16. ALUMINIUM l JEGO STOPY

1. Właściwości i zastosowanie aluminium

Aluminium jest metalem barwy srebrzystobiałej, bardzo miękkim i plastycznym. Ciężar właściwy aluminium wynosi tylko 26,5 kN/m³, tj. około trzykrotnie mniej od żelaza. Jest to bardzo ważna właściwość, powodująca, że aluminium stosuje się wszędzie tam, gdzie potrzebne są lekkie materiały konstrukcyjne (przemysł lotniczy, okrętowy, budowa silników i karoserii pojazdów). Aluminium odmian alotropowych nie ma. Wykazuje dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne (przewodnictwo elektryczne alumi­nium stanowi 66% przewodnictwa elektrycznego miedzi). Aluminium jest odporne na działanie atmosferyczne, kwasów tlenowych, a także suchych gazów jak amoniak, chlor, dwutlenek węgla, dwutlenek siarki. Nie jest natomiast odporne na wodorotlenek sodo­wy, potasowy, wapniowy, kwasy beztlenowe oraz związki siarki. Odporność chemiczna aluminium na działanie ośrodków tlenowych tłumaczy się tym, że mając duże powinowa­ctwo do tlenu, aluminium utlenia się powierzchniowo. Wytworzona w ten sposób warstewka tlenku jest szczelna i silnie przylegająca, tak że nie przepuszcza gazów w głąb metalu, chroniąc go przed korozją. Ta warstewka tlenku jest ponadto przezroczysta, co powoduje, że aluminium zachowuje swój metaliczny kolor. Aluminium przy zastosowa­niu odpowiedniej techniki dobrze się spawa.

Ze względu na te właściwości aluminium ma duże zastosowanie w przemyśle chemicznym do budowy aparatury, w przemyśle chemiczno-spożywczym i naczyniowym. Szerokie zastosowanie znajduje folia aluminiowa na opakowania środków spożywczych oraz do produkcji kondensatorów. Dzięki dobremu przewodnictwu elektrycznemu oraz izolacyjnemu charakterowi tlenku glinu znalazło aluminium szerokie zastosowanie w przemyśle elektrotechnicznym. Z uwagi na duże powinowactwo z tlenem aluminium służy do redukcji metali z ich tlenków, która to metoda nosi w metalurgii nazwę aluminotermii, oraz służy przy wytopie stali jako odtleniacz.

Do zasadniczych zanieczyszczeń występujących w technicznym aluminium należą żelazo i krzem pochodzące z procesu metalurgicznego. W zależności od zawartości zanieczyszczeń rozróżnia się aluminium hutnicze rafinowane (ARl, AR2) oraz alumi­nium hutnicze (A00, A0, Al, A2). Gatunki produkowanego u nas aluminium wraz z ich zastosowaniem według PN-79/H-82160 podano w tabl. 16.1. Właściwości mechaniczne hutniczego aluminium w różnych stanach umocnienia podano w tabl. 16.2.

Tablica 16.1Gatunki aluminium do przeróbki plastycznej wg PN-79/H-82160

Gatunek		Zawartość Al min %	Zawartość za­nieczyszczeń max %	Ważniejsze zastosowanie
znak	cecha
Al 99,99	AR1	99,99	0,01	specjalna aparatura chemiczna,
Al 99,95	AR2	99,95	0,05	folia kondensatorowa,
A199,8	A00	99,8	0,20	folia, przewody elektryczne, stopy specjalne, aparatura chemiczna,
A199,7	AO	99,7	0,30	jak A00 z wyjątkiem przewodów
Al 99,5	Al	99,5	0,50	folia, stopy aluminium, platerowanie
A199	A2	99,0	1,00	stopy, aluminotermia, wyroby codziennego użytku

Tablica 16.2Właściwości mechaniczne aluminium gatunku 99,5 w różnych stanach umocnienia

Właściwości mechaniczne	Stan
		wyżarzony	półtwardy	twardy
Rm MPa Re MPa A10 % HB	70 ÷ 10 20 ÷ 40 30 ÷ 35 150 ÷ 250	100 ÷ 120 50 ÷ 80 5 ÷ 15 250 ÷ 320	130 ÷ 180 100 ÷ 160 4 ÷ 8 330 ÷ 400

2. Ogólne wiadomości o stopach aluminium

Niskie właściwości mechaniczne czystego aluminium ograniczają zastosowanie tego metalu jako materiału konstrukcyjnego. Przez stopienie jednak aluminium z niektórymi składnikami otrzymuje się bardzo cenne stopy o znacznie wyższych właściwościach wytrzymałościowych i dobrych właściwościach plastycznych. Stopy te noszą nazwę stopów lekkich.

Do najczęściej spotykanych składników stopowych w stopach aluminium należą: miedź, krzem, magnez, mangan, cynk (stanowią one podstawę stopów podwójnych i przeważającej liczby stopów potrójnych). Większość dodatków stopowych tworzy twarde i kruche fazy międzymetaliczne bądź z aluminium, bądź też z innymi składnikami stopu. Praktycznie więc biorąc, wszystkie stopy aluminium w stanie odlanym, mają miękką i plastyczną osnowę, którą stanowią kryształy roztworu stałego dodatków stopowych w aluminium. Na ich granicy występują utwardzające dodatki stopowe w formie eutektyki lub wolnych faz międzymetalicznych. Opracowano bardzo dużą liczbę stopów aluminium. Z uwagi na ich przeróbkę można je podzielić na:

1) stopy odlewnicze, które mogą być stosowane tylko w stanie odlanym,

2) stopy przerabialne plastycznie, które mogą być stosowane tylko w stanie przero­bionym plastycznie.

Granicę pomiędzy tymi stopami stanowi maksymalna rozpuszczalność składnika stopowego w aluminium w temperaturze eutektycznej (rys. 16.1). Stopy, które po nagrzaniu mają jednofazową strukturę roztworu stałego, są bardzo plastyczne i można je łatwo kuć, walcować czy też wyciskać. Należą więc one do grupy stopów przerabialnych plastycznie.

Rys. 16.1. Rozgraniczenie stopów przerabialnych pla­stycznie (zakres a) i stopów odlewniczych (zakres b)
a₁ — stopy nieobrabialne cieplnie, a₂ — stopy obrabialne cieplnie

Stopy, w których zawartość składników przekracza ich graniczną rozpuszczalność w aluminium, zawierają w swej strukturze eutektykę; są one skutkiem tego mało plastyczne i należą do stopów odlewniczych. Podział ten nie jest jednak zupełnie ścisły i istnieją stopy, które mogą być zarówno odlewane, jak i przerabiane plastycznie. Stopy aluminium nie mają na ogół dobrych właściwości wytrzymałościowych. Można je nadać tym stopom, poddając je zabiegom utwardzania dyspersyjnego.

3. Ważniejsze układy równowagi

Jakkolwiek stopy aluminium są najczęściej wieloskładnikowe i poza zasadniczym dodatkiem stopowym zawierają jeszcze i inne pierwiastki, jednak z uwagi na ich niewielką zawartość, właściwości prostych podwójnych układów zostają do pewnego stopnia zachowane. Dlatego też konieczna jest znajomość podstawowych układów podwójnych aluminium z najczęściej stosowanymi dodatkami stopowymi jak z krzemem, miedzią, magnezem i cynkiem.

Układ aluminium-krzem. Krzem tworzy z aluminium prosty układ z eutektyką o zawartości 11,6% Si w temperaturze 577°C (rys. 16.2). Eutektyką ta jest złożona z kryształów roztworu stałego krzemu w aluminium (α) oraz kryształów krzemu. Graniczna rozpuszczalność krzemu w aluminium wynosząca w temperaturze eutektycz­nej 1,65% w miarę obniżania temperatury maleje, osiągając wartości 0,05% w temperaturze 300°C. Aluminium w krzemie praktycznie nie rozpuszcza się, tak że po stronie krzemu zakres roztworu stałego nie występuje.

Rys. 16.2. Uktad równowagi fazowej aluminium-krzem

Układ aluminium-miedź. Technicznie istotna dla stopów lekkich cześć układu równo­wagi aluminium-miedź pomiędzy aluminium a fazą międzymetaliczną Al₂Cu (faza
) przedstawiona jest na rys. 16.3. W tym zakresie występuje w temperaturze 548°C eutektyka o zawartości 33% Cu. Składa się ona z kryształów roztworu stałego miedzi w aluminium (
) oraz związku międzymetalicznego Al₂Cu (faza
). Zawartość miedzi w kryształach roztworu stałego wynosząca w temperaturze eutektycznej 5,7% w miarę obniżania temperatury maleje, osiągając 0,5% w temperaturze 300°C. Faza między­metaliczna odpowiadająca wzorowi stechiometrycznemu Al₂Cu zawiera 53,5% miedzi. Może ona jednak rozpuszczać w sobie aluminium i z tego względu jej skład chemiczny waha się w granicach 1% Al.

Rys. 16.3. Układ równowagi fazowej aluminium-miedź do 55% Cu

Układ aluminium-magnez. Układ aluminium-magnez przedstawiony na rys. 16.4 ma w temperaturze 450°C eutektykę o zawartości 35,5% Mg. Jest ona złożona z kryształów roztworu stałego magnezu w aluminium (
) oraz kryształów roztworu stałego aluminium w fazie międzymetalicznej Al₈Mg₅ (faza 
). Zawartość magnezu w kryształach roztworu stałego a wynosi w temperaturze eutektycznej 15,35%, po czym w miarę obniżania temperatury maleje, osiągając 3,1% w temperaturze 200°C. W praktyce stopy lekkie nie zawierają więcej niż 10% magnezu.

Rys. 16.4. Układ równowagi fazowej aluminium-magnez

Układ aluminium-cynk. Układ równowagi aluminium-cynk przedstawiono na rys. 16.5. Widać występowanie eutektyki o zawartości 95% cynku krzepnącej w tem­peraturze 382°C. Jest ona złożona z kryształów roztworu stałego cynku w aluminium
oraz kryształów roztworu stałego aluminium w cynku
. Rozpuszczalność cynku w aluminium jest bardzo znaczna (roztwór
) i wynosi w temperaturze eutektycznej 82,8%, po czym maleje osiągając 31,6% w temperaturze 275°C. W temperaturze tej powstaje monotektoid o zawartości 78% cynku składający się z kryształów roztworu stałego
o zawartości 31,6% Zn oraz roztworu
o zawartości 0,7% Al. W miarę obniżania się temperatury rozpuszczalność cynku w aluminium maleje do zera.

Rys. 16.5. Układ równowagi fazowej aluminium-cynk

4. Lekkie stopy odlewnicze

Stopy odlewnicze aluminium odlewa się do form piaskowych, kokil lub pod ciś­nieniem. Ich wytrzymałość na rozciąganie jest stosunkowo niewielka i waha się w grani­cach 130 ÷ 330 MPa przy wydłużeniu A₅ = 0,2 ÷ 10% przy czym odlewy kokilowe mają zazwyczaj nieco wyższe właściwości mechaniczne niż odlewy w piasku. Oznaczanie odlewniczych stopów aluminium jest podobne jak innych stopów metali nieżelaznych; ponadto stopy te mają również cechę.

Do najbardziej rozpowszechnionych stopów odlewniczych aluminium należą silumi­ny, tj. stopy aluminium z krzemem. Zawierają one zwykle 11 ÷ 14% Si, to znaczy, że ich skład zbliżony jest do składu eutektyki w układzie aluminium-krzem. Siluminy mają bardzo dobre właściwości odlewnicze (nadzwyczaj dobra lejność umożliwia otrzymywa­nie elementów o bardzo skomplikowanym kształcie i cienkich ściankach). Mają one mały skurcz odlewniczy i małą skłonność do pęknięć na gorąco. Ich właściwości mechaniczne są stosunkowo dobre, przy małej plastyczności. Z tych względów wypierają one coraz bardziej inne odlewnicze stopy aluminium. Po zakrzepnięciu struktura siluminów jako stopów w zasadzie nadeutektycznych składa się z dużych o ostrych granicach kryształów krzemu na tle gruboziarnistej eutektyki (rys. 16.6). Stop o tego rodzaju strukturze jest kruchy. W celu rozdrobnienia ziarna i podwyższenia właściwości mechanicznych poddaje się siluminy modyfikacji. Polega ona na tym, że do ciekłego stopu przed odlewaniem dodaje się modyfikatora w postaci sodu w ilości 0,1% lub soli sodowych. Pod wpływem modyfikatora skład eutektyki ulega jak gdyby przesunięciu w prawo, a jej temperatura krzepnięcia obniżeniu, jak to przedstawiono na rys. 16.7. Na skutek tego silumin w zasadzie nadeutektyczny staje się stopem podeutektycznym o strukturze kryształów roztworu stałego a na tle drobnoziarnistej eutektyki (
), jak to przedstawiono na rys. 16.8.

Rys. 16.6. Silumin niemodyfikowany trawiony 0,5% HF (pow. 250 x )

Rys. 16.7. Wpływ modyfikowania na układ równo­wagi Al-Si

Rys. 16.8. Silumin modyfikowany trawiony 0,5% wodnym H F (pow. 250 x )

Nasze normy (PN-76/H-88027) przewidują silumin AlSill o zawartości 10 ÷ 13% Si, który stosowany jest do wyrobu średnio obciążonych części maszyn o kształcie skom­plikowanym w przemyśle zbrojeniowym, elektrotechnicznym oraz w okrętownictwie (z uwagi na odporność siluminu na korozję w wodzie morskiej). W stanie modyfikowanym ma on wytrzymałość R_m = 180 MPa przy wydłużeniu A₅ = 3%. Na większe odlewy używa się siluminu AlSi9Mg. Obróbka cieplna siluminów dwuskładnikowych pomimo zmiennej rozpuszczalności krzemu w aluminium nie daje prawie żadnego podwyższenia właściwo­ści mechanicznych. W razie wyższych wymagań wytrzymałościowych stosuje się siluminy podeutektyczne o zawartości 4 ÷ 11% Si z dodatkiem miedzi, manganu i magnezu. Magnez tworzy z krzemem związek Mg₂Si, co umożliwia obróbkę cieplną takiego siluminu na drodze utwardzania dyspersyjnego. Na tłoki silników spalinowych używa się wieloskładnikowego siluminu AlSil3MglCuNi. Po utwardzaniu dyspersyjnym osiąga on wytrzymałość R_m = 220 MPa przy wydłużeniu A₅ = 0,5%.

Na odlewy, od których nie wymaga się wysokich właściwości mechanicznych, można używać stopów aluminium z miedzią; są to stopy podeutektyczne o zawartości 4 ÷ 13% miedzi. W stanie lanym struktura ich składa się z kryształów roztworu stałego co z wy­dzieleniami eutektyki (
) na ich granicach. Eutektyka jest twardym i kruchym składnikiem strukturalnym i dlatego plastyczność tych stopów nie jest duża. Wykazują one niezbyt silny spadek wytrzymałości w podwyższonych temperaturach i dlatego można je stosować do wyrobu tłoków silników. Bardzo korzystny jest w stopach aluminium-miedź dodatek niklu. Stopy aluminim-miedź-nikiel odznaczają się dobrą lejnością i prawie stałą wytrzymałością na rozciąganie przy podgrzewaniu aż do temperatury 200°C.

Z odlewniczych stopów lekkich wymienić należy również stopy aluminium-magnez o zawartości 5 oraz 10% magnezu (AlMgl0 i AlMg5Si). Odznaczają się one dobrymi właściwościami mechanicznymi, które można jeszcze podwyższyć na drodze utwardzania dyspersyjnego z uwagi na zmienną rozpuszczalność magnezu w aluminium. Są one odporne na korozję w wodzie morskiej; odporność tę można jeszcze podwyższyć przez dodatek niewielkich ilości (około 1%) manganu.

5. Lekkie stopy przerabialne plastycznie

Wśród stopów aluminium przerabialnych plastycznie można wyróżnić stopy o niższej wytrzymałości, przeważnie nie obrobione cieplnie, oraz stopy o wyższej wytrzymałości w stanie obrobionym cieplnie (PN-79/H-88026).

Do pierwszej grupy stopów należą stopy aluminiowe z manganem oraz magnezem. Spośród stopów aluminium z manganem wymienić można stop AlMn1 zawierający około 1% manganu, zwany stopem alumen o wytrzymałości R_m = 90 ÷ 160 MPa przy wydłużeniu 15%. Podobnie jak czyste aluminium ma on dużą odporność na korozję i stosowany jest do wyrobu urządzeń transportowych przemysłu chemicznego i spożyw­czego w postaci blach i rur.

Stopy aluminium z magnezem odznaczają się dobrą odpornością na korozję, zwłasz­cza w wodzie morskiej. Zawierają one 0,5 ÷ 5% magnezu oraz inne jeszcze składniki, jak mangan, wanad i chrom. Zmienna rozpuszczalność magnezu w aluminium i wydzielanie się przy chłodzeniu fazy Al₈Mg₅ umożliwia obróbkę cieplną tych stopów na drodze utwardzania dyspersyjnego. Do tej grupy należą stopy AlMg2, AlMg3, Al­Mg5, które noszą nazwę hydronalium. Ich obróbka cieplna polega na przesycaniu od zakresu 440 ÷ 460°C z następnym starzeniem w zakresie 155 ÷ 160°C w ciągu 12 godzin. Są one stosowane do wyrobu średnio obciążonych elementów konstrukcji okrętowych, lotni­czych i pojazdów mechanicznych oraz urządzeń przemysłu spożywczego i chemicznego.

Do stopów o wyższej wytrzymałości należą stopy duraluminium (duralumin, dural). Zawierają one trzy zasadnicze dodatki stopowe: 3 ÷ 5,5% miedzi, 0,5 ÷ 2% magnezu i do l % manganu. Z uwagi na swoje właściwości są one pod różnymi nazwami produkowane we wszystkich prawie krajach. Wymienione składniki stopowe tworzą z aluminium różnego rodzaju fazy międzymetaliczne podwójne, jak np. CuAl₂, Mg₂Si, lub potrójne, np. Al₂CuMg. Fazy te, występujące w stanie równowagi, podczas nagrzewania ulegają rozpuszczeniu w aluminium. Przez szybkie chłodzenie otrzymuje się wówczas roztwór przesycony, z którego w czasie następnego starzenia fazy te z kolei wydzielają się. Stwarza to możliwość obróbki cieplnej duraluminium polegającej na utwardzaniu dyspersyjnym. Temperatura przesycania ma wynosić 490 ÷ 510°C; chłodzenie następuje w wodzie, w oleju lub nawet na powietrzu. Po przesyceniu otrzymuje się stop o budowie jednofazowej, miękki o niskiej wytrzymałości i dużej plastyczności i w tym stanie elementy duraluminiowe można kształtować plastycznie oraz nitować. Przesycone dur­aluminium podlega następnie starzeniu. Może ono zachodzić samorzutnie w tem­peraturach otoczenia i wówczas zwane jest starzeniem naturalnym, przy czym najlepsze właściwości mechaniczne osiąga duraluminium po 5 ÷ 7 dniach. Proces starzenia można przyspieszyć przez podgrzanie i takie przyspieszone starzenie nosi nazwę starzenia sztucznego. Zależność wytrzymałości na rozciąganie od temperatury i czasu starzenia przedstawia rys. 16.9. Jak z rysunku wynika, najwyższą wytrzymałość osiąga duraluminium w czasie starzenia naturalnego (w temperaturze 20°C) po czterech dniach od chwili przesycenia. Starzenie w wyższych temperaturach przyspiesza wprawdzie za­chodzące procesy, jednakże uzyskane wartości wytrzymałości na rozciąganie są niższe z uwagi na koagulację wydzielonych faz. Zjawisku starzenia można zapobiec przez wytrzymywanie duraluminium w niskich temperaturach (jak to z rys. 16.9 wynika, przesycone duraluminium przetrzymywane w temperaturze — 50°C starzeniu nie pod­lega). W ten sposób można zachować właściwości plastyczne duraluminium dla jego dalszego kształtowania plastycznego, jeśli wykonanie tych zabiegów technologicznych bezpośrednio po przesycaniu nie jest możliwe. Wadą duraluminium jest jego mała odporność na korozję. Najbardziej rozpowszechnioną metodą ochrony duraluminium przed korozją okazało się platerowanie duraluminium czystym aluminium.

Rys. 16.9. Wpływ temperatury i czasu starzenia na wytrzymałość na rozciąganie przesyconego duralumi­nium

1

8

---