MIEDŹ I JEJ STOPY. Miedź - jest metalem krystalizującym w układzie A1. Nie ma odmian alotropowych. Temp. topnienia 1083°C, gęstość 8,9 g/cm3. Czysta miedź ma bardzo dobrą przewodność elektryczną, stąd jej główne zastosowanie w elektrotechnice i elektronice. Ze względu na b. dobrą przewodność cieplną wyrabia się z niej różnego rodzaju wymienniki ciepła. Jest bardzo plastyczna i można ją przerabiać na zimno. Zgniot, wszystkie domieszki z wyjątkiem tlenu w ilości do ok. 0,05% obniżają przewodność elektryczną miedzi. Miedź jest odporna na korozję atmosferyczną pod warunkiem, że atmosfera nie zawiera SO2. Własności wytrzymałościowe miedzi są niskie Rm = 200÷220 MPa i 30 HB. Można ją umocnić przez zgniot. Dodatek 0,5÷1% Cd do miedzi zwiększa jej wytrzymałość, nie obniżając prawie przewodności elektrycznej. Miedź taka zwana kadmową jest stosowana na przewody napowietrzne i trakcyjne. Ze względu na łatwą zgrzewalność z żelazem lub aluminium można wytwarzać z niej wyroby bimetaliczne, np. rury, druty. Stopy miedzi. Czysta miedź znalazła zastosowanie głównie w elektrotechnice, a jako tworzywo konstrukcyjne stosuje się przede wszystkim stopy miedzi, ze względu na ich wyższe właściwości wytrzymałościowe. Pierwiastki stopowe to głównie: cynk, cyna, aluminium, beryl, krzem, nikiel, mangan, ołów. Stopy miedzi z cynkiem nazywamy mosiądzami, natomiast z cyną lub innymi metalami - brązami. Stopy miedzi z niklem nazywa się miedzioniklami. Mosiądze. Układ Cu-Zn. Klasyfikacja mosiądzów. Biorąc pod uwagę strukturę mosiądze dzieli się na: jednofazowe α, dwufazowe (α + β) i rzadziej stosowane mosiądze jednofazowe β. Skład strukturalny mosiądzu ma bardzo duży wpływ na jego własności ze względu na znaczne różnice własności faz α i β. Roztwór α cechuje się dobrą plastycznością w temp. pokojowej, a gorszą w zakresie 300÷700°C i dlatego mosiądze o takiej strukturze są obrabiane plastycznie na zimno. Twardość i wytrzymałość mosiądzu α wzrastają ze zwiększeniem zawartości cynku. Faza β ma dużą wytrzymałość (Rm = 420 MPa), ale jest mniej plastyczna (A = 7%) niż roztwór stały α i jest trudno obrabialna plastycznie na zimno. Dlatego też mosiądze dwufazowe α + β obrabia się zwykle na gorąco. Dwufazowy skład mosiądzów wpływa na zwiększenie ich twardości i wytrzymałości kosztem obniżenia plastyczności. Oprócz mosiądzów do obróbki plastycznej stosuje się również mosiądze odlewnicze o większej zawartości cynku z dodatkiem ołowiu w celu polepszenia ich skrawalności. Mosiądze o niższych zawartościach cynku obrabia się plastycznie na zimno. Szczególnie plastyczny jest mosiądz CuZn30 nadający się do głębokiego tłoczenia. Można go odkształcać na zimno do 75%. Przy większym odkształceniu należy stosować między operacyjne wyżarzenie rekrystalizujące w temp. od 500÷580°C. Mosiądze można znacznie umocnić przez zgniot. W zależności od stopnia rekrystalizacji można też uzyskać dość znaczne zróżnicowanie własności mechanicznych mosiądzów. Własności mosiądzu CuZn37: sprężysty, ma prawie dwa razy większą wytrzymałość od wyżarzonego i 9 razy mniejsze wydłużenie. Mosiądze przeznaczone do głębokiego tłoczenia powinny mieć drobnoziarnista strukturę, aby zapewnić równomierne odkształcenie. Mosiądze o większej zawartości cynku (ok. 36%) są obrabiane plastycznie na zimno lub gorąco; jeśli jednak mosiądz jest dwufazowy (>37% Zn) stosuje się zwykle obróbkę plastyczną na gorąco. Mosiądze przerabia się drogą wyciskania wypływowego, walcowania, ciągnienia. Do odlewania stosuje się mosiądze (α + β), są one rzadkopłynne i mają skupioną jamę usadową. Struktura mosiądzów. W stanie lanym w mosiądzach występuje wyraźna struktura dendrytyczna. Rdzenie dendrytów bogatsze w miedź są ciemniejsze. W wyniku wyżarzenia ujednorodniającego, które przeprowadza się zwykle w temp. 800÷850°C, może nastąpić pewne wyrównanie składu chemicznego. Jednak zasadniczą zmianę struktury osiąga się dopiero po obróbce plastycznej i rekrystalizacji. W pewnym stopniu na strukturę mosiądzu można wpływać drogą obróbki cieplnej (przesycania). Przez szybkie ochładzanie można utrwalić strukturę istniejącą w wysokiej temp.. Np. przesycanie mosiądzu CuZn37 od temp. ok. 850°C daje fazę β, od ok. 450°C fazę α, a od temp. 450÷850°C - fazy (α + β), przy czym ze wzrostem temp. ilość fazy β będzie się zwiększać. Natomiast wyżarzenie mosiądzu i powolne studzenie prowadzi do powstania struktury równowagowej, zgodnie z układem Cu-Zn. Własności antykorozyjne mosiądzu. Mosiądze mają dobrą odporność na korozje atmosferyczną. Lepszą odporność mają mosiądze jednofazowe α, gdyż w mosiądzach dwufazowych faza β ulega łatwiej korozji jako bardziej elektroujemna. Mosiądze łatwo ulegają korozji naprężeniowej, objawiającej się tzw. sezonowym pękaniem. Elementy mosiężne, pozostające pod wpływem naprężeń, w obecności nawet małych ilości par amoniaku są skłonne do pękania międzykrystalicznego podczas magazynowania lub w czasie pracy. Wyżarzenie odprężające przez 4 h w temp. 250°C usuwa naprężenia i uodpornia mosiądz na pękanie sezonowe. Mosiądze stopowe. Dodatki stopowe są wprowadzane zarówno do mosiądzów przeznaczonych do obróbki plastycznej, jak i odlewniczych w celu nadania im odpowiednich własności. Np. dodatek aluminium (do 1%) bardzo zwiększa wytrzymałość stopu, lecz obniża jego plastyczność i zmniejsza straty cynku podczas topienia. Ołów polepsza skrawalność; większa jego zawartość pogarsza własności mechaniczne stopu. Żelazo (do 2%) rozdrabnia strukturę i umożliwia utwardzanie wydzieleniowe stopu, a mangan, który jest stosowany łącznie z innymi pierwiastkami poprawia własności mechaniczne mosiądzu. Nikiel (do 1%) zwiększa ciągliwość stopu (wydłużenie, udarność) oraz wytrzymałość w podwyższonych temp.. Cyna polepsza własności stopu pod warunkiem że jest rozpuszczona. W postaci związków zmniejsza znacznie plastyczność mosiądzu. Krzem poprawia lejność. Mosiądze stopowe z dodatkiem cyny znalazły zastosowanie w galanterii pod nazwą złota mannheimskiego (służą do wyrobu sztucznej biżuterii). Mosiądze wysokoniklowe, zwane nowymi srebrami (ze względu na ich srebrzyste zabarwienie), zawierają 9÷19% Ni i 19÷28% Zn. Mają budowę jednofazową α, a w związku z tym bardzo dobrą odporność na korozję oraz dobrą plastyczność. Mogą być umacniane przez zgniot. Są stosowane w przemyśle galanteryjnym do wyrobu nakryć stołowych, okuć i części aparatów. Brązy. Brązy cynowe. Cyna w zasadniczy sposób wpływa na własności brązu, jej zawartość w brązach nie przekracza na ogół 20%. Dodatek do ok. 8% Sn powoduje wzrost wytrzymałości i plastyczności. Spadek wytrzymałości następuje przy zawartości powyżej 25% Sn. Struktura brązów cynowych wynika z układu równowagi Cu-Sn. Klasyfikacja brązów cynowych. Brązy dzielimy w zależności od ich przeznaczenia na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Stopy odlewnicze są stosowane częściej i mają większe zastosowanie. Cechują się wyjątkowo małym skurczem, nie występuje w nich jama usadowa, co powoduje, że odlewy z brązu są mało zwarte. Zawartość cyny w brązach odlewniczych wynosi zwykle ok. 10%, mogą również zawierać dodatek fosforu, cynku i ołowiu. Fosfor odtlenia stop, powoduje jego utwardzenie, ale obniża plastyczność, co sprawia że brązy cynowo-fosforowe są stosowane na odlewy, od których wymaga się odporności na ścieranie np. panewki, koła ślimakowe, sprężyny, sita. Cynk występuje w niektórych brązach odlewniczych zwykle w ilości 2÷4%. Cynk rozpuszcza się w miedzi nie wpływając na strukturę brązu. Ołów w ilości 3÷6% występuje w postaci oddzielnej fazy polepszając skrawalność brązu. Do obróbki plastycznej stosuje się brązy o niższej zawartości cyny 4÷6%. Po odlaniu mają one strukturę złożoną z dendrytów i eutektoidu. Przed obróbką plastyczną brązy takie należy poddać wyżarzaniu ujednorodniającemu w temp. 720÷750°C przez kilka godzin, w wyniku czego uzyskują jednorodną strukturę α podatną do obróbki plastycznej. Brązy o niższej zawartości cyny można obrabiać na zimno, o wyższej zawartości na gorąco. Z brązów cynowych wytwarza się drut, blachy, rury, taśmy, pręty, kształtowniki, sprężyny. Brązy cynowe cechują się dobrą odpornością na korozję i dobrymi własnościami mechanicznymi. Ich główne zastosowanie to panewki, łożyska ślizgowe, ślimaki, ślimacznice, siatki i sprężyny, armatura kotłów parowych: przemysł chemiczny, okrętowy i papierniczy. Brązy aluminiowe - stopy miedzi z aluminium. Zawartość aluminium w tych stopach wynosi 5÷11%. Brązy aluminiowe cechują się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi. Aluminium bowiem podwyższa twardość i wytrzymałość miedzi: przy zawartości 10% Al zwiększają się ponad dwukrotnie. Wydłużenie wzrasta do ok. 6%, poczym maleje, ale zachowuje wysoką wartość 20÷40%. Po obróbce cieplnej twardość stopu CuAl10 może osiągnąć 160÷180 HB. Brązy aluminiowe stosuje się w stanie lanym lub obrobionym plastycznie. Stopy odlewnicze cechuje rzadkopłynność, mała segregacja dendrytyczna i skupiona jama usadowa. Mają jednak duży skurcz (2%). Podczas topienia należy je chronić przed utlenieniem, gdyż wtrącenia Al2O3 zwiększają gęstopłynność i obniżają wytrzymałość stopu. Dodatek Al zapewnia im dobrą odporność na korozję. Stopy odlewnicze stosuje się na łożyska, elementy napędu, armaturę parową i chemiczną oraz części maszyn narażone na korozję, obciążenie, ścieranie. Brązy do obróbki plastycznej zawierają zwykle mniej aluminium: przy większej zawartości wprowadza się dodatki Fe, Mn, Ni, w ilości 2÷4%. Brązy te przerabia się tylko na gorąco w temp. ok. 870°C. Wytwarza się z nich pręty, rury, taśmy, kształtowniki, które znajdują zastosowanie w przemyśle chemicznym, papierniczym, okrętowym. Brązy ołowiowe. Na ogół ołów występuje w brązach łącznie z takimi składnikami jak: Sn, Zn, Ni, Mn. Znany jest tylko jeden brąz ołowiowy dwuskładnikowy CuPb30. Jest on stosunkowo miękki. Brązy ołowiowe wykazują skłonność do segregacji grawitacyjnej: lżejsze kryształy miedzi wypływają ku górze, cięższe (zawierające więcej Pb) opadają na dno. Aby przeciwdziałać temu zjawisku należy stosować przyspieszone studzenie stopu, a więc odlewanie do kokili chłodzonych wodą. Segregacji grawitacyjnej zapobiega również dodatek 1÷2% Ni lub Mn, które tworzą szkielet ze związków międzymetalicznych, zapobiegając tym samym opadaniu kryształów zawierających ołów. Główne zastosowanie brązów ołowiowych zawierających Pb to panewki łożysk pracujących przy małych naciskach i dużych prędkościach. Brązy krzemowe. Krzem rozpuszcza się w miedzi do 5,3% w temp. perytektycznej 853°C, po czym jego rozpuszczalność maleje do 4,6% w temp. 555°C, przy której zachodzi przemiana eutektoidalna. Zwiększenie zawartości Si powoduje wzrost twardości i wytrzymałości, a pogarsza plastyczność. Brązy krzemowe stosuje się zawsze z dodatkiem innych metali, jak Mn, Fe, Zn, Ni, Co, Cr. Mangan i cynk zwężają zakres roztworu stałego. Mangan poprawia wytrzymałość i odporność na korozję, a cynk - lejność. Żelazo wprowadza się tylko do stopów odlewniczych. Nikiel zwiększa wytrzymałość i odporność na korozję. Do stopów odlewniczych zaliczamy brąz krzemowo - żelazowy oraz krzemowo - cynkowo - manganowy. Brązy stosowane do obróbki plastycznej zwierają mniej dodatków stopowych, mają dość dobre własności mechaniczne. Obróbka cieplna brązów krzemowych polega na wyżarzaniu ujednorodniającym i odprężającym. Brązy do obróbki plastycznej poddaje się wyżarzaniu rekrystalizującemu. Niektóre nadają się do utwardzania wydzieleniowego. Wadami brązów krzemowych są: duży skurcz, skłonność do segregacji dendrytycznej i grawitacyjnej oraz absorbcja gazów w stanie ciekłym; zaletami - dobre własności wytrzymałościowe i odporność na korozję. Brązy berylowe - stopy Cu-Be zawierające ok. 2% Be. Są one przeznaczone do obróbki plastycznej. Brązy berylowe mają bardzo korzystne własności. Oprócz wysokiej wytrzymałości, dorównującej ulepszanym cieplnie stalom, są odporne na zmęczenie, ścieranie, na działanie temp. do 250°C, mają również własności antykorozyjne. Przy tarciu i uderzaniu nie iskrzą, co zadecydowało o ich zastosowaniu na części maszyn w prochowniach i wytwórniach materiałów wybuchowych. Ich dobra przewodność elektryczna i odporność na ścieranie spowodowały, że stosuje się je na szczotki silników elektrycznych lub przewody trakcji elektrycznej. Znalazły również zastosowanie do wyrobu sprężyn, części pomp, narzędzi chirurgicznych. Brązy manganowe. Są to stopy miedzi zawierające 5÷6 lub 12÷15% Mn, nadające się do obróbki plastycznej. Niżej stopowe można przerabiać na zimno i tym samym umacniać je przez zgniot. Mają dość dobre własności wytrz.
ALUMINIUM I JEGO STOPY. Aluminium cechuje się dobrą plastycznością, ma temp. topnienia 660,4°C, temp. wrzenia 2060°C. Mała gęstość 2,7 g/cm3 kwalifikuje ten metal do grupy metali lekkich. Dzięki tej własności i stosunkowo bogatemu występowaniu w przyrodzie (ok. 7%) jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym i w transporcie. Aluminium charakteryzuje się dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym. Na powietrzu pokrywa się cienką warstwą Al2O3, która chroni je przed dalszym utlenianiem. Jest odporne na działanie wody, wielu kwasów, związków azotowych. Natomiast nie jest odporne na działanie wodorotlenków, kwasów beztlenowych, wody morskiej, jonów rtęci. Wytrzymałość czystego wyżarzonego aluminium jest niska Rm = 70÷120 MPa, Re = 20÷40 MPa, wydłużenie A10 = 30÷45%, przewężenie Z = 80÷95%. Twardość wynosi 15÷30 HB; może jednak być umacniane przez zgniot. Wytwarza się aluminium o różnych stopniach czystości. Najczystszy gatunek jest używany przy wytwarzaniu aparatury chemicznej i folii kondensatorowych, gorsze gatunki stosuje się na folie, powłoki kablowe i do platerowania, na przewody elektryczne, na wyroby codziennego użytku. Zanieczyszczenia - Fe, Si, Cu, Zn, Ti, obniżają plastyczność i przewodnictwo elektryczne, zwiększają twardość i wytrzymałość. Aluminium przerabia się plastycznie - walcuje (blachy, folie) lub wyciska (pręty, rury, drut, kształtowniki). Obróbkę plastyczną można przeprowadzać na zimno lub na gorąco (ok. 450°C). Aluminium ma duże powinowactwo do tlenu, stąd jego zastosowanie w aluminotermii oraz do odtleniania stali. Oprócz tego jest szeroko stosowane w przemyśle spożywczym oraz do aluminiowania dyfuzyjnego stali. Stopy aluminium. Stopy aluminium mają większą wytrzymałość od czystego aluminium, cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, a oprócz tego ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki czemu w niskich temperaturach mają większą udarność niż stal. Stopy aluminium dzielimy na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Niektóre nadają się zarówno do odlewania, jak i przeróbki plastycznej. Do odlewniczych zaliczamy stopy przeważnie wieloskładnikowe o większej zawartości pierwiastków stopowych (5÷25%), np. z krzemem (AK11 - silumin); z krzemem i magnezem (AK7), z krzemem, miedzią, niklem, magnezem i manganem (AK20). Cechują się one dobrą lejnością i małym skurczem. Stopy do przeróbki plastycznej zawierają na ogół mniejsze ilości dodatków stopowych, głównie miedź (do ok. 5%), magnez (do ok. 6%) i mangan (do ok. 1,5%), rzadziej krzem, cynk, nikiel, chrom, tytan. Niektóre stopy aluminium można poddawać utwardzaniu wydzieleniowemu, po którym ich własności wytrzymałościowe nie są gorsze niż wielu stali. Stopy odlewnicze - odlewane w formach piaskowych kokilach lub jako odlewy ciśnieniowe. Odlewa się zwykle elementy o złożonych kształtach. Mają one jednak własności mechaniczne gorsze niż po przeróbce plastycznej. Siluminy - stopy aluminium z krzemem np. AlSi11 - AK11. Siluminy eutektyczne - mają bardzo dobre własności odlewnicze, dobrą lejność, mały skurcz, brak skłonności do pękania na gorąco. Ich wadą jest powstawanie, zwłaszcza po niezbyt szybkim chłodzeniu, gruboziarnistej struktury z pierwotnymi kryształami krzemu, co prowadzi do znacznego obniżenia własności mechanicznych stopu. Można temu zapobiec przez modyfikację, która polega na wprowadzeniu do ciekłego stopu dodatków zwanych modyfikatorami, lub przez przyspieszone chłodzenie. Siluminy podeutektyczne i eutektyczne modyfikuje się sodem, ogólna ilość modyfikatora nie przekracza 0,1%. Dzięki temu stopy, które normalnie są nadeutektyczne, krzepną jako podeutektyczne z dendrytycznymi α (ubogiego w Si) na tle drobnoziarnistej eutektyki. Siluminy nadeutektyczne modyfikowane są za pomocą fosforu, tworzy on związek AlP, powodujący rozdrobnienie wydzieleń. Siluminy mogą zawierać dodatki pierwiastków stopowych, jak miedź, magnez oraz mangan, które zwiększają ich wytrzymałość. Stopy odlewnicze z miedzią i magnezem. Ich struktura składa się z eutektyki ω-CuAl2 rozłożonej na granicach dendrytów roztworu stałego ω. Stopy te mają dobrą lejność, ale niską wytrzymałość. Można ją podwyższyć przez odlewanie do kokili lub przez obróbkę cieplną, pociąga to za sobą jednak zmniejszenie własności plastycznych. Stopy Al - Mg (np. AlMg10) mają dobre własności wytrzymałościowe i plastyczne (Rm=280 MPa, A5 = 8%), ale gorszą lejność, odporne na działanie wody morskiej. Wykonuje się z nich odlewy ciśnieniowe i nadają się do obróbki cieplnej. Stopy Al-Si-Mg (np. AlSi7Mg - AK7) mają bardzo dobrą lejność Stopy do obróbki plastycznej. Są to stopy wieloskładnikowe zawierające Mg, Mn lub Cu, Mg, Mn. Stopy aluminium z miedzią i ich obróbka cieplna. Stopy aluminium z miedzią (do ok. 5% Cu) są typowymi stopami nadają się doskonale do obróbki cieplnej, zwanej utwardzaniem wydzieleniowym. Podstawą obróbki cieplnej tych stopów jest charakter linii solidus. W miarę obniżania temp. rozpuszczalność miedzi maleje i w temp. 200°C wynosi już tylko 0,1%. Jeśli stop, zawierający np. 4% Cu nagrzejemy do temp. wyższej od linii solidus (poniżej 548°C), to uzyskamy jednorodny roztwór stały ω. Szybkie chłodzenie takiego roztworu, zwane przesyceniem, nie zmienia jego struktury, lecz powoduje, że staje się on nietrwały, gdyż zawiera więcej rozpuszczonej Cu niż wynosi granica rozpuszczalności w temp. otoczenia. Stop dążąc do osiągnięcia stanu równowagi usiłuje wydzielić nadmiar rozpuszczonej Cu w postaci dyspersyjnych cząstek bogatych w miedź. Proces ten nazywamy starzeniem i przebiega on samorzutnie. Podgrzewanie przesyconego stopu przyspiesza wydzielanie drugiej fazy i jest nazywane starzeniem przyspieszonym. Połączenie operacji przesycenia i starzenia stanowi utwardzanie wydzieleniowe. Obróbka taka zastosowana do stopu AlCu4, który w stanie wyżarzonym ma Rm = ok.200 MPa, może dawać po starzeniu naturalnym dwukrotnie większą wartość. Potrzeba jednak na to 4÷5 dni. Inne stopy do obróbki plastycznej utwardzane wydzieleniowo. Oprócz stopów Al-Cu do obróbki plastycznej i utwardzania wydzieleniowego nadają się stopy Al-Mg, Al-Mn oraz stopy wieloskładnikowe, w których oprócz Mg i Mn znajduje się dodatek Cu, Si, Zn, Cr. Magnez wpływa korzystnie na odporność korozyjną i obniża ciężar właściwy stopu. Dlatego też stopy Al-Mg w postaci blach i kształtowników znalazły zastosowanie głównie w budowie samolotów. Interesujące własności ma stop, który oprócz 0,5% Mg zawiera jeszcze ok. 0,5% Si (PA38 - zwany aldrey). Cechuje się on dobrą przewodnością elektryczną i dobrą wytrzymałością, co zadecydowało o jego zastosowaniu na elektroenergetyczne linie napowietrzne. Jest on poddawany kombinowanej obróbce cieplno-plastycznej, najpierw przesycany od temp. 550÷560°C, następnie odkształcany (90% zgniotu) i wreszcie starzony samorzutnie lub sztucznie (105°C, ok.10 h). Tą drogą osiąga się dwukrotnie większą wytrzymałość stopu od aluminium, która pozwala na stosowanie tych przewodów bez wzmacniających drutów stalowych. Wadą stopów Al-Mg jest ich skłonność do rozrostu ziarna. Można jednak tę wadę usunąć, wprowadzając nieznaczny dodatek Mn. Stopy zawierające 2-5% Mg , 0,1-0,4% Mn zwane hydronalium (np.AlMn2), mają dobrą odporność na korozję - zwłaszcza na działanie wody morskiej. Stąd ich zastosowanie w przemyśle okrętowym, chemicznym i spożywczym. Hydronalium jest plastyczne, spawalne, odporne na zmęczenie i daje się łatwo polerować. Dodatkowy wzrost wytrzymałości można uzyskać przez zgniot. Dobrymi własnościami antykorozyjnymi cechuje się stop zwany anticorodalem - oprócz Mn i Mg zawiera ok. 1% Si, ma dobrą odporność na korozję jednak tylko w stanie przesyconym i po naturalnym starzeniu. Stop ten jest bardzo plastyczny i spawalny, może też być umacniany drogą obróbki cieplnej. Durale - stopy wieloskładnikowe - mają najlepsze własności wytrzymałościowe. Zawierają ok. - 4% Cu, 1% Mg, 1% Mn. Żelazo i krzem występują w nich jako domieszki i są ograniczone do 0,7%. W stopie tym powstają różne fazy międzymetaliczne, w stanie przesyconym składa się on z roztworu stałego, z wydzieleniami nierozpuszczalnych związków manganu i żelaza. Durale ulegają starzeniu w wyniku wydzielania się z przesyconego roztworu związków CuAl2 i Mg2Si, które są rozpuszczalne i w wyniku nagrzewania do temp. ok. 500°C przechodzą do roztworu. Obróbka cieplna tych stopów polega na przesycaniu i starzeniu. Stop o podobnym składzie do durali, w którym część miedzi jest zastąpiona dodatkiem ok. 1% Si, znany jako avial (PA10), jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym. Ze względu na małe zawartości miedzi (do 0,5%) jest mniej podatny na starzenie niż durale. W stanie wyżarzonym lub sztucznie starzonym łatwo koroduje. Stopy aluminium do pracy w podwyższonych temperaturach - zawierają takie pierwiastki jak: Cu, Mg, Ni, Ti, Fe, Cr, Zn. Są stosowane w stanie lanym lub po obróbce plastycznej (prasowanie, tłoczenie). Stosuje się je w przemyśle lotniczym i rakietowym na elementy silników spalinowych, jak tłoki i głowice. Stawia się im bardzo wysokie wymagania. Są nagrzewane nawet do temp. 350°C i muszą zachować odpowiednie własności w ciągu długiego czasu. Wzrost wytrzymałości uzyskuje się po obróbce plastycznej poprzez utwardzanie wydzieleniowe, które otrzymuje się poprzez spiekanie utlenionego proszku aluminium. Obróbka cieplno - plastyczna stopów aluminium - realizowana jest z wykorzystaniem przemian fazowych zachodzących podczas starzenia stopów. Najczęściej stosuje się niskotemperaturową obróbkę, polegającą na przesyceniu stopu, a następnie jego odkształceniu plastycznym przed starzeniem, przy czym odkształcenie przeprowadza się w temp. niższej od temp. rekrystalizacji. Odkształcenie wywołuje wzrost ilości defektów w sieci i przyspiesza starzenie. |
MIEDŹ I JEJ STOPY. Miedź - jest metalem krystalizującym w układzie A1. Nie ma odmian alotropowych. Temp. topnienia 1083°C, gęstość 8,9 g/cm3. Czysta miedź ma bardzo dobrą przewodność elektryczną, stąd jej główne zastosowanie w elektrotechnice i elektronice. Ze względu na b. dobrą przewodność cieplną wyrabia się z niej różnego rodzaju wymienniki ciepła. Jest bardzo plastyczna i można ją przerabiać na zimno. Zgniot, wszystkie domieszki z wyjątkiem tlenu w ilości do ok. 0,05% obniżają przewodność elektryczną miedzi. Miedź jest odporna na korozję atmosferyczną pod warunkiem, że atmosfera nie zawiera SO2. Własności wytrzymałościowe miedzi są niskie Rm = 200÷220 MPa i 30 HB. Można ją umocnić przez zgniot. Dodatek 0,5÷1% Cd do miedzi zwiększa jej wytrzymałość, nie obniżając prawie przewodności elektrycznej. Miedź taka zwana kadmową jest stosowana na przewody napowietrzne i trakcyjne. Ze względu na łatwą zgrzewalność z żelazem lub aluminium można wytwarzać z niej wyroby bimetaliczne, np. rury, druty. Stopy miedzi. Czysta miedź znalazła zastosowanie głównie w elektrotechnice, a jako tworzywo konstrukcyjne stosuje się przede wszystkim stopy miedzi, ze względu na ich wyższe właściwości wytrzymałościowe. Pierwiastki stopowe to głównie: cynk, cyna, aluminium, beryl, krzem, nikiel, mangan, ołów. Stopy miedzi z cynkiem nazywamy mosiądzami, natomiast z cyną lub innymi metalami - brązami. Stopy miedzi z niklem nazywa się miedzioniklami. Mosiądze. Układ Cu-Zn. Klasyfikacja mosiądzów. Biorąc pod uwagę strukturę mosiądze dzieli się na: jednofazowe α, dwufazowe (α + β) i rzadziej stosowane mosiądze jednofazowe β. Skład strukturalny mosiądzu ma bardzo duży wpływ na jego własności ze względu na znaczne różnice własności faz α i β. Roztwór α cechuje się dobrą plastycznością w temp. pokojowej, a gorszą w zakresie 300÷700°C i dlatego mosiądze o takiej strukturze są obrabiane plastycznie na zimno. Twardość i wytrzymałość mosiądzu α wzrastają ze zwiększeniem zawartości cynku. Faza β ma dużą wytrzymałość (Rm = 420 MPa), ale jest mniej plastyczna (A = 7%) niż roztwór stały α i jest trudno obrabialna plastycznie na zimno. Dlatego też mosiądze dwufazowe α + β obrabia się zwykle na gorąco. Dwufazowy skład mosiądzów wpływa na zwiększenie ich twardości i wytrzymałości kosztem obniżenia plastyczności. Oprócz mosiądzów do obróbki plastycznej stosuje się również mosiądze odlewnicze o większej zawartości cynku z dodatkiem ołowiu w celu polepszenia ich skrawalności. Mosiądze o niższych zawartościach cynku obrabia się plastycznie na zimno. Szczególnie plastyczny jest mosiądz CuZn30 nadający się do głębokiego tłoczenia. Można go odkształcać na zimno do 75%. Przy większym odkształceniu należy stosować między operacyjne wyżarzenie rekrystalizujące w temp. od 500÷580°C. Mosiądze można znacznie umocnić przez zgniot. W zależności od stopnia rekrystalizacji można też uzyskać dość znaczne zróżnicowanie własności mechanicznych mosiądzów. Własności mosiądzu CuZn37: sprężysty, ma prawie dwa razy większą wytrzymałość od wyżarzonego i 9 razy mniejsze wydłużenie. Mosiądze przeznaczone do głębokiego tłoczenia powinny mieć drobnoziarnista strukturę, aby zapewnić równomierne odkształcenie. Mosiądze o większej zawartości cynku (ok. 36%) są obrabiane plastycznie na zimno lub gorąco; jeśli jednak mosiądz jest dwufazowy (>37% Zn) stosuje się zwykle obróbkę plastyczną na gorąco. Mosiądze przerabia się drogą wyciskania wypływowego, walcowania, ciągnienia. Do odlewania stosuje się mosiądze (α + β), są one rzadkopłynne i mają skupioną jamę usadową. Struktura mosiądzów. W stanie lanym w mosiądzach występuje wyraźna struktura dendrytyczna. Rdzenie dendrytów bogatsze w miedź są ciemniejsze. W wyniku wyżarzenia ujednorodniającego, które przeprowadza się zwykle w temp. 800÷850°C, może nastąpić pewne wyrównanie składu chemicznego. Jednak zasadniczą zmianę struktury osiąga się dopiero po obróbce plastycznej i rekrystalizacji. W pewnym stopniu na strukturę mosiądzu można wpływać drogą obróbki cieplnej (przesycania). Przez szybkie ochładzanie można utrwalić strukturę istniejącą w wysokiej temp.. Np. przesycanie mosiądzu CuZn37 od temp. ok. 850°C daje fazę β, od ok. 450°C fazę α, a od temp. 450÷850°C - fazy (α + β), przy czym ze wzrostem temp. ilość fazy β będzie się zwiększać. Natomiast wyżarzenie mosiądzu i powolne studzenie prowadzi do powstania struktury równowagowej, zgodnie z układem Cu-Zn. Własności antykorozyjne mosiądzu. Mosiądze mają dobrą odporność na korozje atmosferyczną. Lepszą odporność mają mosiądze jednofazowe α, gdyż w mosiądzach dwufazowych faza β ulega łatwiej korozji jako bardziej elektroujemna. Mosiądze łatwo ulegają korozji naprężeniowej, objawiającej się tzw. sezonowym pękaniem. Elementy mosiężne, pozostające pod wpływem naprężeń, w obecności nawet małych ilości par amoniaku są skłonne do pękania międzykrystalicznego podczas magazynowania lub w czasie pracy. Wyżarzenie odprężające przez 4 h w temp. 250°C usuwa naprężenia i uodpornia mosiądz na pękanie sezonowe. Mosiądze stopowe. Dodatki stopowe są wprowadzane zarówno do mosiądzów przeznaczonych do obróbki plastycznej, jak i odlewniczych w celu nadania im odpowiednich własności. Np. dodatek aluminium (do 1%) bardzo zwiększa wytrzymałość stopu, lecz obniża jego plastyczność i zmniejsza straty cynku podczas topienia. Ołów polepsza skrawalność; większa jego zawartość pogarsza własności mechaniczne stopu. Żelazo (do 2%) rozdrabnia strukturę i umożliwia utwardzanie wydzieleniowe stopu, a mangan, który jest stosowany łącznie z innymi pierwiastkami poprawia własności mechaniczne mosiądzu. Nikiel (do 1%) zwiększa ciągliwość stopu (wydłużenie, udarność) oraz wytrzymałość w podwyższonych temp.. Cyna polepsza własności stopu pod warunkiem że jest rozpuszczona. W postaci związków zmniejsza znacznie plastyczność mosiądzu. Krzem poprawia lejność. Mosiądze stopowe z dodatkiem cyny znalazły zastosowanie w galanterii pod nazwą złota mannheimskiego (służą do wyrobu sztucznej biżuterii). Mosiądze wysokoniklowe, zwane nowymi srebrami (ze względu na ich srebrzyste zabarwienie), zawierają 9÷19% Ni i 19÷28% Zn. Mają budowę jednofazową α, a w związku z tym bardzo dobrą odporność na korozję oraz dobrą plastyczność. Mogą być umacniane przez zgniot. Są stosowane w przemyśle galanteryjnym do wyrobu nakryć stołowych, okuć i części aparatów. Brązy. Brązy cynowe. Cyna w zasadniczy sposób wpływa na własności brązu, jej zawartość w brązach nie przekracza na ogół 20%. Dodatek do ok. 8% Sn powoduje wzrost wytrzymałości i plastyczności. Spadek wytrzymałości następuje przy zawartości powyżej 25% Sn. Struktura brązów cynowych wynika z układu równowagi Cu-Sn. Klasyfikacja brązów cynowych. Brązy dzielimy w zależności od ich przeznaczenia na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Stopy odlewnicze są stosowane częściej i mają większe zastosowanie. Cechują się wyjątkowo małym skurczem, nie występuje w nich jama usadowa, co powoduje, że odlewy z brązu są mało zwarte. Zawartość cyny w brązach odlewniczych wynosi zwykle ok. 10%, mogą również zawierać dodatek fosforu, cynku i ołowiu. Fosfor odtlenia stop, powoduje jego utwardzenie, ale obniża plastyczność, co sprawia że brązy cynowo-fosforowe są stosowane na odlewy, od których wymaga się odporności na ścieranie np. panewki, koła ślimakowe, sprężyny, sita. Cynk występuje w niektórych brązach odlewniczych zwykle w ilości 2÷4%. Cynk rozpuszcza się w miedzi nie wpływając na strukturę brązu. Ołów w ilości 3÷6% występuje w postaci oddzielnej fazy polepszając skrawalność brązu. Do obróbki plastycznej stosuje się brązy o niższej zawartości cyny 4÷6%. Po odlaniu mają one strukturę złożoną z dendrytów i eutektoidu. Przed obróbką plastyczną brązy takie należy poddać wyżarzaniu ujednorodniającemu w temp. 720÷750°C przez kilka godzin, w wyniku czego uzyskują jednorodną strukturę α podatną do obróbki plastycznej. Brązy o niższej zawartości cyny można obrabiać na zimno, o wyższej zawartości na gorąco. Z brązów cynowych wytwarza się drut, blachy, rury, taśmy, pręty, kształtowniki, sprężyny. Brązy cynowe cechują się dobrą odpornością na korozję i dobrymi własnościami mechanicznymi. Ich główne zastosowanie to panewki, łożyska ślizgowe, ślimaki, ślimacznice, siatki i sprężyny, armatura kotłów parowych: przemysł chemiczny, okrętowy i papierniczy. Brązy aluminiowe - stopy miedzi z aluminium. Zawartość aluminium w tych stopach wynosi 5÷11%. Brązy aluminiowe cechują się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi. Aluminium bowiem podwyższa twardość i wytrzymałość miedzi: przy zawartości 10% Al zwiększają się ponad dwukrotnie. Wydłużenie wzrasta do ok. 6%, poczym maleje, ale zachowuje wysoką wartość 20÷40%. Po obróbce cieplnej twardość stopu CuAl10 może osiągnąć 160÷180 HB. Brązy aluminiowe stosuje się w stanie lanym lub obrobionym plastycznie. Stopy odlewnicze cechuje rzadkopłynność, mała segregacja dendrytyczna i skupiona jama usadowa. Mają jednak duży skurcz (2%). Podczas topienia należy je chronić przed utlenieniem, gdyż wtrącenia Al2O3 zwiększają gęstopłynność i obniżają wytrzymałość stopu. Dodatek Al zapewnia im dobrą odporność na korozję. Stopy odlewnicze stosuje się na łożyska, elementy napędu, armaturę parową i chemiczną oraz części maszyn narażone na korozję, obciążenie, ścieranie. Brązy do obróbki plastycznej zawierają zwykle mniej aluminium: przy większej zawartości wprowadza się dodatki Fe, Mn, Ni, w ilości 2÷4%. Brązy te przerabia się tylko na gorąco w temp. ok. 870°C. Wytwarza się z nich pręty, rury, taśmy, kształtowniki, które znajdują zastosowanie w przemyśle chemicznym, papierniczym, okrętowym. Brązy ołowiowe. Na ogół ołów występuje w brązach łącznie z takimi składnikami jak: Sn, Zn, Ni, Mn. Znany jest tylko jeden brąz ołowiowy dwuskładnikowy CuPb30. Jest on stosunkowo miękki. Brązy ołowiowe wykazują skłonność do segregacji grawitacyjnej: lżejsze kryształy miedzi wypływają ku górze, cięższe (zawierające więcej Pb) opadają na dno. Aby przeciwdziałać temu zjawisku należy stosować przyspieszone studzenie stopu, a więc odlewanie do kokili chłodzonych wodą. Segregacji grawitacyjnej zapobiega również dodatek 1÷2% Ni lub Mn, które tworzą szkielet ze związków międzymetalicznych, zapobiegając tym samym opadaniu kryształów zawierających ołów. Główne zastosowanie brązów ołowiowych zawierających Pb to panewki łożysk pracujących przy małych naciskach i dużych prędkościach. Brązy krzemowe. Krzem rozpuszcza się w miedzi do 5,3% w temp. perytektycznej 853°C, po czym jego rozpuszczalność maleje do 4,6% w temp. 555°C, przy której zachodzi przemiana eutektoidalna. Zwiększenie zawartości Si powoduje wzrost twardości i wytrzymałości, a pogarsza plastyczność. Brązy krzemowe stosuje się zawsze z dodatkiem innych metali, jak Mn, Fe, Zn, Ni, Co, Cr. Mangan i cynk zwężają zakres roztworu stałego. Mangan poprawia wytrzymałość i odporność na korozję, a cynk - lejność. Żelazo wprowadza się tylko do stopów odlewniczych. Nikiel zwiększa wytrzymałość i odporność na korozję. Do stopów odlewniczych zaliczamy brąz krzemowo - żelazowy oraz krzemowo - cynkowo - manganowy. Brązy stosowane do obróbki plastycznej zwierają mniej dodatków stopowych, mają dość dobre własności mechaniczne. Obróbka cieplna brązów krzemowych polega na wyżarzaniu ujednorodniającym i odprężającym. Brązy do obróbki plastycznej poddaje się wyżarzaniu rekrystalizującemu. Niektóre nadają się do utwardzania wydzieleniowego. Wadami brązów krzemowych są: duży skurcz, skłonność do segregacji dendrytycznej i grawitacyjnej oraz absorbcja gazów w stanie ciekłym; zaletami - dobre własności wytrzymałościowe i odporność na korozję. Brązy berylowe - stopy Cu-Be zawierające ok. 2% Be. Są one przeznaczone do obróbki plastycznej. Brązy berylowe mają bardzo korzystne własności. Oprócz wysokiej wytrzymałości, dorównującej ulepszanym cieplnie stalom, są odporne na zmęczenie, ścieranie, na działanie temp. do 250°C, mają również własności antykorozyjne. Przy tarciu i uderzaniu nie iskrzą, co zadecydowało o ich zastosowaniu na części maszyn w prochowniach i wytwórniach materiałów wybuchowych. Ich dobra przewodność elektryczna i odporność na ścieranie spowodowały, że stosuje się je na szczotki silników elektrycznych lub przewody trakcji elektrycznej. Znalazły również zastosowanie do wyrobu sprężyn, części pomp, narzędzi chirurgicznych. Brązy manganowe. Są to stopy miedzi zawierające 5÷6 lub 12÷15% Mn, nadające się do obróbki plastycznej. Niżej stopowe można przerabiać na zimno i tym samym umacniać je przez zgniot. Mają dość dobre własności wytrz..
ALUMINIUM I JEGO STOPY. Aluminium cechuje się dobrą plastycznością, ma temp. topnienia 660,4°C, temp. wrzenia 2060°C. Mała gęstość 2,7 g/cm3 kwalifikuje ten metal do grupy metali lekkich. Dzięki tej własności i stosunkowo bogatemu występowaniu w przyrodzie (ok. 7%) jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym i w transporcie. Aluminium charakteryzuje się dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym. Na powietrzu pokrywa się cienką warstwą Al2O3, która chroni je przed dalszym utlenianiem. Jest odporne na działanie wody, wielu kwasów, związków azotowych. Natomiast nie jest odporne na działanie wodorotlenków, kwasów beztlenowych, wody morskiej, jonów rtęci. Wytrzymałość czystego wyżarzonego aluminium jest niska Rm = 70÷120 MPa, Re = 20÷40 MPa, wydłużenie A10 = 30÷45%, przewężenie Z = 80÷95%. Twardość wynosi 15÷30 HB; może jednak być umacniane przez zgniot. Wytwarza się aluminium o różnych stopniach czystości. Najczystszy gatunek jest używany przy wytwarzaniu aparatury chemicznej i folii kondensatorowych, gorsze gatunki stosuje się na folie, powłoki kablowe i do platerowania, na przewody elektryczne, na wyroby codziennego użytku. Zanieczyszczenia - Fe, Si, Cu, Zn, Ti, obniżają plastyczność i przewodnictwo elektryczne, zwiększają twardość i wytrzymałość. Aluminium przerabia się plastycznie - walcuje (blachy, folie) lub wyciska (pręty, rury, drut, kształtowniki). Obróbkę plastyczną można przeprowadzać na zimno lub na gorąco (ok. 450°C). Aluminium ma duże powinowactwo do tlenu, stąd jego zastosowanie w aluminotermii oraz do odtleniania stali. Oprócz tego jest szeroko stosowane w przemyśle spożywczym oraz do aluminiowania dyfuzyjnego stali. Stopy aluminium. Stopy aluminium mają większą wytrzymałość od czystego aluminium, cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, a oprócz tego ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki czemu w niskich temperaturach mają większą udarność niż stal. Stopy aluminium dzielimy na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Niektóre nadają się zarówno do odlewania, jak i przeróbki plastycznej. Do odlewniczych zaliczamy stopy przeważnie wieloskładnikowe o większej zawartości pierwiastków stopowych (5÷25%), np. z krzemem (AK11 - silumin); z krzemem i magnezem (AK7), z krzemem, miedzią, niklem, magnezem i manganem (AK20). Cechują się one dobrą lejnością i małym skurczem. Stopy do przeróbki plastycznej zawierają na ogół mniejsze ilości dodatków stopowych, głównie miedź (do ok. 5%), magnez (do ok. 6%) i mangan (do ok. 1,5%), rzadziej krzem, cynk, nikiel, chrom, tytan. Niektóre stopy aluminium można poddawać utwardzaniu wydzieleniowemu, po którym ich własności wytrzymałościowe nie są gorsze niż wielu stali. Stopy odlewnicze - odlewane w formach piaskowych kokilach lub jako odlewy ciśnieniowe. Odlewa się zwykle elementy o złożonych kształtach. Mają one jednak własności mechaniczne gorsze niż po przeróbce plastycznej. Siluminy - stopy aluminium z krzemem np. AlSi11 - AK11. Siluminy eutektyczne - mają bardzo dobre własności odlewnicze, dobrą lejność, mały skurcz, brak skłonności do pękania na gorąco. Ich wadą jest powstawanie, zwłaszcza po niezbyt szybkim chłodzeniu, gruboziarnistej struktury z pierwotnymi kryształami krzemu, co prowadzi do znacznego obniżenia własności mechanicznych stopu. Można temu zapobiec przez modyfikację, która polega na wprowadzeniu do ciekłego stopu dodatków zwanych modyfikatorami, lub przez przyspieszone chłodzenie. Siluminy podeutektyczne i eutektyczne modyfikuje się sodem, ogólna ilość modyfikatora nie przekracza 0,1%. Dzięki temu stopy, które normalnie są nadeutektyczne, krzepną jako podeutektyczne z dendrytycznymi α (ubogiego w Si) na tle drobnoziarnistej eutektyki. Siluminy nadeutektyczne modyfikowane są za pomocą fosforu, tworzy on związek AlP, powodujący rozdrobnienie wydzieleń. Siluminy mogą zawierać dodatki pierwiastków stopowych, jak miedź, magnez oraz mangan, które zwiększają ich wytrzymałość. Stopy odlewnicze z miedzią i magnezem. Ich struktura składa się z eutektyki ω-CuAl2 rozłożonej na granicach dendrytów roztworu stałego ω. Stopy te mają dobrą lejność, ale niską wytrzymałość. Można ją podwyższyć przez odlewanie do kokili lub przez obróbkę cieplną, pociąga to za sobą jednak zmniejszenie własności plastycznych. Stopy Al - Mg (np. AlMg10) mają dobre własności wytrzymałościowe i plastyczne (Rm=280 MPa, A5 = 8%), ale gorszą lejność, odporne na działanie wody morskiej. Wykonuje się z nich odlewy ciśnieniowe i nadają się do obróbki cieplnej. Stopy Al-Si-Mg (np. AlSi7Mg - AK7) mają bardzo dobrą lejność Stopy do obróbki plastycznej. Są to stopy wieloskładnikowe zawierające Mg, Mn lub Cu, Mg, Mn. Stopy aluminium z miedzią i ich obróbka cieplna. Stopy aluminium z miedzią (do ok. 5% Cu) są typowymi stopami nadają się doskonale do obróbki cieplnej, zwanej utwardzaniem wydzieleniowym. Podstawą obróbki cieplnej tych stopów jest charakter linii solidus. W miarę obniżania temp. rozpuszczalność miedzi maleje i w temp. 200°C wynosi już tylko 0,1%. Jeśli stop, zawierający np. 4% Cu nagrzejemy do temp. wyższej od linii solidus (poniżej 548°C), to uzyskamy jednorodny roztwór stały ω. Szybkie chłodzenie takiego roztworu, zwane przesyceniem, nie zmienia jego struktury, lecz powoduje, że staje się on nietrwały, gdyż zawiera więcej rozpuszczonej Cu niż wynosi granica rozpuszczalności w temp. otoczenia. Stop dążąc do osiągnięcia stanu równowagi usiłuje wydzielić nadmiar rozpuszczonej Cu w postaci dyspersyjnych cząstek bogatych w miedź. Proces ten nazywamy starzeniem i przebiega on samorzutnie. Podgrzewanie przesyconego stopu przyspiesza wydzielanie drugiej fazy i jest nazywane starzeniem przyspieszonym. Połączenie operacji przesycenia i starzenia stanowi utwardzanie wydzieleniowe. Obróbka taka zastosowana do stopu AlCu4, który w stanie wyżarzonym ma Rm = ok.200 MPa, może dawać po starzeniu naturalnym dwukrotnie większą wartość. Potrzeba jednak na to 4÷5 dni. Inne stopy do obróbki plastycznej utwardzane wydzieleniowo. Oprócz stopów Al-Cu do obróbki plastycznej i utwardzania wydzieleniowego nadają się stopy Al-Mg, Al-Mn oraz stopy wieloskładnikowe, w których oprócz Mg i Mn znajduje się dodatek Cu, Si, Zn, Cr. Magnez wpływa korzystnie na odporność korozyjną i obniża ciężar właściwy stopu. Dlatego też stopy Al-Mg w postaci blach i kształtowników znalazły zastosowanie głównie w budowie samolotów. Interesujące własności ma stop, który oprócz 0,5% Mg zawiera jeszcze ok. 0,5% Si (PA38 - zwany aldrey). Cechuje się on dobrą przewodnością elektryczną i dobrą wytrzymałością, co zadecydowało o jego zastosowaniu na elektroenergetyczne linie napowietrzne. Jest on poddawany kombinowanej obróbce cieplno-plastycznej, najpierw przesycany od temp. 550÷560°C, następnie odkształcany (90% zgniotu) i wreszcie starzony samorzutnie lub sztucznie (105°C, ok.10 h). Tą drogą osiąga się dwukrotnie większą wytrzymałość stopu od aluminium, która pozwala na stosowanie tych przewodów bez wzmacniających drutów stalowych. Wadą stopów Al-Mg jest ich skłonność do rozrostu ziarna. Można jednak tę wadę usunąć, wprowadzając nieznaczny dodatek Mn. Stopy zawierające 2-5% Mg , 0,1-0,4% Mn zwane hydronalium (np.AlMn2), mają dobrą odporność na korozję - zwłaszcza na działanie wody morskiej. Stąd ich zastosowanie w przemyśle okrętowym, chemicznym i spożywczym. Hydronalium jest plastyczne, spawalne, odporne na zmęczenie i daje się łatwo polerować. Dodatkowy wzrost wytrzymałości można uzyskać przez zgniot. Dobrymi własnościami antykorozyjnymi cechuje się stop zwany anticorodalem - oprócz Mn i Mg zawiera ok. 1% Si, ma dobrą odporność na korozję jednak tylko w stanie przesyconym i po naturalnym starzeniu. Stop ten jest bardzo plastyczny i spawalny, może też być umacniany drogą obróbki cieplnej. Durale - stopy wieloskładnikowe - mają najlepsze własności wytrzymałościowe. Zawierają ok. - 4% Cu, 1% Mg, 1% Mn. Żelazo i krzem występują w nich jako domieszki i są ograniczone do 0,7%. W stopie tym powstają różne fazy międzymetaliczne, w stanie przesyconym składa się on z roztworu stałego, z wydzieleniami nierozpuszczalnych związków manganu i żelaza. Durale ulegają starzeniu w wyniku wydzielania się z przesyconego roztworu związków CuAl2 i Mg2Si, które są rozpuszczalne i w wyniku nagrzewania do temp. ok. 500°C przechodzą do roztworu. Obróbka cieplna tych stopów polega na przesycaniu i starzeniu. Stop o podobnym składzie do durali, w którym część miedzi jest zastąpiona dodatkiem ok. 1% Si, znany jako avial (PA10), jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym. Ze względu na małe zawartości miedzi (do 0,5%) jest mniej podatny na starzenie niż durale. W stanie wyżarzonym lub sztucznie starzonym łatwo koroduje. Stopy aluminium do pracy w podwyższonych temperaturach - zawierają takie pierwiastki jak: Cu, Mg, Ni, Ti, Fe, Cr, Zn. Są stosowane w stanie lanym lub po obróbce plastycznej (prasowanie, tłoczenie). Stosuje się je w przemyśle lotniczym i rakietowym na elementy silników spalinowych, jak tłoki i głowice. Stawia się im bardzo wysokie wymagania. Są nagrzewane nawet do temp. 350°C i muszą zachować odpowiednie własności w ciągu długiego czasu. Wzrost wytrzymałości uzyskuje się po obróbce plastycznej poprzez utwardzanie wydzieleniowe, które otrzymuje się poprzez spiekanie utlenionego proszku aluminium. Obróbka cieplno - plastyczna stopów aluminium - realizowana jest z wykorzystaniem przemian fazowych zachodzących podczas starzenia stopów. Najczęściej stosuje się niskotemperaturową obróbkę, polegającą na przesyceniu stopu, a następnie jego odkształceniu plastycznym przed starzeniem, przy czym odkształcenie przeprowadza się w temp. niższej od temp. rekrystalizacji. Odkształcenie wywołuje wzrost ilości defektów w sieci i przyspiesza starzenie. |
MIEDŹ I JEJ STOPY. Miedź - jest metalem krystalizującym w układzie A1. Nie ma odmian alotropowych. Temp. topnienia 1083°C, gęstość 8,9 g/cm3. Czysta miedź ma bardzo dobrą przewodność elektryczną, stąd jej główne zastosowanie w elektrotechnice i elektronice. Ze względu na b. dobrą przewodność cieplną wyrabia się z niej różnego rodzaju wymienniki ciepła. Jest bardzo plastyczna i można ją przerabiać na zimno. Zgniot, wszystkie domieszki z wyjątkiem tlenu w ilości do ok. 0,05% obniżają przewodność elektryczną miedzi. Miedź jest odporna na korozję atmosferyczną pod warunkiem, że atmosfera nie zawiera SO2. Własności wytrzymałościowe miedzi są niskie Rm = 200÷220 MPa i 30 HB. Można ją umocnić przez zgniot. Dodatek 0,5÷1% Cd do miedzi zwiększa jej wytrzymałość, nie obniżając prawie przewodności elektrycznej. Miedź taka zwana kadmową jest stosowana na przewody napowietrzne i trakcyjne. Ze względu na łatwą zgrzewalność z żelazem lub aluminium można wytwarzać z niej wyroby bimetaliczne, np. rury, druty. Stopy miedzi. Czysta miedź znalazła zastosowanie głównie w elektrotechnice, a jako tworzywo konstrukcyjne stosuje się przede wszystkim stopy miedzi, ze względu na ich wyższe właściwości wytrzymałościowe. Pierwiastki stopowe to głównie: cynk, cyna, aluminium, beryl, krzem, nikiel, mangan, ołów. Stopy miedzi z cynkiem nazywamy mosiądzami, natomiast z cyną lub innymi metalami - brązami. Stopy miedzi z niklem nazywa się miedzioniklami. Mosiądze. Układ Cu-Zn. Klasyfikacja mosiądzów. Biorąc pod uwagę strukturę mosiądze dzieli się na: jednofazowe α, dwufazowe (α + β) i rzadziej stosowane mosiądze jednofazowe β. Skład strukturalny mosiądzu ma bardzo duży wpływ na jego własności ze względu na znaczne różnice własności faz α i β. Roztwór α cechuje się dobrą plastycznością w temp. pokojowej, a gorszą w zakresie 300÷700°C i dlatego mosiądze o takiej strukturze są obrabiane plastycznie na zimno. Twardość i wytrzymałość mosiądzu α wzrastają ze zwiększeniem zawartości cynku. Faza β ma dużą wytrzymałość (Rm = 420 MPa), ale jest mniej plastyczna (A = 7%) niż roztwór stały α i jest trudno obrabialna plastycznie na zimno. Dlatego też mosiądze dwufazowe α + β obrabia się zwykle na gorąco. Dwufazowy skład mosiądzów wpływa na zwiększenie ich twardości i wytrzymałości kosztem obniżenia plastyczności. Oprócz mosiądzów do obróbki plastycznej stosuje się również mosiądze odlewnicze o większej zawartości cynku z dodatkiem ołowiu w celu polepszenia ich skrawalności. Mosiądze o niższych zawartościach cynku obrabia się plastycznie na zimno. Szczególnie plastyczny jest mosiądz CuZn30 nadający się do głębokiego tłoczenia. Można go odkształcać na zimno do 75%. Przy większym odkształceniu należy stosować między operacyjne wyżarzenie rekrystalizujące w temp. od 500÷580°C. Mosiądze można znacznie umocnić przez zgniot. W zależności od stopnia rekrystalizacji można też uzyskać dość znaczne zróżnicowanie własności mechanicznych mosiądzów. Własności mosiądzu CuZn37: sprężysty, ma prawie dwa razy większą wytrzymałość od wyżarzonego i 9 razy mniejsze wydłużenie. Mosiądze przeznaczone do głębokiego tłoczenia powinny mieć drobnoziarnista strukturę, aby zapewnić równomierne odkształcenie. Mosiądze o większej zawartości cynku (ok. 36%) są obrabiane plastycznie na zimno lub gorąco; jeśli jednak mosiądz jest dwufazowy (>37% Zn) stosuje się zwykle obróbkę plastyczną na gorąco. Mosiądze przerabia się drogą wyciskania wypływowego, walcowania, ciągnienia. Do odlewania stosuje się mosiądze (α + β), są one rzadkopłynne i mają skupioną jamę usadową. Struktura mosiądzów. W stanie lanym w mosiądzach występuje wyraźna struktura dendrytyczna. Rdzenie dendrytów bogatsze w miedź są ciemniejsze. W wyniku wyżarzenia ujednorodniającego, które przeprowadza się zwykle w temp. 800÷850°C, może nastąpić pewne wyrównanie składu chemicznego. Jednak zasadniczą zmianę struktury osiąga się dopiero po obróbce plastycznej i rekrystalizacji. W pewnym stopniu na strukturę mosiądzu można wpływać drogą obróbki cieplnej (przesycania). Przez szybkie ochładzanie można utrwalić strukturę istniejącą w wysokiej temp.. Np. przesycanie mosiądzu CuZn37 od temp. ok. 850°C daje fazę β, od ok. 450°C fazę α, a od temp. 450÷850°C - fazy (α + β), przy czym ze wzrostem temp. ilość fazy β będzie się zwiększać. Natomiast wyżarzenie mosiądzu i powolne studzenie prowadzi do powstania struktury równowagowej, zgodnie z układem Cu-Zn. Własności antykorozyjne mosiądzu. Mosiądze mają dobrą odporność na korozje atmosferyczną. Lepszą odporność mają mosiądze jednofazowe α, gdyż w mosiądzach dwufazowych faza β ulega łatwiej korozji jako bardziej elektroujemna. Mosiądze łatwo ulegają korozji naprężeniowej, objawiającej się tzw. sezonowym pękaniem. Elementy mosiężne, pozostające pod wpływem naprężeń, w obecności nawet małych ilości par amoniaku są skłonne do pękania międzykrystalicznego podczas magazynowania lub w czasie pracy. Wyżarzenie odprężające przez 4 h w temp. 250°C usuwa naprężenia i uodpornia mosiądz na pękanie sezonowe. Mosiądze stopowe. Dodatki stopowe są wprowadzane zarówno do mosiądzów przeznaczonych do obróbki plastycznej, jak i odlewniczych w celu nadania im odpowiednich własności. Np. dodatek aluminium (do 1%) bardzo zwiększa wytrzymałość stopu, lecz obniża jego plastyczność i zmniejsza straty cynku podczas topienia. Ołów polepsza skrawalność; większa jego zawartość pogarsza własności mechaniczne stopu. Żelazo (do 2%) rozdrabnia strukturę i umożliwia utwardzanie wydzieleniowe stopu, a mangan, który jest stosowany łącznie z innymi pierwiastkami poprawia własności mechaniczne mosiądzu. Nikiel (do 1%) zwiększa ciągliwość stopu (wydłużenie, udarność) oraz wytrzymałość w podwyższonych temp.. Cyna polepsza własności stopu pod warunkiem że jest rozpuszczona. W postaci związków zmniejsza znacznie plastyczność mosiądzu. Krzem poprawia lejność. Mosiądze stopowe z dodatkiem cyny znalazły zastosowanie w galanterii pod nazwą złota mannheimskiego (służą do wyrobu sztucznej biżuterii). Mosiądze wysokoniklowe, zwane nowymi srebrami (ze względu na ich srebrzyste zabarwienie), zawierają 9÷19% Ni i 19÷28% Zn. Mają budowę jednofazową α, a w związku z tym bardzo dobrą odporność na korozję oraz dobrą plastyczność. Mogą być umacniane przez zgniot. Są stosowane w przemyśle galanteryjnym do wyrobu nakryć stołowych, okuć i części aparatów. Brązy. Brązy cynowe. Cyna w zasadniczy sposób wpływa na własności brązu, jej zawartość w brązach nie przekracza na ogół 20%. Dodatek do ok. 8% Sn powoduje wzrost wytrzymałości i plastyczności. Spadek wytrzymałości następuje przy zawartości powyżej 25% Sn. Struktura brązów cynowych wynika z układu równowagi Cu-Sn. Klasyfikacja brązów cynowych. Brązy dzielimy w zależności od ich przeznaczenia na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Stopy odlewnicze są stosowane częściej i mają większe zastosowanie. Cechują się wyjątkowo małym skurczem, nie występuje w nich jama usadowa, co powoduje, że odlewy z brązu są mało zwarte. Zawartość cyny w brązach odlewniczych wynosi zwykle ok. 10%, mogą również zawierać dodatek fosforu, cynku i ołowiu. Fosfor odtlenia stop, powoduje jego utwardzenie, ale obniża plastyczność, co sprawia że brązy cynowo-fosforowe są stosowane na odlewy, od których wymaga się odporności na ścieranie np. panewki, koła ślimakowe, sprężyny, sita. Cynk występuje w niektórych brązach odlewniczych zwykle w ilości 2÷4%. Cynk rozpuszcza się w miedzi nie wpływając na strukturę brązu. Ołów w ilości 3÷6% występuje w postaci oddzielnej fazy polepszając skrawalność brązu. Do obróbki plastycznej stosuje się brązy o niższej zawartości cyny 4÷6%. Po odlaniu mają one strukturę złożoną z dendrytów i eutektoidu. Przed obróbką plastyczną brązy takie należy poddać wyżarzaniu ujednorodniającemu w temp. 720÷750°C przez kilka godzin, w wyniku czego uzyskują jednorodną strukturę α podatną do obróbki plastycznej. Brązy o niższej zawartości cyny można obrabiać na zimno, o wyższej zawartości na gorąco. Z brązów cynowych wytwarza się drut, blachy, rury, taśmy, pręty, kształtowniki, sprężyny. Brązy cynowe cechują się dobrą odpornością na korozję i dobrymi własnościami mechanicznymi. Ich główne zastosowanie to panewki, łożyska ślizgowe, ślimaki, ślimacznice, siatki i sprężyny, armatura kotłów parowych: przemysł chemiczny, okrętowy i papierniczy. Brązy aluminiowe - stopy miedzi z aluminium. Zawartość aluminium w tych stopach wynosi 5÷11%. Brązy aluminiowe cechują się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi. Aluminium bowiem podwyższa twardość i wytrzymałość miedzi: przy zawartości 10% Al zwiększają się ponad dwukrotnie. Wydłużenie wzrasta do ok. 6%, poczym maleje, ale zachowuje wysoką wartość 20÷40%. Po obróbce cieplnej twardość stopu CuAl10 może osiągnąć 160÷180 HB. Brązy aluminiowe stosuje się w stanie lanym lub obrobionym plastycznie. Stopy odlewnicze cechuje rzadkopłynność, mała segregacja dendrytyczna i skupiona jama usadowa. Mają jednak duży skurcz (2%). Podczas topienia należy je chronić przed utlenieniem, gdyż wtrącenia Al2O3 zwiększają gęstopłynność i obniżają wytrzymałość stopu. Dodatek Al zapewnia im dobrą odporność na korozję. Stopy odlewnicze stosuje się na łożyska, elementy napędu, armaturę parową i chemiczną oraz części maszyn narażone na korozję, obciążenie, ścieranie. Brązy do obróbki plastycznej zawierają zwykle mniej aluminium: przy większej zawartości wprowadza się dodatki Fe, Mn, Ni, w ilości 2÷4%. Brązy te przerabia się tylko na gorąco w temp. ok. 870°C. Wytwarza się z nich pręty, rury, taśmy, kształtowniki, które znajdują zastosowanie w przemyśle chemicznym, papierniczym, okrętowym. Brązy ołowiowe. Na ogół ołów występuje w brązach łącznie z takimi składnikami jak: Sn, Zn, Ni, Mn. Znany jest tylko jeden brąz ołowiowy dwuskładnikowy CuPb30. Jest on stosunkowo miękki. Brązy ołowiowe wykazują skłonność do segregacji grawitacyjnej: lżejsze kryształy miedzi wypływają ku górze, cięższe (zawierające więcej Pb) opadają na dno. Aby przeciwdziałać temu zjawisku należy stosować przyspieszone studzenie stopu, a więc odlewanie do kokili chłodzonych wodą. Segregacji grawitacyjnej zapobiega również dodatek 1÷2% Ni lub Mn, które tworzą szkielet ze związków międzymetalicznych, zapobiegając tym samym opadaniu kryształów zawierających ołów. Główne zastosowanie brązów ołowiowych zawierających Pb to panewki łożysk pracujących przy małych naciskach i dużych prędkościach. Brązy krzemowe. Krzem rozpuszcza się w miedzi do 5,3% w temp. perytektycznej 853°C, po czym jego rozpuszczalność maleje do 4,6% w temp. 555°C, przy której zachodzi przemiana eutektoidalna. Zwiększenie zawartości Si powoduje wzrost twardości i wytrzymałości, a pogarsza plastyczność. Brązy krzemowe stosuje się zawsze z dodatkiem innych metali, jak Mn, Fe, Zn, Ni, Co, Cr. Mangan i cynk zwężają zakres roztworu stałego. Mangan poprawia wytrzymałość i odporność na korozję, a cynk - lejność. Żelazo wprowadza się tylko do stopów odlewniczych. Nikiel zwiększa wytrzymałość i odporność na korozję. Do stopów odlewniczych zaliczamy brąz krzemowo - żelazowy oraz krzemowo - cynkowo - manganowy. Brązy stosowane do obróbki plastycznej zwierają mniej dodatków stopowych, mają dość dobre własności mechaniczne. Obróbka cieplna brązów krzemowych polega na wyżarzaniu ujednorodniającym i odprężającym. Brązy do obróbki plastycznej poddaje się wyżarzaniu rekrystalizującemu. Niektóre nadają się do utwardzania wydzieleniowego. Wadami brązów krzemowych są: duży skurcz, skłonność do segregacji dendrytycznej i grawitacyjnej oraz absorbcja gazów w stanie ciekłym; zaletami - dobre własności wytrzymałościowe i odporność na korozję. Brązy berylowe - stopy Cu-Be zawierające ok. 2% Be. Są one przeznaczone do obróbki plastycznej. Brązy berylowe mają bardzo korzystne własności. Oprócz wysokiej wytrzymałości, dorównującej ulepszanym cieplnie stalom, są odporne na zmęczenie, ścieranie, na działanie temp. do 250°C, mają również własności antykorozyjne. Przy tarciu i uderzaniu nie iskrzą, co zadecydowało o ich zastosowaniu na części maszyn w prochowniach i wytwórniach materiałów wybuchowych. Ich dobra przewodność elektryczna i odporność na ścieranie spowodowały, że stosuje się je na szczotki silników elektrycznych lub przewody trakcji elektrycznej. Znalazły również zastosowanie do wyrobu sprężyn, części pomp, narzędzi chirurgicznych. Brązy manganowe. Są to stopy miedzi zawierające 5÷6 lub 12÷15% Mn, nadające się do obróbki plastycznej. Niżej stopowe można przerabiać na zimno i tym samym umacniać je przez zgniot. Mają dość dobre własności wytrz..
ALUMINIUM I JEGO STOPY. Aluminium cechuje się dobrą plastycznością, ma temp. topnienia 660,4°C, temp. wrzenia 2060°C. Mała gęstość 2,7 g/cm3 kwalifikuje ten metal do grupy metali lekkich. Dzięki tej własności i stosunkowo bogatemu występowaniu w przyrodzie (ok. 7%) jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym i w transporcie. Aluminium charakteryzuje się dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym. Na powietrzu pokrywa się cienką warstwą Al2O3, która chroni je przed dalszym utlenianiem. Jest odporne na działanie wody, wielu kwasów, związków azotowych. Natomiast nie jest odporne na działanie wodorotlenków, kwasów beztlenowych, wody morskiej, jonów rtęci. Wytrzymałość czystego wyżarzonego aluminium jest niska Rm = 70÷120 MPa, Re = 20÷40 MPa, wydłużenie A10 = 30÷45%, przewężenie Z = 80÷95%. Twardość wynosi 15÷30 HB; może jednak być umacniane przez zgniot. Wytwarza się aluminium o różnych stopniach czystości. Najczystszy gatunek jest używany przy wytwarzaniu aparatury chemicznej i folii kondensatorowych, gorsze gatunki stosuje się na folie, powłoki kablowe i do platerowania, na przewody elektryczne, na wyroby codziennego użytku. Zanieczyszczenia - Fe, Si, Cu, Zn, Ti, obniżają plastyczność i przewodnictwo elektryczne, zwiększają twardość i wytrzymałość. Aluminium przerabia się plastycznie - walcuje (blachy, folie) lub wyciska (pręty, rury, drut, kształtowniki). Obróbkę plastyczną można przeprowadzać na zimno lub na gorąco (ok. 450°C). Aluminium ma duże powinowactwo do tlenu, stąd jego zastosowanie w aluminotermii oraz do odtleniania stali. Oprócz tego jest szeroko stosowane w przemyśle spożywczym oraz do aluminiowania dyfuzyjnego stali. Stopy aluminium. Stopy aluminium mają większą wytrzymałość od czystego aluminium, cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, a oprócz tego ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki czemu w niskich temperaturach mają większą udarność niż stal. Stopy aluminium dzielimy na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Niektóre nadają się zarówno do odlewania, jak i przeróbki plastycznej. Do odlewniczych zaliczamy stopy przeważnie wieloskładnikowe o większej zawartości pierwiastków stopowych (5÷25%), np. z krzemem (AK11 - silumin); z krzemem i magnezem (AK7), z krzemem, miedzią, niklem, magnezem i manganem (AK20). Cechują się one dobrą lejnością i małym skurczem. Stopy do przeróbki plastycznej zawierają na ogół mniejsze ilości dodatków stopowych, głównie miedź (do ok. 5%), magnez (do ok. 6%) i mangan (do ok. 1,5%), rzadziej krzem, cynk, nikiel, chrom, tytan. Niektóre stopy aluminium można poddawać utwardzaniu wydzieleniowemu, po którym ich własności wytrzymałościowe nie są gorsze niż wielu stali. Stopy odlewnicze - odlewane w formach piaskowych kokilach lub jako odlewy ciśnieniowe. Odlewa się zwykle elementy o złożonych kształtach. Mają one jednak własności mechaniczne gorsze niż po przeróbce plastycznej. Siluminy - stopy aluminium z krzemem np. AlSi11 - AK11. Siluminy eutektyczne - mają bardzo dobre własności odlewnicze, dobrą lejność, mały skurcz, brak skłonności do pękania na gorąco. Ich wadą jest powstawanie, zwłaszcza po niezbyt szybkim chłodzeniu, gruboziarnistej struktury z pierwotnymi kryształami krzemu, co prowadzi do znacznego obniżenia własności mechanicznych stopu. Można temu zapobiec przez modyfikację, która polega na wprowadzeniu do ciekłego stopu dodatków zwanych modyfikatorami, lub przez przyspieszone chłodzenie. Siluminy podeutektyczne i eutektyczne modyfikuje się sodem, ogólna ilość modyfikatora nie przekracza 0,1%. Dzięki temu stopy, które normalnie są nadeutektyczne, krzepną jako podeutektyczne z dendrytycznymi α (ubogiego w Si) na tle drobnoziarnistej eutektyki. Siluminy nadeutektyczne modyfikowane są za pomocą fosforu, tworzy on związek AlP, powodujący rozdrobnienie wydzieleń. Siluminy mogą zawierać dodatki pierwiastków stopowych, jak miedź, magnez oraz mangan, które zwiększają ich wytrzymałość. Stopy odlewnicze z miedzią i magnezem. Ich struktura składa się z eutektyki ω-CuAl2 rozłożonej na granicach dendrytów roztworu stałego ω. Stopy te mają dobrą lejność, ale niską wytrzymałość. Można ją podwyższyć przez odlewanie do kokili lub przez obróbkę cieplną, pociąga to za sobą jednak zmniejszenie własności plastycznych. Stopy Al - Mg (np. AlMg10) mają dobre własności wytrzymałościowe i plastyczne (Rm=280 MPa, A5 = 8%), ale gorszą lejność, odporne na działanie wody morskiej. Wykonuje się z nich odlewy ciśnieniowe i nadają się do obróbki cieplnej. Stopy Al-Si-Mg (np. AlSi7Mg - AK7) mają bardzo dobrą lejność Stopy do obróbki plastycznej. Są to stopy wieloskładnikowe zawierające Mg, Mn lub Cu, Mg, Mn. Stopy aluminium z miedzią i ich obróbka cieplna. Stopy aluminium z miedzią (do ok. 5% Cu) są typowymi stopami nadają się doskonale do obróbki cieplnej, zwanej utwardzaniem wydzieleniowym. Podstawą obróbki cieplnej tych stopów jest charakter linii solidus. W miarę obniżania temp. rozpuszczalność miedzi maleje i w temp. 200°C wynosi już tylko 0,1%. Jeśli stop, zawierający np. 4% Cu nagrzejemy do temp. wyższej od linii solidus (poniżej 548°C), to uzyskamy jednorodny roztwór stały ω. Szybkie chłodzenie takiego roztworu, zwane przesyceniem, nie zmienia jego struktury, lecz powoduje, że staje się on nietrwały, gdyż zawiera więcej rozpuszczonej Cu niż wynosi granica rozpuszczalności w temp. otoczenia. Stop dążąc do osiągnięcia stanu równowagi usiłuje wydzielić nadmiar rozpuszczonej Cu w postaci dyspersyjnych cząstek bogatych w miedź. Proces ten nazywamy starzeniem i przebiega on samorzutnie. Podgrzewanie przesyconego stopu przyspiesza wydzielanie drugiej fazy i jest nazywane starzeniem przyspieszonym. Połączenie operacji przesycenia i starzenia stanowi utwardzanie wydzieleniowe. Obróbka taka zastosowana do stopu AlCu4, który w stanie wyżarzonym ma Rm = ok.200 MPa, może dawać po starzeniu naturalnym dwukrotnie większą wartość. Potrzeba jednak na to 4÷5 dni. Inne stopy do obróbki plastycznej utwardzane wydzieleniowo. Oprócz stopów Al-Cu do obróbki plastycznej i utwardzania wydzieleniowego nadają się stopy Al-Mg, Al-Mn oraz stopy wieloskładnikowe, w których oprócz Mg i Mn znajduje się dodatek Cu, Si, Zn, Cr. Magnez wpływa korzystnie na odporność korozyjną i obniża ciężar właściwy stopu. Dlatego też stopy Al-Mg w postaci blach i kształtowników znalazły zastosowanie głównie w budowie samolotów. Interesujące własności ma stop, który oprócz 0,5% Mg zawiera jeszcze ok. 0,5% Si (PA38 - zwany aldrey). Cechuje się on dobrą przewodnością elektryczną i dobrą wytrzymałością, co zadecydowało o jego zastosowaniu na elektroenergetyczne linie napowietrzne. Jest on poddawany kombinowanej obróbce cieplno-plastycznej, najpierw przesycany od temp. 550÷560°C, następnie odkształcany (90% zgniotu) i wreszcie starzony samorzutnie lub sztucznie (105°C, ok.10 h). Tą drogą osiąga się dwukrotnie większą wytrzymałość stopu od aluminium, która pozwala na stosowanie tych przewodów bez wzmacniających drutów stalowych. Wadą stopów Al-Mg jest ich skłonność do rozrostu ziarna. Można jednak tę wadę usunąć, wprowadzając nieznaczny dodatek Mn. Stopy zawierające 2-5% Mg , 0,1-0,4% Mn zwane hydronalium (np.AlMn2), mają dobrą odporność na korozję - zwłaszcza na działanie wody morskiej. Stąd ich zastosowanie w przemyśle okrętowym, chemicznym i spożywczym. Hydronalium jest plastyczne, spawalne, odporne na zmęczenie i daje się łatwo polerować. Dodatkowy wzrost wytrzymałości można uzyskać przez zgniot. Dobrymi własnościami antykorozyjnymi cechuje się stop zwany anticorodalem - oprócz Mn i Mg zawiera ok. 1% Si, ma dobrą odporność na korozję jednak tylko w stanie przesyconym i po naturalnym starzeniu. Stop ten jest bardzo plastyczny i spawalny, może też być umacniany drogą obróbki cieplnej. Durale - stopy wieloskładnikowe - mają najlepsze własności wytrzymałościowe. Zawierają ok. - 4% Cu, 1% Mg, 1% Mn. Żelazo i krzem występują w nich jako domieszki i są ograniczone do 0,7%. W stopie tym powstają różne fazy międzymetaliczne, w stanie przesyconym składa się on z roztworu stałego, z wydzieleniami nierozpuszczalnych związków manganu i żelaza. Durale ulegają starzeniu w wyniku wydzielania się z przesyconego roztworu związków CuAl2 i Mg2Si, które są rozpuszczalne i w wyniku nagrzewania do temp. ok. 500°C przechodzą do roztworu. Obróbka cieplna tych stopów polega na przesycaniu i starzeniu. Stop o podobnym składzie do durali, w którym część miedzi jest zastąpiona dodatkiem ok. 1% Si, znany jako avial (PA10), jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym. Ze względu na małe zawartości miedzi (do 0,5%) jest mniej podatny na starzenie niż durale. W stanie wyżarzonym lub sztucznie starzonym łatwo koroduje. Stopy aluminium do pracy w podwyższonych temperaturach - zawierają takie pierwiastki jak: Cu, Mg, Ni, Ti, Fe, Cr, Zn. Są stosowane w stanie lanym lub po obróbce plastycznej (prasowanie, tłoczenie). Stosuje się je w przemyśle lotniczym i rakietowym na elementy silników spalinowych, jak tłoki i głowice. Stawia się im bardzo wysokie wymagania. Są nagrzewane nawet do temp. 350°C i muszą zachować odpowiednie własności w ciągu długiego czasu. Wzrost wytrzymałości uzyskuje się po obróbce plastycznej poprzez utwardzanie wydzieleniowe, które otrzymuje się poprzez spiekanie utlenionego proszku aluminium. Obróbka cieplno - plastyczna stopów aluminium - realizowana jest z wykorzystaniem przemian fazowych zachodzących podczas starzenia stopów. Najczęściej stosuje się niskotemperaturową obróbkę, polegającą na przesyceniu stopu, a następnie jego odkształceniu plastycznym przed starzeniem, przy czym odkształcenie przeprowadza się w temp. niższej od temp. rekrystalizacji. Odkształcenie wywołuje wzrost ilości defektów w sieci i przyspiesza starzenie. |
MIEDŹ I JEJ STOPY. Miedź - jest metalem krystalizującym w układzie A1. Nie ma odmian alotropowych. Temp. topnienia 1083°C, gęstość 8,9 g/cm3. Czysta miedź ma bardzo dobrą przewodność elektryczną, stąd jej główne zastosowanie w elektrotechnice i elektronice. Ze względu na b. dobrą przewodność cieplną wyrabia się z niej różnego rodzaju wymienniki ciepła. Jest bardzo plastyczna i można ją przerabiać na zimno. Zgniot, wszystkie domieszki z wyjątkiem tlenu w ilości do ok. 0,05% obniżają przewodność elektryczną miedzi. Miedź jest odporna na korozję atmosferyczną pod warunkiem, że atmosfera nie zawiera SO2. Własności wytrzymałościowe miedzi są niskie Rm = 200÷220 MPa i 30 HB. Można ją umocnić przez zgniot. Dodatek 0,5÷1% Cd do miedzi zwiększa jej wytrzymałość, nie obniżając prawie przewodności elektrycznej. Miedź taka zwana kadmową jest stosowana na przewody napowietrzne i trakcyjne. Ze względu na łatwą zgrzewalność z żelazem lub aluminium można wytwarzać z niej wyroby bimetaliczne, np. rury, druty. Stopy miedzi. Czysta miedź znalazła zastosowanie głównie w elektrotechnice, a jako tworzywo konstrukcyjne stosuje się przede wszystkim stopy miedzi, ze względu na ich wyższe właściwości wytrzymałościowe. Pierwiastki stopowe to głównie: cynk, cyna, aluminium, beryl, krzem, nikiel, mangan, ołów. Stopy miedzi z cynkiem nazywamy mosiądzami, natomiast z cyną lub innymi metalami - brązami. Stopy miedzi z niklem nazywa się miedzioniklami. Mosiądze. Układ Cu-Zn. Klasyfikacja mosiądzów. Biorąc pod uwagę strukturę mosiądze dzieli się na: jednofazowe α, dwufazowe (α + β) i rzadziej stosowane mosiądze jednofazowe β. Skład strukturalny mosiądzu ma bardzo duży wpływ na jego własności ze względu na znaczne różnice własności faz α i β. Roztwór α cechuje się dobrą plastycznością w temp. pokojowej, a gorszą w zakresie 300÷700°C i dlatego mosiądze o takiej strukturze są obrabiane plastycznie na zimno. Twardość i wytrzymałość mosiądzu α wzrastają ze zwiększeniem zawartości cynku. Faza β ma dużą wytrzymałość (Rm = 420 MPa), ale jest mniej plastyczna (A = 7%) niż roztwór stały α i jest trudno obrabialna plastycznie na zimno. Dlatego też mosiądze dwufazowe α + β obrabia się zwykle na gorąco. Dwufazowy skład mosiądzów wpływa na zwiększenie ich twardości i wytrzymałości kosztem obniżenia plastyczności. Oprócz mosiądzów do obróbki plastycznej stosuje się również mosiądze odlewnicze o większej zawartości cynku z dodatkiem ołowiu w celu polepszenia ich skrawalności. Mosiądze o niższych zawartościach cynku obrabia się plastycznie na zimno. Szczególnie plastyczny jest mosiądz CuZn30 nadający się do głębokiego tłoczenia. Można go odkształcać na zimno do 75%. Przy większym odkształceniu należy stosować między operacyjne wyżarzenie rekrystalizujące w temp. od 500÷580°C. Mosiądze można znacznie umocnić przez zgniot. W zależności od stopnia rekrystalizacji można też uzyskać dość znaczne zróżnicowanie własności mechanicznych mosiądzów. Własności mosiądzu CuZn37: sprężysty, ma prawie dwa razy większą wytrzymałość od wyżarzonego i 9 razy mniejsze wydłużenie. Mosiądze przeznaczone do głębokiego tłoczenia powinny mieć drobnoziarnista strukturę, aby zapewnić równomierne odkształcenie. Mosiądze o większej zawartości cynku (ok. 36%) są obrabiane plastycznie na zimno lub gorąco; jeśli jednak mosiądz jest dwufazowy (>37% Zn) stosuje się zwykle obróbkę plastyczną na gorąco. Mosiądze przerabia się drogą wyciskania wypływowego, walcowania, ciągnienia. Do odlewania stosuje się mosiądze (α + β), są one rzadkopłynne i mają skupioną jamę usadową. Struktura mosiądzów. W stanie lanym w mosiądzach występuje wyraźna struktura dendrytyczna. Rdzenie dendrytów bogatsze w miedź są ciemniejsze. W wyniku wyżarzenia ujednorodniającego, które przeprowadza się zwykle w temp. 800÷850°C, może nastąpić pewne wyrównanie składu chemicznego. Jednak zasadniczą zmianę struktury osiąga się dopiero po obróbce plastycznej i rekrystalizacji. W pewnym stopniu na strukturę mosiądzu można wpływać drogą obróbki cieplnej (przesycania). Przez szybkie ochładzanie można utrwalić strukturę istniejącą w wysokiej temp.. Np. przesycanie mosiądzu CuZn37 od temp. ok. 850°C daje fazę β, od ok. 450°C fazę α, a od temp. 450÷850°C - fazy (α + β), przy czym ze wzrostem temp. ilość fazy β będzie się zwiększać. Natomiast wyżarzenie mosiądzu i powolne studzenie prowadzi do powstania struktury równowagowej, zgodnie z układem Cu-Zn. Własności antykorozyjne mosiądzu. Mosiądze mają dobrą odporność na korozje atmosferyczną. Lepszą odporność mają mosiądze jednofazowe α, gdyż w mosiądzach dwufazowych faza β ulega łatwiej korozji jako bardziej elektroujemna. Mosiądze łatwo ulegają korozji naprężeniowej, objawiającej się tzw. sezonowym pękaniem. Elementy mosiężne, pozostające pod wpływem naprężeń, w obecności nawet małych ilości par amoniaku są skłonne do pękania międzykrystalicznego podczas magazynowania lub w czasie pracy. Wyżarzenie odprężające przez 4 h w temp. 250°C usuwa naprężenia i uodpornia mosiądz na pękanie sezonowe. Mosiądze stopowe. Dodatki stopowe są wprowadzane zarówno do mosiądzów przeznaczonych do obróbki plastycznej, jak i odlewniczych w celu nadania im odpowiednich własności. Np. dodatek aluminium (do 1%) bardzo zwiększa wytrzymałość stopu, lecz obniża jego plastyczność i zmniejsza straty cynku podczas topienia. Ołów polepsza skrawalność; większa jego zawartość pogarsza własności mechaniczne stopu. Żelazo (do 2%) rozdrabnia strukturę i umożliwia utwardzanie wydzieleniowe stopu, a mangan, który jest stosowany łącznie z innymi pierwiastkami poprawia własności mechaniczne mosiądzu. Nikiel (do 1%) zwiększa ciągliwość stopu (wydłużenie, udarność) oraz wytrzymałość w podwyższonych temp.. Cyna polepsza własności stopu pod warunkiem że jest rozpuszczona. W postaci związków zmniejsza znacznie plastyczność mosiądzu. Krzem poprawia lejność. Mosiądze stopowe z dodatkiem cyny znalazły zastosowanie w galanterii pod nazwą złota mannheimskiego (służą do wyrobu sztucznej biżuterii). Mosiądze wysokoniklowe, zwane nowymi srebrami (ze względu na ich srebrzyste zabarwienie), zawierają 9÷19% Ni i 19÷28% Zn. Mają budowę jednofazową α, a w związku z tym bardzo dobrą odporność na korozję oraz dobrą plastyczność. Mogą być umacniane przez zgniot. Są stosowane w przemyśle galanteryjnym do wyrobu nakryć stołowych, okuć i części aparatów. Brązy. Brązy cynowe. Cyna w zasadniczy sposób wpływa na własności brązu, jej zawartość w brązach nie przekracza na ogół 20%. Dodatek do ok. 8% Sn powoduje wzrost wytrzymałości i plastyczności. Spadek wytrzymałości następuje przy zawartości powyżej 25% Sn. Struktura brązów cynowych wynika z układu równowagi Cu-Sn. Klasyfikacja brązów cynowych. Brązy dzielimy w zależności od ich przeznaczenia na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Stopy odlewnicze są stosowane częściej i mają większe zastosowanie. Cechują się wyjątkowo małym skurczem, nie występuje w nich jama usadowa, co powoduje, że odlewy z brązu są mało zwarte. Zawartość cyny w brązach odlewniczych wynosi zwykle ok. 10%, mogą również zawierać dodatek fosforu, cynku i ołowiu. Fosfor odtlenia stop, powoduje jego utwardzenie, ale obniża plastyczność, co sprawia że brązy cynowo-fosforowe są stosowane na odlewy, od których wymaga się odporności na ścieranie np. panewki, koła ślimakowe, sprężyny, sita. Cynk występuje w niektórych brązach odlewniczych zwykle w ilości 2÷4%. Cynk rozpuszcza się w miedzi nie wpływając na strukturę brązu. Ołów w ilości 3÷6% występuje w postaci oddzielnej fazy polepszając skrawalność brązu. Do obróbki plastycznej stosuje się brązy o niższej zawartości cyny 4÷6%. Po odlaniu mają one strukturę złożoną z dendrytów i eutektoidu. Przed obróbką plastyczną brązy takie należy poddać wyżarzaniu ujednorodniającemu w temp. 720÷750°C przez kilka godzin, w wyniku czego uzyskują jednorodną strukturę α podatną do obróbki plastycznej. Brązy o niższej zawartości cyny można obrabiać na zimno, o wyższej zawartości na gorąco. Z brązów cynowych wytwarza się drut, blachy, rury, taśmy, pręty, kształtowniki, sprężyny. Brązy cynowe cechują się dobrą odpornością na korozję i dobrymi własnościami mechanicznymi. Ich główne zastosowanie to panewki, łożyska ślizgowe, ślimaki, ślimacznice, siatki i sprężyny, armatura kotłów parowych: przemysł chemiczny, okrętowy i papierniczy. Brązy aluminiowe - stopy miedzi z aluminium. Zawartość aluminium w tych stopach wynosi 5÷11%. Brązy aluminiowe cechują się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi. Aluminium bowiem podwyższa twardość i wytrzymałość miedzi: przy zawartości 10% Al zwiększają się ponad dwukrotnie. Wydłużenie wzrasta do ok. 6%, poczym maleje, ale zachowuje wysoką wartość 20÷40%. Po obróbce cieplnej twardość stopu CuAl10 może osiągnąć 160÷180 HB. Brązy aluminiowe stosuje się w stanie lanym lub obrobionym plastycznie. Stopy odlewnicze cechuje rzadkopłynność, mała segregacja dendrytyczna i skupiona jama usadowa. Mają jednak duży skurcz (2%). Podczas topienia należy je chronić przed utlenieniem, gdyż wtrącenia Al2O3 zwiększają gęstopłynność i obniżają wytrzymałość stopu. Dodatek Al zapewnia im dobrą odporność na korozję. Stopy odlewnicze stosuje się na łożyska, elementy napędu, armaturę parową i chemiczną oraz części maszyn narażone na korozję, obciążenie, ścieranie. Brązy do obróbki plastycznej zawierają zwykle mniej aluminium: przy większej zawartości wprowadza się dodatki Fe, Mn, Ni, w ilości 2÷4%. Brązy te przerabia się tylko na gorąco w temp. ok. 870°C. Wytwarza się z nich pręty, rury, taśmy, kształtowniki, które znajdują zastosowanie w przemyśle chemicznym, papierniczym, okrętowym. Brązy ołowiowe. Na ogół ołów występuje w brązach łącznie z takimi składnikami jak: Sn, Zn, Ni, Mn. Znany jest tylko jeden brąz ołowiowy dwuskładnikowy CuPb30. Jest on stosunkowo miękki. Brązy ołowiowe wykazują skłonność do segregacji grawitacyjnej: lżejsze kryształy miedzi wypływają ku górze, cięższe (zawierające więcej Pb) opadają na dno. Aby przeciwdziałać temu zjawisku należy stosować przyspieszone studzenie stopu, a więc odlewanie do kokili chłodzonych wodą. Segregacji grawitacyjnej zapobiega również dodatek 1÷2% Ni lub Mn, które tworzą szkielet ze związków międzymetalicznych, zapobiegając tym samym opadaniu kryształów zawierających ołów. Główne zastosowanie brązów ołowiowych zawierających Pb to panewki łożysk pracujących przy małych naciskach i dużych prędkościach. Brązy krzemowe. Krzem rozpuszcza się w miedzi do 5,3% w temp. perytektycznej 853°C, po czym jego rozpuszczalność maleje do 4,6% w temp. 555°C, przy której zachodzi przemiana eutektoidalna. Zwiększenie zawartości Si powoduje wzrost twardości i wytrzymałości, a pogarsza plastyczność. Brązy krzemowe stosuje się zawsze z dodatkiem innych metali, jak Mn, Fe, Zn, Ni, Co, Cr. Mangan i cynk zwężają zakres roztworu stałego. Mangan poprawia wytrzymałość i odporność na korozję, a cynk - lejność. Żelazo wprowadza się tylko do stopów odlewniczych. Nikiel zwiększa wytrzymałość i odporność na korozję. Do stopów odlewniczych zaliczamy brąz krzemowo - żelazowy oraz krzemowo - cynkowo - manganowy. Brązy stosowane do obróbki plastycznej zwierają mniej dodatków stopowych, mają dość dobre własności mechaniczne. Obróbka cieplna brązów krzemowych polega na wyżarzaniu ujednorodniającym i odprężającym. Brązy do obróbki plastycznej poddaje się wyżarzaniu rekrystalizującemu. Niektóre nadają się do utwardzania wydzieleniowego. Wadami brązów krzemowych są: duży skurcz, skłonność do segregacji dendrytycznej i grawitacyjnej oraz absorbcja gazów w stanie ciekłym; zaletami - dobre własności wytrzymałościowe i odporność na korozję. Brązy berylowe - stopy Cu-Be zawierające ok. 2% Be. Są one przeznaczone do obróbki plastycznej. Brązy berylowe mają bardzo korzystne własności. Oprócz wysokiej wytrzymałości, dorównującej ulepszanym cieplnie stalom, są odporne na zmęczenie, ścieranie, na działanie temp. do 250°C, mają również własności antykorozyjne. Przy tarciu i uderzaniu nie iskrzą, co zadecydowało o ich zastosowaniu na części maszyn w prochowniach i wytwórniach materiałów wybuchowych. Ich dobra przewodność elektryczna i odporność na ścieranie spowodowały, że stosuje się je na szczotki silników elektrycznych lub przewody trakcji elektrycznej. Znalazły również zastosowanie do wyrobu sprężyn, części pomp, narzędzi chirurgicznych. Brązy manganowe. Są to stopy miedzi zawierające 5÷6 lub 12÷15% Mn, nadające się do obróbki plastycznej. Niżej stopowe można przerabiać na zimno i tym samym umacniać je przez zgniot. Mają dość dobre własności wytrz..
ALUMINIUM I JEGO STOPY. Aluminium cechuje się dobrą plastycznością, ma temp. topnienia 660,4°C, temp. wrzenia 2060°C. Mała gęstość 2,7 g/cm3 kwalifikuje ten metal do grupy metali lekkich. Dzięki tej własności i stosunkowo bogatemu występowaniu w przyrodzie (ok. 7%) jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym i w transporcie. Aluminium charakteryzuje się dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym. Na powietrzu pokrywa się cienką warstwą Al2O3, która chroni je przed dalszym utlenianiem. Jest odporne na działanie wody, wielu kwasów, związków azotowych. Natomiast nie jest odporne na działanie wodorotlenków, kwasów beztlenowych, wody morskiej, jonów rtęci. Wytrzymałość czystego wyżarzonego aluminium jest niska Rm = 70÷120 MPa, Re = 20÷40 MPa, wydłużenie A10 = 30÷45%, przewężenie Z = 80÷95%. Twardość wynosi 15÷30 HB; może jednak być umacniane przez zgniot. Wytwarza się aluminium o różnych stopniach czystości. Najczystszy gatunek jest używany przy wytwarzaniu aparatury chemicznej i folii kondensatorowych, gorsze gatunki stosuje się na folie, powłoki kablowe i do platerowania, na przewody elektryczne, na wyroby codziennego użytku. Zanieczyszczenia - Fe, Si, Cu, Zn, Ti, obniżają plastyczność i przewodnictwo elektryczne, zwiększają twardość i wytrzymałość. Aluminium przerabia się plastycznie - walcuje (blachy, folie) lub wyciska (pręty, rury, drut, kształtowniki). Obróbkę plastyczną można przeprowadzać na zimno lub na gorąco (ok. 450°C). Aluminium ma duże powinowactwo do tlenu, stąd jego zastosowanie w aluminotermii oraz do odtleniania stali. Oprócz tego jest szeroko stosowane w przemyśle spożywczym oraz do aluminiowania dyfuzyjnego stali. Stopy aluminium. Stopy aluminium mają większą wytrzymałość od czystego aluminium, cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, a oprócz tego ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki czemu w niskich temperaturach mają większą udarność niż stal. Stopy aluminium dzielimy na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Niektóre nadają się zarówno do odlewania, jak i przeróbki plastycznej. Do odlewniczych zaliczamy stopy przeważnie wieloskładnikowe o większej zawartości pierwiastków stopowych (5÷25%), np. z krzemem (AK11 - silumin); z krzemem i magnezem (AK7), z krzemem, miedzią, niklem, magnezem i manganem (AK20). Cechują się one dobrą lejnością i małym skurczem. Stopy do przeróbki plastycznej zawierają na ogół mniejsze ilości dodatków stopowych, głównie miedź (do ok. 5%), magnez (do ok. 6%) i mangan (do ok. 1,5%), rzadziej krzem, cynk, nikiel, chrom, tytan. Niektóre stopy aluminium można poddawać utwardzaniu wydzieleniowemu, po którym ich własności wytrzymałościowe nie są gorsze niż wielu stali. Stopy odlewnicze - odlewane w formach piaskowych kokilach lub jako odlewy ciśnieniowe. Odlewa się zwykle elementy o złożonych kształtach. Mają one jednak własności mechaniczne gorsze niż po przeróbce plastycznej. Siluminy - stopy aluminium z krzemem np. AlSi11 - AK11. Siluminy eutektyczne - mają bardzo dobre własności odlewnicze, dobrą lejność, mały skurcz, brak skłonności do pękania na gorąco. Ich wadą jest powstawanie, zwłaszcza po niezbyt szybkim chłodzeniu, gruboziarnistej struktury z pierwotnymi kryształami krzemu, co prowadzi do znacznego obniżenia własności mechanicznych stopu. Można temu zapobiec przez modyfikację, która polega na wprowadzeniu do ciekłego stopu dodatków zwanych modyfikatorami, lub przez przyspieszone chłodzenie. Siluminy podeutektyczne i eutektyczne modyfikuje się sodem, ogólna ilość modyfikatora nie przekracza 0,1%. Dzięki temu stopy, które normalnie są nadeutektyczne, krzepną jako podeutektyczne z dendrytycznymi α (ubogiego w Si) na tle drobnoziarnistej eutektyki. Siluminy nadeutektyczne modyfikowane są za pomocą fosforu, tworzy on związek AlP, powodujący rozdrobnienie wydzieleń. Siluminy mogą zawierać dodatki pierwiastków stopowych, jak miedź, magnez oraz mangan, które zwiększają ich wytrzymałość. Stopy odlewnicze z miedzią i magnezem. Ich struktura składa się z eutektyki ω-CuAl2 rozłożonej na granicach dendrytów roztworu stałego ω. Stopy te mają dobrą lejność, ale niską wytrzymałość. Można ją podwyższyć przez odlewanie do kokili lub przez obróbkę cieplną, pociąga to za sobą jednak zmniejszenie własności plastycznych. Stopy Al - Mg (np. AlMg10) mają dobre własności wytrzymałościowe i plastyczne (Rm=280 MPa, A5 = 8%), ale gorszą lejność, odporne na działanie wody morskiej. Wykonuje się z nich odlewy ciśnieniowe i nadają się do obróbki cieplnej. Stopy Al-Si-Mg (np. AlSi7Mg - AK7) mają bardzo dobrą lejność Stopy do obróbki plastycznej. Są to stopy wieloskładnikowe zawierające Mg, Mn lub Cu, Mg, Mn. Stopy aluminium z miedzią i ich obróbka cieplna. Stopy aluminium z miedzią (do ok. 5% Cu) są typowymi stopami nadają się doskonale do obróbki cieplnej, zwanej utwardzaniem wydzieleniowym. Podstawą obróbki cieplnej tych stopów jest charakter linii solidus. W miarę obniżania temp. rozpuszczalność miedzi maleje i w temp. 200°C wynosi już tylko 0,1%. Jeśli stop, zawierający np. 4% Cu nagrzejemy do temp. wyższej od linii solidus (poniżej 548°C), to uzyskamy jednorodny roztwór stały ω. Szybkie chłodzenie takiego roztworu, zwane przesyceniem, nie zmienia jego struktury, lecz powoduje, że staje się on nietrwały, gdyż zawiera więcej rozpuszczonej Cu niż wynosi granica rozpuszczalności w temp. otoczenia. Stop dążąc do osiągnięcia stanu równowagi usiłuje wydzielić nadmiar rozpuszczonej Cu w postaci dyspersyjnych cząstek bogatych w miedź. Proces ten nazywamy starzeniem i przebiega on samorzutnie. Podgrzewanie przesyconego stopu przyspiesza wydzielanie drugiej fazy i jest nazywane starzeniem przyspieszonym. Połączenie operacji przesycenia i starzenia stanowi utwardzanie wydzieleniowe. Obróbka taka zastosowana do stopu AlCu4, który w stanie wyżarzonym ma Rm = ok.200 MPa, może dawać po starzeniu naturalnym dwukrotnie większą wartość. Potrzeba jednak na to 4÷5 dni. Inne stopy do obróbki plastycznej utwardzane wydzieleniowo. Oprócz stopów Al-Cu do obróbki plastycznej i utwardzania wydzieleniowego nadają się stopy Al-Mg, Al-Mn oraz stopy wieloskładnikowe, w których oprócz Mg i Mn znajduje się dodatek Cu, Si, Zn, Cr. Magnez wpływa korzystnie na odporność korozyjną i obniża ciężar właściwy stopu. Dlatego też stopy Al-Mg w postaci blach i kształtowników znalazły zastosowanie głównie w budowie samolotów. Interesujące własności ma stop, który oprócz 0,5% Mg zawiera jeszcze ok. 0,5% Si (PA38 - zwany aldrey). Cechuje się on dobrą przewodnością elektryczną i dobrą wytrzymałością, co zadecydowało o jego zastosowaniu na elektroenergetyczne linie napowietrzne. Jest on poddawany kombinowanej obróbce cieplno-plastycznej, najpierw przesycany od temp. 550÷560°C, następnie odkształcany (90% zgniotu) i wreszcie starzony samorzutnie lub sztucznie (105°C, ok.10 h). Tą drogą osiąga się dwukrotnie większą wytrzymałość stopu od aluminium, która pozwala na stosowanie tych przewodów bez wzmacniających drutów stalowych. Wadą stopów Al-Mg jest ich skłonność do rozrostu ziarna. Można jednak tę wadę usunąć, wprowadzając nieznaczny dodatek Mn. Stopy zawierające 2-5% Mg , 0,1-0,4% Mn zwane hydronalium (np.AlMn2), mają dobrą odporność na korozję - zwłaszcza na działanie wody morskiej. Stąd ich zastosowanie w przemyśle okrętowym, chemicznym i spożywczym. Hydronalium jest plastyczne, spawalne, odporne na zmęczenie i daje się łatwo polerować. Dodatkowy wzrost wytrzymałości można uzyskać przez zgniot. Dobrymi własnościami antykorozyjnymi cechuje się stop zwany anticorodalem - oprócz Mn i Mg zawiera ok. 1% Si, ma dobrą odporność na korozję jednak tylko w stanie przesyconym i po naturalnym starzeniu. Stop ten jest bardzo plastyczny i spawalny, może też być umacniany drogą obróbki cieplnej. Durale - stopy wieloskładnikowe - mają najlepsze własności wytrzymałościowe. Zawierają ok. - 4% Cu, 1% Mg, 1% Mn. Żelazo i krzem występują w nich jako domieszki i są ograniczone do 0,7%. W stopie tym powstają różne fazy międzymetaliczne, w stanie przesyconym składa się on z roztworu stałego, z wydzieleniami nierozpuszczalnych związków manganu i żelaza. Durale ulegają starzeniu w wyniku wydzielania się z przesyconego roztworu związków CuAl2 i Mg2Si, które są rozpuszczalne i w wyniku nagrzewania do temp. ok. 500°C przechodzą do roztworu. Obróbka cieplna tych stopów polega na przesycaniu i starzeniu. Stop o podobnym składzie do durali, w którym część miedzi jest zastąpiona dodatkiem ok. 1% Si, znany jako avial (PA10), jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym. Ze względu na małe zawartości miedzi (do 0,5%) jest mniej podatny na starzenie niż durale. W stanie wyżarzonym lub sztucznie starzonym łatwo koroduje. Stopy aluminium do pracy w podwyższonych temperaturach - zawierają takie pierwiastki jak: Cu, Mg, Ni, Ti, Fe, Cr, Zn. Są stosowane w stanie lanym lub po obróbce plastycznej (prasowanie, tłoczenie). Stosuje się je w przemyśle lotniczym i rakietowym na elementy silników spalinowych, jak tłoki i głowice. Stawia się im bardzo wysokie wymagania. Są nagrzewane nawet do temp. 350°C i muszą zachować odpowiednie własności w ciągu długiego czasu. Wzrost wytrzymałości uzyskuje się po obróbce plastycznej poprzez utwardzanie wydzieleniowe, które otrzymuje się poprzez spiekanie utlenionego proszku aluminium. Obróbka cieplno - plastyczna stopów aluminium - realizowana jest z wykorzystaniem przemian fazowych zachodzących podczas starzenia stopów. Najczęściej stosuje się niskotemperaturową obróbkę, polegającą na przesyceniu stopu, a następnie jego odkształceniu plastycznym przed starzeniem, przy czym odkształcenie przeprowadza się w temp. niższej od temp. rekrystalizacji. Odkształcenie wywołuje wzrost ilości defektów w sieci i przyspiesza starzenie. |
MIEDŹ I JEJ STOPY. Miedź - jest metalem krystalizującym w układzie A1. Nie ma odmian alotropowych. Temp. topnienia 1083°C, gęstość 8,9 g/cm3. Czysta miedź ma bardzo dobrą przewodność elektryczną, stąd jej główne zastosowanie w elektrotechnice i elektronice. Ze względu na b. dobrą przewodność cieplną wyrabia się z niej różnego rodzaju wymienniki ciepła. Jest bardzo plastyczna i można ją przerabiać na zimno. Zgniot, wszystkie domieszki z wyjątkiem tlenu w ilości do ok. 0,05% obniżają przewodność elektryczną miedzi. Miedź jest odporna na korozję atmosferyczną pod warunkiem, że atmosfera nie zawiera SO2. Własności wytrzymałościowe miedzi są niskie Rm = 200÷220 MPa i 30 HB. Można ją umocnić przez zgniot. Dodatek 0,5÷1% Cd do miedzi zwiększa jej wytrzymałość, nie obniżając prawie przewodności elektrycznej. Miedź taka zwana kadmową jest stosowana na przewody napowietrzne i trakcyjne. Ze względu na łatwą zgrzewalność z żelazem lub aluminium można wytwarzać z niej wyroby bimetaliczne, np. rury, druty. Stopy miedzi. Czysta miedź znalazła zastosowanie głównie w elektrotechnice, a jako tworzywo konstrukcyjne stosuje się przede wszystkim stopy miedzi, ze względu na ich wyższe właściwości wytrzymałościowe. Pierwiastki stopowe to głównie: cynk, cyna, aluminium, beryl, krzem, nikiel, mangan, ołów. Stopy miedzi z cynkiem nazywamy mosiądzami, natomiast z cyną lub innymi metalami - brązami. Stopy miedzi z niklem nazywa się miedzioniklami. Mosiądze. Układ Cu-Zn. Klasyfikacja mosiądzów. Biorąc pod uwagę strukturę mosiądze dzieli się na: jednofazowe α, dwufazowe (α + β) i rzadziej stosowane mosiądze jednofazowe β. Skład strukturalny mosiądzu ma bardzo duży wpływ na jego własności ze względu na znaczne różnice własności faz α i β. Roztwór α cechuje się dobrą plastycznością w temp. pokojowej, a gorszą w zakresie 300÷700°C i dlatego mosiądze o takiej strukturze są obrabiane plastycznie na zimno. Twardość i wytrzymałość mosiądzu α wzrastają ze zwiększeniem zawartości cynku. Faza β ma dużą wytrzymałość (Rm = 420 MPa), ale jest mniej plastyczna (A = 7%) niż roztwór stały α i jest trudno obrabialna plastycznie na zimno. Dlatego też mosiądze dwufazowe α + β obrabia się zwykle na gorąco. Dwufazowy skład mosiądzów wpływa na zwiększenie ich twardości i wytrzymałości kosztem obniżenia plastyczności. Oprócz mosiądzów do obróbki plastycznej stosuje się również mosiądze odlewnicze o większej zawartości cynku z dodatkiem ołowiu w celu polepszenia ich skrawalności. Mosiądze o niższych zawartościach cynku obrabia się plastycznie na zimno. Szczególnie plastyczny jest mosiądz CuZn30 nadający się do głębokiego tłoczenia. Można go odkształcać na zimno do 75%. Przy większym odkształceniu należy stosować między operacyjne wyżarzenie rekrystalizujące w temp. od 500÷580°C. Mosiądze można znacznie umocnić przez zgniot. W zależności od stopnia rekrystalizacji można też uzyskać dość znaczne zróżnicowanie własności mechanicznych mosiądzów. Własności mosiądzu CuZn37: sprężysty, ma prawie dwa razy większą wytrzymałość od wyżarzonego i 9 razy mniejsze wydłużenie. Mosiądze przeznaczone do głębokiego tłoczenia powinny mieć drobnoziarnista strukturę, aby zapewnić równomierne odkształcenie. Mosiądze o większej zawartości cynku (ok. 36%) są obrabiane plastycznie na zimno lub gorąco; jeśli jednak mosiądz jest dwufazowy (>37% Zn) stosuje się zwykle obróbkę plastyczną na gorąco. Mosiądze przerabia się drogą wyciskania wypływowego, walcowania, ciągnienia. Do odlewania stosuje się mosiądze (α + β), są one rzadkopłynne i mają skupioną jamę usadową. Struktura mosiądzów. W stanie lanym w mosiądzach występuje wyraźna struktura dendrytyczna. Rdzenie dendrytów bogatsze w miedź są ciemniejsze. W wyniku wyżarzenia ujednorodniającego, które przeprowadza się zwykle w temp. 800÷850°C, może nastąpić pewne wyrównanie składu chemicznego. Jednak zasadniczą zmianę struktury osiąga się dopiero po obróbce plastycznej i rekrystalizacji. W pewnym stopniu na strukturę mosiądzu można wpływać drogą obróbki cieplnej (przesycania). Przez szybkie ochładzanie można utrwalić strukturę istniejącą w wysokiej temp.. Np. przesycanie mosiądzu CuZn37 od temp. ok. 850°C daje fazę β, od ok. 450°C fazę α, a od temp. 450÷850°C - fazy (α + β), przy czym ze wzrostem temp. ilość fazy β będzie się zwiększać. Natomiast wyżarzenie mosiądzu i powolne studzenie prowadzi do powstania struktury równowagowej, zgodnie z układem Cu-Zn. Własności antykorozyjne mosiądzu. Mosiądze mają dobrą odporność na korozje atmosferyczną. Lepszą odporność mają mosiądze jednofazowe α, gdyż w mosiądzach dwufazowych faza β ulega łatwiej korozji jako bardziej elektroujemna. Mosiądze łatwo ulegają korozji naprężeniowej, objawiającej się tzw. sezonowym pękaniem. Elementy mosiężne, pozostające pod wpływem naprężeń, w obecności nawet małych ilości par amoniaku są skłonne do pękania międzykrystalicznego podczas magazynowania lub w czasie pracy. Wyżarzenie odprężające przez 4 h w temp. 250°C usuwa naprężenia i uodpornia mosiądz na pękanie sezonowe. Mosiądze stopowe. Dodatki stopowe są wprowadzane zarówno do mosiądzów przeznaczonych do obróbki plastycznej, jak i odlewniczych w celu nadania im odpowiednich własności. Np. dodatek aluminium (do 1%) bardzo zwiększa wytrzymałość stopu, lecz obniża jego plastyczność i zmniejsza straty cynku podczas topienia. Ołów polepsza skrawalność; większa jego zawartość pogarsza własności mechaniczne stopu. Żelazo (do 2%) rozdrabnia strukturę i umożliwia utwardzanie wydzieleniowe stopu, a mangan, który jest stosowany łącznie z innymi pierwiastkami poprawia własności mechaniczne mosiądzu. Nikiel (do 1%) zwiększa ciągliwość stopu (wydłużenie, udarność) oraz wytrzymałość w podwyższonych temp.. Cyna polepsza własności stopu pod warunkiem że jest rozpuszczona. W postaci związków zmniejsza znacznie plastyczność mosiądzu. Krzem poprawia lejność. Mosiądze stopowe z dodatkiem cyny znalazły zastosowanie w galanterii pod nazwą złota mannheimskiego (służą do wyrobu sztucznej biżuterii). Mosiądze wysokoniklowe, zwane nowymi srebrami (ze względu na ich srebrzyste zabarwienie), zawierają 9÷19% Ni i 19÷28% Zn. Mają budowę jednofazową α, a w związku z tym bardzo dobrą odporność na korozję oraz dobrą plastyczność. Mogą być umacniane przez zgniot. Są stosowane w przemyśle galanteryjnym do wyrobu nakryć stołowych, okuć i części aparatów. Brązy. Brązy cynowe. Cyna w zasadniczy sposób wpływa na własności brązu, jej zawartość w brązach nie przekracza na ogół 20%. Dodatek do ok. 8% Sn powoduje wzrost wytrzymałości i plastyczności. Spadek wytrzymałości następuje przy zawartości powyżej 25% Sn. Struktura brązów cynowych wynika z układu równowagi Cu-Sn. Klasyfikacja brązów cynowych. Brązy dzielimy w zależności od ich przeznaczenia na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Stopy odlewnicze są stosowane częściej i mają większe zastosowanie. Cechują się wyjątkowo małym skurczem, nie występuje w nich jama usadowa, co powoduje, że odlewy z brązu są mało zwarte. Zawartość cyny w brązach odlewniczych wynosi zwykle ok. 10%, mogą również zawierać dodatek fosforu, cynku i ołowiu. Fosfor odtlenia stop, powoduje jego utwardzenie, ale obniża plastyczność, co sprawia że brązy cynowo-fosforowe są stosowane na odlewy, od których wymaga się odporności na ścieranie np. panewki, koła ślimakowe, sprężyny, sita. Cynk występuje w niektórych brązach odlewniczych zwykle w ilości 2÷4%. Cynk rozpuszcza się w miedzi nie wpływając na strukturę brązu. Ołów w ilości 3÷6% występuje w postaci oddzielnej fazy polepszając skrawalność brązu. Do obróbki plastycznej stosuje się brązy o niższej zawartości cyny 4÷6%. Po odlaniu mają one strukturę złożoną z dendrytów i eutektoidu. Przed obróbką plastyczną brązy takie należy poddać wyżarzaniu ujednorodniającemu w temp. 720÷750°C przez kilka godzin, w wyniku czego uzyskują jednorodną strukturę α podatną do obróbki plastycznej. Brązy o niższej zawartości cyny można obrabiać na zimno, o wyższej zawartości na gorąco. Z brązów cynowych wytwarza się drut, blachy, rury, taśmy, pręty, kształtowniki, sprężyny. Brązy cynowe cechują się dobrą odpornością na korozję i dobrymi własnościami mechanicznymi. Ich główne zastosowanie to panewki, łożyska ślizgowe, ślimaki, ślimacznice, siatki i sprężyny, armatura kotłów parowych: przemysł chemiczny, okrętowy i papierniczy. Brązy aluminiowe - stopy miedzi z aluminium. Zawartość aluminium w tych stopach wynosi 5÷11%. Brązy aluminiowe cechują się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi. Aluminium bowiem podwyższa twardość i wytrzymałość miedzi: przy zawartości 10% Al zwiększają się ponad dwukrotnie. Wydłużenie wzrasta do ok. 6%, poczym maleje, ale zachowuje wysoką wartość 20÷40%. Po obróbce cieplnej twardość stopu CuAl10 może osiągnąć 160÷180 HB. Brązy aluminiowe stosuje się w stanie lanym lub obrobionym plastycznie. Stopy odlewnicze cechuje rzadkopłynność, mała segregacja dendrytyczna i skupiona jama usadowa. Mają jednak duży skurcz (2%). Podczas topienia należy je chronić przed utlenieniem, gdyż wtrącenia Al2O3 zwiększają gęstopłynność i obniżają wytrzymałość stopu. Dodatek Al zapewnia im dobrą odporność na korozję. Stopy odlewnicze stosuje się na łożyska, elementy napędu, armaturę parową i chemiczną oraz części maszyn narażone na korozję, obciążenie, ścieranie. Brązy do obróbki plastycznej zawierają zwykle mniej aluminium: przy większej zawartości wprowadza się dodatki Fe, Mn, Ni, w ilości 2÷4%. Brązy te przerabia się tylko na gorąco w temp. ok. 870°C. Wytwarza się z nich pręty, rury, taśmy, kształtowniki, które znajdują zastosowanie w przemyśle chemicznym, papierniczym, okrętowym. Brązy ołowiowe. Na ogół ołów występuje w brązach łącznie z takimi składnikami jak: Sn, Zn, Ni, Mn. Znany jest tylko jeden brąz ołowiowy dwuskładnikowy CuPb30. Jest on stosunkowo miękki. Brązy ołowiowe wykazują skłonność do segregacji grawitacyjnej: lżejsze kryształy miedzi wypływają ku górze, cięższe (zawierające więcej Pb) opadają na dno. Aby przeciwdziałać temu zjawisku należy stosować przyspieszone studzenie stopu, a więc odlewanie do kokili chłodzonych wodą. Segregacji grawitacyjnej zapobiega również dodatek 1÷2% Ni lub Mn, które tworzą szkielet ze związków międzymetalicznych, zapobiegając tym samym opadaniu kryształów zawierających ołów. Główne zastosowanie brązów ołowiowych zawierających Pb to panewki łożysk pracujących przy małych naciskach i dużych prędkościach. Brązy krzemowe. Krzem rozpuszcza się w miedzi do 5,3% w temp. perytektycznej 853°C, po czym jego rozpuszczalność maleje do 4,6% w temp. 555°C, przy której zachodzi przemiana eutektoidalna. Zwiększenie zawartości Si powoduje wzrost twardości i wytrzymałości, a pogarsza plastyczność. Brązy krzemowe stosuje się zawsze z dodatkiem innych metali, jak Mn, Fe, Zn, Ni, Co, Cr. Mangan i cynk zwężają zakres roztworu stałego. Mangan poprawia wytrzymałość i odporność na korozję, a cynk - lejność. Żelazo wprowadza się tylko do stopów odlewniczych. Nikiel zwiększa wytrzymałość i odporność na korozję. Do stopów odlewniczych zaliczamy brąz krzemowo - żelazowy oraz krzemowo - cynkowo - manganowy. Brązy stosowane do obróbki plastycznej zwierają mniej dodatków stopowych, mają dość dobre własności mechaniczne. Obróbka cieplna brązów krzemowych polega na wyżarzaniu ujednorodniającym i odprężającym. Brązy do obróbki plastycznej poddaje się wyżarzaniu rekrystalizującemu. Niektóre nadają się do utwardzania wydzieleniowego. Wadami brązów krzemowych są: duży skurcz, skłonność do segregacji dendrytycznej i grawitacyjnej oraz absorbcja gazów w stanie ciekłym; zaletami - dobre własności wytrzymałościowe i odporność na korozję. Brązy berylowe - stopy Cu-Be zawierające ok. 2% Be. Są one przeznaczone do obróbki plastycznej. Brązy berylowe mają bardzo korzystne własności. Oprócz wysokiej wytrzymałości, dorównującej ulepszanym cieplnie stalom, są odporne na zmęczenie, ścieranie, na działanie temp. do 250°C, mają również własności antykorozyjne. Przy tarciu i uderzaniu nie iskrzą, co zadecydowało o ich zastosowaniu na części maszyn w prochowniach i wytwórniach materiałów wybuchowych. Ich dobra przewodność elektryczna i odporność na ścieranie spowodowały, że stosuje się je na szczotki silników elektrycznych lub przewody trakcji elektrycznej. Znalazły również zastosowanie do wyrobu sprężyn, części pomp, narzędzi chirurgicznych. Brązy manganowe. Są to stopy miedzi zawierające 5÷6 lub 12÷15% Mn, nadające się do obróbki plastycznej. Niżej stopowe można przerabiać na zimno i tym samym umacniać je przez zgniot. Mają dość dobre własności wytrz..
ALUMINIUM I JEGO STOPY. Aluminium cechuje się dobrą plastycznością, ma temp. topnienia 660,4°C, temp. wrzenia 2060°C. Mała gęstość 2,7 g/cm3 kwalifikuje ten metal do grupy metali lekkich. Dzięki tej własności i stosunkowo bogatemu występowaniu w przyrodzie (ok. 7%) jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym i w transporcie. Aluminium charakteryzuje się dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym. Na powietrzu pokrywa się cienką warstwą Al2O3, która chroni je przed dalszym utlenianiem. Jest odporne na działanie wody, wielu kwasów, związków azotowych. Natomiast nie jest odporne na działanie wodorotlenków, kwasów beztlenowych, wody morskiej, jonów rtęci. Wytrzymałość czystego wyżarzonego aluminium jest niska Rm = 70÷120 MPa, Re = 20÷40 MPa, wydłużenie A10 = 30÷45%, przewężenie Z = 80÷95%. Twardość wynosi 15÷30 HB; może jednak być umacniane przez zgniot. Wytwarza się aluminium o różnych stopniach czystości. Najczystszy gatunek jest używany przy wytwarzaniu aparatury chemicznej i folii kondensatorowych, gorsze gatunki stosuje się na folie, powłoki kablowe i do platerowania, na przewody elektryczne, na wyroby codziennego użytku. Zanieczyszczenia - Fe, Si, Cu, Zn, Ti, obniżają plastyczność i przewodnictwo elektryczne, zwiększają twardość i wytrzymałość. Aluminium przerabia się plastycznie - walcuje (blachy, folie) lub wyciska (pręty, rury, drut, kształtowniki). Obróbkę plastyczną można przeprowadzać na zimno lub na gorąco (ok. 450°C). Aluminium ma duże powinowactwo do tlenu, stąd jego zastosowanie w aluminotermii oraz do odtleniania stali. Oprócz tego jest szeroko stosowane w przemyśle spożywczym oraz do aluminiowania dyfuzyjnego stali. Stopy aluminium. Stopy aluminium mają większą wytrzymałość od czystego aluminium, cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, a oprócz tego ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki czemu w niskich temperaturach mają większą udarność niż stal. Stopy aluminium dzielimy na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Niektóre nadają się zarówno do odlewania, jak i przeróbki plastycznej. Do odlewniczych zaliczamy stopy przeważnie wieloskładnikowe o większej zawartości pierwiastków stopowych (5÷25%), np. z krzemem (AK11 - silumin); z krzemem i magnezem (AK7), z krzemem, miedzią, niklem, magnezem i manganem (AK20). Cechują się one dobrą lejnością i małym skurczem. Stopy do przeróbki plastycznej zawierają na ogół mniejsze ilości dodatków stopowych, głównie miedź (do ok. 5%), magnez (do ok. 6%) i mangan (do ok. 1,5%), rzadziej krzem, cynk, nikiel, chrom, tytan. Niektóre stopy aluminium można poddawać utwardzaniu wydzieleniowemu, po którym ich własności wytrzymałościowe nie są gorsze niż wielu stali. Stopy odlewnicze - odlewane w formach piaskowych kokilach lub jako odlewy ciśnieniowe. Odlewa się zwykle elementy o złożonych kształtach. Mają one jednak własności mechaniczne gorsze niż po przeróbce plastycznej. Siluminy - stopy aluminium z krzemem np. AlSi11 - AK11. Siluminy eutektyczne - mają bardzo dobre własności odlewnicze, dobrą lejność, mały skurcz, brak skłonności do pękania na gorąco. Ich wadą jest powstawanie, zwłaszcza po niezbyt szybkim chłodzeniu, gruboziarnistej struktury z pierwotnymi kryształami krzemu, co prowadzi do znacznego obniżenia własności mechanicznych stopu. Można temu zapobiec przez modyfikację, która polega na wprowadzeniu do ciekłego stopu dodatków zwanych modyfikatorami, lub przez przyspieszone chłodzenie. Siluminy podeutektyczne i eutektyczne modyfikuje się sodem, ogólna ilość modyfikatora nie przekracza 0,1%. Dzięki temu stopy, które normalnie są nadeutektyczne, krzepną jako podeutektyczne z dendrytycznymi α (ubogiego w Si) na tle drobnoziarnistej eutektyki. Siluminy nadeutektyczne modyfikowane są za pomocą fosforu, tworzy on związek AlP, powodujący rozdrobnienie wydzieleń. Siluminy mogą zawierać dodatki pierwiastków stopowych, jak miedź, magnez oraz mangan, które zwiększają ich wytrzymałość. Stopy odlewnicze z miedzią i magnezem. Ich struktura składa się z eutektyki ω-CuAl2 rozłożonej na granicach dendrytów roztworu stałego ω. Stopy te mają dobrą lejność, ale niską wytrzymałość. Można ją podwyższyć przez odlewanie do kokili lub przez obróbkę cieplną, pociąga to za sobą jednak zmniejszenie własności plastycznych. Stopy Al - Mg (np. AlMg10) mają dobre własności wytrzymałościowe i plastyczne (Rm=280 MPa, A5 = 8%), ale gorszą lejność, odporne na działanie wody morskiej. Wykonuje się z nich odlewy ciśnieniowe i nadają się do obróbki cieplnej. Stopy Al-Si-Mg (np. AlSi7Mg - AK7) mają bardzo dobrą lejność Stopy do obróbki plastycznej. Są to stopy wieloskładnikowe zawierające Mg, Mn lub Cu, Mg, Mn. Stopy aluminium z miedzią i ich obróbka cieplna. Stopy aluminium z miedzią (do ok. 5% Cu) są typowymi stopami nadają się doskonale do obróbki cieplnej, zwanej utwardzaniem wydzieleniowym. Podstawą obróbki cieplnej tych stopów jest charakter linii solidus. W miarę obniżania temp. rozpuszczalność miedzi maleje i w temp. 200°C wynosi już tylko 0,1%. Jeśli stop, zawierający np. 4% Cu nagrzejemy do temp. wyższej od linii solidus (poniżej 548°C), to uzyskamy jednorodny roztwór stały ω. Szybkie chłodzenie takiego roztworu, zwane przesyceniem, nie zmienia jego struktury, lecz powoduje, że staje się on nietrwały, gdyż zawiera więcej rozpuszczonej Cu niż wynosi granica rozpuszczalności w temp. otoczenia. Stop dążąc do osiągnięcia stanu równowagi usiłuje wydzielić nadmiar rozpuszczonej Cu w postaci dyspersyjnych cząstek bogatych w miedź. Proces ten nazywamy starzeniem i przebiega on samorzutnie. Podgrzewanie przesyconego stopu przyspiesza wydzielanie drugiej fazy i jest nazywane starzeniem przyspieszonym. Połączenie operacji przesycenia i starzenia stanowi utwardzanie wydzieleniowe. Obróbka taka zastosowana do stopu AlCu4, który w stanie wyżarzonym ma Rm = ok.200 MPa, może dawać po starzeniu naturalnym dwukrotnie większą wartość. Potrzeba jednak na to 4÷5 dni. Inne stopy do obróbki plastycznej utwardzane wydzieleniowo. Oprócz stopów Al-Cu do obróbki plastycznej i utwardzania wydzieleniowego nadają się stopy Al-Mg, Al-Mn oraz stopy wieloskładnikowe, w których oprócz Mg i Mn znajduje się dodatek Cu, Si, Zn, Cr. Magnez wpływa korzystnie na odporność korozyjną i obniża ciężar właściwy stopu. Dlatego też stopy Al-Mg w postaci blach i kształtowników znalazły zastosowanie głównie w budowie samolotów. Interesujące własności ma stop, który oprócz 0,5% Mg zawiera jeszcze ok. 0,5% Si (PA38 - zwany aldrey). Cechuje się on dobrą przewodnością elektryczną i dobrą wytrzymałością, co zadecydowało o jego zastosowaniu na elektroenergetyczne linie napowietrzne. Jest on poddawany kombinowanej obróbce cieplno-plastycznej, najpierw przesycany od temp. 550÷560°C, następnie odkształcany (90% zgniotu) i wreszcie starzony samorzutnie lub sztucznie (105°C, ok.10 h). Tą drogą osiąga się dwukrotnie większą wytrzymałość stopu od aluminium, która pozwala na stosowanie tych przewodów bez wzmacniających drutów stalowych. Wadą stopów Al-Mg jest ich skłonność do rozrostu ziarna. Można jednak tę wadę usunąć, wprowadzając nieznaczny dodatek Mn. Stopy zawierające 2-5% Mg , 0,1-0,4% Mn zwane hydronalium (np.AlMn2), mają dobrą odporność na korozję - zwłaszcza na działanie wody morskiej. Stąd ich zastosowanie w przemyśle okrętowym, chemicznym i spożywczym. Hydronalium jest plastyczne, spawalne, odporne na zmęczenie i daje się łatwo polerować. Dodatkowy wzrost wytrzymałości można uzyskać przez zgniot. Dobrymi własnościami antykorozyjnymi cechuje się stop zwany anticorodalem - oprócz Mn i Mg zawiera ok. 1% Si, ma dobrą odporność na korozję jednak tylko w stanie przesyconym i po naturalnym starzeniu. Stop ten jest bardzo plastyczny i spawalny, może też być umacniany drogą obróbki cieplnej. Durale - stopy wieloskładnikowe - mają najlepsze własności wytrzymałościowe. Zawierają ok. - 4% Cu, 1% Mg, 1% Mn. Żelazo i krzem występują w nich jako domieszki i są ograniczone do 0,7%. W stopie tym powstają różne fazy międzymetaliczne, w stanie przesyconym składa się on z roztworu stałego, z wydzieleniami nierozpuszczalnych związków manganu i żelaza. Durale ulegają starzeniu w wyniku wydzielania się z przesyconego roztworu związków CuAl2 i Mg2Si, które są rozpuszczalne i w wyniku nagrzewania do temp. ok. 500°C przechodzą do roztworu. Obróbka cieplna tych stopów polega na przesycaniu i starzeniu. Stop o podobnym składzie do durali, w którym część miedzi jest zastąpiona dodatkiem ok. 1% Si, znany jako avial (PA10), jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym. Ze względu na małe zawartości miedzi (do 0,5%) jest mniej podatny na starzenie niż durale. W stanie wyżarzonym lub sztucznie starzonym łatwo koroduje. Stopy aluminium do pracy w podwyższonych temperaturach - zawierają takie pierwiastki jak: Cu, Mg, Ni, Ti, Fe, Cr, Zn. Są stosowane w stanie lanym lub po obróbce plastycznej (prasowanie, tłoczenie). Stosuje się je w przemyśle lotniczym i rakietowym na elementy silników spalinowych, jak tłoki i głowice. Stawia się im bardzo wysokie wymagania. Są nagrzewane nawet do temp. 350°C i muszą zachować odpowiednie własności w ciągu długiego czasu. Wzrost wytrzymałości uzyskuje się po obróbce plastycznej poprzez utwardzanie wydzieleniowe, które otrzymuje się poprzez spiekanie utlenionego proszku aluminium. Obróbka cieplno - plastyczna stopów aluminium - realizowana jest z wykorzystaniem przemian fazowych zachodzących podczas starzenia stopów. Najczęściej stosuje się niskotemperaturową obróbkę, polegającą na przesyceniu stopu, a następnie jego odkształceniu plastycznym przed starzeniem, przy czym odkształcenie przeprowadza się w temp. niższej od temp. rekrystalizacji. Odkształcenie wywołuje wzrost ilości defektów w sieci i przyspiesza starzenie. |
|
|
|
|