2008-12-08
Własności fizyczne i mechaniczne aluminium
Aluminium ma liczbę atomową równą 13, a jego masa atomowa wynosi 26,9815. Nie
wykazuje ono odmian alotropowych i krystalizuje w sieci regularnej ściennie centrowanej typu Al
o parametrze 0,40408 nm. Temperatura topnienia aluminium wynosi 660,37°C, a wrzenia
2494°C. GÄ™stość aluminium wynosi 2,6989 g/cm3 w 20°C.
Aluminium w stanie wyżarzonym cechuje się wytrzymałością na rozciąganie wynoszącą Rm =
70-120 MPa, granicą plastyczności Re = 20-40 MPa, wydłużeniem A11,3 = 30-45% i
przewężeniem Z = 80-95%.
Aluminium może być obrabiane plastycznie na zimno i na gorąco. W stanie zgniecionym z
60-80% stopniem gniotu wytrzymałość na rozciąganie Rm osiąga 140-230 MPa, granica
plastyczności Re = 120-180 MPa, twardość 40-60 HB, przy zmniejszonym wydłużeniu A11,3 =
1,5-3%.
Aluminium cechuje wysoka przewodność elektryczna - 37,74 MS/m, stanowiąca ok. 65%
przewodności elektrycznej miedzi, oraz dobra przewodność cieplna. Przewodność elektryczna
ulega znacznemu zmniejszeniu wraz ze zwiększeniem stężenia zanieczyszczeń i
domieszek, głównie Fe i Si, a także Cu, Zn i Ti (rys. 10.4).
Pierwiastki te powodują ponadto obniżenie plastyczności, lecz zwiększają własności
wytrzymałościowe.
Aluminium wykazuje dużą odporność na korozję. Na powietrzu pokrywa się cienką warstwą
Al203, chroniącą przed korozją atmosferyczną, działaniem wody, stężonego kwasu azotowego,
licznych kwasów organicznych, a także siarkowodoru.
W celu polepszenia odporności na korozję aluminium może być poddane utlenianiu
anodowemu (tzw. anodowaniu), tj. elektrolitycznemu procesowi wytwarzania powłoki tlenkowej,
np. w roztworze 10% kwasu siarkowego, połączonemu z barwieniem powierzchni metalu na
różne kolory.
1
2008-12-08
Rysunek 10.4
Wpływ stężenia domieszek na przewodność elektryczną właściwą aluminium
typu ENAW-A199,99 (wg W.W. Malcewa)
2
2008-12-08
Zastosowanie aluminium
Gatunki aluminium hutniczego (o ograniczonej czystości) są stosowane do produkcji
stopów oraz licznych produktów codziennego użytku, urządzeń dla przemysłu
spożywczego, na niektóre przewody elektryczne, wymienniki ciepła (PN-EN 683-2:2000),
w budownictwie (PN-EN 508-2:2003), a w postaci folii - na opakowania artykułów
spożywczych (PN-EN 546-2:2000). Aluminium rafinowane (o wysokiej czystości) jest
stosowane w elektronice i elektrotechnice (PN-EN 14121:2003 (U)) oraz do budowy
specjalnej aparatury chemicznej.
W tablicy 10.14 zestawiono główne obszary zastosowania aluminium i jego stopów.
Tablica 10.14
Główne obszary zastosowania aluminium i jego stopów (wg danych P Chevaliera)
3
2008-12-08
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 do obróbki plastycznej zawierają zwykle do ok. 5% pierwiastków stopowych,
najczęściej Cu, Mg, Mn, niekiedy także Si, Zn, Ni, Cr, Ti lub Li.
Niektóre z tych stopów są stosowane w stanie zgniecionym lub po wyżarzaniu
rekrystalizującym, a część jest poddawana obróbce cieplnej polegającej na utwardzaniu
wydzieleniowym.
Odkształceniu plastycznemu, przy zachowaniu specjalnych warunków, można także
poddawać stopy aluminium o stężeniu dodatków stopowych większym niż 5%.
Odlewnicze stopy aluminium są przeważnie stopami wieloskładnikowymi o dużym
stężeniu - od 5 do 25% - pierwiastków stopowych, głównie Si, Cu, Mg, Zn i Ni lub ich
różnych zestawień.
Charakteryzują się dobrą lejnością i często małym skurczem odlewniczym.
W stanie lanym można także stosować stopy zawierające mniej niż 5% pierwiastków
stopowych.
4
2008-12-08
Stopy aluminium z krzemem
Aluminium tworzy z krzemem układ z eutektyką, występującą przy stężeniu 12,6% Si, i dwoma
roztworami stałymi granicznymi o rozpuszczalności składników zmniejszającej się wraz z
obniżeniem temperatury. Roztwór a (Si w Al) wykazuje sieć regularną typu Al.
Aluminium w temperaturze eutektycznej rozpuszcza się w Si w bardzo niewielkim stężeniu - ok.
0,07%, a w temperaturze pokojowej nie wykazuje niemal zupełnie rozpuszczalności w Si.
Stopy aluminium z magnezem
Aluminium tworzy z Mg roztwór stały graniczny a o rozpuszczalności zmniejszającej się wraz z
obniżaniem temperatury, krystalizujący w sieci ściennie centrowanej typu Al układu regularnego.
W zakresie stężenia do ok. 35,5% Mg występuje mieszanina eutektyczna roztworu a z
roztworem stałym wtórnym (3 na osnowie fazy elektronowej AlgMg5, krystalizującej w sieci
regularnej złożonej.
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.
Stopy aluminium z miedziÄ…
W układzie podwójnym Al-Cu występują dwa roztwory stałe graniczne 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. Eutektyka występuje przy stężeniu
33% Cu i jest złożona z roztworu
5
2008-12-08
Tablica 10.15
Orientacyjne zakresy stężenia pierwiastków stopowych w stopach aluminium z miedzią
Tablica 10.16
Orientacyjny skład chemiczny i własności odlewniczych stopów aluminium z miedzią
6
2008-12-08
Wieloskładnikowe stopy aluminium z cynkiem
Czteroskładnikowe stopy Al z Zn, zawierające Mg i Cu (tabl. 10.17 wg PN-EN 573-3:2004 (U) i
PN-EN 573-3/Ak:1998), dotychczas nazywane 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
R - ok. 600 MPa, przy małym wydłużeniu A = 2-^5%. Ograniczenie ich stosowania jest
0 2
związane z małą odpornością na działanie podwyższonej temperatury. Stopy te są także
mało odporne na korozję, w szczególności naprężeniową, i z tego względu często plateruje się je
aluminium lub stopem Al z Zn. Niektóre stopy aluminium z cynkiem można też stosować jako
odlewnicze ( wg PN-EN 1706:2001).
Tablica 10,17
Orientacyjne zakresy stężenia
pierwiastków stopowych w
stopach aluminium z cynkiem.
7
2008-12-08
Metale ciężkie i ich stopy
Do metali ciężkich zaliczamy :
- miedz
,
- cynk,
- ołów,
- cynÄ™,
- nikiel,
- kobalt,
- cyrkon,
- hafn,
- kadm,
- ind,
- bizmut.
W tablicy 10.18 przedstawiono własności wybranych metali ciężkich.
8
2008-12-08
Tablica 10.18
Porównanie własności wybranych metali ciężkich
9
2008-12-08
Miedz
i jej stopy
Miedz
występuje w przyrodzie w postaci rodzimej oraz w rudach siarczkowych: błyszczu
miedzi, czyli chalkozynie - Cu2S, bornicie - Cu3FeS2, chalkopirycie -CuFeS2, lub rudach
tlenkowych, np. kuprycie - Cu20.
Miedz
jest trzecim pod względem zużycia (po żelazie i aluminium) metalem stosowanym w
technice.
Miedz
zawierającą 0,5 - 1% zanieczyszczeń i domieszek można uzyskać metodą
pirometalurgiczną przez redukcję, po uprzednim prażeniu związanym z odsiarczaniem i
utlenianiem żelaza. Stężenie domieszek można zmniejszyć do ok. 0,1 - 0,5% przez rafinację
ogniowÄ….
Miedz
katodowa jest produktem elektrolitycznej rafinacji miedzi i może zawierać do
0,05% zanieczyszczeń, a po przetopieniu i odlaniu w próżni lub ośrodku redukującym - jako
beztlenowa - 0,01 - 0,05%.
Własności fizyczne i mechaniczne miedzi
Miedz
ma liczbę atomową równą 29, jej masa atomowa wynosi 63,5463. W związkach
chemicznych miedz
jest jedno- lub dwuwartościowa. Miedz
nie wykazuje odmian
alotropowych i krystalizuje w sieci ściennie centrowanej układu regularnego A1 o
parametrze 0,3617 nm. Temperatura topnienia miedzi wynosi 1084,88°C, a wrzenia ok.
2595°C. Miedz
ma gÄ™stość 8,93 g/cm3 w 20°C. WytrzymaÅ‚ość miedzi na rozciÄ…ganie wynosi
Rm = 200 - 250 MPa, granica plastyczności Re = 35 MPa, twardość 45 HB, a wydłużenie A =
30 - 35%. W wyniku obróbki plastycznej na zimno wytrzymałość miedzi zwiększa się do 400 -
450 MPa, a twardość do 120 HB, przy zmniejszeniu wydłużenia do 1 - 2%.
Miedz
cechuje duża przewodność cieplna - 398 W/(m-K) i elektryczna -59,77 MS/m.
10
2008-12-08
Znaczenie domieszek miedzi
Przewodność elektryczna miedzi zmniejsza się bardzo znacznie przy niewielkim nawet
stężeniu domieszek (rys. 10.5), głównie P, Fe, Co, Si, As, rozpuszczających się w miedzi i - ze
względu na dużą różnicę średnic atomowych - powodujących znaczne zniekształcenie sieci
krystalicznej miedzi w wyniku kontrakcji lub ekspansji. Pierwiastki Cd, Ag i Zn, których atomy w
niewielkim stopniu różnią się wymiarami od atomów Cu, wywierają niewielki wpływ na
zmniejszenie przewodności elektrycznej. Podobnie działają Bi i Pb - nierozpuszczające się
w miedzi. Pierwiastki te, tworzące niskotopliwe eutektyki, wywierają jednak szczególnie
niekorzystny wpływ na własności mechaniczne i technologiczne oraz sprzyjają kruchości
na gorąco, co uniemożliwia obróbkę plastyczną miedzi. Obróbkę tę utrudnia również siarka
tworzÄ…ca niskotopliwÄ… eutektykÄ™ z siarczkiem Cu2S oraz tlen tworzÄ…cy eutektykÄ™ z tlenkiem
Cu20, zmniejszające plastyczność miedzi.
Miedz
jest odporna na korozję atmosferyczną dzięki pokrywaniu się patyną, tj. zasadowym
węglanem miedziowym, i na działanie wody, nie wykazuje zaś odporności na działanie
amoniaku.
11
2008-12-08
Rysunek 10.5
Wpływ stężenia domieszek na przewodność elektryczną właściwą miedzi
12
2008-12-08
Zastosowanie miedzi
Miedz
jest stosowana:
- w elektrotechnice na przewody (gdzie wykorzystuje się jej wysoką przewodność
elektrycznÄ…),
- w energetyce i przemyśle chemicznym na chłodnice i wymienniki ciepła (ze względu
na dużą przewodność cieplną),
- w budownictwie sÄ… stosowane produkty z miedzi (blachy na pokrycia dachowe oraz
rury na różne instalacje).
Ogólna klasyfikacja stopów miedzi
Stopy miedzi dzieli siÄ™ na:
- odlewnicze,
- przeznaczone do obróbki plastycznej.
Wyróżnia się następujące grupy stopów miedzi:
- z cynkiem ( tradycyjna nazwa mosiÄ…dze ),
- z cynkiem i ołowiem,
- z cynkiem i niklem,
- z niklem ( tradycyjna nazwa miedzionikle ),
- z cynÄ… ( tradycyjna nazwa brÄ…zy ),
- z aluminium,
- z innymi pierwiastkami stopowymi (których łączne stężenie przekracza 5%),
- niskostopowe, w których stężenie pierwiastków stopowych jest mniejsze niż 5%.
Ponadto można wydzielić również spoiwa na bazie miedzi, przeznaczone do lutowania
twardego m.in. stopów miedzi, metali szlachetnych, ale także innych metali.
13
2008-12-08
Stopy miedzi z cynkiem
Miedz
tworzy z cynkiem dwa roztwory stałe graniczne o sieci A3 oraz trzy fazy
międzymetaliczne.
Spośród wymienionych faz jedynie faza a krystalizuje bezpośrednio z cieczy, a pozostałe
powstajÄ… w wyniku reakcji perytektycznych.
Stopy miedzi z cynkiem, jako głównym pierwiastkiem stopowym, są tradycyjnie nazywane
mosiądzami. Dwuskładnikowe stopy Cu z Zn (tabl. 10.19 ze względu na skład fazowy dzieli się
na:
- jednofazowe - o strukturze roztworu a i stężeniu od 2 do 39% Zn,
- dwufazowe o strukturze mieszaniny a + b i stężeniu od 39 do 45% Zn.
Jednofazowe stopy Cu z Zn cechuje bardzo duża plastyczność, co umożliwia stosowanie
ich na produkty głęboko tłoczone i obrabiane plastycznie na zimno. Duża plastyczność w
podwyższonej temperaturze umożliwia ich obróbkę plastyczną na gorąco. Stopy zawierające 5 do
20% Zn sÄ… nazywane tradycyjnie tombakami.
Dodatek Zn do ok. 30% zwiększa plastyczność oraz wytrzymałość stopów Cu z Zn (rys.
10.6). Wytrzymałość tych stopów zawierających ok. 30 do 45% Zn zwiększa się przy znacznym
zmniejszeniu plastyczności. Wiąże się to z obecnością fazy b w stopach dwufazowych i dlatego
można je obrabiać plastycznie wyłącznie na gorąco. Dwufazowe stopy Cu z Zn obrabia się
plastycznie na gorąco w temperaturze, w której wykazują one strukturę jednofazową.
Stopy Cu z Zn w znacznym stopniu umacniajÄ… siÄ™ w wyniku zgniotu.
Stopy Cu z Zn charakteryzują się dobrą odpornością na korozję, szczególnie
atmosferyczną i w wodzie morskiej. Odporność na korozję stopów miedzi z cynkiem zwiększa
się wraz ze wzrostem stężenia Cu.
14
2008-12-08
Tablica 10.19
Orientacyjne zakresy stężenia pierwiastków stopowych w stopach miedzi z cynkiem
15
2008-12-08
Rysunek 10.6
Wpływ stężenia Zn na wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie stopów miedzi z cynkiem
(wg W.W. Malcewa)
16
2008-12-08
Stopy miedzi z cynÄ…
Techniczne stopy Cu z Sn (nazywane tradycyjnie brÄ…zami cynowymi) majÄ… zazwyczaj
strukturę roztworu a. Duży zakres temperatury krystalizacji stopów Cu z Sn o strukturze a
sprzyja jednak ich skłonności do segregacji. Segregacja może być w pewnym stopniu usunięta
przez dÅ‚ugotrwaÅ‚e wyżarzanie ujednorodniajÄ…ce w ciÄ…gu 24 h w temperaturze 700 - 750°C.
Stopy miedzi z cyną wykazują dobrą odporność na korozję, szczególnie w środowisku
atmosfery przemysłowej i wody morskiej. Odporność ta ulega polepszeniu wraz ze
zwiększeniem stężenia Sn, lecz do wartości nie większej od zapewniającej wystąpienie
struktury dwufazowej, decydującej o ułatwieniu korozji.
Stopy miedzi z cyną o strukturze jednorodnego roztworu a cechuje duża plastyczność
i z tego względu mogą być obrabiane plastycznie na zimno, podobnie jak stopy o
niejednorodnej strukturze a, zawierające nie więcej niż 4% Sn. Wraz ze zwiększeniem
stężenia Sn ponad ok. 4% w strukturze pojawiają się fazy międzymetaliczne, najczęściej
przechłodzona faza d wchodząca w skład mieszaniny eutektoidalnej a + d.
W praktyce do obróbki plastycznej są przeznaczone stopy miedzi z cyną zawierające do ok.
8% Sn (tablica 10.20), choć obrabia się je z
le, przy dużej skłonności do pęknięć. W stanie
obrobionym plastycznie na zimno stopy te charakteryzują się dużymi własnościami
mechanicznymi, co umożliwia stosowanie ich w przemyśle chemicznym, papierniczym i
okrętowym, m.in. na elementy aparatury kontrolno-pomiarowej, siatki, sprężyny, tulejki,
łożyska ślizgowe, ślimacznice i ślimaki.
Orientacyjne zakresy stężenia podstawowych pierwiastków stopowych występujących w
odlewniczych stopach Cu z Sn (według normy PN-EN 1982:2002) zestawiono w tablicy 10.21.
Dotychczas w kraju stosowano odlewnicze stopy miedzi z cyną ujęte w wycofanej normie PN-
91/H-87026.
17
2008-12-08
Tablica 10.20
Orientacyjne zakresy stężenia dodatków stopowych w różnych grupach stopów miedzi z cyną
i/lub innymi pierwiastkami, przeznaczonych do obróbki plastycznej
18
2008-12-08
Tablica 10,21
Orientacyjne zakresy stężenia pierwiastków stopowych w odlewniczych stopach miedzi z
cynÄ… i/lub innymi pierwiastkami.
19
2008-12-08
Wieloskładnikowe stopy miedzi z cyną
W celu polepszenia niektórych własności oraz zaoszczędzenia Sn są produkowane stopy
zawierające oprócz Cu i Sn dodatki Zn lub Pb, nazywane tradycyjnie brązami cynowymi
wieloskładnikowymi.
Dodatek Zn przeciwdziała segregacji tych stopów cynowych przez zmniejszenie zakresu
temperatury krystalizacji fazy a, sprzyjając ujednorodnieniu ich własności
mechanicznych i zwiększeniu własności wytrzymałościowych. Cynk jest dobrym
odtleniaczem i poprawia lejność tych stopów. Ołów, nietworzący roztworów, polepsza
skrawalność stopów Cu z Sn, zmniejsza współczynnik tarcia i korzystnie wpływa na
szczelność odlewów, jednak przy większym stężeniu powoduje pogorszenie własności
mechanicznych.
Wieloskładnikowe stopy miedzi z cyną i innymi pierwiastkami, przeznaczone do obróbki
plastycznej mają stężenie Sn ograniczone do ok. 5%. Stopy te są stosowane głównie jako
odlewnicze (tabl. 20.21). Charakteryzują się dobrą odpornością na korozję oraz na
ścieranie (wynikającą z obecności w strukturze twardych faz międzymetalicznych).
Szczególnie duży udział tych faz występuje w stopach miedzi z cyną stosowanych na dzwony
(np. w nieznormalizowanym stopie CuSn21-C).
Stopy miedzi z cyną i cynkiem (nazywane tradycyjnie spiżami) mają zastosowanie
podobne jak stopy Cu z Sn dwuskładnikowe, natomiast stopy Cu-Sn-Zn-Pb (tabl. 10.22)
stosuje się głównie na tulejki i panewki łożyskowe, a także na elementy maszyn, aparatury,
osprzętu silników pojazdów mechanicznych i armatury wodnej.
20
2008-12-08
Tablica 10.22
Orientacyjny skład chemiczny odlewniczych stopów miedzi z cyną oraz miedzi z cyną i
ołowiem
21