STOPY ALUMINIUM

Właściwości aluminium

Aluminium jest jednym z najczęściej używanych metali w różnych dziedzi­nach techniki, zarówno w postaci czystego metalu, jak i wielu stopów. Jest jednym z najczęściej występujących w skorupie ziemskiej pierwiastków (8,13%) po tlenie i krzemie. Aluminium krystalizuje w układzie regularnym o sieci przestrzennie cen­trowanej (Al). Istotny wpływ na właściwości fizyczne aluminium wywierają zanieczyszczenia. Zwiększenie zawartości zanie­czyszczeń powoduje:

• wzrost gęstości,

• obniżenie temperatury topnienia i wrzenia,

• zmniejszenie przewodności cieplnej ,

• zmniejszenie przewodności elektrycznej.

Aluminium charakteryzuje dobra lejność i podatność na przeróbkę pla­styczną na zimno i na gorąco oraz dobra spawalność. Właściwości mechaniczne aluminium istotnie zależą od czystości, wielko­ści odkształcenia i temperatury wyżarzania.

Zwiększenie właściwości mechanicznych aluminium można uzyskać przez napromieniowanie szybkimi neutronami przy jednoczesnym pogorszeniu właściwości plastycznych ok. 45%.

Do zanieczyszczeń wpływających na właściwości fizyczne i mechaniczne aluminium należą przede wszystkim:

• żelazo: nie rozpuszcza się w aluminium, tworząc kruchą fazę Al₃Fe,

• krzem: nie rozpuszcza się w aluminium i nie tworzy z nim związków, występuje w nim w postaci wolnej; wraz z żelazem może tworzyć fa­zy międzymetaliczne a (AlSiFe) i (3 (AlSiFe) wydzielające się na gra­nicach ziarn i silnie zmniejszające plastyczność oraz odporność na ko­rozję.

Aluminium jest bardzo odporne na korozję atmosferyczną w wyniku two­rzenia się na powierzchni cienkiej i ściśle przylegającej warstwy tlenku A1₂O₃. Nie koroduje również pod działaniem wodoru, chloru, bromu, jodu i fluoru oraz większości ich związków.

Podział stopów aluminium

Stopy aluminium dzielą się ze względu na:

1. skład chemiczny:

• dwuskładnikowe,

• wieloskładnikowe,

2. technologię przetwarzania:

• odlewnicze,

• do przeróbki plastycznej,

. stopy typu SAP i SAS otrzymywane metodami metalurgii proszków.

Odlewnicze stopy aluminium

Do tej grupy stopów stosowanych w Polsce zalicza się stopy aluminium z krzemem, miedzią i magnezem. Odlewy z tych stopów otrzymuje się przez odlewanie do form piaskowych lub kokil oraz wtryskiwanie pod ciśnie­niem.

Stopy Al-Si - dwu- i wieloskładnikowe stopy aluminium z krzemem (silumi-ny) są najczęściej stosowanymi stopami z grupy odlewniczych stopów alumi­nium. Charakteryzują się dobrą lejnością, małym skurczem odlewniczym, dobrą odpornością na korozję oraz nie wykazują skłonności do pękania na gorąco. Odlewa sieje z temperatury 680-780°C.

Dla odlewów wykonanych ze stopów Al-Mg wykonuje się następujące ope­racje obróbki cieplnej:

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

• wyżarzanie odprężające przez 12-16 h w temperaturze 120-150°C,

• umacnianie wydzieleniowe (stopów wysokomagnezowych):

• wytrzymanie 15-20 h w temperaturze 435±5°C i przesycanie w wodzie o temperaturze 80°C,

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

Stopy aluminium do przeróbki plastycznej

Stopy aluminium do przeróbki plastycznej dzielą się na:

• stopy Ał-Mn,

• stopy Al-Mg,

• stopy Al-Cu-Mg (durale),

• stopy Al-Cu-Mg-Zn (durale cynkowe),

• stopy żarowytrzymałe.

Stopy AI-Mn - zawartość manganu w tych stopach wynosi 1-1,6%. Mikro­struktura stopów Al-Mn składa się z roztworu stałego X i wydzieleń fazy mię­dzymetalicznej Al₆Mn.

Dwuskładnikowe stopy Al-Mn po odlaniu mają budowę gruboziarnistą i skłonność do mikropęknięć. Niewielka zmienna rozpuszczalność manganu w aluminium w stanie stałym nie pozwala na umacnianie wydzieleniowe. Obec­ność żelaza i krzemu powoduje tworzenie fazy AIMnSiFe bardzo utrudniającej przeróbkę plastyczną.

Do tych stopów stosuje się obróbkę cieplną:

• wyżarzanie homogenizujące; chłodzenie po wyżarzaniu prowadzi się w powietrzu,

• wyżarzanie rekrystalizujące; chłodzenie po wyżarzaniu prowadzi się w powietrzu.

Stopy te charakteryzują się bardzo dobrą podatnością do prze­róbki plastycznej na zimno i na gorąco, są odporne na korozję oraz spawalne. Wykonuje się z nich urządzenia dla przemysłu spożywczego i chemicznego, spawane zbiorniki cieczy i gazów.

Do stopów Al-Mg stosuje się operacje obróbki cieplnej:

• wyżarzanie homogenizujące (rzadko stosowane), chłodzenie na powietrzu,

• wyżarzanie rekrystalizujące, chłodzenie na powietrzu,

• wyżarzanie odprężające, po spawaniu lub przeróbce plastycznej na zimno.

Stopy Al-Mg o zawartości magnezu do 8% nie są poddawane umacnianiu wydzieleniowemu, ponieważ nie ulegają zmianie właściwości mechaniczne sto­pu. Jest natomiast możliwe wykonywanie obróbki cieplno-plastycznej, która zwiększa właściwości mechaniczne o blisko 20%.

Stopy Al-Mg charakteryzują się dobrą odpornością na korozję wodną i morską, dobrą podatnością na przeróbkę plastyczną na zimno i na gorąco, spawalnością, podatnością na polerowanie i wykonywanie anodowe powłok tlenkowych. Wykonuje się z nich urządzenia dla przemysłu chemicznego i spo­żywczego, złożone odkuwki matrycowe, elementy dla przemysłu lotniczego, sportowego i budowlanego.

Dodatek krzemu (do 1,5%) do stopów Al-Mg powoduje możliwość umac­niania wydzieleniowego stopów Al-Mg-Si. Do tych stopów stosuje się obróbkę cieplną:

• wyżarzanie odprężające (rzadko stosowane),

• wyżarzanie rekrystalizujące ,

• utwardzanie wydzieleniowe:

• przesycanie,

• starzenie.

Stopy po umacnianiu wydzieleniowym mają bardzo dobre właściwości. Stopy Al-Mg-Si są bardzo podatne na przeróbkę plastyczną na zimno i na gorąco, na polerowanie i anodowe wytwarzanie powłok tlenkowych oraz spawalne i zgrzewalne. Wykonuje się z nich elementy aluminiowej stolarki bu­dowlanej, sprzęt sportowy i turystyczny, złożone odkuwki matrycowe, średnio obciążone elementy konstrukcji lotniczych, pojazdów mechanicznych i mecha­nicznego sprzętu domowego.

Stopy Al-Cu-Mg - durale to popularna nazwa tej grupy stopów z dodatkiem manganu.

Durale dzielą się na:

• niskostopowe ,

• średniostopowe,

• wysokostopowe.

Oprócz wymienionych faz pierwotnych przy niewielkiej zawartości żelaza, krzemu i manganu mogą powstawać fazy wpływające szkodliwie na właściwości technologiczne i odporność korozyjną.

Durale poddaje się następującej obróbce cieplnej:

• wyżarzaniu rekrystalizującemu z chłodzeniem w powietrzu,

• wyżarzaniu homogenizującemu,

• umacnianiu wydzieleniowemu:

• przesycaniu w wo­dzie o temperaturze kilku stopni,

• starzeniu naturalnemu lub przyśpieszonemu.

Właściwości mechaniczne durali zależą od temperatury i szybkości przesy­cania. Po prawidłowo wykonanym przesycaniu durale mają mikrostrukturę zło­żoną . Przekroczenie zalecanej temperatury przesycania powoduje znaczne zmniejszenie właściwości mechanicznych.

Durale charakteryzują się dość dużym oporem plastycznym podczas prze­róbki plastycznej na zimno i na gorąco, małą odpornością na korozję (w celu jej zwiększenia wyroby z durali plateruje się czystym aluminium), podatnością na umacnianie wydzieleniowe. Wykonuje się z nich blachy, druty, odkuwki i kształtowniki wykorzystywane w przemyśle lotniczym, budowlanym, maszy­nowym i sportowym na obciążone elementy konstrukcyjne.

Żarowytrzymałe stopy aluminium

Żarowytrzymałe stopy aluminium charakteryzują się dobrymi właściwo­ściami mechanicznymi w temperaturze pokojowej i podwyższonej, dużą odpor­nością na korozję, dobrą przewodnością cieplną i przede wszystkim żaroodpornością. Obróbka cieplna żarowytrzymałych stopów aluminium polega na wyżarza­niu rekrystalizującym i umacnianiu wydzieleniowym. Stopy te są używane do produkcji elementów maszyn i urządzeń pracujących w korozyjnych środowiskach gazo­wych lub w podwyższonej temperaturze (do 350°C).

Stopy aluminium SAP i SAS

Stopy aluminium SAP i SAS są otrzymywane metodą metalurgii proszków.

SAP - stopy aluminium z tlenkiem aluminium o zawartości 6-22%, otrzy­mywane przez brykietowanie proszków w prasach hydraulicznych, spiekanie i przeróbkę plastyczną. Elementy maszyn z nich wykonane (tłoczone lub wyci­skane) pracują w temperaturze 300-500°C, a przez krótki okres w temperaturze do 1000°C.

SAS - stopy aluminium z krzemem i niklem lub żelazem i krzemem. Charakteryzują się bardzo małym współczynni­kiem rozszerzalności liniowej i stąd wykonuje się z nich elementy pracujące w temperaturze do 200°C.

STOPY MIEDZI

Właściwości fizyczne i mechaniczne miedzi

Miedź krystalizuje w temperaturze 1084,5°C przyjmując strukturę A l (sieć płasko centrowana układu regularnego). Tempe­ratura wrzenia miedzi wynosi ok. 2600°C.Miedź jest stosowana w elektrotechnice na przewody, gdzie wykorzystuje się jej dużą przewodność elektryczną, oraz w energetyce i przemyśle chemicz­nym na chłodnice, a także wymienniki ciepła - ze względu na dużą przewodność cieplną. Miedź jest odporna na korozję atmosferyczną (dzięki pokrywaniu się patyną, tj. zasadowym węglanem miedziowym) i na działanie wody, nie wyka­zuje natomiast odporności na działanie amoniaku. Miedź technicznie czysta zawiera od 0,01 do 1,0% zanieczyszczeń, zależ­nie od sposobu wytwarzania i oczyszczania. Większość domieszek silnie zmniejsza przewodność elektryczną miedzi (fosfor, żelazo, kobalt, krzem, ar­sen). Domieszki utrudniają również przeróbkę plastyczną na gorąco, jak np. bizmut i ołów - nie rozpuszczające się w miedzi i tworzące niskotopliwe eutek-tyki czy też siarka tworząca niskotopliwą eutektykę z siarczkiem Cu₂S. Wyża­rzanie miedzi zawierającej tlen w atmosferze zawierającej wodór jest przyczyną występowania tzw. choroby wodorowej. W wyniku redukcji powstałego tlenku miedzi wodorem tworzy się woda, której pary w wysokiej temperaturze prze­róbki plastycznej powoduj ą pęknięcia i naderwania.

Ze względu na skład fazowy mosiądze dwuskład­nikowe dzieli się na:

• jednofazowe - o zawartości cynku od 2 do 39%,

• dwufazowe - o zawartości cynku od 39 do 45% .

Faza a jest różnowęzłowym roztworem stałym o strukturze Al. Zniekształcenie krystalicznej sieci miedzi spowodowane obecnością atomów cynku jest przyczyną umocnienia stopu.

Mosiądze jednofazowe cechuje bardzo duża plastyczność, co umożliwia stosowanie ich na wyroby głęboko tłoczone i obrabiane plastycznie na zimno. Duża plastyczność w podwyższonej temperaturze umożliwia ich prze­róbkę plastyczną na gorąco.Mosiądze charakteryzują się dobrą odpornością na korozję, szczególnie atmosferyczną i w wodzie morskiej. Odporność na korozję mosiądzów się zwiększa wraz ze wzrostem zawartości miedzi. Najczęściej spotykanym rodza­jem korozji mosiądzów, szczególnie dwufazowych, jest korozja elektroche­miczna, zwłaszcza w ośrodkach utleniających, prowadząca do tzw. odcynkowania stopu. Mosiądze jednofazowe w stanie zgniecionym ulegają korozji naprę­żeniowej, zwanej pękaniem sezonowym mosiądzu, szczególnie w obecności amoniaku. Większość mosiądzów jest też podatna na korozję w takich samych ośrodkach korozyjnych, w jakich koroduje miedź techniczna.

Mosiądze dwuskładnikowe, są przeznaczone do przeróbki plastycznej na zimno i na gorąco w przypadku mosiądzów jednofazo­wych lub tylko na gorąco w przypadku mosiądzów dwufazowych.

Mosiądze wieloskładnikowe zawierają oprócz cynku takie dodatki stopowe, jak: krzem, aluminium, cyna, ołów, żelazo, man­gan, nikiel i arsen, zwykle o łącznym stężeniu nie przekraczającym 4%. Doda­wane pierwiastki stopowe powodują zwiększenie wytrzymałości i odporności na korozję mosiądzów. Mosiądze wieloskładnikowe w przeciwieństwie do dwu­składnikowych są stosowane głównie jako stopy odlewnicze. Cechuje je dobra odporność na korozję i ścieranie oraz dobre właściwości wytrzymałościowe przy obciążeniach statycznych. Stosuje się je głównie na armaturę, osprzęt, ło­żyska, śruby okrętowe i elementy maszyn. Mosiądze wieloskładnikowe są rów­nież stosowane do przeróbki plastycznej.

Mosiądze wysokoniklowe (tzw. nowe srebra) są przeznaczone do wyrobu przedmiotów artystycznych, naczyń stołowych, widelców, łyżek, jako imitacja srebra, części sprężynujących aparatów, opraw narzędzi chirurgicznych itp. W zależności od zawartości cynku i niklu mosiądze wysoko­niklowe mogą mieć budowę jednofazową roztworu stałego lub wielofazową. Ich właściwości mechaniczne zależą bardziej od stopnia gniotu niż od składuchemicznego. Ze wzrostem zawartości niklu rośnie odporność na korozję mo­siądzów wysokoniklowych; są one jednak mało odporne na działanie takich kwasów, jak: HC1, HNO₃, H₂SO₄ i H₃PO₄, a odporne na działanie kwasów orga­nicznych.

Miedzionikle

Ważną grupę technicznych stopów miedzi przeznaczonych do przeróbki plastycznej stanowią miedzionikle, w których głównym dodatkiem stopowym jest nikiel o stężeniu do 40%, zawierające także 1-2% krzemu, aluminium, żela­za lub manganu. Nikiel powoduje poprawę właściwości me­chanicznych, odporności na korozję, oporności elektrycznej właściwej oraz siły termoelektrycznej miedzionikli. Miedzionikle są oparte na układzie Cu-Ni o nieograniczonej rozpuszczalności składników w stanie ciekłym i stałym. Moż­na wydzielić dwie grupy miedzionikli:

• odporne na korozję,

• oporowe,

Brązy

Brązy cynowe. Miedź tworzy z cyną jeden roztwór stały graniczny a kry­stalizujący w strukturze A l. Brązy cynowe wykazują dobrą odporność na korozję, szczególnie w śro­dowisku atmosfery przemysłowej i wody morskiej. Odporność ta polepsza się wraz ze zwiększeniem stężenia cyny, lecz do wartości nie większej od zapew­niającej wystąpienie struktury dwufazowej, decydującej o ułatwieniu korozji. Brązy cynowe o strukturze jednorodnego roztworu cechuje duża plastyczność i z tego względu mogą być kształtowane plastycznie na zimno, podobnie jak stopy o niejednorodnej strukturze roztworu , zawierające nie więcej niż 4% cyny. W stanie obrobionym plastycznie na zimno brązy cynowe charakteryzują się dobrymi właściwościami mechanicznymi, co umożliwia stosowanie ich w przemyśle chemicznym, papierniczym i okrętowym,

Brązy cynowe wieloskładnikowe mogą również zawierać:

• fosfor - stosowany do odtleniania odlewniczych brązów cynowych przed wprowadzeniem cyny do kąpieli metalowej w celu zapobieżenia wy­dzielaniu się bardzo twardego tlenku cyny SnO₂. W brązach do przeróbki plastycznej zawartość fosforu nie może przekraczać 0,3%, gdyż pierwia­stek ten bardzo niekorzystnie wpływa na plastyczność, zwiększając jed­nak właściwości wytrzymałościowe i odporność brązów na ścieranie. Brązy cynowo-fosforowe są stosowane na panewki, koła ślimakowe, sprężyny,

• cynk - przeciwdziała segregacji brązów cynowych przez zmniejszenie zakresu temperatury krystalizacji fazy a, sprzyjając ujednorodnieniu ich właściwości mechanicznych i zwiększeniu właściwości wytrzymało­ściowych. Cynk jest dobrym odtleniaczem i poprawia lejność tych sto­pów

• ołów - nie tworząc roztworów, polepsza skrawalność brązu cynowego, zmniejsza współczynnik tarcia i korzystnie wpływa na szczelność odle­wów. Przy większej zawartości powoduje pogorszenie właściwości me­chanicznych. Brązy cynowo-cynkowo-ołowiowe stosuje się głównie na tulejki i panewki łożyskowe.

Brązy aluminiowe (brązale).. Dwuskładnikowe, jednofazowe brązy aluminiowe zawierają do 8% aluminium i ze względu na dużą plastyczność mogą być obra­biane plastycznie na zimno oraz na gorąco. W brązach wieloskładnikowych najczęściej stosuje się dodatki żelaza, niklu i manganu

• żelazo i nikiel - powodują zwiększenie właściwości wytrzymałościo­wych i odporności na ścieranie w wyniku działania modyfikującego i sprzyjania drobnoziarnistości stopów. Ze względu na niewielką roz­puszczalność w roztworze pierwiastki te mogą być dodawane w niewielkiej ilości, gdyż wydzielające się fazy bogate w żelazo i nikiel po­wodują zmniejszenie odporności korozyjnej,

• mangan , powo­dując znaczne zwiększenie odporności tych stopów na korozję i na ście­ranie oraz właściwości mechanicznych.

Odlewnicze wieloskładnikowe brązy aluminiowe wykazują większy skurcz odlewniczy niż brązy cynowe, lecz znacznie mniejszą skłonność do segregacji dendrytycznej. Brązy aluminiowe mają dobrą odporność na korozję w środowi­sku wody morskiej i kwasów utleniających, dzięki pasywacji i tworzeniu się warstewki na ich powierzchni. Charakteryzują się dobrymi właściwo­ściami mechanicznymi w temperaturze pokojowej i podwyższonej oraz dużą odpornością na ścieranie. Znalazły zastosowanie na panewki łożysk ślizgowych, koła zębate, gniazda zaworowe, a także śruby okrętowe.

Brązy berylowe. Zawierają do ok. 2,1% głównego pierwiastka stopowego oraz zwykle nikiel, żelazo, kobalt i tytan, zwiększające umacniający efekt ob­róbki cieplnej.

Obróbka cieplna brązów berylowych polega na utwardzaniu dyspersyjnym. Obejmuje ono przesycanie i starzenie, ₂, powodująca umocnienie stopu.. Brązy mogą być również umacniane przez przeróbkę plastyczną na zimno.

Stopy te są brązami o największych właściwościach mechanicznych, dobrej odporności na pełzanie i ścieranie. Cechują się dużą odpornością na korozję, przewodnością cieplną i elektryczną, brakiem skłonności do iskrzenia oraz dobrą podatnością na obróbkę plastyczną na zimno i na gorąco.

Brązy berylowe są stosowane na elementy maszyn w wytwórniach mate­riałów wybuchowych i prochowniach, na szczotki silników elektrycznych i przewody trakcji elektrycznej, a także na sprężyny, elementy pomp i narzędzia chirurgiczne.

Brązy krzemowe. Techniczne stopy miedzi z krzemem mają strukturę jedno­fazową, a zawartość krzemu nie przekracza w nich 3-4%. Jednofa­zowa struktura zapewnia brązom krzemowym dobre właściwości plastyczne, przy czym krzem powoduje zwiększenie ich odporności na korozję. Krzem po­prawia także właściwości odlewnicze stopu. Wadą brązów krzemowych jest duży skurcz odlewniczy i mała szczelność spowodowana obecnością dwutlenku krzemu. Praktyczne zastosowanie znalazły głównie brązy krzemowe wieloskładni­kowe zawierające najczęściej dodatki manganu, żelaza, cynku i niklu. Mangan, cynk i nikiel, występujące w roztworze, silnie zmniejszają rozpuszczalność krzemu, mangan i nikiel zwiększają wytrzymałość i odporność na korozję, natomiast cynk poprawia właściwości odlewnicze. Brązy krzemowe charakteryzują się dobrymi właściwościami mechanicz­nymi w temperaturze pokojowej i podwyższonej do ok. 300°C, dużą wytrzyma­łością zmęczeniową i dobrymi właściwościami ślizgowymi. Cechuje je ponadto duża odporność na korozję, dobra lejność i skrawalność.

Brązy krzemowe do przeróbki plastycznej są stosowane na elementy apa­ratury w przemysłach maszynowym, chemicznym i chłodniczym, w tym na sprężyny, łożyska i części samochodowe. Brązy krzemowe odlewnicze są sto­sowane na panewki łożysk ślizgowych, wirniki pomp, koła cierne i zębate, ele­menty przekładni ślimakowych. Zastępuj ą droższe brązy cynowe.

Brązy manganowe. Zawierają zwykle 5-6 lub 12-15% manganu i są przezna­czone do obróbki plastycznej. Mają dość dobre właściwości wytrzymałościowe utrzymujące się do temperatury ok. 300°C. Najczęściej stosuje się stopy wieloskładnikowe, zawierające oprócz man­ganu nikiel, a w niektórych gatunkach także krzem lub aluminium. Manganin o bardzo małej oporności elektrycznej jest stosowany na opor­niki wzorcowe. Izabeim wykazuje dużą oporność elektryczną, a stopy Heuslera, zawierające powyżej 20% manganu i 9% aluminium cechu­ją się dobrymi właściwościami ferromagnetycznymi. Brązy manganowe zawierające krzem (2-3%), tzw. stopy isima, mają dobrą wytrzymałość i są stosowane m.in. na łopatki turbin.

---