STRUKTURA I WŁASNOŚCI STOPÓW METALI NIEŻELAZNYCH

 

1. Wiadomości podstawowe.

1.2 Aluminium i jego stopy

Aluminium jest metalem lekkim u dość niskiej temperaturze topnienia, 660°C. Na powietrzu pokrywa się cienką zwartą warstewką tlenku Al2O3, która chroni go przed dalszą korozją. Aluminium na ogół rozpuszcza się w kwasach z wyjątkiem stężonego kwasu azotowego, w którym ulega pasywacji. Do najczęściej spotykanych zanieczyszczeń aluminium należą żelazo i krzem. Charakterystycznymi własnościami aluminium są: duża plastyczność i mała wytrzymałość. Ze wzglądu na małą wytrzymałość nie można stosować go jako materiału konstrukcyjnego na części podlegające obciążeniom, natomiast szerokie zastosowanie do różnych konstrukcji mają stopy o osnowie aluminium. Czyste aluminium znalazło zastosowanie w przemyśle spożywczym, chemicznym i elektrotechnicznym. Ze wzglądu na duże powinowactwo do tlenu aluminium w postaci żelazostopów stosuje się do odtleniania stali.

 

1.2.1 Stopy odlewnicze aluminium

 Stopami odlewniczymi są stopy aluminium z krzemem, miedzią i magnezem. Są to przeważnie stopy o składzie eutektycznym, gdyż charakteryzują się niską temperaturą topnienia i dobrą lejność. Najczęściej spotyka się stopy aluminium z krzemem, zwane siluminami. Pod wzglądem zawartości krzemu siluminy dzielimy na: podeutektyczne zawierające od 4 do10% Si, eutektyczne 10-13% Si oraz nadeutektyczne 17- 30%Si. Im drobniejsze ziarno odlewu, tym wyższe są własności wytrzymałościowe siluminów. Na rysunku 3 przedstawiono wykres równowagi stopów Al - Si. Z wykresu wynika, iż stopy o zawartości 11,6% Si krzepną jako eutektyczne. Eutektyka składa się z gruboiglastych kryształów β na tle kryształów roztworu stałego α. W stopach podeutektycznych na tle roztworu stałego α występują obszary eutektyki. W stopach nadeutektycznych na tle eutektyki występują dość duże ostrokątne wydzielone pierwotnie kryształy β, będące prawie czystym krzemem. Wpływa to ujemnie na własności mechaniczne tych stopów. W wyniku dodania do stopu bezpośrednio przed jej odlaniem małej ilości sodu lub soli sodowych, skład eutektyki ulega przesunięciu do 13% Si, a jej temperatura krzepnięcia obniża się do 564°C (rys.4). Rys.4. Wpływ modyfikowania na krystalizację w stopach Al-Si (linie ciągłe odnoszą się do stopów nie modyfikowanych, linie kreskowe do stopów modyfikowanych).

 

Rys.3. Układ równowagi fazowej stopów Al-Si.

Rys.4. Wpływ modyfikowania na krystalizację w stopach Al-Si (linie ciągłe odnoszą się do stopów nie modyfikowanych, linie kreskowe do stopów modyfikowanych).

Eutektyka w wyniku działania sodu staje się drobnoziarnista a kryształy β ulegają zaokrągleniu. Proces ten nosi nazwę modyfikacji siluminów. Stopy krystalizujące jako nadeutektyczne, po modyfikacji stają się podeutektycznymi. Modyfikacja poprawia własności mechaniczne stopu.

 

Siluminy odznaczają się dobrą odpornością na korozje atmosferyczną, są odporne na działanie wody morskiej, wód mineralnych, amoniaku i kwasu azotowego. Stosowane są głównie na skomplikowane i wysoko obciążone czyści maszyn, części silników spalinowych itp.

Oprócz siluminów na odlewy stosuje się stopy aluminium-miedź i aluminium-magnez, o składzie zapewniającym strukturą podeutektyczną. Własności mechaniczne wszystkich tych stopów podwyższyć można droga obróbki cieplnej (przesycanie i starzenie).

 

1.2.2  Stopy do obróbki plastycznej

Ze względu na zdolność do obróbki cieplnej stopy te można podzielić na:

a) nie obrabialne cieplnie,

b) obrabialne cieplnie 

Rys.5. Klasyfikacja podwójnych stopów aluminium na podstawie wykresu równowagi układu Al-B (B -składnik dodatkowy w stopie na osnowie Al).

 

 Teoretyczną granicę podziału stanowi największa zawartość rozpuszczonego składnika w roztworze stałym przy temperaturze pokojowej (rys.5). Stopy posiadające strukturę jednofazową, roztworu stałego, nie nadają się do obróbki cieplnej. Charakteryzują się bardzo dobrą plastycznością i dobrą odpornością na korozję. Wadą ich jest niska wytrzymałość. Do tej grupy należą stopy aluminium z manganem.

W stopach o składzie w zakresie od punktu l do 2 występuje zjawisko zmiennej rozpuszczalności składnika stopowego w aluminium, co daje możliwość obróbki cieplnej polegającej na przesycaniu i następnym starzeniu stopu. Umocnienie stopu zachodzi w wyniku utwardzania wydzieleniowego. Stopy do przeróbki plastycznej obrabiane cieplnie oparte są na układach równowagi: Al-Zn, Al-Cu (durale), Al-Si oraz Al-Mg. Dzięki obróbce cieplnej uzyskują one wysoką wytrzymałość, mają jednak gorszą plastyczność od stopów nie obrabialnych cieplnie. Durale, czyli wieloskładnikowe stopy Al-Cu-Mg-Mn i Al-Cu-Mg-Zn ze względu na wysokie własności wytrzymałościowe po obróbce cieplnej, przeznaczone są do wyrobu szczególnie odpowiedzialnych elementów. Rozróżnia się durale o podwyższonej wytrzymałości z zawartością 4-5% Cu i o podwyższonej plastyczności o zawartości poniżej 3% Cu. Po utwardzeniu dyspersyjnym wytrzymałość durali osiąga Rm= 600 MPa. Wadą tych stopów jest ich mała odporność na korozje, zwłaszcza w wodzie morskiej.