www.wychowanietechniczne.prv.pl

Grupa 1

SPRAWOZDANIE NR 14 2002-06-05

ALUMINIUM I JEGO STOPY

Aluminium

Metal ten krystalizuje w sieci Al, a więc cechuje się dużą plastycznością. Ma parametr sieci a = 0,40408 nm, temperaturę topnienia 660,4 C, tem­peraturę wrzenia 2060°C. Mała gęstość 2,7 Mg/m³ (3 razy mniejsza niż że­laza) 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 transporcie.

Aluminium cechuje się dobrym przewodnictwem cieplnym i elektry­cznym (gorszym jednak niż miedź), stąd jego zastosowanie na przewody elektryczne. Ma wysoką energię błędu ułożenia 200-250 mJ/m². Na po­wietrzu pokrywa się cienką warstwą A1₂O₃, która chroni je przed dalszym utlenianiem. Jest odporne na działanie wody, H₂CO₃, H₂S, wielu kwasów organicznych, związków azotowych. Natomiast nie jest odporne na dzia­łanie wodorotlenków (np. NaOH, KOH), kwasów beztlenowych (HF, HC1), wody morskiej i jonów rtęci. Wytrzymałość czystego wyżarzonego alumi­nium jest niska R_m = 70-120 MPa, R_e = 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 A199,995R jest używany przy wytwarzaniu aparatury chemicznej i folii kondensato­rowych; gatunek A199,8H stosuje się na folie, powłoki kablowe i do plate­rowania; A199.5HE na przewody elektryczne; A199 na wyroby codziennego użytku. Do najczęstszych zanieczyszczeń aluminium należą Fe, Si, Cu, Zn, Ti, które obniżają plastyczność i przewodnictwo elektryczne, nato­miast 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 aluminoterrnii oraz do odtleniania stali. Oprócz tego jest szeroko stosowane w przemyśle spożyw­czym oraz do aluminiowania dyfuzyjnego stali.

Stopy aluminium

Własności wytrzymałościowe czystego aluminium są stosunkowo niskie, dlatego stosuje się stopy, które po odpowiedniej obróbce cieplnej mają wytrzymałość nawet kilkakrotnie większą.

Stopy 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. Mają jednak niską wytrzymałość zmęczeniową.

Stopy aluminium dzieli się na odlewnicze oraz 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°/o), np. z krzemem (AK11 — silumin); z krzemem i magne­zem (AK7), z krzemem, miedzią, magnezem i manganem (AK52), z krze­mem, miedzią, niklem, magnezem i manganem (AK20) i inne. Cechują się one dobrą lejnością i małym skurczem. Stopy do przeróbki plastycz­nej zawierają na ogół mniejsze ilości dodatków stopowych, głównie miedź (do ok..5°/o), magnez (do ok. 6°/o) i mangan (do l,5'°/o), 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.

Są 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. Są to typowe stopy odlewnicze aluminium z krzemem (np. AlSi11 — AK11). Aluminium tworzy z krzemem układ eutektyczny z ograniczoną rozpuszczalnością krzemu (1,65% w temp. 577°C) i bardzo małą rozpuszczalnością aluminium w krzemie. W stopach o za­wartości 12,6% Si występuje eutektyka o temperaturze topnienia 577°C.

Silumin o składzie zbliżonym do eutektycznego ma bardzo dobre własno­ści odlewnicze, cechuje się dobrą lejnością, małym skurczem i nie wy­kazuje skłonności do pękania na gorąco. Jego wadą jest powstawanie, zwłaszcza po niezbyt szybkim chłodzeniu, gruboziarnistej struktury z pier­wotnymi kryształami krzemu (rys. 15.3), co prowadzi do znacznego obni­żenia własności mechanicznych stopu. Można temu zapobiec przez modyfikację, która polega na wprowadzeniu do ciekłego stopu dodatków zwamych modyfikatorami, lub przez przyspieszone chłodzenie.

Siluminy podeutektyczne i eutektyczne modyfikuje się sodem, naj­częściej w postaci NaF zmieszanego z NaCl i KCl, rzadziej sodem meta­licznym, który silnie odtlenia stop. Ogólna ilość modyfikatora nie prze­kracza 0,1%. Dodatek sodu powoduje obniżenie temperatury przemiany eutektycznej oraz przesunięcie punktu eutektycznego w prawo ku wyż­szej zawartości krzemu (ok. 13°/o). Dzięki temu stopy, które normalnie są nadeutektyczne, krzepną jako podeutektyczne z dendrytycznymi wy­dzieleniami roztworu a (ubogiego w Si) na tle drobnoziarnistej eutektyki. W wyniku modyfikacji R_m rośnie z ok. 110 do 250 MPa, A₅ z ok. 1% do ok. 8%.

Siluminy nadeutektyczne modyfikuje się za pomocą fosforu. Tworzy on związek A1P, który stanowi zarodki krystalizacji dla krzemu, w wy­niku czego następuje rozdrobnienie wydzieleń. Modyfikacja sodem wy­kazuje szereg wad, jak niszczenie wymurówki pieca, krótki okres działa­nia (20-^40 minut). Lepsze efekty daje modyfikacja strontem w ilości ok. 0,01^l0/o masy stopu. Modyfikacja taka pozwala na ponowne jego prze­topienie bez utraty efektów poprzedniej modyfikacji.

Siluminy mogą zawierać dodatki pierwiastków stopowych, jak miedź, magnez oraz mangan, które zwiększają ich wytrzymałość. Dodatek mag­nezu do 1,5% umożliwia stosowanie utwardzania wydzieleniowego drogą przesycania i starzenia.Również miedź stwarza taką możliwość, z tym że pogarsza ona odporność na korozję. Z kolei dodatek ok. l°/o Ni poprawia odporność korozyjną stopu. Ujemny wpływ domieszki żelaza, która w sto­pach aluminium jest na ogół szkodliwa, zmniejsza się przez dodatek ok. 0,5% Mn. Wywołuje to koagulację kruchego związku międzymetaliczne­go Al-Si-Fe.

Stopy odlewnicze z miedzią i magnezem.

Poza siluminem jako stopy odlewnicze mogą być stosowane podeutektyczne stopy Al.-Cu, np. AlCu10. Ich struktura składa się z eutektyki ω-CuA!₂ rozłożonej na granicach dendrytów roztworu stałego co. Stopy te mają dobrą lejność, ale stosunkowo niską wytrzymałość. Można ją podwyższyć przez odlewanie do kokili lub przez obróbkę cieplną, jednak pociąga to za sobą zmniejszenie własności plastycznych.

Stopy Al-Mg (np. AlMgl0) cechują się dobrymi własnościami wytrzy­małościowymi i plastycznymi (R_m = 280 MPa, A₅ = 8%), mają jednak gorszą lejność. Można z nich wykonywać odlewy ciśnieniowe. Nadają się do obróbki cieplnej. Są bardzo odporne na działanie wody morskiej. Stopy Al-Si-Mg (np. AlSi7Mg — AK7) mają bardzo dobrą lejność,a poza tym cechują się dobrą spawalnością i odpornością chemiczną; na­dają się do obróbki cieplnej.

Stopy aluminium do przeróbki plastycznej to głównie wielofazowe durale miedziowe z dodatkiem magnezu, manganu lib krzemu, np. AlCu4MgSi, AlCu2Mg2Ni1. Strukturę ich stanowi roztwór podstawowych dodatków stopowych w aluminium i wydzielenia faz międzymetalicznych, jak Al₂Cu, Mg₂Cu, Al₂CuMg, które uzyskuje się przez obróbkę cieplną i utwardzanie dyspersyjne dzięki wyraźnie zmiennej rozpuszczalności Cu i Mg w Al. Utwardzanie dyspersyjne durali składa się z przesycenia i starzenia naturalnego bądź sztucznego i daje w efekcie prawie podwójną wytrzymałość. Durale nie są odporne na korozję i musza być zabezpieczone przed korozją przez proces utleniania anodowego lub pezrz platerowanie technicznym aluminium.

Wprowadzenie cynku (dural cynkowy) jako głównego dodatku stopowego pozwala po utwardzeniu dyspersyjnym uzyskać właściwości mechaniczne o 50% lepsze w stosunku do durali miedźiowych, niestety kosztem dalszego zmniejszenia odporności na korozję.

Oprócz durali stosuje się w grupie stopów przerabianych plastycznie stopy o mniejszej zawartości składników ; charakteryzują się one dobrą odpornością na korozję, dobrą plastycznością w stanie wyżarzonym i umacnia się je głównie przez zgniot. Należą tu jednofazowe stopy Al.-Mn (alumany), nie podlegające utwardzeniu dyspersyjnemu lub Al.-Mg (hydronalia), lub utwardzane dyspersyjnie stopy z magnezem i krzemem (aldrey, antikorodal).

Do nowoczesnych stopów Al. Należą stopy aluminium z litem. Gęstość litu wynosi 0,53 g/cm³, zatem stopy Al.-Li mogą mieć do 10% mniejszą gęstość od konwencjonalnych stopów Al. Wytrzymałość stopów Al.-Li jest równa wytrzymałości konwencjonalnych stopów Al. Lub większa od niej, stąd wytrzymałość właściwa tych stopów jest bardzo duża. Równocześnie charakteryzują się one dobrą odpornością na zmęczenie i udarnością w niskich temperaturach. Stopy Al.-Li stosowane są głównie w lotnictwie cywilnym i wojskowym.

1

---