(+-)
(+-)
35%
40%
budowa pojazdów,
statków, samolotów
••••
1852 – 1890 wyprodukowano ok. 200t aluminium na drodze chemicznej redukcji zwi
ą
zków,
••••
1886 – metody otrzymywania Al na drodze elektrolizy, P.T. Heroult (Francja), C.M. Hall (USA)
••••
1906 – stopy aluminium
⇒
⇒
⇒
⇒
zdecydowane podwy
ż
szenie wytrzymało
ś
ci, A. Wilm (Niemcy)
••••
1825 – H.C. Oersted (Dania) pierwsze Al na drodze redukcji chlorku ,
(-+)
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
Główne dziedziny zastosowa
ń
Al
statków, samolotów
budownictwo
budowa maszyn
opakowania
elektrotechnika
U
d
z
ia
ł
p
ro
c
e
n
to
w
y
NSU - 1923
www.nsu.nu/history.htm
Junkers W33 „Bremen“ (D-1167) - 1927
(współczynnik
przewodzenie ciepła)
(współczynnik
temperaturowy
rezystancji)
(+-)
••••
porównanie własno
ś
ci Al z innymi metalami
T
0
[
°
C]
1083
1536
∗
- maksymalna wytrzymało
ść
w stopach (po obróbkach cieplno-mechanicznych),
Be
– niestety toksyczny i bardzo drogi,
Ti
– trudny w przetwarzaniu oraz drogi,
(O. Beffort, EMPA)
1668
660
650
1277
(+-)
aluminium technicznie czyste po zgniocie 80%
aluminium technicznie czyste po zgniocie 80% oraz
rekrystalizacji i rozro
ś
cie ziaren
(A. Krajczyk)
(-+)
(W
– od ang. „wrought”)
(17 gatunków )
⇒
⇒
⇒
⇒
b. cz
ę
sto u
ż
ywane s
ą
okre
ś
lenia:
stop aluminium serii, np. 2000, 5000 itd.
(+-)
Systemy oznaczania odlewniczych stopów aluminium
(PN-EN 1780-1 oraz 2)
(+-)
(casting)
(+)
(+!)
EN AW- serie:
1xxx
(Al 99,..)
3xxx
(Al Mn)
5xxx
(Al Mg)
EN AC-
4xx
(Al Si)
••••
podział stopów aluminium w zale
ż
no
ś
ci od usytuowania na wykresie równowagi
5xxx
(Al Mg)
8xxx
(Al Fe)
EN AW- serie:
2xxx
(Al Cu)
6xxx
(Al MgSi)
7xxx
(Al Zn)
8xxx
(Al Li)
odlewnicze
bez eutektyki:
EN AC- serie:
2xx (Al Cu)
5xx
(Al Mg)
7xx (Al Zn)
(+)
Stopy odlewnicze
••••
stopy aluminium z krzemem (siluminy) – stopy z eutektyk
ą
(-+)
2005
-
dobra rzadkopłynno
ść
oraz lejno
ść
i mały skurcz odlewniczy
, niska temperatura odlewania,
-
wad
ą
jest gruboziarnista struktura
, której zapobiega
modyfikowanie
:
- podeutektyczne i eutektyczne – sodem
(tak
ż
e Sr lub niekiedy Sb),
którego zwi
ą
zki ułatwiaj
ą
zarodkowanie oraz tworz
ą
c „błonk
ę
” utrudniaj
ą
wzrost kryształów Si (drobne i bardziej owalne),
(punkt eutektyczny przesuwa si
ę
w kierunku wy
ż
szych zawarto
ś
ci Si i ni
ż
szej temperatury),
- nadeutektyczne – fosforem (cz
ą
stki AlP stanowi
ą
zarodki heterogeniczne),
(+)
••••
stopy aluminium z krzemem (siluminy) – stopy z eutektyk
ą
- nadeutektyczne – fosforem (cz
ą
stki AlP stanowi
ą
zarodki heterogeniczne),
- zastosowanie:
- eutektyczne i nadeutektyczne, np. tłoki silników spalinowych (znaczna
ż
arowytrzymało
ść
),
- podeutektyczne, np. elementy dla przemysłu okr
ę
towego i elektrycznego, pracuj
ą
ce w
podwy
ż
szonej temperaturze i w wodzie morskiej,
- wieloskładnikowe stopy Al z Si, np. głowice silników spalinowych, alufelgi oraz inne
odlewy w przemy
ś
le maszynowym.
niemodyfikowana eutektyka
(
αααα
+ Si) układu Al-Si
obszar eutektyki niezmodyfikowanej
(cz
ę
sta wada struktury)
(+-)
αααα
Si
modyfikowana eutektyka
układu Al-Si
Pow. 125x
Pow. 125x
prawidłowo modyfikowany silumin przedeutektyczny
Pow. 100x
⇒
⇒
⇒
⇒
(+-)
Pow. 500x
AlSi13Mg1CuNi
(nieudane
modyfikowanie)
(A. Krajczyk)
(R. Haimann)
modyfikowanie
przesuwa linie
wykresu
eutektyka
niezmodyfikowana
silumin zaeutektyczny
niemodyfikowany
(nieregularne wydzielenia Si
na tle eutektyki (
αααα
+ Si))
(+-)
silumin zaeutektyczny
po modyfikowaniu
(regularne wydzielenia Si
na tle drobnoiglastej eutektyki)
(A. Krajczyk)
Przykłady odlewniczych stopów aluminium z krzemem
wg PN-EN 1706:2001
Minimalne właściwości
Znak stopu
(C od ang. „casting”)
R
p0,2
MPa
R
m
MPa
A
5
%
HB
Uwagi dotyczące stanu
EN AC-AlSi11
70
150
6
45
stan surowy
EN AC-AlSi5Cu1Mg
200
230
1
100
przesycanie i starzenie
EN AC-AlSi5Cu3Mg
180
270
2,5
85
przesycanie i starzenie
(-+)
EN AC-AlSi5Cu3Mg
180
270
2,5
85
przesycanie i starzenie
EN AC-AlSi5Cu3Mn
200
230
1
90
przesycanie i starzenie
EN AC-AlSi9Cu1Mg
235
275
1,5
105
przesycanie i starzenie
EN AC-AlSi12CuNiMg
240
280
1
100
przesycanie i starzenie
EN AC-AlSi2MgTi
180
240
3
85
przesycanie i starzenie
EN AC-AlSi7Mg0,3
190
230
2
75
przesycanie i starzenie
typowa struktura obr
ę
czy koła (alufelgi),
(modyfikowany silumin przedeutektyczny),
(+-)
- prawidłowa drobna eutektyka (
α
+ Si),
- typowy dendrytyczny kształt wydziele
ń
roztworu stałego
α
,
- silnie rozgał
ę
zione dendryty negatywnie
wpływaj
ą
na własno
ś
ci mechaniczne, np. R
m
, K
Casting
Low pressure casting
Investiment casting
Sand or plaster casting
Permanent mold casting
Hot chamber DC
(forma piaskowa lub gipsowa)
(forma trwała)
(metoda traconego wosku)
••••
metody odlewania stopów aluminium i magnezu,
(-+)
Casting
High pressure casting
Die casting
Squeeze casting
Thixocasting
Thixomolding
Rheocasting
Semi-solid forming
Hot chamber DC
Cold chamber DC
(kokilowe)
(z gor
ą
c
ą
komor
ą
)
(z zimn
ą
komor
ą
)
(w stanie półstałym)
(przez prasowanie)
(odlewanie)
(nowe metody formowania)
••••
ci
ś
nieniowe odlewanie (formowanie) w stanie półstałym „
semi-solid forming
”,
- wykorzystanie
tiksotropowego
zachowania si
ę
stopu
w temperaturach mi
ę
dzy lini
ą
likwidus a solidus,
- rozbicie dendrytów roztworu stałego na drobne i zaokr
ą
glone
ziarna poprzez intensywne mieszanie w stanie półstałym,
stan tiksotropowy
(Kevin Pang)
(-+)
(O. Granath – Jönköping University)
- wtłaczanie do formy w stanie tiksotropowym
z rozbitymi dendrytami,
(Kevin Pang)
(Kevin Pang)
••••
stopy odlewnicze bez eutektyki (Al-Mg,
Al-Cu, Al-Zn
)
••••
stopy odlewnicze Al-Mg (poza siluminami najcz
ęś
ciej stosowane stopy odlewnicze Al)
(+)
- największa odporność na korozję i mała gęstość
(Mg - 1,7g/cm
3
),
- własności odlewnicze gorsze niż siluminów (nie wchodzimy w obszar eutektyki),
- struktura dwufazowa jest niekorzystna więc:
- przesycanie,
- w niektórych możliwe starzenie - w stopach Al-Mg-Si (utwardzają wydzielenia Mg
2
Si),
- zastosowanie:
- odlewy o dużej odporności na korozję a także silnie obciążone i narażone na uderzenia,
np. armatura morska, elementy aparatury chemicznej, elementy samochodów,
Przykłady odlewniczych stopów aluminium z magnezem wg PN-EN 1706:2001
(+-)
••••
stopy odlewnicze Al-Mg
Przykłady odlewniczych stopów aluminium z magnezem wg PN-EN 1706:2001
Minimalne właściwości
Znak stopu
R
p0,2
MPa
R
m
MPa
A
5
%
HB
Uwagi dotyczące stanu
EN AC-AlMg3
70
140
3
50
surowy (po odlewaniu)
EN AC-AlMg5
90
160
3
55
surowy (po odlewaniu)
EN AC-AlMg5Si
100
160
3
60
surowy (po odlewaniu)
••••
stopy odlewnicze Al-Cu oraz Al-Zn
- s
ą
rzadziej stosowane - skład chemiczny, własno
ś
ci i rekomendowane zastosowanie mo
ż
na znale
źć
w normie PN-EN 1706:2001 lub aktualnych informatorach producentów,
Stopy odlewnicze Al-Cu
– stosowane rzadziej niż stopy Al-Si i Al-Mg.
- trudności technologiczne przy wytwarzaniu odlewów (skłonność do pęknięć na gorąco oraz porowatości skurczowej),
- możliwe utwardzanie wydzieleniowe odlewów (Cu, Mg),
- stosowane na średnio i bardzo obciążone elementy samochodów i maszyn,
Przykłady odlewniczych stopów aluminium z miedzią wg PN-EN 1706:2001
Minimalne właściwości
Znak stopu
R
p0,2
MPa
R
m
MPa
A
5
%
HB
Uwagi dotyczące stanu
EN AC-AlCu4MgTi
200
300
5
90
przesycane i starzone
EN AC-AlCu4Ti
200
300
3
95
przesycane i starzone
EN AC-AlCu4Ti
200
300
3
95
przesycane i starzone
Stopy do obróbki plastycznej
••••
walcowanie na gor
ą
co oraz na zimno,
- wytwarzanie płyt, blach, ta
ś
m, folii,
walcowanie na gor
ą
co
walcowanie na zimno
••••
ci
ą
gnienie na gor
ą
co oraz na zimno,
- wytwarzanie drutów, pr
ę
tów, rur, kształtowników
••••
wyciskanie na gor
ą
co,
dwucz
ęś
ciowa matryca do wyciskania profilu
przykłady profili
wyciskanych
••••
kucie na gor
ą
co,
••••
historycznie pierwsze stopy Al-Cu (ok. 4%), obecnie stopy wieloskładnikowe,
- stopy Al-Cu utwardzane wydzieleniowo (
durale, duraluminium
) – seria 2000,
(+)
(-+)
2005
(+)
(M.F. Ashby, D.R.H. Jones)
(+)
(M.F. Ashby, D.R.H. Jones)
(L.A. Dobrza
ń
ski)
(+)
(L.A. Dobrza
ń
ski)
(M.F. Ashby, D.R.H. Jones)
(+)
(M.F. Ashby, D.R.H. Jones)
(+)
(L.A. Dobrza
ń
ski)
(M.F. Ashby, D.R.H. Jones)
(+)
R
0,2
[MPa]
R
m
[MPa]
••••
wpływ temperatury i czasu starzenia na wytrzymało
ść
stopów:
- dwuskładnikowy klasyczny AlCu4
- wieloskładnikowy serii 6000 (AlMgSi)
(+-)
Czas starzenia [h]
- starzenie samorzutne daje najwy
ż
sz
ą
wytrzymało
ść
,
-
ż
arowytrzymało
ść
prostych stopów AlCu jest niewielka
(powy
ż
ej 100
°
C obni
ż
a si
ę
szybko z upływem czasu)
- najwy
ż
sz
ą
wytrzymało
ść
daje starzenie sztuczne
(fazy o zło
ż
onym składzie),
- wy
ż
sza
ż
arowytrzymało
ść
zale
ż
na od temperatury
starzenia,
•
nale
ż
y pami
ę
ta
ć
,
ż
e im wy
ż
sza wytrzymało
ść
tym mniejsza ci
ą
gliwo
ść
(potrzebny kompromis)
(L.A. Dobrza
ń
ski)
(+)
Zmiana R
0,2
stopu aluminium typu AlCu4 w trakcie starzenia sztucznego w 150
°
C
struktura równowagi
(M.F. Ashby, D.R.H. Jones)
(-+)
AlCu4MgSi w stanie przesyconym – na tle przesyconego roztworu
αααα
= Al (Cu, Mg) wydzielenia zanieczyszcze
ń
(Cu
2
FeAl)
⇒
⇒
⇒
⇒
(A. Krajczyk)
(-+)
Przestarzony stop AlCu4 – wydzielenia CuAl
2
na granicach ziarn oraz w przestrzeniach mi
ę
dzydendrytycznych
⇒
⇒
⇒
⇒
(J. Marrow,
University of Manchester)
-
wyższa żarowytrzymałość
,
dobra odporność na korozję
gazową i erozję,
-
niższa wytrzymałość niż starzonych naturalnie
durali miedziowych
,
- obróbka cieplna: jak wyżej, ale przesycanie z ok. 530ºC i starzenie tylko sztuczne,
- stosowane na elementy konstrukcji samolotów, środków transportu i maszyn pracujących w temperaturach
do ok. 350ºC,
Przykłady stopów Al-Cu do obróbki plastycznej (wyroby wyciskane) - wg PN-EN 573-3:2005
Minimalne właściwości
Znak stopu
(w normie 18 gatunków)
R
p0,2
MPa
R
m
MPa
A
5
%
HB
Uwagi dotyczące stanu
EN AW-AlCu4MgSi
270
400
10
-
przesycanie, starzenie naturalne
EN AW-AlCu4Mg1
310
450
8
-
przesycanie, zgniot, starzenie naturalne
EN AW-AlCu4SiMn
420
465
7
-
przesycanie, starzenie sztuczne
(+-)
Wieloskładnikowe stopy Al-Cu (seria 2000) –
durale
wieloskładnikowe
EN AW-AlCu4SiMn
420
465
7
-
przesycanie, starzenie sztuczne
EN AW-AlCu4SiMg
EN AW-AlCu6Mn
EN AW-AlCu5,5MgMn
EN AW-AlCu2,5NiMg
EN AW-AlCu2Mg1,5Ni
EN AW-AlCu2Li2Mg1,5
nowy stop z litem (niższy ciężar)
Stopy Al-Cu-Mg (seria 2000) -
durale miedziowe
- wysokie wła
ś
ciwo
ś
ci wytrzymało
ś
ciowe, ale mała
ż
arowytrzymało
ść
i odporno
ść
na korozj
ę
,
- utwardzanie wydzieleniowe (przesycanie w wodzie z ok. 500ºC oraz kilkudniowe
starzenie samorzutne w temp. pokojowej lub starzenie sztuczne w ok. 180ºC),
- wytrzymało
ść
mo
ż
na jeszcze zwi
ę
kszy
ć
poprzez obróbk
ę
plastyczn
ą
(gniot 3
÷
5%) po starzeniu samorzutnym,
- stosowane na elementy maszyn, pojazdów, taboru kolejowego, samolotów i w budownictwie,
- 0,8÷8,4%Zn oraz do 3,7%Mg, do 2,6%Cu oraz niekiedy dodatki Mn, Cr, Ti, Zr,
- najwyższe właściwości wytrzymałościowe ze wszystkich stopów aluminium,
(R
m
do ok.
700
MPa, R
p0,2
do ok.
600
MPa, A
5
= 2÷5% )
- wady:
- mała odporność na działanie podwyższonej temperatury,
- mała odporność na korozję (szczególnie naprężeniową)
– często platerowane Al,
- obróbka cieplna:
- wyżarzanie rekrystalizujące (390÷430ºC),
- przesycanie w wodzie z 465÷480ºC,
- starzenie sztuczne (120÷150ºC) przez 24 h (samorzutne do 60 dni – nie jest stosowane),
- głównie jako stopy do obróbki plastycznej szeroko stosowane na elementy maszyn, pojazdów,
taboru kolejowego, konstrukcji lotniczych,
(+-)
Wieloskładnikowe stopy Al z Zn (seria 7000) -
durale cynkowe
taboru kolejowego, konstrukcji lotniczych,
- niektóre stopy można stosować jako odlewnicze, np. EN AC-AlZn5Mg, ale nawet po przesycaniu
i naturalnym starzeniu właściwości są niskie (R
m
min 190MPa, R
p0,2
min 120 MPa, A
5
= 4%)
Przykłady wieloskładnikowych stopów Al-Zn do obróbki plastycznej
wg PN-EN 573-3:1998
Minimalne właściwości
Znak stopu
R
p0,2
MPa
R
m
MPa
A
5
%
HB
Uwagi dotyczące stanu
EN AW-AlZn5,5MgCu
470
540
7
161
przesycony, starzony sztucznie
EN AW-AlZn4,5Mg1
280
350
10
104
przesycony, starzony sztucznie
EN AW-AlZn5Mg3Cu
420
490
7
-
przesycony, starzony sztucznie
EN AW-AlZn8Mg2,5Cu1,5Cr
EN AW-AlZn5Mg1,5CuZr
- struktura zwykle dwufazowa (roztwór stały α i wydzielenia fazy β),
- właściwości:
- podwyższone mechaniczne, możliwe dalsze zwiększanie umocnieniem zgniotowym,
wydzieleniowym oraz nisko- i wysokotemperaturową obróbką cieplno-mechaniczną,
- odporność na korozję w środowisku wody i atmosfery morskiej,
- dobra spawalność,
- podatność na głębokie tłoczenie,
- zastosowanie:
- średnio obciążone elementy w przemyśle okrętowym i lotniczym,
- urządzenia przemysłu spożywczego i chemicznego,
- opakowania, np. na puszki do napojów,
Przykłady stopów Al-Mg do obróbki plastycznej (wyroby wyciskane)
wg PN-EN 573-3:1998
Minimalne właściwości
Stopy Al-Mg (seria 5000) oraz Al-Mg-Si (seria 6000) -
hydronalia
(+-)
Minimalne właściwości
Znak stopu
R
p0,2
MPa
R
m
MPa
A
5
%
HB
Uwagi dotyczące stanu
EN AW-AlMg4,5Mn0,7
125
270
12
-
umocniony zgniotem
EN AW-AlMg5Cr
100
200
10
-
przesycony, starzony naturalnie
EN AW-AlMgSiPb
260
310
6
-
przesycony, starzony sztucznie
EN AW-AlMg1SiPb
240
260
10
-
przesycony, starzony sztucznie
110
205
16
-
przesycony, starzony naturalnie
EN AW-AlMg1SiCu
240
290
10
-
przesycony, starzony sztucznie
EN AW-AlMg1Si0,8CuMn
- norma wyróżnia ponad 80 gatunków wraz ze stopami Al-Mg-Si
- wiele stopów charakteryzuje się dobrą odpornością na korozję tylko po starzeniu naturalnym
(mniejsza wytrzymałość), natomiast po starzeniu sztucznym odporność korozyjna znacznie spada
ale większa wytrzymałość,
- do 1,5%Mn oraz dodatek Mg lub Cu,
- dobra odporność na korozję w agresywnych ośrodkach korozyjnych,
- wykazują tendencję do gruboziarnistości i segregacji strefowej czemu przeciwdziałają nawet
niewielkie dodatki Ta, Ti, Zr lub B,
- struktura to roztwór α z wydzieleniami fazy β na granicach ziarn,
- obróbka cieplna polega na wyżarzaniu ujednorodniającym i rekrystalizującym,
- zastosowanie:
- urządzenia produkcyjne i transportowe w przemyśle spożywczym i chemicznym,
- spawane zbiorniki na ciecze i gazy techniczne,
Przykłady stopów Al-Mn do obróbki plastycznej wg PN-EN 573-3:2005
Stopy Al-Mn (seria 3000) –
alumany
(nie utwardzane wydzieleniowo)
(+-)
Przykłady stopów Al-Mn do obróbki plastycznej wg PN-EN 573-3:2005
Minimalne właściwości
Znak stopu
(w normie 15 gatunków)
R
p0,2
MPa
R
m
MPa
A
5
%
HB
Uwagi dotyczące stanu
EN AW-AlMn0,6
EN AW-AlMn1
EN AW-AlMn0,5Mg0,5
EN AW-AlMn1Mg05
130
150
2
48
umocniony zgniotem (twardy)
EN AW-AlMn1Mg1Cu
••••
stopy Al z litem
(wieloskładnikowe)
- opracowane niedawno ( do 4% Li),
- specjalne metody metalurgiczne
(reaktywno
ść
Li z tlenem),
-
mniejsza g
ę
sto
ść
stopów o ok. 8
÷÷÷÷
10%
(g
ę
sto
ść
Li = 0,53 g/cm
3
),
- stopy wieloskładnikowe do obróbki
plastycznej utwardzane wydzieleniowo,
- wytrzymało
ść
równa lub wi
ę
ksza w
porównaniu z duralami klasycznymi,
- dobra odporno
ść
na zm
ę
czenie,
(+-)
- dobra odporno
ść
na zm
ę
czenie,
- dobra udarno
ść
w niskich temperaturach,
- zastosowanie:
- elementy nowoczesnych samolotów (poszycie, podłogi, u
ż
ebrowanie)
EN AW-AlLi2,5Cu1Mg1
EN AW-AlCu2Li2Mg1,5
wg PN-EN 573-3 (durale wieloskładnikowe, seria 8000)
- obecnie produkowane stopy wieloskładnikowe o zawarto
ś
ci 1,9
÷÷÷÷
2,7% Li
(do 4% Li wymaga specjalnych metod krzepni
ę
cia)
(http://www.alfot.com/forging-3.html)
zamiennik – ALFOT (Taiwan)
stop 6061
(EN AW-AlMg1SiCu)
oryginał - VW
stop 6082 (EN AW-AlSi1MgMn)
stop 6082 (EN AW-AlSi1MgMn)
Type 2000 all aluminum-alloy train for Sanyo Electric Railway
In Japan, over 10,000 aluminum-alloy trains have been manufactured since the first aluminum-alloy train in 1962
http://www.khi.co.jp/sharyo/tec_final/tec_al_6e.html
(-+)
150
200
250
300
Al rein
Al M g0,8
Al M g1,4
Al M g3
Al M g4
Al M g5
(B. Ku
ź
nicka)
0
50
100
150
R
e
(R
0,2
)
R
m
Stopy
odlewnicze
Skład
utwardzanie
dyspersyjne
Stopy do
przeróbki
plastycznej
Skład
utwardzanie
dyspersyjne
1xx
Al > 99%
Nie
1xxx
Al > 99%
Nie
2xx
Al-Cu
Tak
2xxx
Al-Cu,
Al-Cu-Li
Tak
3xx
Al-Si-Cu,
cz
ęś
ciowo
3xxx
Al-Mn
Nie
3xx
Al-Si-Cu,
Al-Mg-Si
cz
ęś
ciowo
3xxx
Al-Mn
Nie
4xx
Al-Si, Al-Mg-Si
Nie
4xxx
Al-Si,
Al-Mg-Si
Tak z Mg
5xx
Al-Mg
Nie
5xxx
Al-Mg
Nie
6xxx
Al-Mg-Si
Tak
7xx
Al-Mg-Zn
Tak
7xxx
Al-Mg-Zn
Nie
8xx
Al-Sn
Tak
8xxx
Al-Li,Sn,Zr,B
Tak
••••
kompozyty wielowarstwowe (najnowsze rozwi
ą
zania poszycia samolotów)
- wysokowytrzymałe durale wieloskładnikowe (ale o niskiej ci
ą
gliwo
ś
ci) przekładane warstwami
jednokierunkowo wzmacnianego kompozytu epoksydowo-szklanego (pod ró
ż
nym k
ą
tem),
- materiał o nazwie „GLARE” opracowany dawno (w latach 80-tych) ale kosztowny w formowaniu,
- zastosowany ostatnio na elementy poszycia Airbus A360