Stopy miedzi - Notatki - Materiałoznastwo - Część 2, Notatki z Materiały inżynieryjne

Pobierz Stopy miedzi - Notatki - Materiałoznastwo - Część 2 i więcej Notatki w PDF z Materiały inżynieryjne tylko na Docsity! 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 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 dural oznacza „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/cm 3 . Ka&dy procent litu wprowadzony do aluminium obni&a g!sto"# stopu o ok. 0,l g/cm 3 , 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