Stopy metali nieżelaznych, Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
1
Stopy metali nieżelaznych
Metale nieżelazne posiadają ogromne znaczenie dla konstruktora, przede wszystkim jako
osnowa dla wielu stopów o bardzo różnorodnych właściwościach fizycznych i chemicznych.
Metale nieżelazne a więc ich stopy można podzielić na dwie zasadnicze grupy: lekkie i
ciężkie. Kryterium przynależności do danej grupy jest gęstość, której graniczną wartość
ustalono na 4,5 Mg/m
3
. W grupie stopów lekkich, które zostaną omówione w niniejszym
opracowaniu znajdują się: Mg, Al oraz Ti, zaś w grupie metali ciężkich: Cu, Ni, Co i Zn.
Metale lekkie i ich stopy
Metale lekkie i ich stopy posiadają znaczenie przede wszystkim dla przemysłu lotniczego a
obecnie coraz częściej również tam, gdzie zmniejszenie masy konstrukcji umożliwia
zmniejszenie zużycia energii. Przykładem może być przemysł samochodowy, w którym
obserwuje się systematyczny wzrost zastosowania stopów Al. Jest on podyktowany nie tylko
dążeniem do potanienia kosztów eksploatacji samochodu lecz także dbałością o środowisko.
Podobnie ma się rzecz jeśli idzie o stopy Mg jak i Ti. Te ostatnie często nawet nazywa się
stopami XXI wieku.
To co czyni stopy metali lekkich wyjątkowo atrakcyjnymi wynika z bardzo dobrych
właściwości mechanicznych, których miarą są wskaźniki E
n
/ρ, gdzie n=1, ½ lub 1/3
1
, oraz
R
e
/ρ, stanowiące kryterium doboru materiału pod kątem minimalizacji masy wyrobu.
Właściwości mechaniczne lekkich stopów konstrukcyjnych w porównaniu do stali podaje
tablica.
Właściwości mechaniczne konstrukcyjnych stopów metali lekkich
Rodzaje
stopów
ρ
[Mg/cm
3
]
E
[GPa]
R
e
[MPa]
E/ρ E
1/2
/ρ E
1/3
/ρ R
e

Stopy Al
2,7
71
25-600
26
3,1
1,5
9-220
Stopy Mg
1,7
45
70-270
25
4,0
2,1
41-160
Stopy Ti
4,5
120
170-1280
27
2,4
1,1
38-280
(Stale)
7,8
(210) (220-1600)
27
1,8
0,75
28-200
Właściwości czystego aluminium
Aluminium jest jednym z dwóch metali najobficiej występujących w skorupie ziemskiej. Ze
względu na złożoność i energochłonność procesu wytwarzania z rud jest metalem dość
drogim. Najbardziej charakterystyczną cechą Al jest jego wszechstronność. Objawia się ona
wieloma wyjątkowo cennymi właściwościami tak chemicznymi jak i fizycznymi, które co
najważniejsze można zmieniać w bardzo szerokim zakresie stosując aluminium w postaci od
superczystej do najbardziej skomplikowanych stopów.
Czyste Al charakteryzuje się
małą gęstością
wynoszącą ρ=2,7 Mg/m
3
znaczną
odpornością
na utlenianie
,
niewielką opornością elektryczną
i
dobrą plastycznością
. Jakkolwiek nie
jest tak sztywne jak Fe (E
Fe
≈ 200 GPa przy E
Al
≈ 70 GPa), to jednak moduł sprężystości
właściwy (E/ρ) jest praktycznie taki sam. Aluminium silnie utwardza się przez zgniot co
stanowi zaletę lub wadę, zależnie od potrzeby.
1
Wartość wykładnika potęgi n zależy od charakteru pracy elementu konstrukcyjnego i zostanie opisana bliżej w
dalszej części opracowania.
2
Stopy aluminium
Stopy Al nie posiadają już tak dobrej odporności korozyjnej czy przewodności elektrycznej
jak czyste Al, mają za to zdecydowanie lepsze właściwości mechaniczne, które można
podwyższyć stosując umacnianie wydzieleniowe lub dyspersyjne.
Do najczęściej stosowanych dodatków stopowych należą: Cu, Si, Mg, Mn i Zn.
Pierwiastki te tworzą roztwory stałe ograniczone a niektóre z nich również fazy
międzymetaliczne, np.: Al
2
Cu (faza ) Mg
2
Si (faza β) itp.
Stopy Al dzieli się na stopy przeznaczone do:
· obróbki plastycznej (oznaczone PA) – stopy jednofazowe (pomijając wtrącenia faz
międzymetalicznych)
· stopy odlewnicze (oznaczone AK) – stopy wielofazowe ze strukturą mieszanin
eutektycznych z wydzieleniami faz międzymetalicznych.
Inny podział, również szeroko stosowany, bazuje na składzie chemicznym. Jednym z
najbardziej czytelnych jest klasyfikacja wedle systemu amerykańskiego, pokazana na rysunku.
Przykład klasyfikacji stopów Al według norm ASTM
Dla porównania w tablicy przedstawiono wybrane stopy Al i ich oznaczenia wg PN. Obok
stopów pokazanych na schemacie normy amerykańskie obejmują czyste Al (>99,9% - seria
1xx,x) stopy Al z cyną (seria 8xx,x) i innymi pierwiastkami (seria 9xx,x).
Oznaczenia i skład chemiczny wybranych stopów Al do obróbki plastycznej
PN-79/H-88026 ASTM
SKŁAD CHEMICZNY
Gatunek Oznaczenie
Si Cu Mg Mn Zn Ti Inne
AlCu4MgSi
PA6N
2014
0,5
4,4
0,4
0,8
-
-
-
AlCu4Mg1
PA7N
2024
0,3
4,5
1,5
0,6
-
0,1
-
AlMn1
PA1N
3003
0,3
0,2
-
1,2
-
-
-
AlMg3
PA11N
5052
0,3
-
2,5
-
-
-
0,3%Cr
AlMg1SiCu
PA10N
6061
0,6 0,25 1,0
-
-
-
0,2%Cr
AlZn6Mg2Cu2
PA9
7075
-
1,6
2,5
0,2
5,6
-
0,15%Cr
3
Stopy do obróbki plastycznej na zimno
Najpopularniejszymi grupami stopów aluminium są stopy aluminium – mangan Al-Mn (seria
3000) oraz Al-Mg-Mn (seria 5000).
Stopy te podlegają
umacnianiu przez roztwór
, które jest wyjątkowo skuteczne, szczególnie
w przypadku znacznego przesycenia atomami Mg. Umożliwia to zarówno duża różnica
promieni atomowych Mg i Al jak też znaczne zmniejszenie rozpuszczalności Mg w Al wraz z
obniżeniem temperatury. O wyjątkowej skuteczności umacniania roztworowego w tych
stopach przekonują wartości podane w tablicy.
Granica plastyczności stopów Al serii 5000 (Al-Mg)
Stop Mg [% wag.] R
e
[MPa]
5005
0,8
40
5050
1,5
55
5052
2,5
90 (przesycony)
5454
2,7
120 (przesycony)
5083
4,5
145 (przesycony)
5456
5,1
160 (przesycony)
Dodatkowe
umocnienie zapewnia zgniot
wywołany obróbką plastyczną. Efekt obróbki
plastycznej stopów Al przedstawia tablica.
Stopy podwójne Al-Mn stosuje się na różnego rodzaju wsporniki, obudowy, do wyrobu ram
okiennych, drzwiowych i w stolarce otworowej.
Granica plastyczności stopów Al do obróbki plastycznej na zimno
Stop
R
e
[MPa]
w stanie wyżarzonym
R
e
[MPa]
w stanie „półtwardym”
R
e
[MPa]
w stanie „twardym”
1100
35
115
145
3005
65
140
185
5456
140
300
370
W stopach Al-Mn-Mg można uzyskać R
m
nawet na poziomie 290 MPa, przy wydłużeniu
A=8%. Powszechnym zastosowaniem tych stopów są popularne puszki do różnego rodzaju
napojów, w których grubość ścianki bocznej wynosi 0,30mm. Wbrew pozorom, wyroby te
należą do jednych z największych osiągnięć technologicznych.
Stopy aluminium umacniane wydzieleniowo
Niektóre stopu Al, obok umacniania przez zgniot, mogą podlegać umacnianiu
wydzieleniowemu lub dyspersyjnemu, polegającemu na wytworzeniu w stopie dyspersyjnych
wydzieleń, blokujących przemieszczanie się dyslokacji.
Do pierwiastków umożliwiających ten rodzaj umocnienia należą: Cu, Zn, Si oraz Mg.
Obróbka cieplna składa się z dwóch zabiegów: przesycania i starzenia.
Przesycanie
– wyżarzanie stopu w podwyższonej temperaturze celem rozpuszczenia w Al
odpowiednio dużej ilości pierwiastka stopowego.
Jeśli stop jest wolno chłodzony, nadmiar składnika stopowego wydziela się w postaci dużych
cząstek, ulokowanych na granicach ziaren, które stanowią miejsca preferowane dla
zarodkowania (rys. A). Nie zapewnia to umocnienia, ponieważ cząstki takie nie są w stanie
skutecznie blokować ruchu dyslokacji.
4
Dlatego po wyżarzaniu „rozpuszczającym” (homogenizującym) następuje szybkie chłodzenie
zatrzymujące nadmiar składnika stopowego w roztworze dzięki czemu uzyskuje się
przesycony roztwór stały. Stop posiadający dużą nadwyżkę energii swobodnej, dąży do jej
zmniejszenia co może dokonać się jedynie w drodze wydzielenia nadmiaru składnika
przesycającego (rys. B).
Starzenie
– zależnie od relacji między siłą napędową przemiany a barierą energetyczną
procesu wydzielania, proces rozpadu przesyconego roztworu stałego może przebiegać:
· samorzutnie w temperaturze otoczenia (starzenie naturalne)
· w podwyższonej temperaturze (starzenie sztuczne).
O tym jak przebiega proces wydzielania, tj. czy bezpośrednio z tworzeniem faz
równowagowych czy też poprzez tworzenie serii metastabilnych faz pośrednich, decyduje
temperatura starzenia.
Starzenie w temperaturze podwyższonej pozwala na precyzyjne sterowanie procesem
wydzielenia za pomocą czasu izotermicznego starzenia, dzięki czemu można uzyskać
strukturę z drobnymi wydzieleniami, równomiernie rozłożonymi w całej objętości ziarna
(rys. B).
Proces umacniania wydzieleniowego jest podstawową metodą umacniania stopów lekkich a
także wielu innych stopów, wykazujących zmienną rozpuszczalność w stanie stałym malejącą
wraz z obniżaniem temperatury.
Modelowym przykładem umacniania wydzieleniowego stopów metali jest proces wydzielania
w stopach z układu Al-Cu.
 5
Fragment układu równowagi fazowej stopu Al.-Cu
Etapy procesu rozpadu przesyconego roztworu stałego w kierunku tworzenia fazy stabilnej
Al
2
Cu przestawiono na rysunku (etapy rozpadu przesyconego roztworu stałego w stopie Al-
Cu).
1. Proces rozpadu rozpoczyna się od powstania skupisk atomów Cu, które początkowo
rozmyte, przybierają postać monoatomowych dysków zwanych strefami GP.
2. W miarę postępu starzenia część z nich ulega rozpuszczeniu a część rozrasta się tworząc
wydzielenia metastabilnej fazy pośredniej θ”. Wydzielenia te posiadają odrębną sieć
całkowicie koherentną z siecią roztworu α.
3. W dalszej kolejności wydzielenia fazy θ” są zastępowane przez wydzielenia fazy
metastabilnej θ’, które zarodkują na dyslokacjach. Utworzone wydzielenia są tylko
częściowo sprzężone z osnową. Ich powstanie odpowiada największemu umocnieniu
stopu (ang. peak hardness).
4.
W ostatniej fazie procesów wydzieleniowych na granicach ziaren oraz na granicy
rozdziału faza θ’/osnowa zarodkują cząstki równowagowej fazy θ (Al
2
Cu), które są
niekoherentne z osnową. Ten etap odpowiada przestarzeniu stopu co objawia się spadkiem
właściwości wytrzymałościowych.
Schemat starzenia przesyconego roztworu stałego stopu AlCu
4
: a) po przesyceniu, b) powstawanie stref Guinier-
Prestona, c) tworzenie się koherentnych faz θ” i θ’, d) wydzielenie fazy θ’
W temperaturze otoczenia zachodzą zwykle dwa pierwsze stadia starzenia, tzn. tworzenie
stref GP i fazy θ”. Powstałe w temperaturze otoczenia strefy GP i fazy θ” są bardzo nietrwałe.
Wystarczy stop krótko podgrzać do temperatury 200˚C, aby atomy miedzi z powrotem zajęły
dowolne miejsca (tak jak było w roztworze przesyconym). Związane jest z tym zjawisko
nawrotu (wzrost wytrzymałości w temperaturze otoczenia i ponowny spadek po 2-3
minutowym wygrzaniu w temperaturze 200˚C).
  [ Pobierz całość w formacie PDF ]