ALUMINIUM I JEGO STOPY
Najbardziej rozpowszechniony pierwiastek metaliczny w skorupie ziemskiej - wyst.
głównie w postaci licznych skaleni i skałach magmowych itp; jednak techniczne zastos. znalazł
boksyt{AlO(OH)}. Al otrzymywuje się met. hydrometalurgiczną, jego własności natomiast
zależą od stopnia jego czystości (rafinowany elektrolit. Al-99.995%).
Własności fizyczne i mechaniczne Al
przew.elektr. gęstość temp.top. typ Rm Re HB A
sieci
[MS/m] [g/cm3] [oC] (12 [MPa] [MPa] [%]
syst.
pślizgu)
37.74 2.7 660 A1 70-120 20-40 15-30 30-45
Zastosowanie Al: przewody elektryczne, do produkcji stopów (lekkich- niskie
Rm/rð),urzÄ…dzeÅ„ dla przemysÅ‚u chemicznego i spożywczego (odporność na dziaÅ‚anie O2
(Al203),Cl2,CO2,HS ) jako odtleniacz do redukcji różnych met. i stopów;oraz w elektrotechnice.
STOPY ALUMINIUM
Techniczne stopy Al - dwuskładnikowe lub wieloskładnikowe - ze względu na sposób
otrzymywania dzielimy na :
·ð - odlewnicze
·ð - do przeróbki plastycznej(Rys.1)
Rys.1. Fragment typowego ukł. równowagii
fazowej stopów Al z zaznaczeniem
zakresów stężęń stopów do przeróbki
plastycznej,umacnianych zgniotowo i
wydzieleniowo,oraz stopów odlewniczych.
Niektóre z nich mogą być stosowane zarówno jako odlewnicze, do p. plastycznej oraz OC
- tzn. utwardzania wydzieleniowego.
Stopy odlewnicze Al:
Zaliczamy stopy (dwu-lub wieloskładnikowe) o dużej zawartości dodatków stopowych-5 do
20%-głównie z - Si,Cu,Mg lub Ni.
Siluminy
Dominującą grupę odlewniczych stopów Al stanowią stopy z Si - stopy te o składzie
zbliżonym do eutektycznego,nazywamy siluminami.W zależności od zawartości Si i dodatków
siluminy dzielimy na:
dwuskładnikowe:
1.podeutektyczne, zawierajÄ…ce od 4 do 10% Si
2.eutektyczne, zawierajÄ…ce od 10 do 13% Si
3.nadeutektyczne, zawierajÄ…ce od 13 do 30%Si.
wieloskładnikowe
Siluminy, przeważnie są wieloskładnikowe - tzn.oprócz Si- zawierają dodatki Cu,
Mg,Mn(Ni); dodatki te umożliwiają znaczne polepszenie ich własności mechanicznych poprzez
OC-utwardzanie wydzieleniowe.
STRUKTURA I MODYFIKACJA SILUMINÓW
Po odlaniu struktura siluminów zawiera grubokrystalicznÄ… fazÄ™ - bð - praktycznie czysty
Si(szczególnie przy wolnym chłodzeniu).Konsekwencją tego jest drastyczny spadek ich
plastyczności.Celem poprawy ich własności , siluminy poddaje się procesowi modyfikacji:
siluminy podeutektyczne i eutektyczne, modyfikuje siÄ™ sodem ,dodawanym w postaci
mieszaniny NaF,NaCl i KCl. Dodatek Na obniża temp. przemiany eutekt. oraz powoduje
przesunięcie punktu eutektycznego do większego stężenia ( w prawo) - do ok.13% Si. Strukturę
takiego stopu stanowi drobnoziarnista eutektyka ( að ð+ð ðbð ð)ð ðz wydzieleniami drobnymi fazy-ð ðað.ð ð
ð
ð
ð siluminy nadeutektyczne, (duże wydzielenia bð ð{ðSi}ð,ð modyfikuje siÄ™ fosforem ,który
tworzy dyspersyjne czÄ…stki AlP-stajÄ…ce siÄ™ heterogencznymi zarodkami krystalizacji czÄ…stek
fazy bð{Si}- w wyniku czego otrzymywuje siÄ™ w temp. otocznia drobnokrystalicznÄ… eutektykÄ™
(að ð+ðbð)ð ðoraz ðdrobne wydzielenia czÄ…stek fazy ð-ð ðbð{ðSi}ðo dużej dyspersji.
EFEKTEM MODYFIKACJI SILUMINÓW JEST WZROST ICH WłASNOŚCI
MECHANICZNYCH np: SlLUMIN EUTEKTYCZNY
Własność przed po
mechaniczna modyfikacjÄ… modyfikacj
i
Rm [MPa] 110 250
A10 [%] 0,1 7
zastosowanie siluminów - siluminy eutektyczne i nadeutektyczne wykazujące wysoką
żarowytrzymałość są stosowane na wysokoobciążone tłoki silników spalinowych.
Z siluminów podeutektycznych wytwarza się silnie obciążone części dla przemysłu
okrętowego i elektrycznego, pracującego w podwyższonej temperaturze i w H2O morskiej.
Wieloskładnikowe stopy Al z Si są stosowane m.in. na głowice silników spalinowych
oraz inne odlewy w przemyśle samochodowym.
STOPY Al PRZERABIALNE PLASTYCZNIE
Można je podzielić ze względu na podatność do OC na:
1. nie obrabialne cieplnie (wydzieleniowo)
2. obrabialnie cieplnie ( wydzieleniowo)
ad.1Stanowią je stopy Al o niedużej ilości dodatków stopowych(<5%),przeważnie
jednofazowe o budowie r-ru staÅ‚ego að,ðprzez co charakteryzujÄ… siÄ™ dużą ciÄ…gliwoÅ›ciÄ… w temp.
otoczenia i odpornością na niektóre ośrodki korozyjne.
np.Stopy z ukł. Al -Mg (2-5%) z dodatkami (Si,Mn i Cr ) zwane hydronaliami
(npAlMg1,AlMg1SiMn),
oraz stopy z ukł. AlMn(<2%) np.AlMn1 zwany alumanem.
Zastosowanie na średnio obciążone elementy w przemyśle okrętowym i lotniczym oraz w
urządzeniach przemysłu spożywczego i chemicznego
ad.2 Są to stopy wieloskładnikowe - zwane duralami - oparte na ukł. równowagii:
Al-Cu(3-5%) z dodatkami Mg i Mn zwane duralamin miedziowymi,
Al-Mg(<1,5%) z dodatkami Si(aldrey) i Mn(anticorodal),
Al-Si (ok.1%) z dodt. Cu (avia),
Al-Zn(5-7%) z dodatkamiCu,Mn,Mg i Cr zwane duralami cynkowymi.
Obróka cieplna durali polega na wyżarzaniu rekrystalizującym po zgniocie i utwardzaniu
wydzieleniowym.Durale po OC mają wysokie własności mechaniczne-Rys.2(Durale Zn po OC:
Rm ok. 700MPa, A10 - 12%, czyli własności zbliżone do stali SSPW).
Rys.2. Zależność stosunku naprężeń
rozciągających do ciężaruwłaściwego
od wydłużenia dla stali i stopow
Główne ich zastosowanie w przemyśle lotniczym i samochodowym oraz na elementy
maszyn i taboru kolejowego.
Obróka cieplna durali - utwardzanie wydzieleniowe
(na przkładzie stopów z układu Al - Cu {do ok. 5%}
1- podstawą dla przeprowadzenia procesu utwardzania wydzieleniowego jest występowanie
zmiennej (granicznej) rozpuszczalności składnika stopowego, w stanie stałym
2 - proces składa się z dwóch zabiegów : przesycania i starzenia
3 - Przesycanie polega na:
- nagrzaniu stopu(<5.65%Cu) do temp.>linii granicznej rozp. w stanie stałym.(solvus)
Rys.3
Rys.3 Fragment układu
równowagiAl - Cu
- wygrzaniu w tej temperaturze
- gwałtownym chłodzeniu(H2O lub powietrze) zawsze z szybkością > niż rozpad fazy K
(przesunięcie obszaru jednofazowego do temp. otoczenia - równowaga metastabilna)
4 - starzenie ma na celu :
- wydzielenie przsyconego składnika(Cu)z roztworu stałego K w odpowiednim st.
dyspersji
- starzenie może przebiegać samorzutnie (w temp. otoczenia) lub sztucznie (w temp. linii solvus)
- konsekwencją tego zabiegu jest wzrost własności wytrzymałościowych stopu - w
wyniku zmian zachodzÄ…cych po przesyceniu w jego strukturze
- uzyskiwany efekt jest funkcją temp. i czasu starzenia; im temp.procesu jest wyższa
tym efekt uzyskiwany jest wcześniej, niemniej jednak jest on zawsze niższy od
otrzymywanego w niższych temperaturach-Rys. 4
Rys. 4.Kinetyka procesu starzenia stopu Al. Z dodatkiem 4%Cu
ETAPY I MECHANIZM STARZENIA DURALI
( na przykł stopu AlCu4)
w stopie tym występują cztery różnego rodzaju wydzielenia :
Strefy GP ®ð ðJð  ®ð ðJð ®ð ðJð
I.etap - wydzielenie :strefy GP1 (Guiner-Prestona) - miejsca wzbogacone w Cu,powstajÄ… jako
pierwsze wydzielenie(temp. ok1000C) w kształcie dysków o grubości 1-2 śr. atm. i śr. ok.25ś
.
Strefy te sÄ… koherentne i Ä™ðÄ™ðdo pÅ‚{100} osnowy (sÄ… metastabilne ponieważ rozp. siÄ™ w temp.
ok.2100C)
II.etap - wydzielenie : Jð  (dawniej GP2),powstaje jako drugie wydz. w temp ok. 1300C, ma
kształt płytek (o gr. ok 25 ś
i śr. ok. 150 ś
) koherentne i Ä™ðÄ™ð do pÅ‚. {100} osnowy.Pod koniec
tego etapu starzenia następuje utrata idalnej koherentności pomiędzy wydzieleniami a
osnową(tetragpnalne zniekształcenie w kier. c)
III.etap - wydzielenie : Jð powstaje w temp>1300C - zawsze nieco póz
niej niz
Jð  - o strukturze
częściowo tetragonalnej i częściowo koherentnej oraz Ä™ðÄ™ð ðdo pÅ‚.ð{ð1ð0ð0ð}ð ðosnowy
IV.etap - faza : Jð powstaje w temp.>2000C, przez przeksztaÅ‚cenie Jð do równowagowej fazy -
CuAl2 - wydzielonej w postaci płytek o budowie tetragonalnej,których płaszczyzny {100} są
Ä™ðÄ™ð ðdo pÅ‚aszczyzn {100} osnowy.
Efekt starzenia i odpowiadające im mechanizmy umocnienia duralu (dla poszczególnych
jego etapów) - przestawiono schematycznie na Rys.5
Rys.5.Wzajemne nakładanie
się mechanizmów utwardzania
wydzieleniowego
prowadzÄ…cego do wystÄ…pienia
kolejnych stadiów na wykresie
zmian twardości od czasu
starzenia
 Z danych zawartych na tym rysunku wynika,że maksymalne umocnienie duralu ma
miejsce dla poÅ›redniego stadium wydz. Jð (lubJð  )utrata koherentnoÅ›ci - i koniecznoÅ›ci w
zwązku z tym podczas odkształcenia wzrostu naprężenia,celem jego ścięcia przez
dyslokację(tzw. efekt przecinania) lub koniecznością przejścia dyslokacji na inną
płaszczyznę,przecinającą pł. poślizgu.
Spadek umocnienia tzw. efekt przestarzenia (długotrwałe starzenie w temp.>2000C IV
etap),wynika ze zmiany mechanizmu odkształcenia- tzw. mechanizm Orowana-Rys.6.
Rys.6 Mechanizm Orowana dla dyslokacji przechodzÄ…cych przez szereg czÄ…stek dyspersyjnych