Paweł Dzida	Metaloznawstwo i obróbka cieplna	II MDZ
Gr. Laboratoryjna 1002	Aluminium i stopy aluminium	19.IV.2001

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) i parametrze sieci a = 0,40493 nm. Istotny wpływ na właściwości fizyczne aluminium wywieraj ą zanieczyszczenia. Zwiększenie zawartości zanieczyszczeń powoduje:

- wzrost gęstości w temperaturze 20°C,

- 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. W stanie wyżarzonym aluminium ma następujące właściwości mechaniczne: R_m= 60-100 MPa, R_0,2 = 20-30 MPa, twardość 15-20 HB, A₅ = 30-50%, Z = 80-95%.

Właściwości mechaniczne aluminium istotnie zależą od czystości, wielkości odkształcenia i temperatury wyżarzania.

Zwiększenie właściwości mechanicznych aluminium można uzyskać przez napromieniowanie szybkimi neutronami (R_m wzrasta o -90%, R_0,2 o -150%) 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 (tworzy eutektykę Al₃Fe + Al, w której aluminium ulega koalescencji),

- 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 *(AlSiFe) i * ((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 Al₂O₃. Nie koroduje również pod działaniem wodoru, chloru, bromu, jodu i fluoru oraz większości ich związków.

Podziału stopów aluminium można dokonać ze względu na skład chemiczny:

-dwuskładnikowe,

-wieloskładnikowe,

oraz ze względu na 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 AI-Si - dwu- i wieloskładnikowe stopy aluminium z krzemem (siluminy) są najczęściej stosowanymi stopami z grupy odlewniczych stopów aluminium. Charakteryzują się dobrą lejnością, małym skurczem odlewniczym (nieznacznie większym od 1%), dobrą odpornością na korozję oraz nie wykazują skłonności do pękania na gorąco. Odlewa się je z temperatury 680-780°C.

Siluminy dzieli się z uwzględnieniem zawartości krzemu i układu równowagi fazowej Al-Si na:

-podeutektyczne - o zawartości 4-10% Si,

- eutektyczne - o zawartości 10-13% Si,

- nadeutektyczne - o zawartości 17-30% Si. Pomimo zmiennej rozpuszczalności krzemu w aluminium w stanie stałym

nie przeprowadza się umacniania wydzieleniowego siluminów dwuskładnikowych, gdyż efekty poprawy właściwości mechanicznych są niewielkie. Umacnianie wydzieleniowe wykonuje się dla siluminów wieloskładnikowych.

Siluminy podeutektyczne i eutektyczne poddaje się modyfikacji sodem metalicznym lub jego solami (NaF lub NaCl). Do ciekłego stopu wprowadza się modyfikator w ilości 0,05-0,08% masy wsadu. W wyniku bardzo małej rozpuszczalności sodu w krzemie na powierzchni rozdziału faz krzem-faza ciekła tworzy się warstewka Na₂Si utrudniająca wzrost kryształów krzemu. Działanie modyfikatora powoduje przechłodzenie ciekłego stopu, obniżenie temperatury krzepnięcia eutektyki oraz przesunięcie punktu eutektycznego w prawo - tym samym stop eutektyczny staje się stopem podeutektycznym. W wyniku modyfikacji zostaje rozdrobniona eutektyka, a tym samym zwiększają się właściwości mechaniczne stopu. Siluminy dwuskładnikowe, ze względu na niezbyt duże właściwości mechaniczne, są używane na średnio obciążone elementy maszyn.

Powszechnie są stosowane siluminy wieloskładnikowe, w których jako dodatki stopowe wykorzystuje się mangan, miedź i magnez, poprawiające wytrzymałość i twardość oraz umożliwiające umacnianie wydzieleniowe siluminów.

Magnez - przy zawartości 0,2-1,5% tworzy z krzemem związek międzymetaliczny Mg₂Si o zmiennej rozpuszczalności w aluminium, w stanie stałym umożliwiający umacnianie wydzieleniowe.

Miedź - w ilości do 4% zwiększa wytrzymałość siluminów w podwyższonej temperaturze, polepsza skrawalność, w ilości przekraczającej 4% zmniejsza odporność na korozję.

Mangan - w ilości do 0,2-j3,5% jest stosowany w celu obniżenia szkodliwego wpływu żelaza (występującego zawsze jako zanieczyszczenie), tworzącego kruchy i twardy związek Al₄Si₂Fe krystalizujący w postaci długich igieł. Dodatek manganu (lub kobaltu) powoduje rozdrobnienie igieł związku Al₄Si₂Fe.

Wieloskładnikowe siluminy podeutektyczne i eutektyczne umacniane wydzieleniowo są używane na odlewy tłoków i głowic silników spalinowych, elementy pomp i różnego rodzaju armaturę.

Siluminy nadeutektyczne - zawierające 17-30% krzemu są stopami wieloskładnikowymi z dodatkiem niewielkich ilości miedzi, magnezu, niklu, manganu i kobaltu (np. AK.20 - AlSi21CuNi). Dodatki stopowe poprawiają żarowytrzymałość (miedź, nikiel, kobalt), odporność na korozję (mangan), skłonność do umacniania wydzieleniowego (magnez).

Siluminy nadeutektyczene modyfikuje się fosforem, którego działanie powoduje rozdrobnienie ziarn wolnego krzemu, a tym samym zwiększenie właściwości mechanicznych i podatność na obróbkę skrawaniem.

Siluminy nadeutektyczne poddaje się umacnianiu wydzieleniowemu polegającemu na: przesycaniu z temperatury 500°C w wodzie o temperaturze 60°C i starzeniu przez 24 h w temperaturze 180°C.

Ponadto wyżarzanie odprężające odlewów prowadzi się w temperaturze 230-350°Cw czasie 6-12h.

Odlewy z siluminów nadeutektycznych stosowane na silnie obciążone tłoki silników charakteryzują się:

-dobrą spawalnością,

- dostateczną skrawalnością,

- dobrą odpornością na korozję (szczególnie w środowiskach kwaśnych),

- dobrymi właściwościami mechanicznymi w temperaturze podwyższonej,

- dużą odpornością na ścieranie,

- małym współczynnikiem tarcia i cieplnej rozszerzalności liniowej. Stopy AI-Cu - mniejsze zastosowanie tej grupy stopów w porównaniu z siluminami jest związane ze skłonnością do pękania i trudnościami technologicznymi podczas odlewania na gorąco. Stopy Al-Cu mają budowę roztworu stałego a i podwójnej eutektyki *+Al₂Cu rozmieszczonej w przestrzeniach międzydendrytycznych.

Stopy Al-Cu poddaje się umacnianiu wydzieleniowemu. Po przesyceniu stopy starzy się naturalnie lub sztucznie. Starzenie naturalne ułatwiają niewielkie dodatki magnezu i manganu, natomiast starzenie sztuczne dodatki cynku, tytanu i kadmu.

Dwuskładnikowe stopy Al-Cu są stosowane na silnie obciążone elementy maszyn o prostych kształtach i niewielkich wymiarach.

Wieloskładnikowe stopy AMlO i AM75 są używane na odlewy tłoków i innych części samochodowych, elementy maszyn pracujące w podwyższonej temperaturze, odlewy pomp, cylindrów hamulcowych i sprzęgieł.

Stopy AI-Mg - charakteryzują się najmniejszą gęstością i największą odpornością na korozję z całej grupy stopów aluminium. W praktyce stosuje się stopy o zawartości 4-11% magnezu. Optymalne właściwości mechaniczne uzyskuje się przy zawartości ok. 11% magnezu.

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.

Najczęściej z wieloskładnikowych stopów aluminium z magnezem i dodatkami krzemu, tytanu, cyrkonu, manganu, hafnu, cyny oraz neodymu są stosowane stopy Al-Mg-Si, które się umacnia wydzieleniowo. Wykonuje się z nich elementy maszyn, od których jest wymagana dobra odporność na korozję.

Stopy aluminium do przeróbki plastycznej dzielą się na:

-stopy Al-Mn,

- stopy Al-Mg,

- stopy Al-Cu-Mg (durale),

- stopy Al-Cu-Mg-Zn (durale cynkowe),

- stopy żarowytrzymałe.

Stopy Al-Mn - zawartość manganu w tych stopach wynosi 1-1,6%. Mikrostruktura stopów Al-Mn składa się z roztworu stałego a 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 AlMnSiFe bardzo utrudniającej przeróbkę plastyczną. Do tych stopów stosuje się obróbkę cieplną:

- wyżarzanie homogenizujące w temperaturze 500-520°C w czasie 6-12 h; chłodzenie po wyżarzaniu prowadzi się w powietrzu,

-wyżarzanie rekrystalizujące w temperaturze 350-400°C; chłodzenie po wyżarzaniu prowadzi się w powietrzu.

Właściwości mechaniczne stopów Al-Mn: R_m= 220 MPa, R_0,2=180 MPa, A₁₀~15%, Z-50%. Stopy te charakteryzuj ą 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.

Stopy Al-Mg - zawierają 1,0-5,8% magnezu oraz niewielkie ilości manganu (0,2-1,0%) i chromu (0,15-0,35%), które poprawiają właściwości mechaniczne nie zmieniając mikrostruktury stopu. Dodatek tytanu 0,02-0,20% powoduje wzrost odporności na korozję i rozdrobnienie ziarna w odlewach. Stopy Al-Mg mają budowę dwufazową składającą się z roztworu stałego * i wydzieleń fazy * (Al₃Mg₂). Tworzą się w nich również fazy bogate w mangan (AlMg₂Mn), żelazo (AlFeSi) oraz faza Mg₂Si.

Do stopów Al-Mg stosuje się operacje obróbki cieplnej:

- wyżarzanie homogenizujące (rzadko stosowane) w temperaturze 500-520°C w czasie 8-12 h, chłodzenie na powietrzu,

-wyżarzanie rekrystalizujące w temperaturze 280-300⁰C w czasie 3-6 h, chłodzenie na powietrzu,

-wyżarzanie odprężające w temperaturze 100-150⁰C w czasie 8-12 h, 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 te charakteryzują się dobrą odpornością na korozję wodną i morską, dobrą podatnością na przeróbkę na zimno i na gorąco, spawalnością, podatnością na polerowanie i wykonywanie anodowe powłok tlenkowych. Wykonuje się w nich urządzenia dla przemysłu chemicznego i spożywczego, złożone odkuwki matrycowe, elementy dla przemysłu lotniczego, sportowego i budowlanego.

Dodatek krzemu(do1.5%) do stopów Al-Mg powoduje możliwość umacniania wydzieleniowego stopów Al-Mg-Si, gdyż aluminium tworzy z krzemem układ pseudo podwójny Al-Mg₂-Si.

Mikrostruktura tych stopów jest złożona z roztworu stałego *, fazy umacniającej Mg₂Si, fazy * (Al₃Mg₂),fazy Al₆Mn oraz fazy Al₂Cu. Do tych stopów stosuje się obróbkę cieplną:

a)wyżarzanie odprężające w temperaturze 100-150⁰C przez kilkanaście godzin (rzadko stosowane),

b)wyżarzanie rekrystalizujące w temperaturze 280-300⁰C w czasie 6-8h

c)utwardzanie wydzieleniowe:

-przesycanie z temperatury 515-525⁰C w wodze o temperaturze 20⁰C,

-starzenie w temperaturze 150-170⁰C przez 8-12h.

Stopy po umacnianiu wydzieleniowym mają bardzo dobre właściwości mechaniczne (R_m-400Mpa, R_0,2-300MPa, A₁₀-19%).

Stopy Al-Mg-Si są bardzo podatne na przeróbkę plastyczną na zimno i na gorąco, na polerowanie i anodowe wytwarzanie powłok tlenkowych oraz spawanie i zgrzewanie. 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: 2,2-3,0% Cu, 0,2-0,5% Mg, 0,3-0,5% Mn,

-średniostopowe: 3,8-4,8% Cu, 0,4-0,8% Mg, 0,4-0,8% Mn,

- wysokostopowe: 2,6-3,2% Cu, 2,0-2,4% Mg, 0,45-0,70% Mn. Mikrostrukturę durali określa się na podstawie potrójnego układu Al-Cu-Mg, w którym występują:

-roztwory stałe na osnowie aluminium (*_Al), miedzi (*_Cu),magnezu(*_Mg),

- fazy międzymetaliczne *, *, ε₁,ε₂, *, * z układu Al-Cu,

- roztwory stałe * i * na osnowie związków Mg₃Al₂ i Al₃Mg₄ z układu Al-Mg,

- fazy Mg₂Cu i MgCu₂,

- fazy potrójne S, T, V, Q, i).

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

Durale poddaje się następującej obróbce cieplnej:

- wyżarzaniu rekrystalizującemu w temperaturze 390-430°C w czasie 3-6 h z chłodzeniem w powietrzu (niekiedy dwustopniowo: z piecem do 260°C i następnie w powietrzu),

- wyżarzaniu homogenizującemu w temperaturze 485±5°C,

- umacnianiu wydzieleniowemu:

- przesycaniu z temperatury 490-510°C (po wytrzymaniu 1-2 h) 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 z roztworu stałego a i nierozpuszczalnych faz bogatych w żelazo oraz mangan. Przekroczenie zalecanej temperatury przesycania powoduje znaczne zmniejszenie właściwości mechanicznych. Aby zapewnić odpowiednią szybkość przesycania, czas pomiędzy wyjęciem stopu z pieca a zamoczeniem w wodzie nie powinien przekraczać 30 s.

Podczas starzenia zachodzą w kilku stadiach zmiany strukturalne wpływające na właściwości mechaniczne durali. Mechanizm rozpadu przesyconego roztworu stałego jest bardzo złożony i zależy przede wszystkim od ilościowego stosunku miedzi do magnezu. Strefy GPI powstają w stopach, w których stosunek Cu : Mg =3:1, natomiast strefy GPII w stopach, w których Cu : Mg =1:1.

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.

Stopy AI-Zn-Mg-Cu - zawierające: 5-8% cynku, 0,8-2,8% miedzi, 1,2-3,2% magnezu, 0,2-0,6% manganu, 0,10-0,25% chromu i niekiedy do 0,08% tytanu są nazywane duralami cynkowymi.

Mikrostruktura durali cynkowych jest bardzo złożona i należy ją rozpatrywać na podstawie układów równowagi fazowej Al-Mg-Zn oraz AI-Zn-Mg-Cu. W duralach cynkowych występują:

- roztwory stałe na osnowie aluminium (*_Al) i cynku (*_Zn),

- sześć faz na osnowie związków dwuskładnikowych *, *,ε ,δ, η, ρ,

• faza T na osnowie związku trójskładnikowego.

Durale cynkowe poddaje się następującej obróbce cieplnej:

1. wyżarzaniu rekrystalizującemu w temperaturze 390-430°C lub 400-440°C w czasie 4-6 h i dwustopniowemu chłodzeniu,

b) umacnianiu wydzieleniowemu:

- przesycanie z temperatury 510-520°C w wodzie o temperaturze do 20°C,

-starzenie przyśpieszone w temperaturze 165-175°C w czasie 16-18h.

Durale cynkowe nie są odporne na korozję i wymagają platerowania czystym aluminium, mają lepsze właściwości mechaniczne niż durale miedziowe. Są stosowane w przemyśle mechanicznym, lotniczym i kolejowym do produkcji wysokoobciążonych elementów konstrukcyjnych.

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 (temperatura 350-420°C, czas kilka godzin) i umacnianiu wydzieleniowym (przesycanie z temperatury 510-535°C w wodzie, starzenie w temperaturze 155-165⁰C przez 8-12h).stopy te są używane do produkcji elementów maszyn i urządzeń pracujących w korozyjnych środowiskach gazowych lub w podwyższonej temperaturze (do 350⁰C).

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 (w czasie 104 h), a przez krótki okres w temperaturze do 1000°C.

SAS - stopy aluminium z krzemem (25-30%) i niklem (5-7%) lub żelazem (3-5%) i krzemem (25-30%). Charakteryzują się bardzo małym współczynnikiem rozszerzalności liniowej i stąd wykonuje się z nich elementy pracujące w temperaturze do 200°C.

Część doświadczalna:

Obserwacje mikrostruktur:

---