Stopy lekkie

CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest poznanie metali lekkich i ich stopów, zapoznanie się. z ich właściwościami, zastosowaniem, strukturami i obróbką cieplną.

NIEZBĘDNE WIADOMOŚCI Metale lekkie

Do lekkich zalicza się metale o malej gęstości, parokrotnie mniejszej niż gęstość żelaza. Należą do nich aluminium, beryl, magnez i lit. Największe zastosowanie znalazły stopy na bazie aluminium i magnezu.

Aluminium, jego właściwości i zastosowanie

Aluminium jest metalem krystalizującym w układzie regularnym ściennie cen­trowanym (typu AI) o dosyć niskiej temperaturze topnienia, wynoszącej 660°C. Gę­stość aluminium jest trzykrotnie mniejsza niż żelaza i wynosi 2,7 Mg/m' Właściwo­ści wytrzymałościowe czystego aluminium są niewielkie, ale ma ono dobre właści­wości plastyczne: granica plastyczności R_c osiąga około 35 MPa. wytrzymałość na rozciąganie R_m około 110 MPa, twardość do 25 HB, wydłużenie A\₀ około 45% i przewężenie Z około 95%. W wyniku 50-proccntowego 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 \varst\vy tlenku Al_:Oj. Warstwa ta, nierozpuszczalna w wodzie, nic 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 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 (fluorowowodorowcgo i solnego).

Zastosowanie aluminium zależy od jego czystości. W normie PN-79/H-82160 rozróżnia się 8 gatunków aluminium o różnej czystości. Najczystsze gatunki uzy­skane dzięki rafinacji - o czystości 99,99 i 99,95% (oznaczane AR l i AR2) - sto­suje się do budowy specjalnej aparatury chemicznej, na wyroby elektrotechniczne i elektroniczne. Aluminium hutnicze o czystości 99,8 i 99,7 (cecha AOO 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 A l i A2) Ze specjalnych gatunków AOE i A1E o czystości 99,7 i 99,5% wykonuje się przewody elektryczne.

Oznaczenie gatunków aluminium według normy PN-EN-573 jest zgodne z ozna­czeniami stosowanymi w Unii Europejskiej i składa się z liter EN AW i czterech cyfr Litera A oznacza podstawowy składnik, którym jest aluminium, W oznacza materiał do przeróbki plastycznej. Pierwszą cyfrą jest l, oznacza ona czyste alumi­nium, t/n. minimum 99,00% Al, dwie ostatnie określają czystość i odpowiadają pierwszym dwóm cyfrom po przecinku 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 - l 100 [Al 99,OCu).

Magnez, jago właściwości i zastosowanie

Magnez jest metalem lżejszym od aluminium Jego gęstość wynosi 1,74 Mg/m³. Krystalizuje w układzie heksagonalnym zwartym. Temperatura topnienia i właści­wości wytrzymałościowe magnezu są prawic 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 lekkie

Stopy aluminium do obróbki plastycznej

Głównym dodatkiem stopowym 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 zwiększają właściwości wytrzymało­ściowe 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

Według normy PN-79/H-88026 stopy aluminium do obróbki plastycznej oznacza się literami PA i liczbą, która określa gatunek stopu Natomiast w nowej normie PN-HN 573 oznacza się te stopy zgodnie z normami europejskimi Oznaczenie skła­da się, 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 - 2\xx, z manganem - 3xxx, z krzemem -4xxx, •/. magnezem - 5xxx, /, magnezem i krzemem - 6xxx, z cynkiem - 7xxx, z in­nymi dodatkami - 8.\xx Druga cyfra wskazuje na wersję stopu: O - 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.

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 są handlowymi nazwami stopów aluminium z miedzią. Nazwa pochodzi od francuskiego słowa dur, które znaczy twardy. Duraluminium jest zatem „twardym aluminium". 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%). Według dotychczasowych oznaczeń były to stopy od PA6 do PAS i od PA21 do PA25, według nowych - stopy z serii 2xxx.

Najpopularniejszym dura-luminium jest [AlCu4 Mgl], oznaczone jako PA6, zawie­rające od 3,8 do 4,8% miedzi, do 1,1% magnezu i do 1,0% manganu.

Rys. 7. l. Uldad równowagi aluminium - miedź

Zgodnie z układem równo­wagi Al - Cu (rys. 7.1) stop ten ma strukturę roztworu sta­łego a miedzi w aluminium oraz fazy 0, 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 O, l % w temperaturze 20°C. Ze względu na tę minimalną roz­puszczalność miedzi roztwór a ma właściwie takie same wła­ściwości jak czyste aluminium, wydzielenia fazy O 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 diimluminium

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 (rys. 7.2). 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 chlodze-

nią nie pozwala na wydzielenie się fazy międzymetalicznej 0 i cała miedź pozostaje w roztworze stałym a. Roztwór taki nazywa się roztworem przesyconym, czyli za­wierającym więcej pierwiastka rozpuszczonego, niż jest to możliwe w warunkach równowagi. Stabilność roztworu przesyconego zależy od temperatur)', 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 9, tzn. jest miękki i plastyczny. Stąd duraluminium bezpośrednio po przesyceniu jest obrabialne plastycznie na zimno -można je kształtować plastycznie, np. nitować.

Czas

Rys. 7.2. Schemat zjilian struktury w stopie Al - Cu na skutek prasycania i starzenia

Przesycony roztwór a 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 o, c/.yli stref przedwydzielcniowych, tzw. stref G-P (Guinicr-Preston), z których następnie powstają wydzielenia faz nierównowagowych pośrednich, kolejno 6" \ 0\ oraz w odpowiednio wysokiej temperaturze fazy równowagowej 0 (CuAl₂). 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 (patrz ćwiczenie 11). 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 (rys. 7.3).

Starzenie może przebiegać samoistnie, czyli w temperaturze pokojowej. Zwane jest wtedy starzeniem samorzutnym Strukturą stopu po trwającym kilka dni starze-

Rys 7.3. Wpływ temperatury i czasu starzenia na wytrzymałość na ro/.ciaj;anie przesyconego duraluimnium

niu jest roztwór stały a /, wydzieleniami stref G-P. Star/cnic 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 wlały do 115 HB.

Dla przyspieszenia starzenia stosuje się wygrzewanie w temperaturze około 1o()°C w c/asic <xl kilku do kilkunastu god/in. Przyspieszone star/.cnic jcsl na/.ywa-ne starzeniem sztucznym. Po starzeniu sztucznym uzyskuje się mniejszą wytrzyma­łość - 400 MPa. Jest to spowodowane pojawieniem się zamiast stref G-P wydzieleń faz przejściowych O" i O', które w mniejszym stopniu umacniają stop. Długotrwale przetrzymywanie duraluminium w temperaturze powyżej 200°C prowadzi do przc-stnrzenia, związanego z wydzieleniem się fazy równowagowej 6> (CuAl₂) i jej ko­agulacją (koagulacja jest to rozrost wydzieleń). Uzyskuje się wtedy trwale zmięk­czenie stopu, a wytrzymałość na rozciąganie wynosi około 210 MPa. Stop po prze-starzeiiiu jest miękki; można go obrabiać plastycznie na zimno.

Odlewnicze stopy aluminium

Do typowych stopów odlewniczych należą sikiminy Siluminy są to stopy alumi­nium z krzemem i ewentualnie z dodatkiem magnezu, manganu, miedzi i niklu. Są to więc stopy z serii 4xxx według PN-EN 573. Według PN-76/H-88027 siluminy oznacza się literami AK (A - aluminium, K - krzem) i liczbą wskazującą na pro­centową 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 zawiera się w granicach od 160 do 300 MPa przy bardzo małym wydłużeniu A_s = 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 (rys. 7.4) można podzielić na trzy grupy:

- podeutcktycznc 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;

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

Rys. 7.4. Układ równowagi aluminium - krzem

Rys. 7.6. Wpływ modyfikowania na układ równowagi alumi­nium - krzem

Podział ten oparto na strukturze siluminów wynikającej z układu równowagi Al -S i. 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. Rozpuszczalność krzemu w aluminium jest niewielka i zmniejsza się wraz z tempe­raturą od 1,65% w temperaturze eutektycznej do 0,05% w 200°C. W siluminie na-deutcktycznym na tle cutektyki, pomiędzy iglastymi kryształami krzemu, występują dodatkowo pierwotne kryształy Si w formie dużych, ostrokątnych wicloboków (rys. 7.5). Obecność dużych, ostrych kryształów krzemu wpływa na dużą kruchość silu-

Rys. 7.5. Struktura siluminu nadeulektycznego AK 20 - wiclobocznc szare kryształy pierwotne Si

na tle cutektyki składającej się ?. szarych igieł Si i jasnego roztworu a

(trawiono 2% NaOH, pow. 400x)

W celu poprawienia właściwości wytrzymałościowych i plastycznych siluminów dokonuje się ich modyfikacji Stosuje sieją głównie do stopów cutcktycznych i na-deutektycznych. Do ciekłego stopu o temperaturze wyższej od temperatury odlewa­nia dodaje się modyfikatory powodujące rozdrobnienie struktury i zaokrąglenie kryształów krzemu. Modyfikatory zmieniają też układ równowagi Al - Si (rys. 7.6), obniżaiąc temperaturę cutcktyczną, i przesuwają punkt cutcktyczny do większej za­wartości krzemu (około"14%).

Modyfikowane stopy eu-tcktyczne po zakrzepnięciu mają strukturę drobnoziarni­stej eutektyki złożonej z roz­tworu stałego a i zaokrąglo­nych wydzieleń krzemu oraz dendrytów roztworu a (rys. 7.7). Stop taki staje się sto­pem podeutektycznym, jego właściwości plastyczne ule­gają poprawie, np. wydłuże­nie A 5 zwiększa się do 8%, a równocześnie wzrasta poziom właściwości wytrzymałościo­wych.

Siluminy wieloskładni­kowe zawierające magnez lub miedź, np. AlSi7Mg, AlSiBMglCuNi, w celu zwiększenia wytrzymałości

Rys. 7.7. Struktura siluminu modyfikowanego AK 11 -jasne wydzielenia roztworu Ot na lic drobnoziarnistej cutektyki n + Si (trawiono 2% NaOH, pnw. 75x)

poddaje się; utwardzaniu wydzieleniowemu: przesyca się 7. temperatury 500 - 530°C w wodzie i star/y w czasie 24 h w tempera tur/c 20()°C. Wytrzymałość na rozciąga­nie siluminu AlSi7Mg 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. Staiktura stopów o większej zawartości miedzi (powyżej 5,7%) składa się z eutek-tyki a+ CuAl₂ na tle roztworu stałego a miedzi w aluminium. Stopy te mają dobrą lejność, można zwiększyć ich właściwości wytrzymałościowe przez utwardzanie \vydzicleniowe. 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 1')% (w tempera­turze 450°C) i zmniejsza się do 2% w temperaturze pokojowej, co prowadzi do wy­dzielania fazy AluMgj. Dzięki tak dużej różnicy rozpuszczalności uzyskuje się silny ctckl umocnienia dyspersyjnego.

---