują się dobrymi
własnościami mechanicznymi zarówno w temperaturze
pokojowej,
jak
i
podwyższonej.
Duża
ich
żarowytrzymałość jest związana z tworzeniem się faz
bogatych w Fe, Mn lub Ti. Dodatek Ti sprzyja
powstawaniu
drobnoziarnistej
struktury
stopu,
natomiast Mn ułatwia rekrystalizację. Żarowytrzymałe
stopy aluminium cechują się dobrą odpornością na
korozję gazową i erozję.
WIELOSKŁADNIKOWE STOPY ALUMINIUM Z MIEDZIĄ
DO OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
Obróbka cieplna tych stopów polega na
wyżarzaniu rekrystalizującym po zgniocie na
zimno oraz na utwardzaniu wydzieleniowym.
Przesycanie odbywa się zwykle w wodzie z
temperatury 510÷540°C, natomiast starzenie w
temperaturze
160÷200°C
przez
kilka
do
kilkudziesięciu godzin.
WIELOSKŁADNIKOWE STOPY ALUMINIUM Z MIEDZIĄ
DO OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
Żarowytrzymałe stopy aluminium są stosowane na elementy
konstrukcyjne wytwarzane z wykorzystaniem obróbki plastycznej,
głownie kucia matrycowego, pracujące w temperaturze do ok.
350°C, w szczególności na elementy konstrukcji lotniczych,
środków transportu i maszyn.
Własności tych stopów w temperaturze pokojowej są jednak
niższe od własności durali miedziowych. Z tego względu unika się
stosowania wieloskładnikowych stopów Al z Cu na elementy
konstrukcyjne pracujące wyłącznie w temperaturze pokojowej.
Mikrostruktura duralu (PA29) w stanie wyżarzonym. Powiększ. 200x
WIELOSKŁADNIKOWE STOPY ALUMINIUM Z CYNKIEM
Stopy Al z Zn, zawierają również Mg oraz Cu i zwane
duralami cynkowymi. Wykazują najwyższe własności
wytrzymałościowe ze wszystkich stopów aluminium.
Ograniczenie ich stosowania jest związane z małą
odpornością na działanie podwyższonej temperatury.
Durale cynkowe są także mało odporne na korozję, w
szczególności naprężeniową, i z tego względu często
plateruje się je aluminium lub stopem Al z Zn. Są
wytwarzane w postaci blach, prętów, odkuwek i
kształtowników. Niektóre stopy aluminium z cynkiem
można też stosować jako odlewnicze.
STOPY ALUMINIUM Z ŻELAZEM
Przeznaczone do obróbki plastycznej stopy
aluminium z żelazem zawierają 0,4÷2,0%
Fe oraz dodatek Mn lub Si. Struktura,
obróbka
cieplna,
właściwości
i
zastosowanie tych materiałów są podobne
jak w przypadku stopów Al–Mn.
•Leszek A. Dobrzański - Rozdział‚ 7 - Metale nieżelazne i ich stopy
http://www.labmat.pw.plock.pl/metal/met_nie/alum.htm
http://www.zmio.ps.pl/Tworzywa_metaliczne/09_Stopy%20Al,Mg,Ti.pd
f
http://157.158.19.181/platforma/file.php/1/prezentacje/
BIBLIOGRAFIA:
DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ !