Aluminium i stopy aluminium - Notatki - Materiałoznastwo, Notatki'z Materiałoznastwo. Warsaw University of Technology
mellow_99
mellow_9914 March 2013

Aluminium i stopy aluminium - Notatki - Materiałoznastwo, Notatki'z Materiałoznastwo. Warsaw University of Technology

PDF (632.9 KB)
14 strona
2Liczba pobrań
784Liczba odwiedzin
Opis
W notatkach omawiane zostają zagadnienia z materiałoznastwa: aluminium i stopy aluminium; orientacyjne własności i przykłady zastosowania specjalnych stopów miedzi do przeróbki plastycznej.
20punkty
Punkty pobierania niezbędne do pobrania
tego dokumentu
Pobierz dokument
Podgląd3 strony / 14
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
materialoznawstwo-_skrypt cz4.pdf

156 JW

Tablica 8.12 Orientacyjne w asno!ci i przyk ady zastosowania specjalnych stopów miedzi do

przeróbki plastycznej (wg PN-92/H-87060)

Cecha Orientacyjne w!asno$ci Przyk!ady zastosowania

BK1 $ruby, szczególnie w $rodowisku morskim

BK31

wysokie w!asno$ci wytrzyma!o$ciowe, du"a odporno$( na korozj , dobra podatno$( na przeróbk plastyczn# na zimno; BK31 - du"a podatno$( na spawanie

elementy konstrukcji

spawanych

BB1,7

BB2

BB21

BC2

bardzo wysokie w!asno$ci wytrzyma!o$ciowe i spr "yste, bardzo du"a odporno$( na $cieranie i korozj , brak sk!onno$ci do iskrzenia, $rednie przewodnictwo elektryczne, podatno$( na przeróbk plastyczn# na zimno, szczególnie w stanie przesyconym; BB21 - podwy"szona skrawalno$(

spr "yny, elementy spr "ynuj#ce i nara"one na $cieranie, narz dzia nieiskrz#ce

BN2

wysokie w!asno$ci wytrzyma!o$ciowe, $rednie przewodnictwo elektryczne, podatno$( na przeróbk plastyczn# na zimno

$ruby, osprz t

Stopy oporowe miedzi s# stopami z niklem (do 41%), cynkiem (do 28%), manganem (do 13%), aluminium (do 3,6%) i "elazem (do 1,5%). Charakteryzuj# si stosukowo wysokim oporem elektrycznym (rezystywno$ci#) i ma!ym wspó!czynnikiem cieplnym oporu oraz stabilno$ci# obu tych w!asno$ci, dzi ki czemu s# stosowane do wyrobu elektrycznych oporników pomiarowych i rozruszników. Stopy te maj# struktur jednofazow#. Najbardziej znane, to omówione wy"ej konstantan, nikielina, manganin i nowe srebro (27% Zn, 18% Ni) oraz inmet albo nowokonstantan (12% Mn, 3% Al, 1% Fe).

9. Aluminium i stopy aluminium

Aluminium jest pierwiastkiem metalicznym, krystalizuj#cym w uk!adzie regularnym p!askocentrycznym Al, o g sto$ci 2,7 g/cm3, temperaturze topnienia 660°C i temperaturze wrzenia 2450°C. Cechuje go dobra przewodno$( cieplna i elektryczna (ta ostatnia wynosi 66% przewodno$ci elektrycznej miedzi), du"y wspó!czynnik rozszerzalno$ci cieplnej (23,6 •10-6 1/°C) i do$( dobra odporno$( na korozj atmosferyczn# (aluminium samorzutnie tworzy na powierzchni cienk#, ale bardzo szczeln# i $ci$le przylegaj#c# warstewk tlenku aluminium, która zabezpiecza go przed dalszym utlenianiem) oraz na dzia!anie wody, niektórych kwasów organicznych. dwutlenku siarki i wielu innych zwi#zków chemicznych.

Zwi kszenie odporno$ci korozyjnej aluminium (a tak"e jego stopów) uzyskuje si przez sztuczne wytwarzanie pow!oki tlenkowej b#d& chemicznie (alodynowanie) b#d& elektrochemi- cznie (eloksalacja). Obecnie proces eloksalacji jest powszechnie stosowany w budownictwie

(blachy os!onowe, ramy okienne i drzwiowe), w przemy$le samochodowym, przy wyrobie naczy% i sprz tu gospodarstwa domowego Warstewka tlenków Al2O3 ma grubo$( 5 "30 $m, a jej porowato$( umo"liwia barwienie na dowolny kolor.

9.1. Aluminium technicznie czyste

Zawiera 0,01-1,0% zanieczyszcze% (g!ównie "elazo, krzem, mied&, cynk i tytan. w mniejszych ilo$ciach Mg, Mn, Cr, V, Pb i Ni), zale"nie od sposobu oczyszczania. W Polsce, zgodnie z PN-79/H-82160, produkowane s# dwa rodzaje aluminium technicznie czystego: rafinowane, o zawarto$ci 99,995, 99,9 oraz 99,95% Al, i hutnicze, o zawarto$ci 99,8, 99,7, 99,5 i 99,0% Al. Aluminium rafinowane stosuje si przede wszystkim do budowy specjalnej aparatury chemicznej oraz na wyroby dla elektrotechniki i elektroniki, aluminium hutnicze - do produkcji

kabli i przewodów elektrycznych, do platerowania, budowy aparatury chemicznej, farb i

produkcji stopów aluminium. Ostatni gatunek aluminium hutniczego s!u"y ponadto do wyrobu

docsity.com

157 JW

naczy% kuchennych i przedmiotów codziennego u"ytku. Przyk!ady oznaczania gatunków aluminium technicznego: Al 99,99 R (rafinowane), Al 99,8 H (hutnicze), 99,7 HE (hutnicze dla

elektrotechniki).

Aluminium technicznie czyste jest metalem bardzo plastycznym, ale ma niewielk# wytrzyma!o$(, w zwi#zku z czym jego zastosowanie w budowie maszyn jest bardzoograniczone.

9.2. Stopy aluminium

Stopy aluminium s# obecnie po stopach "elaza najbardziej rozpowszechnionymi materia!ami konstrukcyjnymi, znajduj#cymi zastosowanie we wszystkich ga! ziach przemys!u. Szczególnie wa"nym tworzywem s# w budowie samolotów i statków ulicznych, przede wszystkim dzi ki wysokim wska&nikom w!asno$ci wytrzyma!o$ciowych odniesionych do g sto$ci (wytrzyma!o$ci w!a$ciwej). Na przyk!ad w samolocie „Caravelle" ró"ne stopy aluminium stanowi# 70% materia!ów konstrukcyjnych, stale - 26%, a inne tworzywa tylko 4%. Ogólnie stopy aluminium dziel# si na stopy odlewnicze i stopy do przeróbki plastycznej. Obie grupy s# w Polsce znormalizowane (tabl. 9.1 i 9.2).

9.2.1. Stopy aluminium odlewnicze

Ta grupa stopów obejmuje 12 znormalizowanych gatunków. Cecha ka"dego stopu sk!ada si z litery A (stop aluminium), z litery K, G lub M (odpowiednio krzemowy, magnezowy lub

miedziowy) oraz liczby okre$laj#cej zawarto$( procentow# g!ównego lub dwóch g!ównych sk!adników stopowych. W$ród odlewniczych stopów aluminium mo"na wyró"ni( stopy dwusk!adnikowe (Al-Si, Al-Cu i Al-Mg) oraz wielosk!adnikowe (Al-Si-Cu, Al-Si-Ms,, Al-Si- Cu-Mg-Ni, Al-Cu-Ni i Al-Cu-Ni-Mg).

Stopy aluminium z krzemem jako g!ównym sk!adnikiem stopowym nosz# nazw siluminów. Pod wzgl dem zawarto$ci krzemu siluminy dziel# si na podeutektyczne 10% Si), eutektyczne (10 "13% Si) i nadeutektyczne (17 " 30% Si).

Tablica 9.1

Sk ad chemiczny i g#sto!$ odlewniczych stopów aluminium (wg PN-76/H-88027)

Sk!ad chemiczny, % (reszta aluminium) Cecha stopu Si Cu Mg Mn inne

G sto$( g/cm3

AK20 20,0-23,0 1,1-1,5 0,5-0,9 0,1-0,3 0,8-1,1 Ni 2,60

AK12 11,5-13,0 0,8-1,5 0,8-1,5 - 0,8-1,3 Ni 2,72

AK11 10,0-13,0 - - - - 2,65

AK9 8,5-10,5 - 0,2-0,4 0,25-0,5 - 2,65

AK7 6,0-8,0 - 0,2-0,4 0,1-0,5 - 2,68

AK64 5,0-7,0 3,0-5,0 - 0,3-0,6 - 2,77

AK52 4,0-6,0 1,5-3,5 0,2-0,8 0,2-0,8 - 2,70

AK51 4,5-5,5 1,0-1,5 0,35-0,6 0,2+0,5 - 2,67

AG10 - - 9,0-11,0 - - 2,55

AG51 0,8-1,3 - 4,0-6,0 0,1-0,4 - 2,60

AM5 - 4,0-5,0 - - - 2,80

AM4 — 4,2-5,0 0,15-0,4 - 0,15-0,30 2,80

docsity.com

158 JW

Tablica 9.2

Sk ad chemiczny i g#sto!$ stopów aluminium do przeróbki plastycznej (wg PN-79/H-88026)

Cecha Sk!ad chemiczny, % (reszta aluminium)* G s

stopu to$(

Cu Mg Mn Si Ni Fe Zn inne g/cm3

PA43 — 0,7"1,2 — - - - 2,69

PA15 - 0,9"1,3 0,4"0,7 - - 0,4+0,7 - - 2,74 PA16 - 0,2"0,8 0,3"0,8 - - - - - 2,72

PA2 - 1,7"2,6 do 0,6 - - - - - 2,68 PA11 - 2,7"3,6 do 0,6 - - - - - 2,66 PA13 - 4,0"4,9 0,4"1,0 - - - - 0,05"0,25 Cr 2,66

PA20 - 4,3"5,8 0,2"0,6 - - - - - 2,64

PA5 - 0,8"1,5 1,0"1,5 - - - - - 2,70

PA1 - - 1,0"1,5 - - - - - 2,73

PA38 - 0,4"0,9 - 0,3"0,7 - - - - 2,69

PA4 - 0,7"1,5 0,2-1,0 0,7"1,5 - - - - 2,70

PA45 0,15"0,4 0,8"1,2 - 0,4"0,8 - - - 0,15"0,35 Cr 2,71 PA10 0,1"0,5 0,45"0,9 0,15"0,3 0,5"1,2 - - - - 2,72

PA6 3,8"4,8 0,4"1,0 0,4"1,0 - - - - - 2,80

PA7 3,8"4,9 1,2"1,8 0,4"0,9 - - - - - 2,77 PA21 3,8"4,5 0,4"0,8 0,4"0,8 - - - - - 2,80

PA23 3,8"4,5 1,2"1,6 0,3"0,7 - - - - - 2,77

PA24 2,0"3,0 0,2"0,5 - - - - - - 2,75

PA25 3,9"4,5 0,15"0,3 0,3"0,5 - - - - - 2,7-7

PA29 1,9"2,5 1,4"1,8 — 0,5"1,2 0,8"1,3 0,8"1,3 - - 2,80

PA30 1,9"2,7 1,2"1,8 - - 0,8"1,4 0,8"1,4 - 0,02"0,10 Ti 2,80

PA31 1,8"2,6 0,4"0,8 0,4"0,8 0,7"1,2 — — - - 2,80

PA33 3,9"4,8 0,4"1,0 0,4"1,0 0,6"1,2 - - - - 2,80

PA9 1,4"2,0 1,8"2,8 0,2"0,6 — — — 5,0"7,0 0,1"0,25 Cr 2,80

PA47 - 1,15"1,4 0,15"0,4 - - - 4,3"5,0 0,1"0,25 Cr 2,75

0,1"0,2 Zr 0,10"0,13 Ti

* Maksymalna ilo$( zanieczyszcze% — 0,15%.

Podstaw# tego podzia!u jest struktura stopów wynikaj#ca z uk!adu równowagi Al-Si (rys. 9.1).Niektóre siluminy oprócz krzemu zawieraj# niewielkie ilo$ci miedzi i magnezu oraz niekiedy niklu, manganu i tytanu.

Stopy aluminium-krzem tworz# eutektyk o zawarto$ci 11,6% Si, z!o"on# z kryszta!ów roztworu sta!ego granicznego a krzemu w aluminium i roztworu sta!ego granicznego ! aluminium w krzemie. W temperaturze eutektycznej (577°C) rozpuszczalno$( krzemu w aluminium wynosi 1,65%, w temperaturze 300°C ok. 0,5%. Natomiast rozpuszczalno$( aluminium w krzemie nawet w temperaturze eutektycznej jest tak ma!a, "e si jej nie okre$la, a w wielu publikacjach faz ! traktuje si jako czysty krzem.

Siluminy charakteryzuj# si doskona!ymi w!asno$ciami odlewniczymi (ma!y skurcz liniowy, dobra lejno$(, ma!a sk!onno$( do p kania na gor#co) i stosunkowo dobrymi w!asno$ciami mechanicznymi oraz dostateczn# odporno$ci# na korozj . Z tego wzgl du s# one szeroko stosowane na odlewy t!oków silników spalinowych AK 12), g!owic cylindrów silników spalinowych (AK51, AK52), cz $ci maszyn (AK7, AK9, AK11, AK51, AK52 i AK64), armatury okr towej (AK11) itd.

Siluminy praktycznie nie podlegaj# obróbce cieplnej, a ich w!asno$ci mechaniczne polepsza si przez specjalne zabiegi w stanie ciek!ym, zwane modyfikowaniem.

docsity.com

159 JW

Celem modyfikacji jest z jednej strony

rozdrobnienie ziarn, z drugiej - zmiana ich kszta!tu. Na przyk!ad, przy zawarto$ci 11,6% Si siluminy krzepn# jako stopy eutekyczne, przy czym ich struktura sk!ada si z grubych, iglastych lub pierzastych kryszta!ów roztworu sta!ego ! na tle kryszta!ów roztworu sta!ego (rys. 9.2). Taka gruboziarnista struktura ujemnie wp!ywa na w!asno$ci mechaniczne stopu. Przez dodanie w stanie ciek!ym pewnej ilo$ci sodu metalicznego lub soli sodu (z których na skutek reakcji wydziela si sód) uzyskuje si du"# liczb aktywnych zarodków krystalizacji. Jednocze$nie wywo!uje si jakby przesuni cie punktu eutektycznego w kierunku wy"szych zawarto$ci krzemu, z jednoczesnym obni"eniem temperatury eutektycznej do 564°C. Dzi ki temu silumin o sk!adzie $ci$le eutekycznym zachowuje si podczas krzepni cia jak stop podeutektyczny i jego struktura sk!ada si z dendrytycznych kryszta!ów roztworu sta!ego oraz drobnoziarniste eutektyki, w której kryszta!y ! maj# kszta!t zaokr#glony (rys. 9.3).

Rys. 9.2. Mikrostruktura siluminu

eutektyczne-go przed modyfikacj#. Na tle roztworu sta!ego a widoczne ciemne kszta!ty fazy P. Traw. 0,5% roztworem wodnym HF (40%). Powi ksz. 100x

Rys. 9.3. Mikrostruktura siluminu

eutektyczne go po modyfikacji. Na tle

ciemnej, drobnoziarnistej eutektyki

widoczne dendrytyczne kryszta!y roztworu sta!ego a. Traw. 0,5% roztworem wodnym HF (40%). Powi ksz. 100x

Dzi ki opisanym zmianom strukturalnym wzrasta zarówno wytrzyma!o$(, jak i plastyczno$( stopów. Na przyk!ad stop niemodyfikowany o zawarto$ci 13% Si ma Rm = 140 MPa i A5 = 3%. Taki sam stop po modyfikacji ma Rm = 175 MPa i A5 = 8%.

W procesie modyfikacji siluminów nadeutektycznych rol modyfikatora spe!ni! fosfor, który tworzy z aluminium zwi#zek A1P. Zwi#zek ten charakteryzuje si du"ym pokrewie%stwem do krzemu pod wzgl dem struktury sieciowej i dzi ki temu wytwarza aktywne zarodki krystalizacji. Praktycznie modyfikacj przeprowadza si b#d& czystym fosforem, b#d& pi ciochlorkiem fosforu, b#d& te" jego stopami z miedzi#. W wyniku takiej modyfikacji otrzymuje si struktur podobn# do pierwotne przed modyfikacj# (rys. 9.4), ale kryszta!y roztworu ! s# znacznie drobniejsze i bardziej równomiernie roz!o"one w eutektyce (rys. 9.5).

Rozdrobnienie kryszta!ów roztworu sta!ego !, z jednej strony polepsza w!asno$ci mechaniczne stopu, z drugiej umo"liwia obróbk skrawaniem. Przed modyfikacj# pojedyncze kryszta!y ! osi#gaj# wymiary nawet kilku milimetrów. Jako twarde i bardzo kruche utrudniaj#, a nawet uniemo"liwiaj# obróbk skrawaniem odlewów, powoduj#c bardzo szybkie niszczenie narz dzi. Niemo"liwe jest tak"e uzyskanie g!adkiej powierzchni obrabianego przedmiotu z powodu !atwego wykruszania si du"ych kryszta!ów.

Rys.9.1. Uk!ad równowagi aluminium-krzem

docsity.com

160 JW

Rys. 9.4. Mikrostruktura siluminu

nadeutektycznego (20% Si) przed

modyfikacj#. Na tle eutektyki widoczne du"e

kryszta!y fazy !. Traw. 0,5% roztworem wodnym HF. Powi ksz. 100x

Rys. 9.5. Mikrostruktura siluminu nadeutek-

tycznego (20% Si) po modyfikacji. Na tle

eutektyki widoczne drobne kryszta!y fazy !. Traw. 0,5% roztworem wodnym HF. Po-

wi ksz. 100x

Dwusk!adnikowe stopy Al-Cu charakteryzuj# si dobr# lejno$ci# i stosunkowo dobr# plastyczno$ci#, ale nisk# wytrzyma!o$ci#. Tote" ich zastosowanie z regu!y ogranicza si do wytwarzania galanterii sto!owej i innych odlewów, od których wymaga si dobrej plastyczno$ci. G!ówne zastosowanie przemys!owe maj# stopy wielosk!adnikowe, z których wytwarza si m.in. odlewy cz $ci samochodowych maszynowych $rednio i wysoko obci#"onych. Stopy Al-Cu podlegaj# obróbce cieplnej, powoduj#cej znaczny wzrost wytrzyma!o$ci, ale spadek plastyczno$ci.

Stopy Al-Mg charakteryzuj# si wysok# odporno$ci# na korozj , do$( dobr# wytrzyma!o$ci# i plastyczno$ci#. Podobnie jak stopy Al-Cu, podlegaj# przesycaniu i starzeniu. Stopy te s# szczególnie odporne na obci#"enia dynamiczne, maj# !adny po!ysk i s# stosowane na cz $ci aparatury chemicznej, a tak"e w budowie okr tów i samolotów.

9.2.2. Stopy aluminium do przeróbki plastycznej

Stopy te mo"na podzieli( na dwie podgrupy: a) stopy stosowane bez obróbki cieplnej,

b) stopy stosowane w stanie utwardzonym dyspersyjnie.

Pierwsza podgrup tworz# stopy aluminium-mangan, aluminium-magnez i aluminium- magnez-mangan.

Stopy aluminium-mangan umacnia si jedynie przez obróbk plastyczn# na zimno (zgniot). Wykazuj# one du"# plastyczno$(, dzi ki czemu dobrze si t!ocz#, ale ich wytrzyma!o$( niewiele przewy"sza wytrzyma!o$( czystego aluminium. Cenn# zalet# jest du"a odporno$( na korozj atmosferyczn#, na dzia!anie wody morskiej, olejów, materia!ów nap dowych i in. (w odró"nieniu od innych pierwiastków stopowych mangan podwy"sza odporno$( aluminium na korozj ). S# stopami spawalnymi. W lotnictwie stosuje si je m.in. na zbiorniki, przewody i elementy !#czne instalacji paliwowej i olejowej, owiewki, p!ywaki i pokrycia kad!ubów hydroplanów.

Stopy aluminium-magnez mo"na obrabia( cieplnie, ale efekt tej obróbki jest niewielki, tote" praktycznie umacnia si je równie" tylko przez obróbk plastyczn# a zimno. W!asno$ci mechaniczne stopów aluminium-magnez zbli"one s# do w!asno$ci stopów aluminium-mangan, przy mniejszej jednak ich g sto$ci (2,6 g/cm3). Wadami s# gorsza obrabialno$( skrawaniem i gorsza odporno$( na korozj , zw!aszcza przy wi kszych zawarto$ciach magnezu. Do stopów tego typu cz sto wprowadza si dodatkowo mangan (kilka dziesi#tych procentu), który podwy"sza w!asno$ci mechaniczne i polepsza odporno$( na korozj . Zastosowanie stopów aluminium-magnez i aluminium-magnez-mangan w lotnictwie jest podobne jak stopów

alumiium-mangan.

Orientacyjne w!asno$ci mechaniczne omówionych stopów podano w tabl. 9.3.

docsity.com

161 JW

Tablica 9.3

Orientacyjne w asno!ci mechaniczne niektórych stopów aluminium do przeróbki

plastycznej

W!asno$ci mechaniczne Cecha stopu

Typ stopu

Stan stopu

Rm, MPa R0,2 MPa A10,%

wy"arzony 150 - 21 PA1

AI-Mn

zgnieciony 190 - 4

PA43 wy"arzony 120 50 27 wy"arzony 190 80 23

PA2 pó!zgnieciony 250 210 6

PA11

AI-Mg

wy"arzony 240 100 20 PA20 AI-Mg-Mn wy"arzony 300 160 17

Znacznie liczniejsz# podgrup stanowi# stopy aluminium przerabialne plastycznie, stosowane po umacniaj#cej obróbce cieplnej. Nale"# tu stopy Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu, Al-Cu-Mn, Al-Cu-Mg-Mn, Al-Cu-Mg-Mn-Si wiele innych stopów

wielosk!adnikowych. Niezale"nie od sk!adu chemicznego struktura tych stopów w stanie zbli"onym do równowagi

sk!ada si ze stosunkowo mi kkiego i plastycznego roztworu sta!ego pierwiastków stopowych (ew. domieszek pochodz#cych z przerobu hutniczego) w aluminium i okre$lonych faz mi dzymetalicznych utworzonych b#d& przez aluminium i pierwiastki stopowe lub domieszki (np. Al2Cu, Al2CuMg, Al2Mg3Zn3 Al3Mg2 Al4Si2Fe i Al3Fe), b#d& przez pierwiastki stopowe mi dzy sob# (Mg2Si, MgZn2 i in). Wszystkie te fazy mi dzymetaliczne s# twarde i kruche i spe!niaj# w stopach rol sk!adnika utwardzaj#cego. Oczywi$cie stopie% utwardzenia stopu o danym sk!adzie chemicznym i fazowym jest zale"ny od wielko$ci, kszta!tu i rozmieszczenia kryszta!ów tych faz. Obróbka cieplna omawianych stopów polega wi c na:

a) wprowadzeniu do roztworu sta!ego wydzielonych faz mi dzymetalicznych i uzyskaniu jednorodnego roztworu sta!ego sk!adników stopowych w aluminium (w temperaturze otoczenia b dzie to oczywi$cie roztwór przesycony, st#d nazwa obróbki - przesycanie),

b) wydzieleniu z przesyconego roztworu sta!ego faz mi dzymetalicznych (czyli tzw. starzeniu). Wynika z tego, "e podstawowym warunkiem tej obróbki cieplnej, zwanejutwardzaniem wydzieleniowym, jest zmienna rozpuszczalno$( sk!adników stopowych w aluminium, wzrastaj#ca w miar podwy"szania temperatury a" do temperatury przemiany eutektycznej lub eutektoidalnej.

Najwa"niejszym sk!adnikiem stopowym tej podgrupy stopów aluminium jest mied&, podwy"szaj#ca wytrzyma!o$( i twardo$(.

Z aluminium mied& tworzy eutektyk o zawarto$ci 33% Cu (rys. 9.6), z!o"on# z kryszta!ów roztworu sta!ego granicznego % miedzi w aluminium i kryszta!ów roztworu sta!ego granicznego & aluminium w fazie mi dzymetalicznej Al2Cu. W temperaturze eutektycznej (548°C) rozpuszczalno$( miedzi w aluminium wynosi 5,7%, w temperaturze otoczenia zaledwie 0,5% (wg niektórych danych rozpuszczalno$( miedzi w aluminium w temperaturze otoczenia jest mniejsza od 0,1%). Wynika z tego, "e stopy zawieraj#ce do 0,5% Cu s# stopami jednofazowymi %, stopy zawieraj#ce 0,5-5,7% Cu s# stopami dwufazowymi, sk!adaj#cymi si z roz tworu sta!ego % i wydzielonych wtórnych kryszta!ów fazy &. Stopy te mo"na jednk przez nagrzanie do odpowiedniej temperatury przekszta!ci( w stopy jednofazowe, czyli mo"na je obrabia( cieplnie. Przy zawarto$ci miedzi przekraczaj#cej 7% w strukturze stopów pojawia si eutektyka, której ilo$( jest oczywi$cie proporcjonalna do zawarto$ci miedzi w stopie. Stopy te równie" mo"na obrabia( cieplnie, ale efekt obróbki b dzie mniejszy, gdy" pierwotne kryszta!y fazy & wchodz#ce sk!ad eutektyki nie uczestnicz# w procesie dyspersyjnego utwardzania, a ponadto za & jest sk!adnikiem kruchym i w wi kszych ilo$ciach w stopach niepo"#danym dlatego zawarto$( miedzi w stopach do przeróbki plastycznej nie przekracza 5,5% (w stopach krajowych 4,8%).

docsity.com

162 JW

W stopach wielosk!adnikowych, a takimi s# przerabialne plastycznie stopy aluminium utwardzane

wydzieleniowo, jak ju" wspomniano, tworz# si okre$lone fazy mi dzymetaliczne, których sk!ad chemiczny i ilo$( s# funkcj# sk!adu chemicznego stopu, a które równie" wykazuj# zmienn# rozpuszczalno$( w tworz#cym osnow stopu roztworze sta!ym.

Najstarszymi stopami aluminium, maj#cymi zreszt# do dzi$ szerokie zastosowanie przede wszystkim w lotnictwie, s# durale (nazwa duraluminium lub krótko duraloznacza „twarde

aluminium", z francuskiego dur — twardy). Rozró"nia si dwa rodzaje durali: bezcynkowe, których sk!ad chemiczny zawiera si w granicach:1 "5,2% Cu, 0,4 "1,8 Mg, 0,3 "1,0% Mn, max 0,7% Si, max 0,5% Fe

max 0,5% Zn, oraz durale zawieraj#ce cynk, o sk!adzie: 1,4 " 2,0% Cu, 5 " 2,8% Mg, 0,2 " 0,9% Mn, 4,0 " 8,0% Zn, max 0,5% Si, max 0,5% Fe,

ewentualnie kilka dziesi#tych procentu chromu. Do pierwszej grupy nale"# stopy PA6, PA7, do drugiej - stop PA9. Do durali bezcynkowych nale"# równie" stopy PA21, P23, PA24 i PA25. W duralach bezcynkowych g!ównymi dodatkami stopowymi umacniaj#cymi s# mied& i

magnez. Mangan dodawany jest w celu polepszenia odporno$ci na korozj , pozosta!e pierwiastki s# nieuchronnymi zanieczyszczeniami.

W stanie wy"arzonym, tj. w stanie zbli"onym do równowagi fazowej, struktura durali sk!ada si z roztworu sta!ego i wydziele% ró"nych faz mi dzymetalicznych (rys. 9.7), w stanie przesyconym - z roztworu sta!ego na osnowie aluminium i nie rozpuszczonych zwi#zków "elaza.

Rys. 9.7. Mikrostruktura duralu (PA29) w stanie

wy"arzonym. Widoczne du"e kryszta!y roztworu sta!ego bogatego w aluminium oraz ciemne wydzielenia

mi dzymetalicznych faz umacniaj#cych (Al2Cu, Al.CuMg, Al2CuMg, Mg5Cu i in.). Traw. odczynnikiem o sk!adzie: l ml HF (30%) + 2,5 ml HNO + l,5 ml HCl + 95 ml H2O

Powi ksz. 200x

Durale zawieraj#ce cynk s# najbardziej wytrzyma!ymi stopami aluminium (po utwardzeniu dyspersyjnym Rm osi#ga warto$( do 600 MPa), wykazuj# jednak mniejsz# podatno$( do przeróbki plastycznej i nieco obni"on# odporno$( na korozj napr "eniow#.

Blachy zabezpiecza si przed korozj# za pomoc# platerowania specjalnym stopem (Al+Zn), co jednak powoduje zmniejszenie ogólnej ich wytrzyma!o$ci, tym wi ksze, im wi kszy procent przekroju blachy stanowi warstwa platerowana (o stosunkowo ma!ej wytrzyma!o$ci). Platerowanie jako ochron przed dzia!aniem $rodowisk koroduj#cych stosuje si zreszt# równie" cz sto i dla durali bezcynkowych. W tym przypadku platerowanie wykonuje si czystym aluminium, przy czym grubo$( warstwy ochronnej wynosi 4 " 8% grubo$ci blachy (odkuwki, pr ty, rury, druty i kszta!towniki zabezpiecza si przed korozj# innymi metodami). Charakterystyk i zastosowanie znormalizowanych stopów aluminium do przeróbki plastycznej podano w tabl. 9.4.

Rys. 8.6. Cz $( uk!adu równowagi

mied&-cyna od strony miedzi

docsity.com

163 JW

Tablica 9.4 Charakterystyka i zastosowanie stopów aluminium do przeróbki plastycznej (wg PN-79/H-88026)

W!asno$ci technologiczne**

podatno$(

Cecha

stopu

Wyrob

y*

do

przeróbki

plasty-

cznej

do

polero-

wania

do wytwa

rzania an-

odowych

pow!ok tlenkowych

Odporn

-o$( na korozj

spa-

wal-

no$(

Zastosowanie

PA43

B, T, D

Pr, R,

K, Ok

5 5

5

4 4

w przemy$le chemicznym i spo"ywczym, elementy dekoracyjne, cz $ci g! boko t!oczone, odkuwki matrycowe

PA2

B, Pr,

R, Rk,

D, K

5

5

5

5

4

$rednio obci#"one elementy konstrukcji lotniczych, okr towych i in., przemys! spo"ywczy i chemiczny, konstrukcje budowlane

PA11 B, Pr,

R, D, K

5 5 3 5 4 elementy konstrukcyjne i nadbudówki okr tów, elementy konstrukcji lotniczych, przemys! spo"ywczy i chemiczny

PA13 B, Pr,

R, D, K 4 3 3 5 4

PA20 Pf, R,

K, D 4 3 3 4 4

obci#"one konstrukcje okr towe, transport, przemys! chemiczny

PA1 B, T, D

Pr, R,K 5 - 4 5 w przemy$le spo"ywczym i chemicznym, spawane zbiorniki do cieczy i gazów

PA38 Pr, R,

D, K 5 5 3 4 -

elementy dekoracyjne w budownictwie i

meblarstwie

PA4

B, Pr,

R, D,

K, Ok

5

5

3

4***

4

$rednio obci#"one elementy konstrukcji lotnicz- ych i pojazdów mechanicznych, meble, ozdoby,

cz $ci g! boko t!oczone, odkuwki matrycowe

PA45 B, Pr,

R, D, K 5 5 5 4*** 4 budownictwo, elementy dekoracyjne i

konstrukcyjne

PA10

B, Pr,K

R,D,Ok 5 5 5 4*** 4 jak stopu PA4

PA6 B, Bpl,

Pr, R, 4 - -

w transporcie konstrukcje lotnicze, pojazdy

mechaniczne konstrukcje budowlane

PA7

B, Bpl,

Pr, R,

D, K,

Ok

4 - - 3*** -

silnie obci#"one elementy konstrukcji lotniczych i pojazdów mechanicznych, w

transporcie, cz $ci maszyn, konstrukcje budowlane

PA21

PA23

PA24

PA25

D 4

-

-

-

-

nity lotnicze

PA29

PA30 Pr,0k 4

konstrukcje lotnicze, cz $ci pracuj#ce w temperaturze200 do 300°C

PA31 Pr,0k 4 - - - - konstrukcje lotnicze, odkuwki o

skomplikowanych kszta!tach PA33 Ok 4 - - - - konstrukcje lotnicze, odkuwki matrycowe

PA9 Bpl, Pr,

K, Ok 4 - - 3 -

bardzo silnie obci#"one elementy konstrukcji lotniczych, $rodków transportu i maszyn

PA47 B, Pr,

K 3 - 3 4 4

silnie obci#"one spawane konstrukcje no$ne, przemys! okr towy, pojazdy mechaniczne, pawilony wystawowe, sprz t sportowy

PA15

B, T

5

-

-

4

4

elementy pojazdów mechanicznych, urz#dzenia przemys!u spo"ywczego i chemicznego, elementy konstrukcji budowlanych

B - blachy, Bpl - blachy platerowane (stopy PA6 i PA7 - aluminium, stop PA9 stopem AIZn1) K - kszta!towniki, Ok –odkuwki ** 5 - bardzo dobra, 4 - dobra, 3 – dostateczna *** Po utwardzaniu dyspersyjnym

docsity.com

164 JW

Stopy aluminium-lit

Najnowsz# generacj# stopów aluminium s# stopy z litem, jako g!ównym sk!adnikiem stopowym. Wykorzystanie litu do tego celu od dawna przyci#ga!o uwag metaloznawców, g!ównie jako mo"liwo$( uzyskania stopów o g sto$ci znacznie mniejszej ni" g sto$( metalu- bazy. Sukces osi#gni to w ostatnich latach.

Lit; jest najl"ejszym metalem. Jego g sto$( w temperaturze 20°C wynosi 0,536 g/cm3. Ka"dy procent litu wprowadzony do aluminium obni"a g sto$( stopu o ok. 0,l g/cm3, co pozwala na uzyskanie stopów o do$( wysokim stosunku wytrzyma!o$ci do g sto$ci. Ponadto stopy Al-Li cechuje wy"szy modu! sztywno$ci, ni" konwencjonalne. Te w!a$ciwo$ci powoduj#, "e zainteresowanie stopami aluminum-lit stale ro$nie.

Optymalne po!#czenie wytrzyma!o$ci i plastyczno$ci maj# stopy podwójne zawieraj#ce 2,0- 2,5% Li, po obróbce cieplnej sk!adaj#cej si z przesycania z temperatury 580°C i starzenia w temperaturze 130°C przez 48 godzin. Ich wytrzyma!o$( na rozci#ganie wynosi wówczas oko!o 160 MPa, granica plastyczno$ci 100 MPa, a wyd!u"enie 14%.

Zastosowanie obróbki plastycznej na zimno po prze-

sycaniu, a przed starzeniem, powoduje wzrost wska&ni- ków wytrzyma!o$ciowych, ale spadek plastyczno$ci. Podobnie dzieje si przy zwi kszaniu zawarto$ci litu.

Zgodnie z uk!adem równowagi (rys. 9.8), struktura stopów podwójnych aluminium-lit do zawarto$ci 5,2% Li sk!ada si z kryszta!ów roztworu sta!ego granicznego litu w aluminium i wtórnych kryszta!ów ! roztworu na osnowie fazy mi dzymetalicznej AlLi.

Jak stwierdzono, zawarto$( litu do 5,2% nie wp!ywa praktycznie na odporno$( korozyjn# stopów. Wi ksza zawarto$( litu powoduje jednak spadek tej odporno$ci, co wi#"e si z pojawieniem si w strukturze eutektyki + !. Szczególnie interesuj#ce s# stopy zawieraj#ce 2-3% Li i do 5% Mg. Ich granica plastyczno$ci po obróbce cieplnej osi#ga 400 MPa. Wad#, podobnie jak wszystkich stopów aluminium-lit, jest wra"liwo$( na napr "enia zmienne.

Przewiduje si , "e stopy aluminium z litem znajd# zastosowanie w budowie samolotów, przede wszystkim w

postaci cienkich blach na pow!oki skrzyde! i kad!uba.

9.3. Obróbka cieplna stopów aluminium

9.3.1. Przesycanie i starzenie stopów Al

Obróbka cieplna stopów aluminium, maj#ca na celu przede wszystkim podwy"szenie ich wytrzyma!o$ci, polega na utwardzaniu dyspersyjnym, tj. na kolejnym przeprowadzeniu operacji przesycania roztworu sta!ego i starzenia.

Podstawowym warunkiem, na którym opiera si proces utwardzania wydzieleniowego stopów, jest zmniejszanie si granicznej rozpuszczalno$ci sk!adników stopowych w stanie sta!ym wraz z obni"aniem si temperatury.

Typowym przyk!adem uk!adu równowagi faz, który mo"e s!u"y( jako model u wyja$nienia procesów zachodz#cych podczas obróbki cieplnej stopów Al, jest uk!d Al-Cu, którego fragment widoczny jest na rys. 9.9. Uk!ad Al-Cu, a w!a$ciwie jest cz $( odpowiadaj#ca uk!adowi równowagi Al i fazy mi dzymetalicznej & o sk!adzie bardzo bliskim Al2Cu, przedstawiono na rys. 9.6.

Na rysunku 9.9 wida(, "e maksymalna rozpuszczalno$( miedzi w temperaturze 548°C wynosi oko!o 5,7%, natomiast w temperaturze pokojowej jest znikoma.

Rozpatrzmy na przyk!ad stop o sk!adzie C (rys. 9.9) o zawarto$ci ok. 4% Cu. W stanie równowagi w temperaturze pokojowej sk!ada si on z dwóch faz: kryszta!ów roztworu sta!ego (%stanowi#cego osnow , i kryszta!ów fazy mi dzymetalicznej &. Nagrzanie tego stopu do

Rys. 9.8. Fragment uk!adu równo- wagi alumnium-lit od strony

aluminium

docsity.com

165 JW

temperatury E (powy"ej punktu D) spowoduje, "e b dzie on jednorodnym roztworem sta!ym %, gdy" kryszta!y fazy & ulegn# rozpuszczeniu.

Je"eli stop ten zostanie z kolei szybko och!odzony od tej temperatury, wówczas faza & nie zd#"y si wydzieli( i otrzymamy roztwór sta!y przesycony. Stan taki jest nietrwa!y i je"eli stop b dzie starzony, czyli wygrzewany w nieco podwy"szonej temperaturze (rys. 9.9), to zaczn# w nim zachodzi( zmiany, które poprzez szereg studiów po$rednich doprowadz# w ko%cowym wyniku do wydzielenia si fazy &, czyli do ustalenia si stanu równowagi.

Jednak je"eli temperatura starzenia nie jest dostatecznie wysoka, a czas starzenia nie jest

zbyt d!ugi, zmiany zachodz#ce w przesyconym stopie nie przebiegaj# do ko%ca, a proces starzenia ulega zatrzymaniu na pewnym

stadium po$rednim i nie dochodzi do wydzielenia si fazy &.

Starzenie mo"e zachodzi( ju" w temperaturze pokojowej i wówczas nosi nazw starzenia naturalnego, je$li za$ odbywa si wskutek nagrzania stopu do okre$lonej temperatury, nosi nazw starzenia przyspieszonego.

9.3.2. Procesy zachodz"ce podczas starzenia

W pocz#tkowym okresie procesu starzenia, nazywanym pierwszym stadium starzenia, atomy rozpuszczonego sk!adnika (np. miedzi) rozmieszczone przypadkowo w przesyconym roztworze sta!ym (rys. 9.10a) skupiaj# si w okre$lonych miejscach sieci krystalicznej (rys. 9. l0b). W wyniku tego procesu powstaj# wewn#trz kryszta!u submikroskopowe strefy o du"ej dyspersji o zwi kszonej zawarto$ci rozpuszczonego sk!adnika, zwane strefami Guiniera-Prestona lub w skrócie - strefami G-P (rys. 9.10).

W stopach Al-Cu strefy G-P s# skupieniami atomów miedzi o kszta!cie podobnym do p!ytek, które s# u!o"one wzd!u" p!aszczyzn {100}. Grubo$( tych p!ytek jest rz du zaledwie kilku odst pów mi dzyatomowych, a $rednica ok. 100 A. Ich obecno$( mo"na wykry( metod# ma!ok#towego rozpraszania promieni X lub za pomoc# mikroskopu elektronowego. Tworzenie stref G-P powoduje powstawanie m.in. du"ych napr "e% w!asnych w krysztale oraz rozdrobnienie bloków mozaiki. Obecno$( stref G-P o du"ej dyspersji oraz zwi#zane z nimi zniekszta!cenia sieci krystalicznej, cznie utrudniaj# ruch dyskolacji, co w efekcie objawia si wzrostem twardo$ci wytrzyma!o$ci stopu.

Rys. 9.10. Schemat zmian zachodz#cych w sieci przesyconego stopu AlCu4: a) rozmieszczenie

atomów Cu (czarne kó!ka) po przesycaniu, b) powstawanie stref G-P, c) tworzenie si koherentnych wydziele% &'' i &', d) wydzielenia fazy & (Al2Cu)

Nast pne stadium stanowi# koherentne1) wydzielenia po$rednie oznaczane symbolem &" (rys. 9.10c).

Wydzielenia te o maksymalnej grubo$ci ok. 100 A i $rednicy ok. 1500 A maj# struktur tetragonaln#, której parametry a i b s# zgodne z parametrem komórki elementarnej Al, natomiast parametr c jest znacznie wi kszy. Wydzielenia te równie" powoduj# umocnienie starzonego stopu.

Rys. 9.9. Fragment uk!adu równowagi Al- Cu oraz schemat przebiegu obróbki cieplnej

polegaj#cej na przesycaniu i starzeniu

docsity.com

166 JW

Kolejna faza po$rednia &' jest tak"e tetragonaln#, ale o innym parametrze c ani"eli faza &". Tworzenie si wydziele% &' powoduje ju" spadek twardo$ci stopu. Faza & (Al.2Cu) ma równie" struktur tetragonaln#, ale nie jest ju" koherentna z sieci# osnowy. Jej tworzenie si zawsze prowadzi do spadku twardo$ci stopu, powa" zanikaj# napr "enia zwi#zane z koherencj# (rys. 9.10d). Kolejne przeobra"enia struktury wydziele% w stopach Al-Cu zachodz#ce w czasie starzenia mo"na wi c przedstawi( nast puj#cym szeregiem:

(strefy G-P) ' &" ' &' ' & (AL2Cu)

Wszystkie powy"sze stadia wyst puj# wówczas, gdy zawarto$( miedzi w stopie stosunkowo du"a (ok. 4,5%), a temperatura starzenia niezbyt wysoka (do ok. 190°C). Je"eli starzenie odbywa si w wy"szych temperaturach (np. ok. 190°C) niektóre stadia po$rednie mog# nie wyst#pi(, co uwidacznia si w przebiegu zmiany twardo$ci podczas starzenia. W stopach Al-Cu starzonych naturalnie, tj. w temperaturze pokojowej, wyst puje tylko pierwsze i drugie stadium starzenia, tj. utworzenie si stref G-P oraz koherentnej fazy &". Dalsze stadia starzenia zachodz# w temperaturze wy"szej od temperatury otoczenia.

Stopie% utwardzenia stopu jest zwi#zany z krytyczn# dyspersj# stref G-P i koherentnych wydziele%. Je"eli w danej temperaturze proces starzenia ulegnie zbytniemu przed!u"eniu, nast puje koagulacja i wzrost wielko$ci wydziele%. Ma!e wydzielenia ulegaj# wtórnemu rozpuszczeniu, a ich kosztem rosn# wydzielenia wi ksze, których dyspersja jest mniejsza. Powoduje to zmniejszenie twardo$ci i spadek umocnienia stopu, o którym mówimy wówczas, "e jest przestarzony.

Sk!adnikami konstrukcyjnych stopów aluminium, które maj# techniczne znaczenie, s#, jak ju" wspomniano poprzednio, takie pierwiastki jak Cu, Si,

Mg, Mn, Zn. Metale te tworz# graniczne roztwory sta!e w Al, charakteryzuj#ce si spadkiem rozpuszczalno$ci w stanie sta!ym wraz z obni"aniem si temperatury (rys. 9.11). Stopy te mo"na wi c umacnia(, poddaj#c je obróbce cieplnej polegaj#cej na przesycaniu i starzeniu.

Oprócz stopów podwójnych równie" stopy potrójne i poczwórne na bazie Al mo"na umacnia( dyspersyjnie, przy czym obróbka cieplna takich stopów wielo-

sk!adnikowych jest z regu!y bardziej skuteczna, ani"eli stopów podwójnych. Jako przyk!ad mo"na tu wymieni( stopy: Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg.

W przypadku wielosk!adnikowych stopów Al zamiast fazy & (Al.2Cu) tworz# si inne fazy mi dzymetaliczne, które spe!niaj# analogiczn# rol . W stopach uk!adu Al-Mg-Si tworzy si np. faza ! (Mg2Si), w stopach Al-Cu-Mg — faza # (Al2CuMg), a w stopach Al-Zn-Mg — faza M

(Mg2Zn).

9.3.3. Zmiany w asno!ci mechanicznych stopów Al zachodz"ce pod wp ywem obróbki

cieplnej

W stanie wy"arzonym stop aluminium zawieraj#cy ok. 4% Cu ma wytrzyma!o$( na rozci#ganieRm ( 200 MPa. Bezpo$rednio po przesycaniu, tj. gdy zaraz po tej operacji nast puje próba rozci#gania, wytrzyma!o$( jest nieco wi ksza i w przybli"eniu wynosi 250 MPa (rys. 9.12). Szybkie ch!odzenie po wygrzewaniu rozpuszczaj#cym powoduje pewne niewielkie zmiany w!asno$ci mechanicznych, przede wszystkim na skutek tego, "e atomy sk!adnika rozpuszczonego (tj. miedzi) oraz defekty punktowe znajduj# si w osnowie w nadmiarze w stosunku do stanu równowagi w temperaturze pokojowej.

Rys. 9.11. Krzywe granicznej

rozpuszczalno$ci poszczególnych sk!adników stopowych w aluminium w stanie sta!ym

docsity.com

167 JW

Rys. 9.12. Zmiana wytrzyma!o$ci stopu A1Cu4 podczas starzenia naturalnego

Natomiast starzenie przesyconego stopu powoduje znaczne zmiany w!asno$ci mechanicznych. Wytrzyma!o$( na rozci#ganie znacznie si zwi ksza i dla stopu AlCu4 osi#ga warto$( ok. 400 MPa, a wi c wzrasta prawie dwukrotnie, natomiast w!asno$ci plastyczne (wyd!u"enie i przew "enie) oraz udarno$( malej#. Maksymalna wytrzyma!o$( stop ten uzyskuje po starzeniu naturalnym (tj. w temperaturze 3°C) po up!ywie 4 "5 dni od chwili przesycania.

Typowy przebieg krzywej obrazuj#cej zmian wytrzyma!o$ci stopu Al-Cu podczas starzenia naturalnego pokazano na rys. 9.12.

W pocz#tkowym stadium starzenia istnieje okres inkubacyjny, w którym nie stwierdza si jeszcze wzrostu wytrzyma!o$ci. Dla procesów technologicznych okres ten ma du"e znaczenie, poniewa" stop wykazuje w tym okresie du"# plastyczno$(, co umo"liwia poddawanie przedmiotów przesycanych ró"nym operacjom technologicznym po!#czonym z odkszta!caniem (zakuwanie nitów, gi cie, t!oczenie itp.). D!ugo$( okresu inkubacyjnego jest ró"na dla stopów aluminium o ró"nym sk!adzie chemicznym i zale"y od temperatury, w której stop jest starzony. Dla stopów Al-Cu kres ten w temperaturze pokojowej wynosi ok. 2 "3 godzin.

Szybko$( starzenia i umocnienie stopów zale"y w du"ym stopniu od temperatury. Wykres widoczny na rys. 9.13 przedstawia zale"no$( wytrzyma!o$ci na rozci#ganie duralu, tj. stopu Al- Mg-Cu (o zawarto$ci oko!o 4% Cu i 1% Mg), od czasu starzania w ró"nych temperaturach w zakresie 50 " 200°C.

W niskich temperaturach (-5°, -50°C) zbyt ma!e strefy G-P i zbyt ma!a ich ilo$( nie daje dostatecznego umocnienia stopu.

W temperaturze zbyt wysokiej (+200°C) powstaj# ju" wydzielenia fazy &, a po d!u"szym przetrzymywaniu w tej temperaturze nast puje ich koagulacja i wytrzyma!o$( stopu spada. Na rysunku 9.13 wida(, "e umocnienie stopu do 420 MPa mo"na osi#gn#( po oko!o 24 godzinach starzenia w temperaturze 100°C, stosuj#c jednak starzenie naturalne mo"na po d!u"szym okresie czasu uzyska( wi ksze umocnienie.

Rys. 9.13. Krzywe starzenia duralu w ró"nych temperaturach

docsity.com

168 JW

Stan stopu osi#gni ty w wyniku starzenia naturalnego nie jest trwa!y. Je$li stop tak umocniony zostanie nagrzany do temperatury 200 " 250°C i wytrzymany przez krótki okres

czasu (2 " 3 min) w tej temperaturze, to umocnienie zaniknie w!asno$ci stopu b d# odpowiada!y tym, jakie stop mia! w stanie $wie"o przesyconym, przy czy czym stop zyskuje ponownie zdolno$( do starzenia naturalnego. Zjawisko to nazywa si nawrotem. Przyczyn# nawrotu jest rozpuszczanie si nietrwa!ych stref G-P o ma!ych rozmiarach i powrót do struktury pierwotnie przesycnego roztworu sta!ego o równomiernym roz!o"eniu atomów rozpuszczonych. Po ostudzeniu stop mo"e by( powtórnie starzony i b dzie ulega! umocnieniu.

9.3. 4. Wy%arzanie stopów aluminium

Stopy aluminium mo"na poddawa( nast puj#cym rodzajom wy"arzania: ) wy"arzaniu ujednorodniaj#cemu, ) wy"arzaniu zmi kczaj#cemu, ) wy"arzaniu rekrystalizuj#cemu, ) wy"arzaniu odpr "aj#cemu.

Wy!arzanie ujednorodniaj ce przeprowadza si g!ównie w celu ujednorodnienia struktury, zw!aszcza odlewów. Polega ono na nagrzaniu stopu do temperatury, w której ma on struktur roztworu sta!ego, wygrzaniu w tej temperaturze przez d!u"szy okres czasu (2 " 12 godzin) i nast pnie powolnym ch!odzeniu.

Wy!arzanie zmi"kczaj ce ma na celu zmniejszenie twardo$ci i polepszenie plastyczno$ci stopu poprzez koagulacj wydzielonych faz. Przeprowadza si je w zakresie temperatur le"#cych poni"ej krzywej granicznej rozpuszczalno$ci. W praktyce stopy aluminium w zale"no$ci od sk!adu wy"arza si w temperaturze 320 " 400°C przez 2 " 3 godziny. Stopy wy"arzone zmi kczaj#co maj# ni"sz# twardo$( i wytrzyma!o$( ni" stopy przesycone. Wysoka plastyczno$( stopów uzyskana w wyniku wy"arzania u!atwia ich walcowanie, kucie i inne rodzaje przeróbki plastycznej na zimno.

Wy!arzanie rekrystalizuj ce przeprowadza si w celu usuni cia niektórych skutków zgniotu zwykle w temperaturze nieco wy"szej od temperatury rekrystalizacji (300 " 400°C). Wy"arzanie to przeprowadza si jako zabieg mi dzyoperacyjny w czasie obróbki plastycznej na zimno lub jako zabieg ko%cowy, nale"y jednak pami ta(, "e w niektórych przypadkach mo"e ono spowodowa( nadmierny rozrost ziarn, np. gdy nast#pi! zgniot krytyczny lub gdy temperatura wy"arzania by!a zbyt wysoka, wzgl dnie gdy czas wy"arzania by! zbyt d!ugi.

Wy!arzanie odpr"!aj ce ma na celu usuni cie napr "e% w!asnych, zw!aszcza w odlewach kokilowych. Temperatura wy"arzania wynosi, zale"nie od gatunku stopu, 200 " 300°C. Po wy"arzaniu stosowane jest powolne ch!odzenie.

10. Magnez i jego stopy

Ze wzgl du na swoj# g sto$( (1,74 g/cm3) magnez jest zaliczany do najl"ejszych metali. Temperatura topnienia czystego magnezu wynosi 650°C, temperatura topnienia stopów magnezu

460 ÷ 650°C, w zale"no$ci od ilo$ci i rodzaju sk!adników stopowych. Magnez jest metalem bardzo aktywnym chemicznie i podobnie jak aluminium, !atwo !#czy si z tlenem, tworz#c na powierzchni warstewk tlenku MgO. Warstewka ta jest jednak ma!o szczelna i nie chroni metalu przed korozj#. Z tego powodu magnez i jego stopy s# na ogó! nieodporne na korozj (wyj#tek stanowi atmosfera suchego powietrza). W temperaturze 600 " 650°C magnez zapala si i p!onie o$lepiaj#co bia!ym p!omieniem, co wywo!uje konieczno$( stosowania specjalnych $rodków zabezpieczaj#cych przy jego topieniu i odlewaniu.

Czysty magnez ma niewielk# wytrzyma!o$( i plastyczno$(, np. w postaci lanej Rm = 78 " 120 MPa, A5 = 4 " 6 w postaci walcowanej Rm = 160 " 180 MPa, A5 = 5 " 6%. W zwi#zku z tym magnez nie znajduje zastosowania jako materia! konstrukcyjny. Wykorzystywany jest on natomiast w pirotechnice (do produkcji rakiet sygnalizacyjnych i lotniczych bomb zapalaj#cych), w przemy$le chemicznym, w energetyce j#drowej (jako ciek!y no$nik ciep!a w niektórych

docsity.com

169 JW

typach reaktorów) oraz w metalurgii jako odtleniacz. W postaci stopów z miedzi# i niklem u"ywany jest tak"e jako modyfikator "eliw.

W Polsce magnez otrzymuje si przez redukcj termiczn# tlenku magnezu dolomitu. Zgodnie z PN-79/H-82161 produkowane s# dwa gatunki magnezu: Mg 99,95 (zawieraj#cy 99,95% Mg, reszta to Al, Zn, Fe, Si, Cu i inne) i Mg 99,9 (zawieraj#cy 99,9% Mg). Pierwszy jest przeznaczony dla przemys!u chemicznego i celów specjalnych, drugi - do produkcji stopów magnezu i stopów z magnezem.

Znacznie szersze zastosowanie przemys!owe znajduj# stopy magnezu, które cz sto osi#gaj# wytrzyma!o$( Rm = 300 " 340 MPa. G!ównymi sk!adnikami tych stopów obok magnezu s#:

a) aluminium (do 11%), które podwy"sza w!asno$ci wytrzyma!o$ciowe i twardo$(, a w stopach odlewniczych polepsza lejno$( i zmniejsza skurcz; wzrost zawarto$ci aluminium w stopie wywo!uje jednak zwi kszenie krucho$ci na gor#co;

b) cynk (do 7%) polepszaj#cy zarówno w!asno$ci wytrzyma!o$ciowe, jak i plastyczne; c) mangan zwi kszaj#cy odporno$( na korozj i wywo!uj#cy rozdrobnienie ziarna; w stopach

nie zawieraj#cych aluminium zawarto$( manganu dochodzi do 5%, w stopach z aluminium, które zmniejsza rozpuszczalno$( manganu w magnezie, wynosi kilka dziesi tnych procentu;

d) cyrkon (do 1%) polepszaj#cy w!asno$ci mechaniczne i obrabialno$( stopów wywo!uje rozdrobnienie ziarna);

e) cer, tor i metale ziem rzadkich (lantan, neodym, prazeodym) polepszaj#ce w!asno$ci w temperaturach podwy"szonych. Spotyka si równie" stopy magnezu zawieraj#ce takie dodatki stopowe, jak: krzem, wap%, kadm i nikiel, przy czym zawarto$( ich zwykle nie przekracza 1%. Inne pierwiastki wyst puj# w stopach magnezu w nieznacznych ilo$ciach i poza berylem dodawanym w celu zmniejszenia sk!onno$ci magnezu do zapalania si podczas odlewania, pochodzenie ich jest przypadkowe.

Osobn#, najm!odsz# grup stopów magnezu stanowi# stopy z litem (zawieraj#ce do kilkunastu % Li), których g sto$( (1,35 " 1,62 g/cm3) jest znacznie mniejsza ni" pozosta!ych stopów magnezu (ok. 1,80 g/cm

3 ).

Ogólnie stopy magnezu dziel# si na odlewnicze i do przeróbki plastycznej. W obu tych grupach podstawowymi typami s# podwójne stopy magnez-mangan oraz wielosk!adnikowe stopy magnez-aluminium-cynk-mangan i magnez-cynk-cyrkon. W krajach wysoko

uprzemys!owionych (WNP, USA) na bazie tych podstawowch typów stopów opracowano i wprowadzono do przemys!u wiele stopów pochodnych, zawieraj#cych dodatkowo cer, tor, lantan, neodym i inne, a wi c pierwiastki powoduj#ce wyra&ny wzrost w!asno$ci mechanicznych w temperaturach podwy"szonych. Sk!ad chemiczny krajowych stopów magnezu podano w tabl. 9.1.

Stopy magnezu, podobnie jak wi kszo$( stopów aluminium, mo"na obrabia( cieplnie (przesyca( i starzy(), gdy" rozpuszczalno$( g!ównych sk!adników stopowych (aluminium, cynku i manganu) w magnezie jest ograniczona i zmniejsza si z obni"eniem temperatury. Obróbka ta jednak tylko w niewielkim stopniu polepsza w!asno$ci mechaniczne stopów i rzadko jest stosowana. Wyj#tkiem s# stopy odlewnicze, zawieraj#ce powy"ej 6% aluminium, które po obróbce cieplnej maj# wytrzyma!o$( o 40 " 50% wy"sz#.

Na przyk!ad, stop GA8 w stanie surowym ma wytrzyma!o$( na rozci#ganie 150 MPa. Po przesyceniu w temperaturze w temperaturze 415°C (w czasie 20h, ch!odzenie na powietrzu) w starzeniu w temperaturze 175°C (w czasie 16 h) jego wytrzyma!o$( wzrasta do 230 MPa.

Z regu!y natomiast odlewy ze stopów magnezu poddaje si wy"arzaniu odpr "aj#cemu w temperaturze 200 " 250°C.

Zastosowanie stopów magnezu zale"y od ich sk!adu chemicznego i w!asno$ci. Na przyk!ad stopy odlewnicze przeznaczone s# na: GA3 - korpusy pomp i armatury, GA6 - odlewy cz $ci lotniczych i samochodowych, obudowy przyrz#dów aparatów, GA8 - silnie obci#"one cz $ci lotnicze, cz $ci aparatów fotograficznych maszyn do pisania, GRE3 - skomplikowane odlewy pracuj#ce w temp. do 250°C; stopy przerabialne plastycznie; GA6 - na obci#"one elementy konstrukcji lotniczych, poszycia samolotów i $mig!owców itd. Dok!adne w!asno$ci i g!ówne i zastosowania wszystkich krajowych stopów magnezu podaj# odpowiednie Polskie Normy.

docsity.com

komentarze (0)
Brak komentarzy
Bądź autorem pierwszego komentarza!
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
Docsity is not optimized for the browser you're using. In order to have a better experience we suggest you to use Internet Explorer 9+, Chrome, Firefox or Safari! Download Google Chrome