8

16.        ALUMINIUM l JEGO STOPY

16.1.           Właściwości i zastosowanie aluminium

Aluminium jest metalem barwy srebrzystobiałej, bardzo miękkim i plastycznym. Ciężar właściwy aluminium wynosi tylko 26,5 kN/m3, tj. około trzykrotnie mniej od żelaza. Jest to bardzo ważna właściwość, powodująca, że aluminium stosuje się wszędzie tam, gdzie potrzebne są lekkie materiały konstrukcyjne (przemysł lotniczy, okrętowy, budowa silników i karoserii pojazdów). Aluminium odmian alotropowych nie ma. Wykazuje dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne (przewodnictwo elektryczne alumi­nium stanowi 66% przewodnictwa elektrycznego miedzi). Aluminium jest odporne na działanie atmosferyczne, kwasów tlenowych, a także suchych gazów jak amoniak, chlor, dwutlenek węgla, dwutlenek siarki. Nie jest natomiast odporne na wodorotlenek sodo­wy, potasowy, wapniowy, kwasy beztlenowe oraz związki siarki. Odporność chemiczna aluminium na działanie ośrodków tlenowych tłumaczy się tym, że mając duże powinowa­ctwo do tlenu, aluminium utlenia się powierzchniowo. Wytworzona w ten sposób warstewka tlenku jest szczelna i silnie przylegająca, tak że nie przepuszcza gazów w głąb metalu, chroniąc go przed korozją. Ta warstewka tlenku jest ponadto przezroczysta, co powoduje, że aluminium zachowuje swój metaliczny kolor. Aluminium przy zastosowa­niu odpowiedniej techniki dobrze się spawa.

Ze względu na te właściwości aluminium ma duże zastosowanie w przemyśle chemicznym do budowy aparatury, w przemyśle chemiczno-spożywczym i naczyniowym. Szerokie zastosowanie znajduje folia aluminiowa na opakowania środków spożywczych oraz do produkcji kondensatorów. Dzięki dobremu przewodnictwu elektrycznemu oraz izolacyjnemu charakterowi tlenku glinu znalazło aluminium szerokie zastosowanie w przemyśle elektrotechnicznym. Z uwagi na duże powinowactwo z tlenem aluminium służy do redukcji metali z ich tlenków, która to metoda nosi w metalurgii nazwę aluminotermii, oraz służy przy wytopie stali jako odtleniacz.

Do zasadniczych zanieczyszczeń występujących w technicznym aluminium należą żelazo i krzem pochodzące z procesu metalurgicznego. W zależności od zawartości zanieczyszczeń rozróżnia się aluminium hutnicze rafinowane (ARl, AR2) oraz alumi­nium hutnicze (A00, A0, Al, A2). Gatunki produkowanego u nas aluminium wraz z ich zastosowaniem według PN-79/H-82160 podano w tabl. 16.1. Właściwości mechaniczne hutniczego aluminium w różnych stanach umocnienia podano w tabl. 16.2.

Tablica   16.1 Gatunki aluminium do przeróbki plastycznej wg PN-79/H-82160

Tablica   16.2 Właściwości mechaniczne aluminium gatunku 99,5 w różnych stanach umocnienia

16.2.           Ogólne wiadomości o stopach aluminium

Niskie właściwości mechaniczne czystego aluminium ograniczają zastosowanie tego metalu jako materiału konstrukcyjnego. Przez stopienie jednak aluminium z niektórymi składnikami otrzymuje się bardzo cenne stopy o znacznie wyższych właściwościach wytrzymałościowych i dobrych właściwościach plastycznych. Stopy te noszą nazwę stopów lekkich.

Do najczęściej spotykanych składników stopowych w stopach aluminium należą: miedź, krzem, magnez, mangan, cynk (stanowią one podstawę stopów podwójnych i przeważającej liczby stopów potrójnych). Większość dodatków stopowych tworzy twarde i kruche fazy międzymetaliczne bądź z aluminium, bądź też z innymi składnikami stopu. Praktycznie więc biorąc, wszystkie stopy aluminium w stanie odlanym, mają miękką i plastyczną osnowę, którą stanowią kryształy roztworu stałego dodatków stopowych w aluminium. Na ich granicy występują utwardzające dodatki stopowe w formie eutektyki lub wolnych faz międzymetalicznych. Opracowano bardzo dużą liczbę stopów aluminium. Z uwagi na ich przeróbkę można je podzielić na:

1)              stopy odlewnicze, które mogą być stosowane tylko w stanie odlanym,

2)              stopy przerabialne plastycznie, które mogą być stosowane tylko w stanie przero­bionym plastycznie.

Granicę pomiędzy tymi stopami stanowi maksymalna rozpuszczalność składnika stopowego w aluminium w temperaturze eutektycznej (rys. 16.1). Stopy, które po nagrzaniu mają jednofazową strukturę roztworu stałego, są bardzo plastyczne i można je łatwo kuć, walcować czy też wyciskać. Należą więc one do grupy stopów przerabialnych plastycznie.

Rys. 16.1. Rozgraniczenie stopów przerabialnych pla­stycznie (zakres a) i stopów odlewniczych (zakres b)
a1 — stopy nieobrabialne cieplnie, a2 — stopy obrabialne cieplnie

Stopy, w których zawartość składników przekracza ich graniczną rozpuszczalność w aluminium, zawierają w swej strukturze eutektykę; są one skutkiem tego mało plastyczne i należą do stopów odlewniczych. Podział ten nie jest jednak zupełnie ścisły i istnieją stopy, które mogą być zarówno odlewane, jak i przerabiane plastycznie. Stopy aluminium nie mają na ogół dobrych właściwości wytrzymałościowych. Można je nadać tym stopom, poddając je zabiegom utwardzania dyspersyjnego.

16.3.           Ważniejsze układy równowagi

Jakkolwiek stopy aluminium są najczęściej wieloskładnikowe i poza zasadniczym dodatkiem stopowym zawierają jeszcze i inne pierwiastki, jednak z uwagi na ich niewielką zawartość, właściwości prostych podwójnych układów zostają do pewnego stopnia zachowane. Dlatego też konieczna jest znajomość podstawowych układów podwójnych aluminium z najczęściej stosowanymi dodatkami stopowymi jak z krzemem, miedzią, magnezem i cynkiem.

Układ aluminium-krzem. Krzem tworzy z aluminium prosty układ z eutektyką o zawartości 11,6% Si w temperaturze 577°C (rys. 16.2). Eutektyką ta jest złożona z kryształów roztworu stałego krzemu w aluminium (α) oraz kryształów krzemu. Graniczna rozpuszczalność krzemu w aluminium wynosząca w temperaturze eutektycz­nej 1,65% w miarę obniżania temperatury maleje, osiągając wartości 0,05% w temperaturze 300°C. Aluminium w krzemie praktycznie nie rozpuszcza się, tak że po stronie krzemu zakres roztworu stałego nie występuje.

Rys. 16.2. Uktad równowagi fazowej aluminium-krzem

Układ aluminium-miedź. Technicznie istotna dla stopów lekkich cześć układu równo­wagi aluminium-miedź pomiędzy aluminium a fazą międzymetaliczną Al2Cu (faza ) przedstawiona jest na rys. 16.3. W tym zakresie występuje w temperaturze 548°C eutektyka o zawartości 33% Cu. Składa się ona z kryształów roztworu stałego miedzi w aluminium () oraz związku międzymetalicznego Al2Cu (faza ). Zawartość miedzi w kryształach roztworu stałego wynosząca w temperaturze eutektycznej 5,7% w miarę obniżania temperatury maleje, osiągając 0,5% w temperaturze 300°C. Faza między­metaliczna odpowiadająca wzorowi stechiometrycznemu Al2Cu zawiera 53,5% miedzi. Może ona jednak rozpuszczać w sobie aluminium i z tego względu jej skład chemiczny waha się w granicach 1% Al.

...