OBRÓBKA CIEPLNA - OBRÓBKA CIEPLNA STOPÓW NIEŻLAZNYCH

1. Aluminium i jego stopy

Aluminium - metal krystalizujący w układzie regularnym ściennie centrowanym A1 o dosyć niskiej temperaturze topnienia 660^oC. Gęstość jest trzykrotnie niższa od żelaza, ma niewielkie wytrzymałościowe właściwości, ale ma dobre właściwości plastyczne. Przewodność elektryczna i cieplna aluminium jest duża, ale dwukrotnie gorsza od miedzi. Można umocnić poprzez zgniot. Ulega samorzutnej pasywacji (tworzenie się na powierzchni cienkiej, lecz bardzo szczelnej i silnie przylegającej do metalu warstwy tlenku Al₂O₃) co chroni przed przenikaniem atomów tlenu i chroni przed utlenieniem, przez to powierzchnia aluminium prawie nigdy nie jest metaliczna. Jest też odporne na działanie stężonego kwasu azotowego i suchych gazów (amoniak, chlor, dwutlenek węgla, dwutlenek siarki). Nieodporny jest na działanie wodorotlenków sodu, potasu i wapnia oraz kwasów beztlenowych (fluorowodorowego i solnego)

Stopy aluminium - głównym dodatkiem stopowym są miedź, magnez, mangan, cynk lub lit. W mniejszych ilościach mogą występować nikiel, żelazo, chrom, tytan i krzem (polepszają właściwości wytrzymałościowe poprzez tworzenie roztworu stałego twardych wydzieleń faz międzymetalicznych).

Duraluminium - dural - stop aluminium z miedzią (2-4,9%) (+magnez i mangan). Ma strukturę roztworu stałego α miedzi w aluminium (o właściwościach takich jak czyste aluminium) oraz fazy θ (międzymetaliczna CuAl₂), która wydziela się wtórnie na granicy ziaren roztworu α wskutek zmniejszania się rozpuszczalności miedzi w aluminium

Silumin - stop odlewniczy - stop aluminium z krzemem, ewentualnie z dodatkiem magnezu, manganu, miedzi i niklu. Maja bardzo dobre właściwości odlewnicze (lejność, mały skurcz, dokładnie wypełniają formę, tworzą skoncentrowaną jamę usadową, nie wykazują skłonności do pękania na gorąco). Nie mają zbyt wysokich właściwości wytrzymałościowych, plastycznych. Dzielą się na:

• podeutektyczne o zawartości 4-10% Si

• eutektyczne o zawartości 10-13% Si - pracują w podwyższonej temperaturze do 300^oC i są odporne na korozję w wodzie morskiej

• nadeutektyczne o zawartości 17-30% Si

Do ciekłego stopu o temperaturze wyższej od temperatury odlewania dodaje się modyfikatory powodujące rozdrobnienie struktury i zaokrąglenie kryształów krzemu, obniżana jest też temperatura eutektyczna i punkt eutektyczny jest przesuwany do większej zawartości krzemu (14%). Modyfikowane stopy eutektyczne mają po zakrzepnięciu strukturę drobnoziarnistej eutektyki złożonej z roztworu stałego α i zaokrąglonych wydzieleń krzemu oraz dendrytów roztworu α. Stop taki staje się stopem podeutektycznym, a jego właściwości plastyczne ulegają poprawie, wzrasta poziom właściwości wytrzymałościowych

Inne odlewnicze:

• stopy aluminium z miedzią - dobra lejność, można zwiększyć ich wytrzymałość przez utwardzanie wydzieleniowe

• stopy aluminium z magnezem - gorsza lejność, lepsze właściwości wytrzymałościowe i plastyczne, są odporne na działanie wody morskiej. Należy obrabiać je cieplnie przez utwardzanie wydzieleniowe.

1. Miedź i jej stopy

Miedź - metal krystalizujący w układzie regularnym ściennie centrowanym A1 o temperaturze topnienia 1083^oC. Ma niski poziom właściwości wytrzymałościowych i dobre właściwości plastyczne (R_e 60 MPa, R_m 230 MPa, twardość 30HB). Można umocnić w wyniku zgniotu. Ma największą po srebrze przewodność elektryczną i bardzo dobrą przewodność cieplną - przewodność zależy od czystości miedzi, zmniejszają ją zanieczyszczenia: fosfor, krzem, żelazo. Bardzo dobra odporność na korozję (całkowita odporność na działanie wody morskiej, gorsza na zwykłą wodę ze względu na CO₂ i tlen). Nieodporna na atmosferę przemysłową (zawiera dwutlenek siarki - zasadowy siarczan miedzi nie chroni przed korozją). Patyna - zasadowy węglan miedzi, pod wpływem wilgotnego powietrza na powierzchni tworzy się jej warstwa, która chroni ją przed dalszą korozją

Stopy miedzi - po stalach i stopach lekkich najczęściej stosowane stopy techniczne, dzielą się na:

• stopy o jednofazowej strukturze roztworu stałego na bazie miedzi (mniejsze zawartości dodatku stopowego) lub ciągłego roztworu stałego (stopy z niklem, manganem, złotem, platyną i palladem) - (mają dobre właściwości plastyczne i mogą być obrabiane plastycznie na zimno)

• stopy o strukturze dwu- lub wielofazowej przy większych zawartościach dodatku stopowego (stosowane w stanie lanym, a rzadziej obrabiane plastycznie na gorąco)

Najważniejsze stopy miedzi to mosiądze i brązy (mosiądz - do 45% cynku, brązy: cynowe - do 11% cyny, aluminiowe - do 10% aluminium, niklowe (miedzionikle) - do 40% niklu, ołowiowe - do 35% ołowiu, manganowe - do 14% manganu, berylowe - do 2,5% berylu

Mosiądze - najbardziej rozpowszechnione stopy miedzi. Zawierają do 45% cynku oraz mogą zawierać dodatek jednego lub kilku pierwiastków (0,5-5% Pb, Mn, Al, Fe, Si, Ni), mają dobrą odporność na korozję, łatwo można je lutować i spawać

faza α - roztwór cynku w miedzi o sieci regularnej ściennie centrowanej

faza β - roztów stały na bazie fazy międzymetalicznej CuZn, krystalizuje w układzie regularnym przestrzennie centrowanym A2, ułożenie atomów cynku i miedzi jest nieuporządkowane, atomy każdego z pierwiastków mogą zajmować dowolne położenie w sieci, ma mniejszą twardość niż faza α

faza β' - faza β po uporządkowaniu w temp. 450^oC (uporządkowany roztwór stały), atom cynku zajmuje centralne położenie, ma lepsze właściwości wytrzymałościowe i pogarsza plastyczność, jest twarda i krucha

• mosiądze o strukturze α (do 38% cynku) - bezpośrednio po zakrzepnięciu mają strukturę dwufazową α+β, podczas chłodzenia faza β całkowicie rozpuszcza się w roztworze α.
  Są przeznaczone do obróbki plastycznej na ziemno, wraz ze wzrostem zawartości cynku w mosiądzu wzrasta twardość od 40HB (4%Zn) do 56HB (38%Zn), wzrasta też R_e, R_m, wydłużenie najpierw zmniejsza się, a potem zwiększa, dla 32%Zn wartość 67% - mosiądze o tej zawartości mają najlepszą tłoczność.
  Obróbka plastyczna na zimno - poprzez zgniot.
  Oznaczanie: znak (CuZn40Mn1,5) lub cecha (MM58)

• mosiądze o strukturze α+β' - są przeznaczone do obróbki plastycznej na gorąco: ze względu na kruchą fazę β' twardość wzrasta do 80HB, rośnie R_m, R_e rośnie mało, właściwości plastyczne drastycznie maleją. Obróbka plastyczna polega na ogrzaniu materiału do temperatury powyżej 454^oC (temperatura porządek - nieporządek)
  mosiądze odlewnicze - krzepną dendrytycznie po odlaniu - prowadzi to do segregacji chemicznej, mają mniejsze właściwości mechaniczne od tych obrabianych na gorąco, wszystkie mosiądze odlewnicze są stopami wieloskładnikowymi (zawierają też ołów, mangan, aluminium i krzem), mają dobrą lejność

Mosiądze wykazują dobrą odporność na korozję atmosferyczną oraz w środowisku wody morskiej i wodociągowej, ulegają natomiast:

• korozji naprężeniowej - pękanie sezonowe, nagłe pękanie bez widocznego powodu, wzdłuż granic ziaren, powodują to naprężenia w materiale oraz korozyjne środowisko (amoniak)

• odcynkowaniu - korozja elektrochemiczna - podczas pobytu w elektrolicie (chlor) miedź i cynk przechodzą do roztworu z którego wydziela się miedź w postaci gąbczastej, po wytrąceniu miedzi korozja ulega przyspieszeniu, ulegają jej zwłaszcza mosiądze dwufazowe

Brązy - zazwyczaj stopy miedzi z cyną - są to najstarsze stopy stosowane przez człowieka. Zawierają od 1 do 11% cyny, mogą też występować dodatki stopowe (cynk, ołów, mangan, fosfor).

faza α - roztwór stały cyny w miedzi

faza δ - roztwór stały na bazie fazy międzymetalicznej o wzorze Cu₃₁Sn₈, ma bardzo dużą twardość (300HB)

• brązy o strukturze roztworu stałego α - do 7% cyny
  Są przeznaczone do obróbki plastycznej na zimno, polega ona na zgniocie, który silnie je umacnia, nadają się do lutowania i spawania

• brązy o strukturze α + eutektoid (α+δ) - powyżej 7% cyny
  Są to odlewnicze brązy cynowe (9-11%), obecność eutektoidu zwiększa ich kruchość, co uniemożliwia obróbkę plastyczną na zimno. Mają mały skurcz odlewniczy, dobrą lejność. Odlewy nie mają ścisłej budowy, zawierają rzadzizny i pory skurczowe w całej objętości odlewu, mają skłonność do silnej segregacji dendrytycznej. Są odporne na działanie podwyższonej temperatury 200 - 300^oC

1. Zastosowanie aluminium, miedzi oraz ich stopów

Miedź:

Zastosowanie miedzi technicznie czystej zależy od ilości zawartych w niej zanieczyszczeń.

99,99% - bardzo dobra przewodność elektryczna - do elektrotechniki

99,9% - przewody elektrotechniczne

99,0% - przemysł chemiczny i energetyki cieplnej - części skraplaczy wymienników cieplnych, chłodnic, pokrycia dachów zabytkowych budowli, urządzenia pracujące w obniżonej temperaturze

Wykorzystywana też jako dodatek stopowy do niektórych stali, staliw i żeliw oraz do stopów aluminium, cynku, stopów łożyskowych i do stopów złota i srebra, jest też składnikiem wielu materiałów spiekanych. Najszersze zastosowanie jako składnik podstawowy stopów technicznych

Mosiądze do obróbki plastycznej na zimno:

Wyrabiane w postaci taśm, płaskowników, blach, drutów, prętów lub rur, wykonuje się z nich rurki włoskowate, rurki chłodnic, wężownice, membrany manometrowe, łuski amunicji małokalibrowej, rury do skraplaczy, wyroby otrzymywane przez precyzyjne głębokie tłoczenie (łuski armatnie, wyroby artystyczne), części zegarów, nity, nakrętki do szprych rowerowych, rury do chłodnic samochodowych

Mosiądze do obróbki plastycznej na gorąco:

Półwyroby takie same jak na zimno, wykonuje się odkuwki precyzyjne - śruby z wygniatanym gwintem, części odporne na ścieranie lub silnie obciążone statycznie

Mosiądze odlewnicze:

obudowy, części trące w budowie silników i maszyn narażone na ścieranie, łożyska ślizgowe, armatura hydrauliczna, gazowa, przemysł okrętowy

Brązy do obróbki plastycznej na zimno:

rurki i sprężyny manometryczne, membrany, sita, śruby, giętkie węże, połączenia wtykowe, elementy przyrządów kontrolnych i pomiarowych, części dla przemysłu chemicznego, precyzyjnego, elementy ślizgowe

Brązy odlewnicze:

części maszyn narażone na ścieranie, panewki, napędy, łożyska, ślimacznice, pierścienie uszczelniające, części narażone na korozję (przemysł chemiczny, papierniczy, okrętowy)

Aluminium:

Zastosowanie zależy od czystości.

99,99-99,95% - uzyskane dzięki rafinacji - do budowy specjalnej aparatury chemicznej, na wyroby elektrotechniczne, elektroniczne

99,8-99,7 - hutnicze - do produkcji folii, na części aparatury chemicznej oraz do platerowania

99,9-99% - wyroby ogólnego przeznaczenia

99,7% i 99,5% - przewody elektryczne

Stopy aluminium do obróbki plastycznej:

elementy konstrukcji lotniczych, samochodowych, okrętowych, elementy budowlane, w urządzeniach przemysłu chemicznego i spożywczego, na przewody elektryczne

Siluminy:

• podeutektyczne - odlewy głowic silników spalinowych, części dla przemysłu maszynowego, motoryzacyjnego, lotniczego

• eutektyczne - odlewy tłoków silników spalinowych, części o skomplikowanych kształtach, średnio obciążone części dla przemysłu elektrycznego i okrętowego, armaturę, części silników, pomp, pracujące w podwyższonej temperaturze

• nadeutektyczne - silnie obciążone silniki spalinowe

1. Obróbka cieplna aluminium, miedzi oraz ich stopów

Obróbka cieplna mosiądzów:

• wyżarzanie ujednorodniające

• wyżarzanie rekrystalizujące - najczęściej stosowane, poddaje się mu mosiądze o strukturze α obrabiane plastycznie na zimno, jego celem jest usunięcie umocnienia spowodowanego zgniotem i umożliwienie dalszej obróbki plastycznej. Temperatura wyżarzania zależy od gatunku mosiądzu i stopnia zgniotu, wynosi od 450^oC (duży stopień zgniotu) do 650^oC. Czas i temperatura muszą być tak dobrane by nie nastąpił rozrost ziaren pogarszający podatność mosiądzu na obróbkę plastyczną (zachodzi szczególnie w przypadku małego stopnia zgniotu)

• wyżarzanie odprężające - poddawane mu są mosiądze poddane obróbce plastycznej na zimno i nierekrystalizowane. Celem jest zmniejszenie w materiale naprężeń wewnętrznych, które mogą być przyczyną korozji naprężeniowej (pękanie w wyniku stałych naprężeń i oddziaływania środowiska). Prowadzi się w temp. 200-300^oC w czasie do kilkunastu godzin. Warunki muszą być tak dobrane aby nie zaszła rekrystalizacja. Stosuje się je również dla odlewów.

Obróbka cieplna brązów:

• wyżarzanie rekrystalizujące - do stopów o strukturze α przerobionych plastycznie na zimno. Celem jest odzyskanie pogorszonych wskutek zgniotu właściwości plastycznych, co umożliwi dalszą obróbkę plastyczną. Wyżarzanie przeprowadza się w temperaturach 500-600^oC w czasie około 1h

• wyżarzanie ujednorodniające - poddaje się brązy odlewnicze, prowadzi się je w temperaturze 650-750^oC w czasie od kilku do kilkunastu godzin. Wyżarzanie to ma na celu wyrównanie składu chemicznego i struktury w całym przekroju materiału, niejednorodnego z powodu silnej segregacji chemicznej odlewów.

• hartowanie i niskie odpuszczanie - dla brązów aluminiowych - hartowanie 700^oC, odpuszczanie 300^oC, właściwości wytrzymałościowe wyraźnie wzrastają

Utwardzanie wydzieleniowe duraluminium:

Polega na umocnieniu roztworu stałego przez dyspersyjne (bardzo drobne wydzielenia faz międzymetalicznych. Im mniejsze wydzielenia faz i mniejsze odległości między nimi, tym bardziej utrudniony jest ruch dyslokacji i dzięki temu wzrasta poziom właściwości wytrzymałościowych.

Przesycanie - obróbka cieplna zaburzająca stan równowagi stopu. Nagrzewa się do 500-520^oC, w której uzyskuje się jednorodną strukturę roztworu stałego α dzięki całkowitemu rozpuszczeniu miedzi w aluminium. Po wygrzaniu stop chłodzi się szybko w wodzie. Krótki czas chłodzenia nie pozwala na wydzielenie się fazy θ i cała miedź pozostaje w roztworze stałym α. Powstaje roztwór przesycony. Właściwości wytrzymałościowe są gorsze, bezpośrednio po przesyceniu duraluminium można obrabiać plastycznie na zimno. W temperaturze 20^oC przesycony i niestabilny - dąży do stanu równowagi przez wydzielenie nadmiaru miedzi.

Starzenie - wydzielenie się nadmiaru miedzi z przesyconego duraluminium, proces długotrwały, polegający na tworzeniu się skupisk atomów miedzi w roztworze α, czyli stref przedwydzieleniowych (stref G-P), z których następnie powstają wydzielenia faz nierównowagowych pośrednich, kolejno θ'' i θ' oraz w odpowiednio wysokiej temperaturze fazy równowagowej θ. Strefy G-P i wydzielenia faz międzymetalicznych powodują umocnienie stopu. Podwyższenie temperatury starzenia wpływa na zwiększenie wymiarów wydzieleń i zwiększenie odległości miedzy nimi - utwardzenie stopu jest tym mniejsze, im wyższa jest temperatura starzenia.

• starzenie samorzutne - przebiegające samoistnie w temperaturze pokojowej (kilka dni). Strukturą jest roztwór stały α z wydzieleniami stref G-P. Pozwala uzyskać największe umocnienie (R_m 250MPa, twardość 115HB)

• starzenie sztuczne - przyspieszone - wygrzewanie w temperaturze 160^oC, uzyskuje się mniejszą wytrzymałość (400MPa) spowodowane wydzieleniem się faz θ'' i θ' zamiast G-P, które w mniejszym stopniu umacniają stop. Długotrwałe przetrzymywanie duraluminium w temperaturze powyżej 200^oC prowadzi do przestarzenia, związanego z wydzieleniem się fazy równowagowej θ i jej koagulacją, uzyskuje się wówczas trwałe zmiękczenie stopu, a wytrzymałość na rozciąganie wynosi około 210MPa, można stop obrabiać plastycznie

Utwardzanie wydzieleniowe siluminów:

Przesycanie w temperaturze 500-530^oC, chłodzenie w wodzie, starzenie 24 godziny w temperaturze 200^oC