Poznań, 20 stycznia 2002

Michał Łuczak, MKK1

Obróbka cieplna aluminium i jego stopów.

Aluminium:

Cechy aluminium:

• sieć krystaliczna: RSC - A1

• temperaturze topnienia: 660°C

• gę­stość: 2,7 Mg/m³

• granica plastyczności R_e: ok. 35 MPa

• wytrzymałość na rozciąganie R_m: ok. 110 MPa

• twardość: do 25 HB

• wydłużenie A₁₀: ok. 45%

• przewężenie Z: ok. 95%

• dużą przewodność elektryczna i ciepl­na

Korzystną cechą aluminium jest samorzutna pasywacja, polegająca na tworzeniu się na po­wierzchni cienkiej, lecz bardzo szczelnej i silnie przylegającej do metalu warstwy tlenku Al_:2O₃. Warstwa ta, nie rozpuszcza się w wodzie, 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. Aluminium odporne jest także na działanie stężo­nego kwasu azotowego i suchych gazów (takich jak amoniak, chlor, dwutlenek wę­gla i dwutlenek siarki), nieodporne jest natomiast na działanie wodorotlenków sodu, potasu i wapnia oraz kwasów beztlenowych (fluorowo-wodorowego i solnego).

Zastosowanie aluminium zależy od jego czystości. W normie PN-79/H-82160 wyróżnione jest 8 gatunków aluminium o różnej czystości.

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

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

• Aluminium o najmniejszej - Al i A2 (czystości 99.9 i 99%) - stosuje się na wyroby ogólnego przeznaczenia.

• Specjalne gatunki - AOE i A1E (o czystości 99,7 i 99,5%) - stosuje się na przewody elektryczne.

Oznaczenie gatunków aluminium zgodne z ozna­czeniami stosowanymi w Unii Europejskiej określone jest w normie PN-EN-573

aluminium materiał do przeróbki plastycznej

(podstawow składnik)

czyste alumi­nium

(minimum 99,00% Al.)

EN AW-1xxx

czystość (np. 00 dla 99,00%)

Jeśli w oznaczeniu na drugim miejscu jest zero, oznacza to, że granice zawartości poszczególnych zanieczyszczeń są typowe, a występujące tam cyfry od l do 9 wskazują na szczególną kontrolę jednego lub więcej pojedynczych zanieczyszczeń). Dodatkowo dopuszcza się oznaczenie czysto­ści w nawiasach kwadratowych (np. aluminium o największej czystości oznacza się EN AW - 1199 [AI 99,99], a o najmniejszej EN AW - 1070 [A1 99,7]). Jeśli w alu­minium występuje niewielki dodatek jakiegoś pierwiastka, to jego symbol chemiczny umieszcza się w nawiasie: EN A W - l100 [Al 99,0Cu].

2. Stopy aluminium do obróbki plastycznej:

Główne dodatki stopowe stopów aluminium przeznaczonych do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco są miedź, magnez, mangan, cynk lub od niedawna także lit (dodatkowo w mniejszych ilościach mogą występować nikiel, żelazo, chrom, tytan i krzem). Wszystkie te dodatki powodują wzrost właściwości wytrzymało­ściowych stopów, głównie przez tworzenie w strukturze roztworu stałego twardych wydzieleń faz międzymetalicznych. Większość z tych dodatków, takich jak miedź, krzem, magnez, cynk i mangan, rozpuszcza się w aluminium, tworząc ograniczony roztwór stały. W roztworze takim wraz ze spadkiem temperatury znacznie zmniejsza się rozpuszczalność danego pierwiastka, często od kilku procent w podwyższonej temperaturze do setnych części procentu w temperaturze pokojowej, a pierwiastek ten wydziela się w postaci fazy międzymetalicznej.

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.

Według normy PN-79/H-88026 stopy aluminium do obróbki plastycznej oznacza się literami PA i liczbą określającą gatunek stopu. Nowa norma PN-HN 573 oznacza te stopy zgodnie z normami europejskimi tj. podobnie jak w przypadku czystego aluminium (z liter EN AW i czterech cyfr). Stopy są pogrupowane według głównego dodatku stopowego i pierwsza cyfra decyduje o danej grupie:

• 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, l - 9 różne wersje. Ostatnie dwie cyfry służą do identyfikacji różnych stopów. Po­dobnie jak w przypadku aluminium można stosować dodatkowe oznaczenie stopu z użyciem symboli chemicznych, np. EN AW-6061 [Al MglSiCu] lub EN AW-2014 [Al Cu4SiMg] Kolejność symboli zależy od udziału danego pierwiastka w stopie, liczby oznaczają jego procentowy udział.

3. Duraluminium:

Duraluminium lub dural (nazwa pochodzi od francuskiego słowa dur, które znaczy twardy) to nazwy handlowe stopów aluminium z miedzią. Poza miedzią (której zawartość w zależności od gatunku wynosi 2 - 4,9%) w duraluminium występuje też magnez (0,3 - 1,8%) i mangan (0,4 - 1,1%). Duraluminium dotychczas oznaczano jako to stopy PA6 - PA8 i PA21 - PA25, natomiast wg nowych norm są to stopy z serii EN AW-2xxx.

Najpopularniejszym duraluminium jest [AlCu4Mgl], oznaczone jako PA6, zawie­rające od 3,8 do 4,8% miedzi, do 1,1% magnezu i do 1,0% manganu. Zgodnie z układem równo­wagi Al - Cu stop ten posiada strukturę roztworu sta­łego α miedzi w aluminium oraz fazy θ, która jest fazą międzymetaliczną o wzorze CuAl₂. Faza ta wydziela się wtórnie na granicach ziaren roztworu a wskutek zmniej­szania się rozpuszczalności miedzi w aluminium od 5,7% w temperaturze 548°C do 0,l % w temperaturze 20°C. Ze względu na tę minimalną roz­puszczalność miedzi roztwór a ma właściwie takie same wła­ściwości jak czyste aluminium, wydzielenia fazy θ na grani­cach ziaren w niewielkim stopniu zwiększają wytrzymałość stopu. Większą wytrzy­małość na rozciąganie i twardość uzyskuje się dzięki obróbce cieplnej, która nazywa się utwardzaniem dyspersyjnym.

Utwardzanie wydzieleniowe duraluminium:

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

Utwardzanie wydzieleniowe składa się z dwóch zabiegów: przesycania i starzenia (patrz Rysunek 1). Przesycanie jest obróbką cieplną zaburzającą stan równowagi stopu. Dur-aluminium nagrzewa się do temperatury 500 - 520°C, w której uzyskuje się jedno­rodną strukturę roztworu stałego a dzięki całkowitemu rozpuszczeniu miedzi w aluminium. Po wygrzaniu stop chłodzi się szybko w wodzie. Krótki czas chłodzenia nie pozwala na wydzielenie się fazy międzymetalicznej θ i cała miedź pozostaje w roztworze stałym α. Roztwór taki nazywa się roztworem przesyconym, czyli za­wierającym więcej pierwiastka rozpuszczonego, 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 θ (tzn. jest miękki i plastyczny). Stąd duraluminium bezpośrednio po przesyceniu jest obrabialne plastycznie na zimno -można je kształtować plastycznie, np. nitować.

Rysunek 1. Schemat zmian struktury w stopie Al - Cu
na skutek przesycania i starzenia.

Przesycony roztwór α 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 α, czyli stref przedwydzieleniowych, tzw. stref G-P (Guinicr-Preston), z których następnie powstają wydzielenia faz nierównowagowych pośrednich, kolejno θ" θ' oraz w odpowiednio wysokiej temperaturze fazy równowagowej θ (CuAl₂). Zarówno strefy G-P, jak i wydzielenia faz międzymetalicznych, całkowicie lub czę­ściowo koherentnych z osnową 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 (patrz Rysunek 2).

Rysunek 2. Wpływ temperatury i czasu starzenia na wytrzymałość
na rozciąganie przesyconego duraluminium.

Starzenie może przebiegać samoistnie, czyli w temperaturze pokojowej. Zwane jest wtedy starzeniem samorzutnym. Strukturą stopu po trwającym kilka dni starzeniu jest roztwór stały α, 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 - 450 MPa, twardość dochodzi wówczas 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 θ" i θ', które w mniejszym stopniu umacniają stop. Długotrwale przetrzymywanie duraluminium w temperaturze powyżej 200°C prowadzi do przestarzenia, związanego z wydzieleniem się fazy równowagowej θ (CuAl₂) i jej ko­agulacją. Uzyskuje się wtedy trwale zmięk­czenie stopu, a wytrzymałość na rozciąganie wynosi około 210 MPa. Stop po przestarzeniu jest miękki (można go obrabiać plastycznie na zimno).

4. Odlewnicze stopy aluminium - siluminy:

Do typowych stopów odlewniczych należą siluminy, są to stopy alumi­nium z krzemem (ewentualnie z dodatkiem magnezu, manganu, miedzi i niklu). Są to więc stopy z serii 4xxx według PN-EN 573, a według PN-76/H-88027 AKxx (A - aluminium, K - krzem, xx - procentowa zawartość krzemu) np. AlSi 11 oznacza się jako AK 11.

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: 160 - 300 Mpa

• wydłużenie A₅: 0,2 - 4%

• twardość: 50 - 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 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. 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.

Obróbka cieplna siluminów:

Siluminy wieloskładni­kowe zawierające magnez lub miedź, np. AlSi7Mg, AlSi13MglCuNi, 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 AlSi7Mg wzrasta z 160 MPa po odlaniu do 210 MPa po utwardzaniu wydzieleniowym.

1

---