ALUMINIUM I JEGO STOPY

1. Aluminium (glin techniczny) i jego własności.

Glin należy do metali występujących w dużych ilościach w skorupie ziemskiej (8%), nie występuje jednak nigdy w stanie wolnym, jedynie pod postacią związków z innymi pierwiastkami, a szczególnie z tlenem. W tej postaci tworzy on część składową licznych skał, iłów i różnych rodzajów gliny.

Glin technicznie czysty nosi nazwę aluminium.

Ponieważ glin ma ogromne powinowactwo z tlenem przez długi czas nie potrafiono go

otrzymać w postaci metalicznej. Normalne sposoby re­dukcji stosowane w metalurgii okazały się nie wystarczające.

Dopiero w 1827 r. udało się Wohlerowi otrzymać po raz pierwszy me­taliczne aluminium w laboratorium. Jednak dopiero zastosowanie elektro­lizy pozwoliło na produkcję aluminium na skalę przemysłową. Dzisiaj aluminium znajduje szerokie zastosowanie w różny gałęziach przemysłu.

Związki glinu, głównie z tlenem, są bardzo rozpowszechnione; wystę­pują w całym szeregu minerałów oraz w glinie, skąd też pochodzi jego nazwa. Jednak wydobycie go z tych prostych bardzo rozpowszechnionych surowców, lecz stosunkowo ubogich w glin, nastręcza poważne trudności techniczne i narazie jeszcze nie jest opłacalne.

Dla otrzymywania aluminium największe znaczenie ma dziś minerał boksyt, który jest bogatą rudą glinową, gdyż zawiera ok. 60% czy­stego tlenku glinu Al₂O₃, 22% Fe₂O₃, 12% H₂O i ok. 6% inny.ch zanie­czyszczeń (głównie krzemionki). Najbogatsze i najdawniej są znane po­kłady boksytu we Francji, Włoszech, ZSRR, na Węgrzech, Rumunii, Ju­gosławii, w Stanach Zjednoczonych, Irlandii i Indiach.

Proces otrzymywania aluminium polega przede wszystkim na otrzy­maniu czystego sproszkowanego tlenku glinu Al₂O₃, który stapia się z rozdrobnionym kryolitem i w stanie ciekłym poddaje elektrolizie.

Aluminium wydzielone w czasie elektrolizy, przetapia się później w piecach płomieniowych lub elektrycznych na wlewki, w celu dalszej przeróbki na blachy, pręty, rury, druty, folie itp., oraz na odlewy w postaci Gasek do użytku w odlewni.

Właściwości aluminium zależą przede wszystkim od rodzaju i ilości zanieczyszczeń. Najczęściej aluminium jest zanieczyszczone żelazem i krzemem. Żelazo w aluminium nie jest rozpuszczalne i wydziela się w nim jako związek międzymetaliczny Al₃Fe lub w obecności krzemu jako Al₄FeSi₂. Oba te związki są twarde i kruche i z tego powodu pogarszają własności plastyczne i ułatwiają korozje aluminium.

Zależnie od ilości zanieczyszczeń rozróżnia się kilka gatunków aluminium, a mianowicie: Al99,5; Al99 i Al98/99. Liczba obok symbolu pierwiastka wskazuje zawartość glinu.

Aluminium jest metalem barwy srebrzysto-białej o ciężarze właściwym 2,7 G/cm³, jest więc metalem lekkim.

Temperatura topnienia aluminium wynosi 659°C. Dla przeprowadzenia aluminium w stan ciekły potrzebna jest znaczna ilość ciepła. Po stopieniu aluminium jest gęsto-płynne. Po przegrzaniu staje się dopiero rzadko­-płynne, jednak wchłania w tym stanie gazy. Skurcz aluminium jest znaczny i wynosi 1,8%.

Aluminium jest dobrze obrabialne plastycznie na zimno, można z nie go z łatwością walcować blachy i wyciągać druty, w miarę postępowania obróbki plastycznej staje się mniej plastyczne, gdyż ulega zgniotowi. Wyżarzenie w temperaturze 300 - 400°C przywraca mu plastyczność.

Aluminium daje się dobrze skrawać, zwłaszcza przy zastosowaniu dużych szybkości skrawania.

Cenną własnością aluminium jest jego mała oporność elektryczna. Pod tym względem zajmuje ono trzecie miejsce po srebrze i miedzi.

Własności wytrzymałościowe aluminium są dość niskie, co znacznie ogranicza zastosowanie czystego metalu jako materiału konstrukcyjnego. Aluminium w stanie miękkim po obróbce plastycznej ma wytrzymałość na rozciąganie Rr = 3,5 - 6,0 kG/mm², a wydłużenie a₁₀ = 55 do 35%; przez zgniot możemy zwiększyć jego wytrzymałość do Rr = 11 do 13 kG/mm², przy czym wydłużenie maleje do a₁₀ = 8 - 3%. Przez ogrzanie w wyższych temperaturach wytrzymałość aluminium znacznie zmniejsza się i w temperaturze 400°C wynosi tylko ok. 2 kG/mm².

Aluminium na powietrzu pokrywa się warstewką tlenku, która szczelnie przylega doń i skutecznie zabezpiecza metal przed dalszym działaniem czynników atmosferycznych. Na działanie roztworów soli kuchennej, soli wapniowych, wodorotlenków i kwasów beztlenowych (solny, fluorowodorowy) i innych, aluminium nie jest odporne. Natomiast stężony kwas azotowy oraz suche gazy, jak: amoniak, chlor, dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, nie działają na aluminium prawie zupełnie.

Zastosowanie czystego aluminium jest ograniczone ze względu na niskie własności

mechaniczne. Stosuje się je na przewody elektryczne w zastępstwie miedzi, na naczynia gospodarstwa domowego, na folie dla przemysłu spożywczego (do opakowań), do platerowania blach ze stopów aluminium, które należy zabezpieczyć od korozji, na proszek do wyrobu znanej farby aluminiowej (srebrnej) na wyroby galanteryjne i do innych celów.

Dzięki dużemu powinowactwu z tlenem aluminium używane jest ja­ko środek odtleniający w hutnictwie stali i żeliwa. Również z tego powo­du stosuje się sproszkowane aluminium do wytwarzania mieszaniny, zwa­nej termitem. Jest to mieszanina proszku aluminium z tlenkiem żelaza, która po zapaleniu wytwarza tak wysoką temperaturę w wyniku reakcji, że otrzymuje się żelazo w stanie ciekłym. Termitu używa się jako środka szybko i silnie rozgrzewającego na małej przestrzeni np. przy spawaniu szyn kolejowych i tramwajowych, w odlewniach itp.

Największe zastosowanie znajduje aluminium w postaci licznych stopów.

2. Stopy aluminium

2.a. Wiadomości ogólne

Około 60% światowej produkcji aluminium zużywa się w postaci stopów. W celu polepszenia własności wytrzymałościowych aluminium sto­sowane są stopy z innymi metalami głównie z miedzią, krzemem, magne­zem i cynkiem.

Stopy z miedzią nie zawierają zazwyczaj więcej niż 14% Cu. Stopy zawierające powyżej 5,7% miedzi mają temperaturę końca krzepnięcia równą 548°C. Jest to temperatura krzepnięcia eutektyki, zawierającej ok. 33% miedzi, a zbudowanej z ziaren roztworu stałego graniczne­go miedzi w glinie i ziaren twarde­go związku chemicznego CuAl₂ bo­gatego w miedź. Roztwór stały mie­dzi w glinie zawiera w temperaturze 548°C maksimum 5,7% miedzi.

W miarę obniżania temperatury maksymalna zawartość miedzi w roz­tworze w obniża się tak, że w, nor­malnej temperaturze wynosi zaledwie 0,4% Cu.

Nadmiar miedzi powstały w wyniku zmniejszonej rozpuszczalności wydziela się z ziaren w postaci bogatszych w miedź ziaren twardszego związku chemicznego, które są bardzo twarde i kruche. Jeśli studzenie przebiega powoli, to nadmiar mie­dzi ma czas wydzielić się w postaci ziaren twardszego związku chemicznego.

Jeśli jednak studzenie będzie szybkie, to wydzieli się mniej ziaren, bo­gatszych w miedź, a przy odpowiednio dużej szybkości studzenia wydzie­lania nie będzie. Otrzymamy wówczas w normalnej temperaturze roz­twór stały przesycony miedzią. Ten stan nie jest jednak trwały i zatrzymany w roztworze nadmiar miedzi dąży do wydzielania się.

Wydzielanie się ziaren bogatszych w miedź z roztworu w normalnej temperaturze trwa kilka dni. Proces taki nazywamy starzeniem naturalnym lub samorzutnym.

Proces starzenia można znacznie przyspieszyć przez podwyższenie temperatury od 100°C do 180°C, nazywamy go wówczas starzeniem sztucznym.

Wydzielanie się składnika z roztworu następuje zazwyczaj w formie najdrobniejszych cząstek nie zawsze widocznych pod mikroskopem nawet przy największych powiększeniach. Wydzielenie to powoduje jednak znaczny wzrost wytrzymałości i twardości stopu.

W ten sposób stopy Al-Cu można poddawać obróbce cieplnej złażo­nej z dwóch zabiegów cieplnych: przesycania i starzenia, które noszą łącz­nie nazwę utwardzania dyspersyjnego.

Korzystnie jest obrabianie stopy o zawartości do 10% miedzi (i więcej), gdyż wskutek zbyt szybkiego krzepnięcia zawierają one zwykle znacznie za dużo eutektyki, niż powinny zawierać z uwagi na ich skład chemiczny. W stopach tych twarde i kruche ziarna związku chemicznego CuAl₂ tworzą siatkę, która przecina miękką i plastyczną osnowę metaliczną stopu, złożoną z ziaren roztworu stałego bogatego w glin. Wskutek tego wzrasta bardzo kruchość tych sto­pów i maleje wytrzymałość na rozciąganie. Dlatego też korzystnie jest te stopy dłuższy czas wygrzewać w temperaturze możliwie wysokiej, lecz oczywiście poniżej 549°C (np. w 515 - 525°C w ciągu 6 do 24 godzin), aby umożliwić dyfuzję w stanie stałym i rozpuścić możliwie najwięcej twardego niekorzystnego składnika (CuAl₂) w glinie, a następnie szybko je ochłodzić w wodzie.

W ten sposób struktura odlewu poprawia się, twardych ziaren jest znacznie mniej i odlew zyskuje na ciągliwości.

Wpływ dodatku miedzi do aluminium w ilaści do ok. 6% ujawnia się silnym wzrostem wytrzymałości na rozciąganie i twardości z równoczesnym znacznym spadkiem wydłużenia. Przy wyższych zawartościach mie­dzi wytrzymałość prawie nie ulega zmianie, natomiast wydłużenie nadal zmniejsza się prawie do zera. W związku z tym stopy aluminium-miedź można podzielić na dwie grupy, a mianowicie: stopy plastyczne do zawartości ok. 6% miedzi nadające się do obróbki plastycznej na gorąco, a nawet na zimno w stanie przesycanym, oraz stopy odlewnicze zawie­rające powyżej 6% miedzi.

Niewielkie dodatki żelaza do 1,0 - 1,2% do stopów Al-Cu powodują dalszy wzrost wytrzymałości na rozciąganie, zwłaszcza w pracy przy pod­wyższonej temperaturze. Dodatek krzemu do 2,25% korzystny jest dla zmniejszenia skurczu i zabezpieczenia się przed powstawaniem pęknięć w odlewach.

Szkodliwymi zanieczyszczeniami tych stopów, które obniżają ich wła­sności są nadmierne dodatki żelaza (powyżej 1,3%), dodatki ołowiu (po­wyżej 0,3%) i magnezu (powyżej 0,2%).

Zupełnie podobnie, do miedzi zachowuje się krzem w stopie z aluminium. Eutekty­ka złożona z ziaren roztworu stałego krzemu w glinie oraz ziaren krzemu (gdyż glin w krzemie praktycznie nie rozpuszcza się) krzepnie w temperaturze 577­°C o składzie 11,7% Si. Graniczna rozpuszczalność krzemu w glinie wynosi 1,65% Si przy 577°C, w miarę obniżania się temperatury rozpuszczalność maleje tak, że przy temperaturze pokojowej wynosi za­ledwie ok. 0,05% Si.

Za pomocą szybkiego ochładzania stopów możemy za­trzymać w roztworze stałym nieco więcej krzemu podobnie jak miedzi w stopach Al-Cu.

Największe znaczenie praktyczne osiągnął stop eutektyczny o zawartości ok. 10 do

13% Si, zwany powszechnie siluminem. Przy krze­pnięciu stop ten daje odlewy a gruboziarnistej, niejednorodnej struktu­rze złożonej z twardych ziarenek krzemu przecinających plastyczną osnowę metaliczną bogatą w glin; wskutek tego odlew ma bardzo ma­łą wytrzymałość (11 kG/mm²) i niskie wydłużenie (zaledwie 0,1%). Je­dnak przez modyfikację, tzn. przez dodanie nieznacznej ilaści sodu do stopu w stanie ciekłym, osiąga się znaczne rozdrobnienie twardych zia­renek, a zwłaszcza ich sferoidyzację (nadanie kształtu kulistego), przez co wytrzymałość na rozciąganie podnosi się dwukrotnie (do ok. 22 kG/mm²), a wydłużenie osiąga dość wysoką wartość ok. 8%. Wskutek tej modyfikacji krzem staje się tylko jakby twardym wtrąceniem, które powiększa ogólną twardość, ale nie likwiduje plastycznych cech materiału.

Niewielkie dodatki miedzi (ok. 1%) wprowadzone do siluminum po­większają jego twardość i granicę płynności oraz zwiększają odporność na działanie obciążeń zmiennych.

Silumin wyróżnia się dobrymi własnościami odlewniczymi, ma mały skurcz i dużą rzadko-płynność, co umożliwia wykonywanie cienkościen­nych odlewów. Poza tym jako stop eutektyczny krzepnie przy stałej tem­peraturze nie wykazując przez to wad likwacji. Silumin odznacza się do­brą odpornością na korazję atmosferyczną pod warunkiem, że nie ma nadmiernej ilości zanieczyszczeń, a zwłaszcza żelaza. Odporny jest na działanie wady marskiej, wód mineralnych, a nawet sody, amoniaku i kwasu azotowego stężanego i rozcieńczonego.

Dodatek małej ilaści miedzi (ok. 1%), magnezu (ok. 0,5%) i manganu (0,4 - 0,6%) albo niklu (do 1,5%) umożliwia korzystne przeprowadzenie obróbki cieplnej i powiększa wytrzymałość i twardość siluminu. Posiada on wtedy stosunkowo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej i dość dobre własności mechaniczne w podwyższanej temperaturze przez co zna­lazł zastosowanie na odlewane tłoki silników spalinowych.

Podobnie jak miedź zachowują się w stopach aluminium również nie­wielkie ilaści

magnezu, krzemu, niklu, cynku i innych. Ogólnie można powiedzieć, że dodatek miedzi utwardza i podnosi wytrzymałość alumi­nium. Magnez zwiększa wytrzymałość i ułatwia obróbkę skrawaniem. Krzem zwiększa odporność na korazję oraz wytrzymałość w podwyższo­nych temperaturach. Cynk polepsza obrabialność, zwiększa wytrzymałość na zimno, lecz pogarsza wytrzymałość w podwyższonych temperaturach. Poza wymienianymi dodatkami stasowane są: nikiel, mangan, żelazo, chrom, kobalt, tytan i inne. W sumie dodatki specjalne stanowią od 4 do 18% stopu. Większość stopów aluminium są to stopy wielokrotne, zawierające więcej niż jeden składnik stopowy; rozróżniamy więc stopy aluminium ­miedz - magnez, aluminium - miedź - nikiel, aluminium - magnez - krzem, aluminium - magnez - mangan, i inne. Niektóre ze stopów alu­minium nadają się do obróbki plastycznej, jak kucie, walcowanie, wyci­skanie, lub służą do celów odlewniczych zależnie od składu chemicznego i własności.

Niektóre stopy aluminium można poddawać obróbce cieplnej, w wy­niku której uzyskujemy znaczny wzrost wytrzymałości i twardości przy jednoczesnym nieznacznym spadku wydłużenia.

Obróbka cieplna stopów aluminium (utwardza­nie dyspersyjne) opiera się

wyłącznie na zmianie rozpuszczalności do­datków stopowych w zależności od temperatury i w związku z tym polega na ogrzewaniu do temperatury ok. 500°C zależnie od rodzaju stopu w ciągu określonego czasu, szybkim chłodzeniu (przesycaniu) stopu w wodzie (wyjątkowo w oleju lub strumieniu powietrza), tak prze­sycany materiał jest miękki i daje się dobrze kuć, walcować zginać itp. W końcu następuje starze w temperaturze otoczenia lub w temperaturze podwyższonej do ok. 180°C.

Wygrzewanie w temperaturze ok. 500°C ma na celu rozpuszczenie do­datków

stopowych w glinie, a szybkie chłodzenie - przymusowe zatrzy­manie ich w roztworze stałym. Starzenie powoduje wydzielanie ich z roztworu w sposób optymalny, przy którym uzyskuje się maksymalny wzrost wytrzymałości i twardości.

Utwardzone depresyjnie stopy aluminium są wrażliwe na ogrzewanie i łatwo tracą wtedy swe własności wytrzymałościowe. Z tego względu dla łączenia w konstrukcjach, do których użyto obrabianych cieplnie stopów aluminium nie stasuje się spawania, lecz nitowanie.

2.b. Stopy aluminium do obróbki plastycznej

Jednym z najdawniej stasowanych stopów aluminium jest stop typu Al-Cu-Mg wynaleziony przez inż. Wilma w 1909 roku, a nazwany dur­aluminium (dural, duralumin).

Znamy obecnie cały szereg tego typu stopów, których wspólną cechą jest zdolność do naturalnego starzenia, się po przesyceniu, czyli do samoulepszenia się. Starzenie trwa ok. 4 dni.

Wytrzymałość durali jest stosunkowo wysoka i odpowiada wytrzymałości niskowęglowej stali. Wada ich jest natomiast skłonność do korozji. Dlatego często zabezpiecza się blachy duralowe przed korozją platerując je obustronnie cienką warstewką czystego aluminium.

Stopy typu Al-Mg-Si podlegają również utwardzeniu dyspersyjnemu, muszą jednak być starzone w temperaturze ok. 170°C w ciągu 20 godzin. Wytrzymałość ich jest nieco mniejsza niż durali, ale za to stopy te są odporne na korozję i bardzo dobrze polerują się. Dzięki dobremu przewo­dnictwu elektrycznemu często służą one do wyrobu drutu na napowietrzne przewody elektryczne.

Stopów typu Al-Mg nie poddaje się obróbce cieplnej, lecz utwardza przy pomocy obróbki plastycznej na zimno przez zgniot. Stopy te w niezgniecionym stanie mają dość dużą twardość i wytrzymałość, i to tym większą. im więcej zawierają magnezu. Stopy nie zgniecione mają cenną zaletę, ponieważ można je spawać i lutować bez obawy obniżenia wytrzy­małości czy twardości, czym przewyższają inne stopy aluminium. Również wyróżniają się one łatwością polerowania się i bardzo dużą odpornoś­cią na korozję. Są lżejsze od czystego aluminium i mają podobną białą barwę. Dają się dobrze odlewać, kuć i skrawać.

Stopy typu Al-Mn zachowują się podobnie jak stopy Al-Mg, mają tylko mniejszą wytrzymałość zaledwie nieco większą od czystego aluminiu­m. Wyróżniają się również wysokimi własnościami antykorozyjnymi.

Osobną grupę stanowią stopy aluminium przeznaczone do pracy w podwyższonej temperaturze, a zwłaszcza na tłoki. Od stopów przeznaczonych do wyrobu tłoków wymaga się, aby miały następujące właściwości:

1) dostateczną wytrzymałość,

2) dobre własności ślizgowe,

3) dostatecznie wysoką twardość i odporność na ścieranie,

4) dostateczną wytrzymałość w podwyższonych temperaturach,

5) dobre przewodnictwo cieplne,

6) niski współczynnik rozszerzalności cieplnej,

7) niski ciężar właściwy.

Wymaganiom tym kowalne stopy aluminium typu Al-Cu-Ni odpowiadają dość dobrze. Nie mają one jednak niskiego współczynnika rozszerzalności cieplnej. Mają natomiast dużą wytrzymałość odpowiednią dla wysoko obciążonych tłoków, jednak przy stosunkowo wolnobieżnych silnikach. Na tłoki szybkobieżnych silników lepiej nadają się odlewnicze stopy aluminium, które wyróżniają się mniejszym współczynnikiem rozrza1ności cieplnej.

Do obróbki na automatach stosuje się tzw. stopy aluminiowe-automatowe. Podobnie jak przy stalach automatowych wymagamy przy tych stopach, aby powstający przy skrawaniu wiór był łamliwy i krótki. Uzyskuje się to przez wprowadzenie do stopów takich dodatków jak ołów, bizmut, kadm oraz mangan, żelazo, wanad, tytan alba molibden w iloś­ciach od 1 do 3'%.

2.c. Odlewnicze stopy aluminium

Odlewnicze stopy aluminium stasuje się w postaci odlewów w for­mach piaskowych, w formach metalowych (kokilach) lub odlewów wtry­skowych.

Przy topieniu stopów aluminium należy przestrzegać temperatury topienia, którą należy kontrolować pirometrem termoelektrycznym. Za­leżnie od stopu temperatura topienia wynosi 650 do 780°C. Do topienia stopów aluminium używa się przeważnie pieców tyglowych ogrzewanych paliwem ciekłym lub gazowym, rzadziej stasuje się piece elektryczne.

Przy zalewaniu form należy utrzymać możliwie najniższą tempera­turę i bacznie zwracać uwagę, aby do formy nie dostały się tlenki glinu, które z łatwością twarzą się przy topieniu. Poza tym należy unikać przy topieniu wilgoci, gdyż tworzący się z niej wodór rozpuszcza się w cie­kłym stopie, a potem wydzielając się przy krzepnięciu powoduje poro­watość odlewów.

Najlepsze własności odlewnicze wykazuje stop typu Al-Si a zbliżanej zawartości krzemu do eutektycznej (ok. 11 - 13,5% Si) który nasi na­zwę siluminu.

Z siluminu odlewa się skomplikowane części maszyn, silników i części narażane na uderzenia, a mianowicie kartery silników spali­nowych, części wagonów, motocykli, karoserii samochodowych itp. Stop ten jest nieco lżejszy od aluminium, gdyż jego ciężar właściwy wynosi 2,5 da 2,65 G/cm³, a przy tym jest on znacznie od niego wytrzymalszy.

Szereg stopów aluminiowych nadaje się dobrze na odlewy wtryskowe. Odlewy wtryskowe wykonuje się w specjalnie skonstruowanych urzą­dzeniach, w których płynny stop jest przetłaczany z tygla do formy metalowej przy użyciu sprężonego powietrza lub tłoka.

Odlew wtryskowy pozwala wykonać przedmiot z dużą dokładnością i umożliwia nawet odlewanie gwintów na gotowo, dzięki czemu obróbka mechaniczna odlewu jest doprowadzona do minimum. Wytrzymałość i twardość odlewów wtryskowych jest większa niż odlewów piaskowych i kokilowych.

Wielki rozwój i ogromne zastosowanie zawdzięczają stopy aluminium przede wszystkim produkcji lotniczej, która wymaga materiału lekkiego, a jednocześnie o dużej wytrzymałości.

---