Stopy aluminium.doc

Aluminium

Aluminium (glin) krystalizuje w sieci A1 (fcc), dlatego jest bardzo plastyczny, ma parametr sieci a=0,40408 nm, temperaturę topnienia 660,4°C; temperaturę wrzenia 2060°C oraz niską gęstość – 2,7 g/cm3 (3 razy mniejsza niż żelazo) i zalicza się do metali lekkich. Dzięki niskiej gęstości oraz bogatemu występowaniu w przyrodzie (ok. 7%) jest powszechnie stosowany i jest bardzo ważnym metalem zwłaszcza w lotnictwie i transporcie.

Aluminium dobrze przewodzi ciepło i prąd elektryczny, dlatego jest stosowany na przewody elektryczne. Ma wysoką energię błędu ułożenia 200-250mJ/m2. Na powietrzu pokrywa się cienką warstwą Al2O3, która chroni je przed dalszym utlenianiem. Jest także odporne na działanie wody, H2CO3, H2S oraz wielu kwasów organicznych i związków azotowych.

Aluminum nie jest odporne na działanie wodorotlenków (np. NaOH, KOH), kwasów beztlenowych (HF, HCl), wody morskiej i jonów rtęci.

Właściwości mechaniczne czystego wyżarzonego aluminium:

Wytrzymałość                                           Rm=70-120MPa,

Granica plastyczności                            Re=20-40MPa,

Wydłużenie                                                        A10=30-45%,

Przewężenie                                          Z=80-95%,

Twardość                                                        15-30HB (możliwość umocnienia przez zgniot)

Wytwarza się aluminium o różnej czystości, zgodnie z normami:

PN-EN 573:1998

PN-EN 576:1998

Najczystszy gatunek: EN AW-Al99,99 jest używany przy wytwarzaniu aparatury chemicznej i folii kondensatorowych

Gatunek AW-Al99,8 stosuje się na folie, powłoki kablowe i do platerowania

Gatunek AW-Al99,5 na przewody elektryczne

Gatunek AW-Al99 na wyroby codziennego użytku

Najczęstsze zanieczyszczenia aluminium to: Fe, Si, Cu, Zn, Ti

Obniżają one plastyczność i przewodnictwo elektryczne, natomiast zwiększają twardość i wytrzymałość.

Aluminium można przerabiać plastycznie poprzez:

- walcowanie (blachy i folie),

- wyciskanie (pręty, rury, drut, kształtowniki)

Obróbkę plastyczną można przeprowadzać na zimno lub na gorąco (450°C).

Aluminium ma duże powinowactwo do tlenu, stąd jest stosowane w aluminotermii oraz do odtleniania stali. Jest ponadto stosowane w przemyśle spożywczym oraz do aluminiowania dyfuzyjnego stali.

Stopy aluminium

Ze względu na niskie własności wytrzymałościowe aluminium, stosuje się stopy, które po odpowiedniej obróbce cieplej mają wytrzymałość nawet kilkakrotnie większą. Rys. 1. przedstawia wpływ niektórych pierwiastków na wytrzymałość stopów aluminium.

Atrakcyjność aluminium wynika między innymi z następujących względów:

- wysokiego stosunku wytrzymałości do masy właściwej, który jest większy niż dla stali,

- udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki czemu w niskich temperaturach udarność tych stopów jest wyższa niż stali.

Wada: niska wytrzymałość zmęczeniowa

Stopy aluminium dzielą się na:

1.     Odlewnicze                                                         (PN-EN 1706:2000).
Stopy odlewnicze to najczęściej stopy wieloskładnikowe o większej zawartości składników stopowych (5-25%), np. z krzemem – siluminy; z krzemem i magnezem; z krzemem, miedzią, magnezem i manganem itp.
Cechy stopów odlewniczych to dobra lejność i mały skurcz odlewniczy.
 

2.     Do przeróbki plastycznej              (PN-EN 1706:2000).
Stopy do przeróbki plastycznej zawierają zwykle niższe ilości pierwiastków stopowych, głównie miedź (do 5%), magnez (do 6%) i mangan (do 1,5%). Inne, rzadziej spotykane dodatki to krzem, cynk, nikiel, chrom, tytan, lit.
Niektóre stopy aluminium można obrabiać cieplnie poprzez utwardzanie wydzieleniowe, po którym właściwości wytrzymałościowe tych stopów dorównują niektórym stalom.

Niektóre stopy nadają się zarówno do odlewania jak i do obróbki plastycznej.

Stopy odlewnicze. Są odlewane w formach piaskowych, kokilach lub jakoodlewy ciśnieniowe. Odlewa się zwykle elementy o złożonych kształtach. Mają onejednak własności mechaniczne gorsze niż po obróbce plastycznej.

S i l u m i n y. Są to typowe stopy odlewnicze aluminium z krzemem (np. AlSi11). Aluminium tworzy z krzemem układ eutektyczny z ograniczoną rozpuszczalnością krzemu (1,65% w temp. 577°C) i bardzo małą rozpuszczalnością aluminium w krzemie (rys. 2). 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. 3), co prowadzi do znacznego obniżenia własności mechanicznych stopu. Można temu zapobiec przez modyfikację, która polega na wprowadzeniu do ciekłego stopu dodatków zwanych 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%). Dzięki temu stopy, które normalnie są nadeutektyczne, krzepną jako podeutektyczne z dendrytycznymi wydzieleniami roztworu a (ubogiego w Si) na tle drobnoziarnistej eutektyki (rys. 4). W wyniku modyfikacji Rm rośnie z ok. 110 do 250 MPa, A5 z ok. 1 do ok. 8%.

Siluminy nadeutektyczne modyfikuje się za pomocą fosforu. Tworzy on związek AlP, 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% masy stopu. Modyfikacja taka pozwala na ponowne jego przetopienie bez utraty efektów poprzedniej modyfikacji.

Siluminy mogą zawierać dodatki pierwiastków stopowych, jak miedź, magnez, 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. 1% 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 AI-Cu, np. AlCu10. Ich struktura składa się z eutektyki w-CuAl2 rozłożonej na granicach dendrytów roztworu stałego w. 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. AlMg10) cechują się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi i plastycznymi (Rm = 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. Skład i własności niektórych wielo-składnikowych stopów odlewniczych podano w tablicy 1.

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.

Tablica 1. Wybrane stopy odlewnicze aluminium (wg PN-EN 1706:2001)