Aluminium

Aluminium jest metalem krystalizującym w układzie regularnym ściennie cen­trowanym (typu A1) o dosyć niskiej temperaturze topnienia, wynoszącej 660°C. Gęstość aluminium jest trzykrotnie mniejsza niż żelaza- 2,7 Mg/m³. Wła­ściwości wytrzymałościowe czystego aluminium są niewielkie

• granica plastycz­ności R_e osiąga około 35 MPa,

• wytrzymałość na rozciąganie R_m około 110 MPa,

• twardość do 25 HB,

ma ono dobre właściwości plastyczne:

• wydłużenie A₁₀ około 45% - przewężenie Z około 95%.

W wyniku 50-procentowego zgniotu na zimno granica plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie wzrastają odpowiednio do 130 i 150 MPa, wydłużenie natomiast zmniejsza się do 10%. Przewodność elektryczna i cieplna aluminium jest duża, jednak około dwukrotnie gorsza niż miedzi.

Aluminium ulega samorzutnej pasywacji polegającej na tworzeniu się na po­wierzchni cienkiej, lecz bardzo szczelnej i silnie przylegającej do metalu warstwy tlenku A1₂0₃. Warstwa ta, nie przepuszcza atomów tlenu i chroni metal przed dalszym utlenianiem. Szybkość tworzenia się tej war­stewki jest tak duża, że praktycznie powierzchnia aluminium nigdy nie jest meta­liczna.

Oprócz odporności na utlenianie aluminium jest też odporne na działanie

• stężo­nego kwasu azotowego, amoniaku, chloru, dwutlenku węgla, dwutlenku siarki

Nieodporne jest natomiast na działanie wodorotlenków sodu, potasu i wapnia oraz kwasów beztlenowych (fluorowo-wodorowego i solne­go)

Zastosowanie aluminium zależy od jego czystości.

• Najczystsze gatunki uzy­skane dzięki rafinacji – o czystości 99,99 i 99,95% (oznaczane AR1 i AR2) – sto­suje się do budowy specjalnej aparatury chemicznej, na wyroby elektrotechniczne i elektroniczne.

• Aluminium hutnicze o czystości 99,8 i 99,7 (cecha A00 i AO) wy­korzystuje się do produkcji folii, na części aparatury chemicznej oraz do platero­wania.

• Wyroby ogólnego przeznaczenia produkuje się z aluminium o najmniejszej czystości 99,9 i 99% (cecha A1 i A2).

• Ze specjalnych gatunków AOE i A1E o czy­stości 99,7 i 99,5% wykonuje się przewody elektryczne.

Oznaczenie gatunków aluminium składa się z liter EN AW i czterech cyfr.

• A – podstawowy składnik (aluminium)

• W – materiał do przeróbki plastycznej

• pierwszą cyfrą jest 1, oznacza ona czyste aluminium, tzn. minimum 99,00% Al

• dwie ostatnie określają czystość na poziomie dziesiątych i setnych części procentu

Jeśli w oznaczeniu na drugim miejscu jest zero, znaczy to, że granice zawartości poszczególnych zanieczyszczeń są typowe, a występujące tam cyfry od 1 do 9 wskazują, ile pierwiastków zanie­czyszczeń podlega szczególnym ograniczeniom.

Stopy aluminium do obróbki plastycznej

Głównymi dodatkami stopowymi stopów aluminium przeznaczonych do obrób­ki plastycznej na zimno i na gorąco są:

• miedź, magnez, mangan, cynk, lit

Dodatkowo w mniejszych ilościach mogą występować nikiel, że­lazo, chrom, tytan i krzem.

Wszystkie te dodatki zwiększają właściwości wytrzy­małościowe stopów (twar­de wydzielenia faz międzymetalicznych). Większość z tych dodatków rozpuszcza się w aluminium, tworząc ogra­niczony roztwór stały (wraz ze spadkiem temperatury znacznie zmniejsza się rozpuszczalność danego pierwiastka), czego efektem jest wydzielanie faz międzymetalicznych zawierających ten pierwiastek.

Oznaczenie składa się z liter EN AW i czte­rech cyfr.

Stopy są pogrupowane według głównego dodatku stopowego i pierwsza cyfra decyduje o przynależności do grupy:

• stopy z miedzią – 2xxx

• z manganem – 3xxx

• z krzemem – 4xxx

• z magnezem – 5xxx

• z magnezem i krzemem – 6xxx

• z cynkiem – 7xxx

• z innymi dodatkami – 8xxx

Druga cyfra wskazuje na wersję stopu: 0 – stop oryginalny, 1-9 różne wersje. Ostatnie dwie cyfry służą do identy­fikacji różnych stopów.

Stopy aluminium do obróbki plastycznej są szeroko wykorzystywane na ele­menty konstrukcji lotniczych, samochodowych, okrętowych, elementy budowlane, w urządzeniach przemysłu chemicznego i spożywczego, na przewody elektryczne.

Duraluminium

Duraluminium lub dural – stopy aluminium z miedzią (z francuskiego „twarde aluminium”).

Skład: miedź 2-4,9% ma­gnez (0,3-1,8%) mangan (0,4-1,1%)

Najpopularniejszym duraluminium jest [AlCu4Mgl], oznaczone jako PA6, zawiera­jące od 3,8 do 4,8% miedzi, do 1,1% magnezu ido 1,0% man­ganu.

Zgodnie z układem równo­wagi Al-Cu stop ten ma strukturę roztworu stałego alfa miedzi w aluminium oraz fa­zy theta, która jest fazą międzyme­taliczną o wzorze CuAl₂. Wskutek zmniejszania się roz­puszczalności miedzi w alu­minium od 5,7% w tempera­turze 548°C do 0,1% w tempe­raturze 20°C faza ta wydziela się wtórnie, głównie na granicach ziaren roztworu a. Ze względu na tę minimalną rozpuszczalność miedzi roztwór ma właściwości zbliżone do czystego Al. Wy­dzielenia fazy theta na granicach ziaren w niewielkim stopniu zwiększają wytrzyma­łość stopu, a jednocześnie zmniejszają odporność na kruche pękanie. Większą wy­trzymałość na rozciąganie, twardość i udarność uzyskuje się dzięki obróbce ciepl­nej, która nazywa się utwardzaniem dyspersyjnym.

Utwardzanie wydzieleniowe duraluminium

Utwardzanie wydzieleniowe (dyspersyjne) polega na umocnieniu roz­tworu stałego przez dyspersyjne (bardzo drobne) wydzielenia faz międzymetalicz­nych. Im drobniejsze wydzielenia, (mniejsze odległości między nimi), tym bardziej jest utrudniony ruch dyslokacji i dzięki temu wzrasta poziom właści­wości wytrzymałościowych.

Utwardzanie wydzieleniowe składa się z dwóch zabiegów: przesycania i starzenia. Przesycanie jest obróbką cieplną zaburzającą stan równowagi stopu. Duraluminium nagrzewa się do temperatury 500-520°C, w której uzyskuje się dużo większe stężenie miedzi w roztworze stałym alfa dzięki prawie całkowitemu rozpuszczeniu cząstek fazy theta. Po wygrzaniu stop chłodzi się szybko w wodzie. Krótki czas chłodzenia nie pozwala na wydzielenie się fazy międzymetalicznej theta - uzyskuje się roztwór przesycony, zawierający więcej miedzi, niż jest to możliwe w warunkach równowagi. Stabilność roztworu przesyconego zależy od temperatury, tzn. w niskiej temperaturze (np. -50°C) na skutek mocno ograniczo­nej dyfuzji roztwór taki jest stabilny. Przesycony roztwór stały ma właściwości wytrzymałościowe gorsze niż roztwór równowagowy z wydzieleniami fazy theta, tzn. jest miękki i plastyczny. Stąd duraluminium bezpośrednio po przesyceniu jest obrabialne plastycznie na zimno – można je kształtować plastycznie na zimno, np. zginać, tłoczyć itp. Dobrym przykładem jest stosowanie nitów duraluminiowych w stanie przesyconym.

Przesycony roztwór alfa nie jest stabilny w temperaturze powyżej 20°C i dąży do stanu równowagi przez wydzielenie nadmiaru miedzi – ulega starzeniu. Starzenie jest procesem długotrwałym, polegającym na tworzeniu skupisk atomów miedzi w roztworze alfa, czyli stref przedwydzieleniowych, tzw. stref G-P (Guiniera – Prestona), z których następnie powstają wydzielenia faz nierównowagowych po­średnich, kolejno theta” i theta’, oraz w odpowiednio wysokiej temperaturze fazy rów­nowagowej theta (CuA1₂). Zarówno strefy G-P, jak i wydzielenia faz międzymetalicz­nych, całkowicie lub częściowo koherentnych z osnową (koherencja polega na spójności sieci krystalograficznych wydzielenia i osnowy), powodują umocnienie stopu. Podwyższenie temperatury starzenia wpływa na zwięk­szenie wymiarów wydzieleń i zwiększenie odległości między nimi. Wynika z tego, że utwardzenie stopu jest tym mniejsze im wyższa jest temperatura starzenia.

Starzenie może przebiegać samoistnie, czyli w temperaturze pokojowej. Zwane jest wtedy starzeniem samorzutnym. Strukturą stopu po trwającym kilka dni sta­rzeniu jest roztwór stały alfa z wydzieleniami stref G-P. Starzenie naturalne pozwala na uzyskanie największego umocnienia. Wytrzymałość na rozciąganie wzrasta od około 250 MPa bezpośrednio po przesycaniu do około 420, a nawet 450 MPa, twardość dochodzi wtedy do 115 HB.

Dla przyspieszenia starzenia stosuje się wygrzewanie w temperaturze około 160°C w czasie od kilku do kilkunastu godzin. Przyspieszone starzenie jest nazy­wane starzeniem sztucznym. Po starzeniu sztucznym uzyskuje się mniejszą wy­trzymałość – 400 MPa. Jest to spowodowane pojawieniem się zamiast stref G-P wydzieleń faz przejściowych theta” i theta’ które w mniejszym stopniu umacniają stop. Długotrwałe przetrzymywanie duraluminium w temperaturze powyżej 200°C pro­wadzi do przestarzenia, związanego z wydzieleniem się fazy równowagowej theta (CuAl₂) i jej koagulacją (koagulacja jest to rozrost wydzieleń). Uzyskuje się wtedy trwałe zmiękczenie stopu, a wytrzymałość na rozciąganie wynosi około 210 MPa. Stop po przestarzeniu jest miękki; można go obrabiać plastycznie na zimno.

Odlewnicze stopy aluminium

Do typowych stopów odlewniczych należą siluminy. Siluminy są to stopy alu­minium z krzemem i ewentualnie z dodatkiem magnezu, manganu, miedzi i niklu. Silumi­ny oznacza się literami AK (A – aluminium, K – krzem) i liczbą wskazującą na procentową zawartość krzemu, np. AISi1 oznacza się jako AK11.

Siluminy mają bardzo dobre właściwości odlewnicze, tzn. dobrą lejność, mały skurcz, dokładnie wypełniają formę, tworzą skoncentrowaną jamę usadową i nie wykazują skłonności do pękania na gorąco. Poziom właściwości wytrzymałościo­wych nie jest zbyt wysoki, wytrzymałość na rozciąganie zawiera się w granicach od 160 do 300 MPa przy bardzo małym wydłużeniu = 0,2-4% i twardości od 50 do 100 HB. Dodatki stopowe, takie jak magnez i miedź, zwiększają wytrzymałość siluminów, mangan jest dodawany dla neutralizowania szkodliwego wpływu za­nieczyszczeń żelazem, nikiel poprawia odporność korozyjną stopu.

Siluminy ze względu na strukturę można podzielić na trzy grupy:

• podeutektyczne o zawartości 4-10% Si – są stosowane na odlewy głowic sil­ników spalinowych, części dla przemysłu maszynowego, motoryzacyjnego i lotni­czego;

• eutektyczne o zawartości 10-13% Si – są używane na odlewy tłoków silni­ków spalinowych, odlewy części o skomplikowanych kształtach, średnio obciążo­ne części dla przemysłu elektrycznego i okrętowego, np. na armaturę, części silni­ków, pomp itp., pracujące w podwyższonej temperaturze (do 300°C) i odporne na korozję w wodzie morskiej;

• nadeutektyczne o zawartości 17-30% Si – są przeznaczone na odlewy silnie obciążonych silników spalinowych.

Podział ten oparto na strukturze siluminów wynikającej z układu równowagi Al-Si. Eutektyka w tych stopach powstaje w temperaturze 577°C przy zawartości 11,7% Si. Jest ona, zwłaszcza po niezbyt szybkim studzeniu, gruboziarnista i składa się z iglastych kryształów krzemu na tle roztworu stałego a krzemu w aluminium. W siluminie podeutektycznym znajduje się ona na granicach ziaren roztworu alfa. Rozpuszczalność krzemu w roztworze alfa jest niewielka i zmniejsza się od 1,65% w temperaturze eutektycznej do 0,05% w 200°C. W siluminie nadeutektycznym na tle eutektyki, pomiędzy iglastymi, eutektycznymi kryształami krzemu, występują dodatkowo pierwotne kryształy Si w formie dużych wieloboków. Ich obecność powoduje dużą kruchość siluminów.

W celu poprawienia właściwości wytrzymałościowych i plastycznych silumi­nów dokonuje się ich modyfikacji. Modyfikacja konieczna jest w przypadku sto­pów eutektycznych i nadeutektycznych, ale obecnie stosuje się ją do wszystkich stopów. Polega ona na dodaniu modyfikatorów (związków sodu, strontu lub anty­monu) do ciekłego stopu o temperaturze wyższej od temperatury odlewania. Po­wodują one rozdrobnienie i zaokrąglenie kryształów krzemu. Zmieniają też układ równowagi Al—Si, obniżając temperaturę eutektyczną, i przesuwają punkt eutektyczny do większej zawartości krzemu (około 14%).

Modyfikowane stopy po zakrzepnięciu mają drobnoziarnistą eutektykę złożoną z roztworu stałego alfa i zaokrąglonych kryształów krzemu. W stopach zawierających 11,7% Si (lub nieco więcej) poza eutektyką, ze względu na przesunięcie punktu eutektycznego, występują także ziarna roztworu alfa o kształcie dendrytycznym i stop taki jest stopem podeutektycznym. Właściwości plastyczne wskutek modyfikacji ulegają poprawie, np. wydłużenie A₅ zwiększa się do 8%, równocześnie wzrasta po­ziom właściwości wytrzymałościowych.

Siluminy wieloskładnikowe zawierające magnez lub miedź, np. AlSi7Mg, Al- Sil3MglCuNi, w celu zwiększenia wytrzymałości poddaje się utwardzaniu wy­dzieleniowemu: przesyca się z temperatury 500-530°C w wodzie i starzy w czasie 24 h w temperaturze 200°C. Wytrzymałość na rozciąganie siluminu AISi7Mg wzrasta z 160 MPa po odlaniu do 210 MPa po utwardzaniu wydzieleniowym.

Stopami odlewniczymi aluminium poza siluminami są stopy z miedzią i magnezem. Stopy z miedzią oznacza się literami AM i liczbą wskazującą na procentową zawartość głównego dodatku. Zawartość miedzi w tych stopach wynosi od 4 do kilkunastu procent, poza tym stopy te mogą zawierać także tytan, magnez i krzem. Struktura stopów o większej zawartości miedzi (powyżej 5,7%) składa się z eutektyki alfa + CuA1₂ na tle roztworu stałego alfa miedzi w aluminium. Stopy te ma­ją dobrą lejność, można zwiększyć ich właściwości wytrzymałościowe przez utwardzanie wydzieleniowe. Stopy z magnezem (np. AlMglO oznaczany jako AG 10) mają gorszą lejność, ale dobre właściwości wytrzymałościowe i plastyczne i są odporne na działanie wody morskiej. Należy je również obrabiać cieplnie, sto­sując utwardzanie wydzieleniowe. Rozpuszczalność magnezu w aluminium sięga do 19% (w temperaturze 450°C) i zmniejsza się do 2% w temperaturze pokojowej, co prowadzi do wydzielania fazy Al₈Mg₅. Dzięki tak dużej różnicy rozpuszczalności uzyskuje się silny efekt umocnienia dyspersyjnego.

Magnez

Magnez jest metalem lżejszym od aluminium. Jego gęstość wynosi 1,74 Mg/m³. Krystalizuje on w układzie heksagonalnym zwartym. Temperatura topnienia i właściwości wytrzymałościowe magnezu są prawie identyczne z temperaturą top­nienia i właściwościami aluminium, magnez ma jednak dużo gorsze właściwości plastyczne (np. wydłużenie A₁₀ tylko 7%).

Magnez odznacza się dużą aktywnością chemiczną. W wilgotnym powietrzu i w wielu roztworach wodnych pokrywa się warstewką porowatego wodorotlenku, która ze względu na brak szczelności nie chroni metalu przed dalszą korozją. Ma­gnez nagrzany do wysokiej temperatury gwałtownie łączy się z tlenem i tworzy tle­nek MgO. Nie jest też odporny na działanie kwasów i wielu związków chemicz­nych.

Zastosowanie czystego magnezu jest niewielkie, jedynie w przemyśle chemicz­nym. Głównie jest wykorzystywany do wyrobu stopów o osnowie magnezowej lub jako dodatek stopowy do stopów aluminium, miedzi, niklu i innych. W normie PN-79/H-82161 rozróżnia się dwa gatunki magnezu: o czystości 99,9% i 99,95%.

Stopy magnezu

Stopy magnezu mają stosunkowo dobrą wytrzymałość (R_m do 240 MPa) przy bardzo malej gęstości (około 1,8 Mg/m³). Jako dodatki stopowe stosuje się alumi­nium, cynk, mangan, cyrkon, neodym oraz inne metale ziem rzadkich. Aluminium występuje w większości stopów w ilości od 3 do 10%, rozpuszcza się w magnezie i tworzy roztwór stały alfa. Rozpuszczalność aluminium w magnezie zmniejsza się od 12,7% w temperaturze eutektycznej (437°C) do 1,5% w temperaturze pokojo­wej przy wtórnym wydzielaniu roztworu gamma. Możliwe jest więc utwardza­nie dyspersyjne stopów Mg- Al. Aluminium zwiększa wy­trzymałość na rozciąganie stopu, osiąga ona maksimum przy zawartości około 4% Al, a także zwiększa wydłużenie do 14% przy zawartości 6% Al. Dodatkowo poprawia lej­ność i zmniejsza skurcz. Cynk występuje we wszyst­kich stopach magnezu w ilości od 0,5 do 5%. Cynk wpływa na właściwości stopu podobnie jak aluminium, a jego rozpuszczalność w magnezie również maleje ze spadkiem temperatury. Mangan, występujący w gra­nicach 0,15-0,5%, również zwiększa wytrzymałość, a dodatkowo poprawia odporność na korozję oraz umoż­liwia spawanie stopu. Cyrkon rozdrabnia ziarno i poprawia właściwości mechaniczne w podwyższonej temperaturze.

Stopy ma­gnezu oznacza się literami EN MCMg oraz symbolami chemicznymi i liczbą ozna­czającą zawartość procentową dodatków stopowych. Na przykład, stopy magnezu z aluminium zawierające także mangan lub cynk są oznaczone jako EN MCMgA13Mn lub EN MCMgA18Znl. Wykorzystuje się je na silnie obciążone od­lewy, np. części samochodów i samolotów, części silników, obudowy przyrządów i maszyn.

Cennym dodatkiem stopowym są metale ziem rzadkich, np. cer, neodym, które silnie zwiększają odporność na działanie wysokiej temperatury. Stop EN MCMgRE3Zn3Zr, zawierający oprócz cyrkonu i cynku także 3% mieszaniny me­tali ziem rzadkich, jest odporny na pełzanie do temperatur ok. 250°C. Silnie obcią­żone części maszyn, które muszą pracować w temperaturze 300°C, a chwilowo nawet 350°C, wykonuje się ze stopów, których głównym dodatkiem stopowym jest neodym. Są to stopy EN MCMgNd2Zr i EN MCMgNd3ZrZn zawierające do 3% neodymu i do 1% cyrkonu.

Najnowocześniejszymi superlekkimi stopami są stopy magnezu z litem. Zazwy­czaj stosuje się stopy wieloskładnikowe z dodatkami aluminium, kadmu, cynku lub srebra. Gęstość tych stopów nie przekracza 1,7 Mg/m³. Są one przeznaczone na elementy rakiet i pojazdów kosmicznych, używa się ich także w przemyśle lotni­czym

Obróbka cieplna stopów magnezu

Do obróbki cieplnej stopów magnezu zalicza się wyżarzanie

• ujednorodniające, zmiękczające, utwardzanie wydzieleniowe

Wyżarzanie ujednorodniające prowadzi się w temperaturze bliskiej solidusu (345-420°C) w ciągu 16-20 h w celu usunięcia segregacji dendrytycznej.

Wyżarzanie zmiękczające polega na wygrzewaniu w podobnej temperaturze w czasie 2-6 h w celu zmniejszenia twardości dzięki koagulacji wydzieleń. Po tej obróbce uzyskuje się także największą wytrzymałość na pełzanie.

W celu utwardzenia wydzieleniowego przesycanie prowadzi się w temperaturze około 420°C dla stopów z aluminium i 530°C z neodymem. Czas wygrzewania w takiej temperaturze jest długi i sięga 24 h. Starzenie odbywa się w temperaturze 170-230°C w czasie od 4 do 16 h. Po takiej obróbce można uzyskać wytrzymałość na rozciąganie około 240 MPa przy wydłużeniu A₅ = 5%.