Odlewnicze stopy

aluminium.

Efekt twardości wtórnej.

Błażej Major

Mateusz Siudy

Inżynieria Materiałowa Semestr III

Aluminium - glin o czystości technicznej,
zawierający różne ilości zanieczyszczeń, zależnie
od metody otrzymywania. Aluminium należy do
metali o bardzo dużym znaczeniu technicznym.
Występuje w przyrodzie w bardzo wielu
minerałach i jest trzecim (po tlenie i krzemie)
pierwiastkiem pod względem udziału w skorupie
ziemskiej. Jego główną rudą jest boksyt, z
którego wytwarza się czysty tlenek Al2O3.

Aluminium

Źródłem aluminium są boksyty – skały składające

się głównie z wodorotlenków glinu. Z czterech
ton boksytu można uzyskać około dwóch ton
korundu – tlenku glinu mającego postać białego
proszku. Z dwóch ton tlenku glinu możemy
pozyskać tonę aluminium.

Pozyskiwanie aluminium

Aby przekształcić boksyt w tlenek glinu, kruszymy

rude i

mieszamy ją z wapnem i soda żrącą. Następnie

mieszanka ta

pompowana jest do wysokoprężnych zbiorników i

podgrzewana.

Tlenek aluminium jest rozpuszczany przez sodę

żrącą, a

następnie wytrącany z roztworu, oczyszczany i

podgrzewany w

celu odparowania wody. W efekcie uzyskujemy

biały proszek

przypominający cukier, zwany tlenkiem glinu lub

tlenkiem

aluminium (Al

Pozyskiwanie aluminium

Aluminium należy do grupy metali lekkich
charakteryzująca się następującymi
właściwościami :

- Bardzo mała gęstość ρ= 2,6989 g/cm3
- Znaczna odporność na utlenianie
- Niewielką oporność elektryczna
- Dobra plastyczność
- Temperatura topnienia wynosi 660,37°C
- Temperatura wrzenia 2494°C.
- Wytrzymałość na rozciąganie Rm = 70-120 Mpa
- Granica plastyczności Re = 20-40 MPa

Własności aluminium

Stosunkowo niskie własności wytrzymałościowe aluminium
można zwiększyć nawet kilkakrotnie przez wprowadzenie
pierwiastków stopowych oraz obróbkę cieplną stopów. W
porównaniu ze stalami stopy aluminium charakteryzują się
znacznie mniejszą masą, a w niskiej temperaturze –
większą udarnością. Najogólniej – ze względu na sposób
wytwarzania – stopy aluminium dzieli się na:

- do obróbki plastycznej,
- odlewnicze.

Niektóre z tych stopów mogą być stosowane zarówno jako
odlewnicze jak i przeznaczone do obróbki plastycznej.

Stopy aluminium

Odlewnicze stopy aluminium są przeważnie stopami
wieloskładnikowymi o dużym stężeniu
pierwiastków stopowych (5-15%). Są to głównie

krzem, miedź,

mangan, cynk oraz nikiel. Charakteryzują się dobrą

lejnością i

często małym skurczem odlewniczym. W stanie

lanym

można zastosować stopy zawierające mniej niż 5%
pierwiastków stopowych

Odlewnicze stopy aluminium -

charakterystyka

Oznaczanie stopów odlewniczych jest podobne do
stopów do obróbki plastycznej, z tym że symbol AW w
znaku jest zastąpiony przez AC, np.

EN AC-AlSi5Cu3Mn.

Na końcu znak stopu może być uzupełniony symbolem
sposobu odlewania:



S - do form piaskowych



K - kokilowym



D - pod ciśnieniem



L - metodą wytapianych modeli

Odlewnicze stopy aluminium –

oznaczenie

Podstawową grupę stopow Al z Si stanowią stopy
odlewnicze zwane siluminami o stężeniu 2÷30%
Si(najczęściej 5÷13,5% Si). Krzem, jako podstawowy
składnik tych stopow, zapewnia dobrą
rzadkopłynność oraz lejność i mały skurcz
odlewniczy. Część stopow zawierających ponad 4%
Si może być także stosowana po obrobce plastycznej.

Siluminy

Siluminy o składzie eutektycznym charakteryzują
się bardzo dobrymi własnościami odlewniczymi,
nie wykazują skłonności do pękania na gorąco.
Własności mechaniczne stopow obniżają jednak
wydzielenia kryształow roztworu β (praktycznie
kryształow Si), co występuje szczegolnie po
wolnym chłodzeniu z temperatury odlewania.
Strukturę tego siluminu można polepszyć przez
szybkie chłodzenie po odlaniu lub
modyfikowanie.

Siluminy

Siluminy podeutektyczne modyfikuje się sodem,
dodawanym w postaci mieszaniny NaF, NaCl i
KCl. Dodatek Na obniża temperaturę przemiany
eutektycznej i powoduje przesunięcie punktu
eutektycznego do większego stężenia – ok. 13%
Si. Jako bardzo efektywny modyfikator jest
stosowany także Sr, a niekiedy Sb. Strukturę
stopow modyfikowanych stanowi drobnoziarnista
eutektyka α + β z wydzieleniami fazy α.

Siluminy

Siluminy nadeutektyczne wykazują duże
wydzielenia kryształow roztworu β (niemal
czystego Si). Stopy te są modyfikowane fosforem,
ktory tworzy dyspersyjne cząstki AlP, stanowiące
zarodki heterogeniczne w czasie krystalizacji
cząstek roztworu β bogatego w Si. W wyniku
tego w strukturze stopu ochłodzonego do
temperatury pokojowej występuje eutektyka α +
β i drobne cząstki roztworu β o znacznej
dyspersji.

Siluminy

Powszechnie stosowane siluminy wieloskładnikowe, w

których jako

dodatki stopowe wykorzystuje się mangan, miedź i

magnez,

poprawiające wytrzymałość i twardość oraz

umożliwiające

umocnienie wydzieleniowe siluminów.



Magnez – przy zawartości 0,2-1,5% tworzy z krzemem
związek międzymetaliczny o zmiennej
rozpuszczalności w aluminium, w stanie stałym
umożliwiający umocnienie wydzieleniowe.



Miedź – w ilości do 4% zwiększa wytrzymałość
siluminów w podwyższonej temperaturze, polepsza
skrawalność, w ilości przekraczającej 4% zmniejsza
odporność na korozję.



Mangan – w ilości do 0,2-0,5% jest stosowany w celu
obniżeniu szkodliwego wpływu żelaza, tworzącego
kruchy i twardy związek krystalizujący w postaci
długich igieł.

Siluminy wieloskładnikowe

Układ równowagi Al Si

Fragment wykresu równowagi
Al-Si
Dobrzański L.A.: Podstawy nauki
o materiałach i metaloznawstwo



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



Mały skurcz



Dużą rzadkopłynność ( umożliwia wykonywanie cienkich
wyrobów)



Jako stopy eutektyczne krzepną w stałej temperaturze nie
wykazując przy tym skłonności do segregacji



Dobrą odporność na korozję pod warunkiem, że nie mają
nadmiernej ilości zanieczyszczeń, a zwłaszcza żelaza



Są one odporne również na działanie wody morskiej, wód
mineralnych, a nawet sodu, amoniaku i kwasu azotowego,
stężonego i rozcieńczonego



Całkiem niezłymi właściwościami mechanicznymi, które można
jeszcze znacznie zwiększyć na drodze umacniania
wydzieleniowego o ile stop zawiera dodatek Mg lub Cu

Własności siluminów

Siluminy eutektyczne i nadeutektyczne
wykazujące znaczną żarowytrzymałość są
stosowane na wysoko obciążone tłoki silnikow
spalinowych. Ze stopow podeutektycznych
wytwarza się silnie obciążone elementy dla
przemysłu okrętowego i elektrycznego, pracujące
w podwyższonej temperaturze i w wodzie
morskiej. Wieloskładnikowe stopy Al z Si są
stosowane m.in. na głowice silnikow spalinowych
oraz inne odlewy w przemyśle maszynowym.

Zastosowanie siluminów

Stopy aluminium z

magnezem

Fragment wykresu równowagi Al-Mg
Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo

Oprócz siluminów – są najczęściej

stosowanymi stopami

odlewniczymi. Wykazują największą spośród

stopów

aluminium odporność na korozję i

najmniejszą gęstość.

Własności odlewnicze tych stopów są jednak

gorsze niż

siluminów.

Odlewnicze stopy aluminium z

magnezem

Stopy Al z Mg zawierają zwykle inne dodatki stopowe,

wprowadzone jednak w niewielkim stężeniu.



Krzem – poprawia rzadkopłynność



Mangan lub chrom – zmniejszają niekorzystny wpływ Fe na
korozję tych stopów



Miedź – dodawana rzadko, zmniejsza podatność na pitting
(zużycie wykruszające), pogarszając jednocześnie odporność
stopów na korozję



Cynk – polepsza własności wytrzymałościowe i odlewnicze



Tytan lub Bor – zmniejszają wielkość ziarna



Beryl – zmniejsza skłonność Mg do utleniania w kąpieli
metalowej przed odlaniem stopu i również w stanie stałym
podczas pracy w podwyższonej temperaturze



Ołów – polepsza podatność stopów na obróbkę skrawaniem

Odlewnicze stopy aluminium z

magnezem

Dla odlewów wykonywanych ze stopów Al-Mg

wykonuje się następujące operacje obróbki
cieplnej :



wyżarzanie homogenizujące: wytrzymanie 10-12
h w temp. 450-480°C, powolne chłodzenie do
temp. 350°C i następnie szybkie chłodzenie



wyżarzanie odprężające przez 12-16 h w temp.
120-150°C



umacnianie wydzieleniowe ( stopów
wysokomagnezowych ) :



wytrzymanie 15-20 h w temp. 435°C i
przesycanie w wodzie o temp. 80°C



starzenie sztuczne w temp. 150°C przez 24 h lub
naturalne w czasie do 60 dni.

Odlewnicze stopy aluminium z

magnezem



Najmniejsza gęstość



Największa odporność na korozję (głównie w
wodzie morskiej)



Umiarkowana lub wysoka wytrzymałość



Dobrze spawalne



Podatne na korozję naprężeniową przy
zawartości powyżej 3% Mg



Nie nadają się do pracy w podwyższonej
temperaturze

Odlewnicze stopy aluminium z

magnezem - charaksterystyka

Stopy odlewnicze Al z Mg znajdują zastosowanie

na odlewy o dużej odporności na korozję, np. na:



Armaturę morską



Elementy aparatury chemicznej



Elementy dekoracyjne



Elementy silnie obciążone



Elementy narażone na uderzenia

Odlewnicze stopy aluminium z

magnezem - zastosowanie



Czteroskładnikowe stopy Al z Zn, zawierające Mg i Cu, zwane duralami
cynkowymi, wykazują najwyższe własności wytrzymałościowe ze
wszystkich stopów aluminium. W stanie utwardzonym wydzieleniowo
ich wytrzymałość na rozciąganie Rm osiąga ok. 700 MPa, a granica
plastyczności Rp

0,2

– ok. 600 MPa, przy małym wydłużeniu A = 2÷5%.



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.

Wieloskładnikowe stopy

aluminium z cynkiem

Odlewnicze stopy Al z Cu zawierają do ok. 5% Cu,
niekiedy dodatek Ti, wpływający na rozdrobnienie
ziarn i zwiększenie lejności. Są stosowane rzadziej niż
stopy Al z Si ze względu na trudności technologiczne
związane z wytwarzaniem odlewow (wykazują
podatność na mikropęknięcia podczas odlewania).
Dodatek Cu zwiększa żaroodporność, pogarsza jednak
odporność na korozję – w szczegolności
międzykrystaliczną, związaną z wydzielaniem fazy Θ
na granicach ziarn roztworu ω. Stopy te są stosowane
na średnio i bardzo obciążone elementy samochodow i
maszyn.

Odlewnicze stopy Al Z Cu

Stopy Al z Cu są poddawane utwardzaniu
wydzieleniowemu. W wyniku przesycenia miedzią
roztwor stały ω znajduje się w stanie metastabilnym,
cechującym się nadmiarem energii swobodnej. W
pierwszym stadium starzenia w sieci przesyconego
roztworu stałego rożnowęzłowego ω o przypadkowym
rozmieszczeniu atomow Cu w płaszczyznach {100}
tworzą się skupiska atomow miedzi, zwane strefami
Guiniera–Prestona GP. Strefy GP powstają podczas
starzenia samorzutnego w temperaturze pokojowej i
mają postać cienkich płytek o grubości
kilkudziesięciu i średnicy kilkuset nm, całkowicie
koherentnych z osnową roztworu ω. Rożnice średnic
atomow Al i Cu powodują znaczne odkształcenia
sprężyste i naprężenia sieci i w wyniku tego
umocnienie stopu. Zakończenie procesu jest związane
z ustabilizowaniem się twardości. Wowczas ok. 50%
atomow Cu znajduje się w strefach GP.

Utwardzanie wydzieleniowe

stopów Al z Cu

Podczas starzenia w temperaturze wyższej od ok. 100°C, w
płaszczyznach {100} roztworu ω następuje wydzielanie
fazy przejściowej Θ″ o sieci tetragonalnej, koherentnej z
osnową, powodujące umocnienie stopu mniejsze od
wywołanego strefami GP. W temperaturze ok. 200°C, po
rozpuszczeniu się w osnowie fazy Θ″, następuje
wydzielanie fazy Θ′ o składzie stechiometrycznym
zbliżonym do Al3,6Cu2 o sieci regularnej połkoherentnej z
osnową. Częściowo koherentne wydzielenia silnie
umacniają stop, z czym jest związany wzrost jego
twardości . Długotrwałe wygrzewanie w temperaturze ok.
200°C lub zwiększenie temperatury starzenia powoduje
spadek twardości, zwany przestarzeniem stopu . Jest to
spowodowane przemianą fazy Θ′ w fazę Θ(CuAl2) o
składzie rownowagowym, strukturze tetragonalnej i sieci
niekoherentnej z osnową roztworu ω. Odlewnicze stopy Al
z Cu w stanie utwardzonym wydzieleniowo wykazują
wytrzymałość na rozciąganie Rm = 210 MPa, twardość 60
HB i wydłużenie A = 6%.