Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej ROZPRAWA DOKTORSKA

Transkrypt

1 Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej ROZPRAWA DOKTORSKA Mikrostruktura i własności mechaniczne połączeń stopu Al-Zn-Mg- Cu modyfikowanego Sc wykonanych metodą zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału zgrzeiny mgr inż. Mateusz Kopyściański Promotor: Prof. dr hab. inż. Stanisław Dymek Praca finansowana przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach grantu promotorskiego nr N N Kraków, 2013

2 Podziękowania Szczególne wyrazy wdzięczności kieruję do mojego promotora Profesora dr. hab. inż. Stanisława Dymka, za naukową opiekę, życzliwość, wyrozumiałość, czas poświęcony na dyskusje oraz cenne wskazówki udzielane mi podczas badań i opracowywania wyników; Pracownikom Katedry Inżynierii Powierzchni i Analiz Materiałów dziękuję za bardzo dobrą współpracę i pomoc w realizacji badań. Pragnę podziękować również: dr. Carterowi Hamiltonowi (Miami University) - za dostarczenie materiału do badań i cenne wskazówki w realizacji badań; dr. inż. Markowi Paćko (AGH) - za pomoc w wykonaniu próby rozciągania; dr. inż. Krzysztofowi Muszce (AGH) - za pomoc w wykonaniu analizy EBSD; mgr. inż. Wiesławowi Brzegowemu (AGH) za wskazówki i pomoc podczas przygotowywania próbek do badań; oraz Mojej Rodzinie za wsparcie.

3 Pracę dedykuje mojej żonie Zosi oraz synowi Kacprowi

4

5 Spis treści 1.WSTĘP STOPY ALUMINIUM CHARAKTERYSTYKA OGÓLNA I OZNACZENIE SKAND W STOPACH ALUMINIUM WŁASNOŚCI STOPÓW ALUMINIUM ZAWIERAJĄCYCH SC STOPY ALUMINIUM 7XXX Z DODATKIEM SC SPAJANIE STOPÓW ALUMINIUM SPAWANIE ALUMINIUM I JEGO STOPÓW PROBLEMY PRZY SPAWANIU ALUMINIUM ZGRZEWANIE TARCIOWE Z MIESZANIEM MATERIAŁU ZGRZEINY WPROWADZENIE ZASADA PROCESU CHARAKTERYSTYKA PROCESU Narzędzia FSW Parametry zgrzewania ZGRZEINA FSW STRUKTURA PIERŚCIENI CEBULI WADY I ZALETY PROCESU FSW ZASTOSOWANIE TEZA I CEL BADAŃ MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ MATERIAŁ BADANIA WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH Pomiar twardości Próba rozciągania BADANIA MIKROSTRUKTURALNE Mikroskopia świetlna Skaningowa mikroskopia elektronowa Transmisyjna mikroskopia elektronowa Badania rentgenowskie BADANIE WŁASNOŚCI KOROZYJNYCH WYNIKI BADAŃ CHARAKTERYSTYKA MATERIAŁU RODZIMEGO MIKROSTRUKTURA ZŁĄCZA PIERŚCIENIE CEBULI BADANIA MECHANICZNE ZŁĄCZ Badania twardości złącz Próba rozciągania BADANIA MIKROSTRUKTURALNE CHARAKTERYSTYCZNYCH STREF ZŁĄCZA Strefa zmieszania (SZ) Strefa cieplno plastyczna (SCP) Strefa wpływu ciepła (SWC) ANALIZA EBSD ZŁĄCZA TEKSTURA ZŁĄCZA OBRÓBKA CIEPLNA ZŁĄCZY Badanie twardości złącz po obróbce cieplnej Badania mikrostrukturalne złącz po obróbce cieplnej Próba rozciągania złącz po obróbce cieplnej BADANIA KOROZYJNE Test EXCO złącza Pomiar profilu powierzchni próbki po teście EXCO Test EXCO złącza po obróbce cieplnej Pomiar profilu powierzchni próbki poddanej obróbce cieplnej po teście EXCO Wyniki pomiarów potencjostatycznych DYSKUSJA WYNIKÓW

6 Spis treści 8.1. WPŁYW PARAMETRÓW PROCESU FSW NA BUDOWĘ ZŁĄCZA MIKROSTRUKTURA I WŁASNOŚCI ZŁĄCZY PARAMETRY PROCESU FSW A MIKROSTRUKTURA PIERŚCIENI CEBULI ODPORNOŚĆ KOROZYJNA ZŁĄCZA FSW A JEGO MIKROSTRUKTURA PODSUMOWANIE I WNIOSKI KOŃCOWE LITERATURA

7 Wstęp 1.Wstęp Stopy aluminium, z powodu ich dużej wytrzymałości właściwej należą do intensywnie badanej i szeroko stosowanej grupy materiałów metalicznych. Najważniejszą własnością stopów aluminium jest stosunkowo duża wytrzymałość przy małej gęstości, czyli tzw. wytrzymałość właściwa. Wytrzymałość właściwa dla stopów aluminium jest większa niż dla stali i dlatego stopy aluminium stosowane są wszędzie tam, gdzie potrzebna jest określona wytrzymałość konstrukcji przy możliwie małej masie. Szczególną rolę odgrywają więc w środkach transportu (samoloty, okręty, wagony kolejowe, samochody itp.), gdyż pozwalają na zmniejszenie masy konstrukcji i tym samym obniżenie zużycia paliwa. Rozwój metaloznawstwa stopów aluminium pozwolił na głębsze zrozumienie mechanizmów umocnienia w tych stopach i roli mikrododatków dodawanych w niewielkich ilościach, lecz znacząco wpływających na właściwości stopów (podobnie jak w stalach z mikrododatkami). Dlatego roli mikrododatków w stopach aluminium poświęca się coraz więcej uwagi. Jest to obecnie jeden z głównych nurtów metaloznawstwa stopów aluminium. Mikrododatki, pomimo wysokiej ceny, są stosowane ze względu na wymierne praktyczne efekty poprzez ich wpływ na kinetykę przemian fazowych, mikrostrukturę i końcowe właściwości. Stopy Al-Zn-Mg-Cu (seria 7000) charakteryzują się największymi wytrzymałościami spośród wszystkich stopów aluminium, a dodatek Sc i Zr jeszcze zwiększa wytrzymałość i jednocześnie poprawia ich odporność na pękanie [03Pol,12Dym]. Przy dużej wytrzymałości właściwej umacnianych wydzieleniowo stopów aluminium krytycznym wymogiem staje się opracowanie taniej metody łączenia (mogącej zastąpić tradycyjnie stosowane nitowanie), która zapewni dużą wytrzymałość połączeń. Pomimo wielu innowacyjnych rozwiązań wprowadzonych do klasycznego (łukowego, oporowego lub laserowego) spajania umacnianych wydzieleniowo stopów aluminium, jakość spoin nadal stanowi krytyczny aspekt łączonych konstrukcji i dlatego stopy aluminium uznawane są za trudno, lub w ogóle, niespawalne dotyczy to w szczególności stopów umacnianych wydzieleniowo Al-Zn-Mg-Cu. Przyczyną tego są drastyczne zmiany mikrostruktury w samym złączu i w jego pobliżu wynikające z przemian fazowych wywołanych zmianami temperatury. Podczas tradycyjnego spajania z udziałem fazy ciekłej mikrostruktura zmienia się od mikrostruktury charakterystycznej po odlewaniu (obecność eutektyki), poprzez mikrostrukturę po 3

8 Wstęp wyżarzaniu, przesycaniu, starzeniu naturalnym do mikrostruktury po przestarzeniu. Taka różnorodność sąsiadujących ze sobą mikrostruktur nie tylko pogarsza własności mechaniczne, ale również obniża odporność korozyjną stopów aluminium. Wada ta ogranicza pole zastosowań stopów aluminium. Częściowo te ograniczenia przezwycięża metoda zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału zgrzeiny (Friction Stir Welding FSW) która została opracowana na początku lat 90-tych ubiegłego wieku w The Welding Institute (Wielka Brytania). Zaletą tego procesu łączenia materiałów jest to, że zachodzi on w stanie stałym. Pozwala to uniknąć typowych niezgodności spawalniczych, które powstają podczas spawania klasycznymi metodami. Zasada tej metody jest bardzo prosta. Rotujące narzędzie jest wprowadzane pomiędzy dwie stykające się ze sobą płyty i następnie jest przesuwane wzdłuż linii styku tych płyt. Rolą narzędzia jest ogrzanie powierzchni łączonych płyt wskutek tarcia (temperatura procesu jest niższa od temperatury topnienia łączonych materiałów) oraz wytworzenie złącza poprzez mechaniczne wymieszanie materiału ze stykających się płyt. Pomimo tego, że ta metoda jest stosunkowo nowa, to znalazła już szerokie praktyczne zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu. Stan wiedzy dotyczący zachodzących zjawisk podczas tego procesu nie jest jednak do końca w zadawalający sposób poznany, co skutkuje trudnościami w doborze optymalnych warunków prowadzenia tego procesu dla konkretnych stopów[05mis,09thr]. 4

9 Stopy aluminium 2. Stopy aluminium 2.1. Charakterystyka ogólna i oznaczenie Charakteryzując aluminium i jego stopy należy wspomnieć, iż aluminium jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków w skorupie ziemskiej (zajmuje trzecie miejsce 8%, za tlenem 50% i krzemem 26%). Jednocześnie jest obecnie drugim pierwiastkiem po żelazie najczęściej stosowanym w technice. Zaliczane jest do grupy metali lekkich, jego gęstość wynosi 2,7 g/cm 3, nie posiada odmian alotropowych, krystalizuje w strukturze regularnej ściennie centrowanej cf4 (A1), a temperatura topnienia wynosi 660 C. Główną zaletą aluminium i jego stopów jest mała gęstość. Ponadto stopy aluminium wykazują wiele użytecznych cech takich jak dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne, łatwa formowalność i obrabialność oraz, ze względu na strukturę A1, brak temperatury przejścia w stan kruchy, umożliwiający stosowanie tych stopów w niskiej temperaturze. Jednym z dodatkowych atutów aluminium i jego stopów jest łatwość recyklingu złomu aluminiowego. Aluminium należy do metali o wysokiej energii błędu ułożenia szacowanej na około 250 mj/m 2. Aluminium charakteryzuje się również dobrą odpornością na korozję atmosferyczną, ponieważ ulega zjawisku pasywacji. Ponadto aluminium jest odporne na działanie wody, wielu kwasów organicznych oraz związków azotowych z wyjątkiem kwasu azotowego. Nie jest jednak odporne na działanie wody morskiej, jonów rtęci, wodorotlenków oraz kwasów beztlenowych. Ze względu na niską temperaturę topnienia aluminium wykazuje dobre własności odlewnicze, szczególnie gdy do aluminium wprowadzi się dodatek krzemu. Diametralnie różne własności stopów odlewniczych sprawiły, że podstawowym podziałem stopów aluminium jest podział na stopy odlewnicze i stopy do przeróbki plastycznej* [03Bli,06Pol,12Dym]. Aluminium w stanie wyżarzonym ma wytrzymałość ok MPa. Ogranicza to stosowanie czystego aluminium jako materiału inżynierskiego na konstrukcje silnie obciążone, takie jak elementy pojazdów, łodzi, pociągów czy konstrukcji budowlanych. W celu poprawy własności wytrzymałościowych czystego aluminium, tak aby mogło ono być zastosowane jako materiał na konstrukcje silnie obciążone, należy je umocnić. Ze względu na to, że aluminium nie wykazuje odmian alotropowych, to nie można go umacniać poprzez obróbkę cieplną wykorzystując efekt przemian fazowych. * charakterystyka stopów odlewniczych wykracza poza ramy niniejszego opracowania 5

10 Stopy aluminium Dlatego aluminium umacnia się podobnie jak inne metale poprzez: umocnienie roztworowe, umocnienie dyslokacyjne, umocnienie poprzez rozdrobnienie ziarna, umocnienie cząstkami innych faz: umocnienie wydzieleniowe, umocnienie dyspersyjne. Głównymi dodatkami wprowadzanymi do stopów aluminium są miedź, mangan, krzem, magnez i cynk; rzadziej stosuje się srebro, lit i german. Niekiedy pierwiastki takie jak chrom, cyrkon, czy ostatnio skand, dodaje się ę do aluminium jako mikrododatki stopowe, gdyż te pierwiastki tworzą ą dyspersyjne trudno rozpuszczalne fazy międzymetaliczne. ę Oprócz tego, że umacniają ą one stop, to jeszcze zapobiegają rozrostowi ziarna, np. podczas rekrystalizacji czy odlewania. Rys System Oznaczania stopów aluminium w zależności ż od pierwiastka stopowego [06Pol,12Dym]. 6

11 Stopy aluminium Rodzaj głównego pierwiastka stopowego stał się podstawą systemu oznaczenia stopów aluminium (rys. 2.1). Symbol każdego stopu składa się z czterech cyfr. Pierwsza cyfra, wskazująca na rodzaj podstawowego pierwiastka stopowego, określa tzw. serię stopów; druga wskazuje na modyfikację stopu lub ograniczenia czy domieszki, a dwie ostatnie cyfry identyfikują stop aluminium [12Dym]. Dodatkową klasyfikacją stopów aluminium do przeróbki plastycznej jest ich podział na dwie grupy: stopy obrabiane cieplnie (umacniane wydzieleniowo) i stopy nie obrabiane cieplnie (umacniane odkształceniowo lub roztworowo) (rys.2.1). Stopy aluminium pierwszej grupy, tzn. te, które nie są poddawane obróbce cieplnej, to stopy serii 1xxx, 3xxx i 5xxx i niektóre gatunki serii 8xxx. Stopy aluminium serii 2xxx, 6xxx, 7xxx oraz niektóre stopy zawierające jako pierwiastek stopowy lit (seria 8xxx) są zaliczane do grupy stopów aluminium obrabianych cieplnie. Integralną częścią systemu oznaczania stopów aluminium jest litera oznaczająca sposób umocnienia stopu. Osobne oznaczenia (symbole) stosuje się dla stopów umacnianych odkształceniowo i dla stopów umacnianych wydzieleniowo. Symbole te są umieszczane po czterocyfrowym oznaczeniu i przeważnie składają się z jednej litery oraz z jednej lub więcej cyfr. Przyjęto następujące oznaczenia: F stop nie poddawany umocnieniu po procesie wytworzenia, O stop w stanie wyżarzonym, H stop w stanie umocnionym odkształceniowo, T stop w stanie po obróbce cieplnej (poza wyżarzaniem). W stopach aluminium, które nie są poddawane obróbce cieplnej (seria 1xxx, 3xxx i 5xxx) stopień umocnienia nadawany jest podczas końcowego kształtowania wyrobu na zimno. I tak w tych stopach po literze H występują cyfry: 1 stop odkształcony tylko na zimno, 2 stop odkształcony na zimno i częściowo wyżarzony, 3 stop odkształcony na zimno i stabilizowany. Druga cyfra pojawiająca się w tym oznaczeniu określa wielkość nadanego odkształcenia gotowego wyrobu. I tak cyfra 8 oznacza maksymalną nadaną wielkość odkształcenia. Oznacza to, że materiał wyżarzony został poddany 75% redukcji przekroju podczas przeróbki plastycznej. Przykładowo oznaczenie H14 mówi nam o 7

12 Stopy aluminium tym, że wytrzymałość na rozciąganie wynosi odpowiednio ½ wytrzymałości H18, a symbol H16 oznacza, że stop ma wytrzymałość na rozciąganie równą ¾ H18 [03Bli,06Pol,12Dym]. Dla stopów poddawanych obróbce cieplnej (seria 2xxx, 6xxx i 7xxx) po symbolu oznaczającym serię stopu stosuje się literę T i jedną bądź więcej cyfr. Pierwsza cyfra ma najważniejsze znaczenie, gdyż informuje o rodzaju obróbki cieplnej zastosowanej do danego stopu. Natomiast pozostałe cyfry (o ile są podane) oznaczają warianty obróbki cieplnej lub ich modyfikację. Poniżej są przedstawione podstawowe warianty obróbki cieplnej: T1 chłodzenie z temperatury przeróbki plastycznej na gorąco i starzenie naturalne, głównie dla stopów 6xxx; T2 chłodzenie z temperatury przeróbki plastycznej na gorąco, przeróbka plastyczna na zimno i starzenie naturalne; T3 przesycanie, przeróbka plastyczna na zimno i starzenie naturalne; T4 przesycanie i starzenie naturalne; T5 chłodzenie z temperatury przeróbki plastycznej na gorąco i starzenie sztuczne, głównie dla stopów 6xxx; T6 przesycanie i starzenie sztuczne; T7 przesycanie i starzenie sztuczne do stanu przestarzenia w celu uzyskania specyficznych własności, np. zwiększenia odporności na korozję; T8 przesycanie, odkształcanie na zimno i starzenie sztuczne; głównie dla stopów 2xxx; T9 przesycanie, starzenie sztuczne i następnie przeróbka plastyczna na zimno celem dodatkowego umocnienia; T10 chłodzenie z temperatury przeróbki plastycznej na gorąco, przeróbka plastyczna na zimno i starzenie sztuczne. Niekiedy obok cyfry oznaczającej standardową obróbkę cieplną stosuje się dodatkową cyfrę oznaczającą modyfikacje danej obróbki bądź zabiegi odprężenia. I tak na przykład dla stopów 7xxx, symbol T77 oznacza retrogresję i ponowne starzenie, a T76 zwiększoną odporność na korozję warstwową [06Pol,12Dym]. Ponad 85% wszystkich wyrobów ze stopów aluminium poddaje się przeróbce plastycznej. Stopy aluminium do przeróbki plastycznej nie obrabiane cieplnie charakteryzują się tym, że ich mechanizmami umocnienia są umocnienie dyslokacyjne i 8

13 Stopy aluminium roztworowe. Granica plastyczności tych stopów waha się od 20 MPa w stanie wyżarzonym do 500 MPa w stanie po dużym umocnieniu odkształceniowym. Szacuje się, że blisko 95% wszystkich wyrobów płaskich, takich jak blachy, taśmy czy folie jest wykonana z tych stopów. Drugą znacznie liczniejszą grupę stopów aluminium do przeróbki plastycznej stanowią stopy, które poddaje się obróbce cieplnej. Mikrostruktura takich stopów składa się z roztworu stałego pierwiastków stopowych w aluminium (jest to stosunkowo miękki i plastyczny roztwór) oraz cząstek faz międzymetalicznych powstałych z aluminium i pierwiastków stopowych (np. Al 2 Cu, Al 2 CuMg, Al 3 Zr), lub utworzonych przez pierwiastki stopowe między sobą (Mg 2 Si, MgZn 2 ). Cząstki te spełniają rolę faz umacniających. Umocnienie stopu zależy od jego składu chemicznego, wielkości i kształtu wydzieleń, ich gęstości oraz rozmieszczenia po przesycaniu i starzeniu [06Pol,12Dym]. Umocnienie wydzieleniowe jest najważniejszym mechanizmem umocnienia w stopach aluminium, gdyż tylko w ten sposób można kilkunastokrotnie (do ok. 700 MPa) zwiększyć granicę plastyczności tych stopów. Występująca w stopie faza ciągła, stanowiąca znaczną jego objętość, jest nazywana osnową. Tworzące się w osnowie cząstki innej fazy są nazywane wydzieleniami. Osnowa i wydzielenia umacniające powinny spełniać następujące warunki [03Bli, 12Dym]: osnowa powinna być miękka i ciągliwa, natomiast wydzielenia twarde; twarde wydzielenia nie powinny tworzyć ciągłej błonki po granicach ziarn osnowy, gdyż powstające w takich wydzieleniach pęknięcia mogą szybko rozprzestrzeniać się przez materiał, powodując jego zniszczenie; cząstki wydzieleń powinny być drobne, o dużej gęstości, równomiernie rozmieszczone w objętości stopu i przynajmniej częściowo koherentne; cząstki wydzieleń nie powinny mieć ostrych krawędzi, gdyż wówczas sprzyjają zarodkowaniu pęknięć Skand w stopach aluminium Skand jest pierwiastkiem chemicznym o symbolu Sc i liczbie atomowej 21. Jest to srebrzystobiały pierwiastek zaliczany do grupy metali przejściowych. W przeszłości często był klasyfikowany jako pierwiastek ziem rzadkich tuż obok itru czy lantanowców. Historia tego pierwiastka sięga roku 1869, kiedy to Dymitr Mendelejew opracował układ okresowy pierwiastków i przewidział na podstawie prawa okresowości istnienie pierwiastków o masie atomowej pomiędzy 40 i 48 nazywając je eka- 9

14 Stopy aluminium pierwiastkami. Dziesięć lat później Lars Fredrik Nilson (w roku 1879 ) odkrył nowy pierwiastek w minerałach gadolinitu i euksenitu, które pochodziły ze Skandynawii. Nilson nazwał ten pierwiastek skand z języka łacińskiego Scandia, co znaczy Skandynawia. Metaliczny skand po raz pierwszy został otrzymany w roku 1937 w procesie elektrolizy z potasu, litu i chlorku skandu. Pierwsze pół kilograma 99% metalicznego skandu udało się wyprodukować w roku W roku 1971 w USA opatentowano zastosowanie skandu w stopach aluminium. Skand jest lekkim metalem o gęstości 3 g/cm 3 i temperaturze topnienia 1540 C. Występowanie skandu w skorupie ziemskiej jest bardzo małe. Szacunkowo występuje on w ilości od 18 do 25 ppm, co jest porównywalne z występowaniem kobaltu (20-30 ppm). Jednak koncentracja tego pierwiastka w minerałach jest niewielka. Występuje on w śladowych ilościach w kilku rzadkich minerałach. Jedynym skoncentrowanym źródłem tego pierwiastka są rzadkie minerały takie jak tortweityt, euksenit i gadolinit które pochodzą ze Skandynawii i Madagaskaru. Minerał tortweityt może zawierać nawet do 45% skandu w formie tlenku skandu (Sc 2 O 3 ). Światowa produkcja skandu wynosi około 2 ton rocznie w postaci tlenku skandu. Skand można wprowadzić do stopów aluminium poprzez dodanie czystego pierwiastka do ciekłego metalu lub poprzez dodanie pierwiastka w formie związku chemicznego. Rozpuszczenie jednego grama metalicznego Sc w 800 C zajmuje więcej jak 1h, ten czas można skrócić poprzez podwyższenie temperatury fazy ciekłej. Na rysunku 2.2 przedstawiono wykres fazowy Al-Sc [94Röy,99Cac,05Røy]. 10

15 Stopy aluminium Rys Wykres fazowy Al-Sc [99Cac, 05Røy]. Skand w postaci metalicznej jest bardzo drogi, co jest związane z rzadkim występowaniem rudy oraz ze skomplikowanym procesem ekstrakcji. Możliwe jest jednak rozpuszczenie skandu w ciekłym aluminium poprzez prostą redukcję tlenku skandu (Sc 2 O 3 ) bezpośrednio w ciekłym metalu [91Tar]. Sc 2 O 3 jest znacząco tańszy od metalicznego skandu. Wytwarzanie stopów Al-Sc tą metodą obniża znacznie ich koszt. Można wyróżnić trzy główne powody dla, których dodaje się Sc do stopów aluminium. Wszystkie one są związane z tworzeniem się cząstek Al 3 Sc, które są w równowadze z roztworem stałym aluminium. Analizując fragment wykresu fazowego Al-Sc od strony większej zawartości aluminium (rys. 2.3), można wyróżnić punkt eutektyczny przy zawartości 0,6% wagowego Sc i temperaturze 659 C. Jeśli stop Al-Sc jest stopem nadeutektycznym (oznaczenie x na rysunku 2.3), i jest powolnie chłodzony z zakresu fazy ciekłej, to pojawia się faza stała, którą jest Al 3 Sc. Parametr sieci krystalicznej fazy Al 3 Sc jest bliski parametrowi sieciowemu aluminium. W temperaturze 659 C wynoszą odpowiednio 0,414 nm i 0,412 nm, więc niedopasowanie parametru sieci wynosi 0,5 %. Podobieństwo struktur krystalicznych powoduje, że cząstki Al 3 Sc efektywnie zarodkują podczas krzepnięcia aluminium pod warunkiem dalszego chłodzenia poniżej temperatury eutektycznej [73Tou,98Nor,03Har] 11

16 Stopy aluminium Rys Fragment wykresu fazowego Al-Sc dla małych zawartości Sc [07Røy]. Maksymalna rozpuszczalność Sc w Al wynosi około 0,38 %, jednak jest stosunkowo łatwo otrzymać przesycony stop Al przy wyższych zawartościach Sc poprzez szybsze chłodzenie podczas krzepnięcia. Przy szybkości chłodzenia 100 C/s jest możliwe osiągnięcie przesycenia przy zawartości ok. 0,6% Sc. Jest to maksymalna graniczna zawartość Sc w stopach aluminium, którą przyjmuje się za użyteczną [03Zak]. W roztworze przesyconym Sc może wydzielać się w postaci drobnych koherentnych cząstek Al 3 Sc w temperaturze 250 C-350 C. Stwierdzono, że dodatek Sc w ilości 0,1% masowego i więcej do podstawowego stopu Al-Sc powoduje silne umocnienie wydzieleniowe [92Tan, 01Mar, 01Sei]. Rysunek 2.4 przedstawia typowe zakresy temperatury obróbki cieplnej stopów aluminium obrabianych cieplnie oraz zakresy temperatury dla umocnienia wydzieleniowego pochodzącego od cząstek Al 3 Sc [07Røy]*. Nie jest więc możliwe uzyskanie pełnego umocnienia wydzieleniowego pochodzącego od Al 3 Sc w stopach aluminium obrabianych cieplnie. * zakresy te nie zachodzą na siebie 12

17 Stopy aluminium Temperatura [ C] Zakres temperatur obróbki cieplnej (wyżarzanie przed przesycaniem) stopów aluminium obrabianych cieplnie (2xxx,6xxx,7xxx, Al-Li) Zakres temperatur dla umocnienia wydzieleniowego pochodzącego od Al 3 Sc Zakres temperatur dla umocnieniea wydzieleniowego stopów obrabianych cieplnie (2xxx,6xxx,7xxx, Al-Li) Rys Typowe zakresy temperatur obróbki cieplnej dla stopów aluminium obrabianych cieplnie [07Røy]. Wydzielanie cząstek Al 3 Sc ma także miejsce podczas temperatur stosowanych w procesach homogenizacji oraz podczas wyżarzania przed przesycaniem stopów aluminium obrabianych cieplnie. Jednak wydzielenia powstające podczas takich warunków obróbki cieplnej są wydzieleniami o małej dyspersji, co prowadzi do tego, że nie dają dużego wkładu w wytrzymałość stopu. Jednak z drugiej strony wykazano, że drobne wydzielenia Al 3 Sc są bardzo efektywne w przeszkadzaniu przemieszczania się granic ziaren w materiale. To prowadzi do tego, iż podczas takich operacji formowania jak wyciskanie, walcowanie i ciągnienie w obrabianym materiale procesy rekrystalizacji są hamowane. Kolejna zaleta jest związana z przeróbką w stanie nadplastycznym. Przeróbkę w stanie nadplastycznym ułatwia mały rozmiar ziaren w materiale. Dyspersja cząstek Al 3 Sc jest korzystna, gdyż zapewnia drobnoziarnistą mikrostrukturę podczas procesów nadplastycznego odkształcania [05Røy1]. Wpływ skandu jest bardziej efektywny, jeżeli w stopie aluminium oprócz Sc występuje także Zr. 13

18 Stopy aluminium Rys Schemat równowagi w stopach Al-Sc-Zr przy 600 C [91Kam]. Na rysunku 2.5 przedstawiono przekrój izotermiczny układu potrójnegoo Al-Sc-Zr w 600 C. Rozpuszczalność Zr w fazie Al 3 Sc jest bardzo duża. Oznaczaa to, że przy wspólnym dodatku Sc i Zr do aluminium tylko niewielka część cyrkonu może być związana w wydzielenia Al 3 Zr. Większość Zr rozpuszcza się w cząstce Al 3 Sc, którą dlatego oznacza się jako Al 3 (Sc 1-x Zr x ), bądź też w uproszczeniu jako Al 3 (Sc,Zr) [91Kam]. Rys Kinetyka wydzielania w stopach Al-0,4Sc i Al-0,4Sc-0,15Zr [91Zak]. 14

19 Stopy aluminium Na rysunku 2.6 przedstawiono wpływ dodatku Sc i Zr na kinetykę wydzielania faz umacniających w stopach aluminium [91Zak]. Rysunek przedstawia krzywe dla 10% i 60% całkowitej reakcji wydzielania w stopie Al-0,4 Sc oraz w stopie Al-0,4Sc-0,15Zr. Dodatek Zr nie ma wpływu na początek wydzielania, lecz prowadzi do opóźnienia reakcji w kolejnych jego etapach. Oznacza to, że wydzielanie rozpoczyna się od zarodkowania i wzrostu cząstek Al 3 Sc, a Zr rozpuszcza się w tych cząstkach w kolejnym etapie wydzielania. Jest to związane ze znacznie mniejszą dyfuzyjnością Zr w aluminium w porównaniu do Sc. Prowadzi to do powstania struktury rdzeń/otoczka [04For,05Ful]. Rdzeń jest formowany przez zarodkowanie i wzrost cząstek Al 3 Sc, które są kontrolowane poprzez dyfuzję Sc, natomiast otoczka powstaje w wyniku dyfuzji Zr do cząstek w późniejszym stadium wydzielania [06Clo]. Należy również wspomnieć, że podobną strukturę rdzeń/otoczka obserwowano wcześniej w stopach Al-Li z mikrododatkami Sc i Zr. W stopach tych obserwowano cząstki Al 3 Li, które zarodkowały na istniejących wcześniej cząstkach Al 3 Sc oraz Al 3 Zr i jednocześnie je obudowywały [91Ber, 87Tos]. Jednak w tych wydzieleniach rdzeń i otoczka stanowiły dwie różne fazy (pomimo tego, że struktury krystalograficzne są jednakowe a parametr sieci jest podobny) bez stopniowej zmiany składu chemicznego, na przekroju cząstek jak to ma miejsce w przypadku wydzieleń Al 3 (Sc,Zr) Własności stopów aluminium zawierających Sc Wpływ Sc na własności stopów aluminium należy jest zróżnicowany. Inny jest w stopach obrabianych i nieobrabiane cieplnie. W tych drugich wzrost wytrzymałości jest możliwy poprzez umocnienie wydzieleniowe pochodzące od cząstek Al 3 Sc, natomiast w stopach obrabianych cieplnie wzrost wytrzymałości spowodowany jest kilkoma czynnikami. Jest to kombinacja efektów pochodzących od drobno dyspersyjnych cząstek umacniających Al 3 Sc, od rozdrobienia ziarna oraz od możliwego wpływu Sc na kinetykę wydzielenia cząstek tworzonych przez inne dodatki stopowe. Dwuskładnikowe stopy Al-Sc są częstym przedmiotem badań, lecz brak jest w literaturze odnośników do komercyjnego zastosowania tych stopów. Podstawowe własności mechaniczne stopów aluminium zawierających skand, przedstawiono w tabeli 2.1 [05Røy]. 15

20 Stopy aluminium Seria stopu 1xxx Stop R p0.2 R m Uwagi Al Al-0,23Sc Al-0,38Sc 2xxx Sc,Zr 3xxx Al-0,5Mn-0,2Mg-0,14Zr Al-0,5Mn-0,2Mg-0,14Zr-0,11Sc Al-0,5Mn-0,2Mg-0,14Zr-0,21Sc Al-0,5Mn-0,2Mg-0,14Zr-0,26Sc 5xxx Al-1,15Mg Al 1,15Mg 0,3Sc 0,lZr Al 2,2Mg 0,4Mn Al 2,1Mg 0,3Sc 0,15Zr Al 4,2Mg 0,65Mn 0,06Ti Al 4,2Mg 0,3Sc 0,lZr Al 5,3Mg 0,55Mn 0,06Ti Al 5,2Mg 0,3Sc 0,lZr Al 6,3Mg 0,65Mn 0,06Ti Al 5,8Mg 0,4Mn 0,25Sc 0,lZr 6xxx Sc,Zr 6060+Zr Czyste aluminium (seria 1xxx) Walcowany na zimno Starzony 288 C/8 h Walcowane taśmy, przesycane i starzone w 200 C/(16-20 h) Płaskownik po wyciskaniu Przerobiony na gorąco i wyżarzany Wyciskane pręty i obróbka T5 (185 C/4 h) Wyciskane pręty i obróbka T Sc,Zr xxx Blacha walcowana na gorąco, przesycana i starzona do maks. twardości ,25Sc Al-8,6Zn-2,6Mg-2,4Cu-0,1Zr Al-8,6Zn-2,6Mg-2,4Cu-0,1Zr- 0,2Sc xxx Al-5,1Mg-2Li-0,1Zr Al-5,1Mg-2Li-0,1Zr-0,12Sc Al-3,5Mg-1,9Li-0,1Zr-0,08Sc Tabela Własności stopów Al z dodatkiem Sc [05Røy1]. Wyciskane pręty i obróbka T6 Blacha walcowana Zgodnie z Aluminium Association stopy z serii 1xxx to stopy o zawartości 99% Al lub wyższej. Są to stopy stosowane głównie jako przewody prądowe, wymienniki ciepła (radiatory), jako opakowania i w aplikacjach architektonicznych [93Dav]. Z założenia stopy aluminium tej serii są stopami bez dodatków stopowych i są nie obrabiane cieplnie, ale celowe dodanie Sc może wprost prowadzić do umocnienia 16

21 Stopy aluminium wydzieleniowego takiego stopu. Taki stop nadal można zaliczyć do stopów aluminium serii 1xxx, ze względu na niewielkie stężenie Sc. Stopy Al-Cu (seria 2xxx) Stopy Al-Cu należą do grupy stopów umacnianych wydzieleniowo, które zalicza się do grupy stopów aluminium o dużej wytrzymałości. Jeżeli w takim stopie jedynym składnikiem stopowym odpowiadającym za umocnienie wydzieleniowe jest Cu, to sekwencja wydzielania przedstawia się następująco: stan przesycony GPI GPII θ θ θ(al 2 Cu) [93Dav,06Pol]. W stopach tych zwykle największą wytrzymałość otrzymuje się gdy dominują wydzielenia GPII, θ lub θ. W stopach Al-Cu dodatek Sc nie ma silnego wpływu na kinetykę wydzielania [00Nak]. Dodatek Mg do stopów Al-Cu prowadzi do szybszego i silniejszego efektu umocnienia wydzieleniowego w tych stopach. Obecność Mg prowadzi do zmiany sekwencji wydzielania w porównaniu do podstawowego stopu Al- Cu: stan przesycony GP S (Al 2 CuMg) S(Al 2 CuMg) [06Pol]. W tym przypadku dodatek Sc powoduje, że wydzielenia S stają się bardziej dyspersyjne, co skutkuje zwiększeniem wytrzymałości. Równoczesne dodanie Sc i Zr również podnosi temperaturę rekrystalizacji stopów serii 2xxx np [04Yu]. Stopy Al-Mn (seria 3xxx) Stopy Al-Mn są zaliczane do stopów nie obrabianych cieplnie i przeważnie znajdują zastosowanie jako puszki do napojów, akcesoria kuchenne, wymienniki ciepła i w aplikacjach architektonicznych [93Dav,06Pol]. Przykłady korzystnego wpływu Sc w stopach aluminium serii 3xxx ilustruje tabela 2.1, jednak takie stopy nie mają do tej pory zastosowania komercyjnego. Stopy Al-Si (seria 4xxx) Stopy aluminium z Si, podobnie jak stopy serii 3xxx, są zaliczane do grupy stopów nie obrabianych cieplnie i przeważnie są używane jako druty spawalnicze oraz jako lutowie [93Dav]. Niewiele jest informacji na temat prowadzonych badań na stopach serii 4xxx z dodatkiem Sc. Stwierdzono, że dodatek Sc do stopu serii 4xxx z dużą zawartością Si, zwiększa tendencję do tworzenia się potrójnej fazy AlSc 2 Si kosztem pożądanej fazy Al 3 Sc [05Røy1]. Jest to najprawdopodobniej przyczyną tego, iż dodatek Sc do tego stopów serii 4xxx nie jest praktykowany. 17

22 Stopy aluminium Stopy Al-Mg (seria 5xxx) Są to stopy o najwyższej wytrzymałości spośród grupy stopów aluminium nie obrabianych cieplnie, które powszechnie znajdują zastosowanie w architekturze, przemyśle morskim, transportowym oraz jako wieczka od puszek do napojów [93Dav]. Stopy Al-Mg z dodatkiem Sc są przedmiotem wielu badań. Kilka przykładów własności takich stopów przedstawiono w tabeli 2.1. Seria stopu Stop Si Fe Cu Mg Li Zn Zr Sc 2xxx ,10 maks. 5xxx ,25 maks * 1523 * 1535 * 1545 * 1570 * 1571 * 7xxx 1970 * 1975 * ,2 maks. 8xxx ,1 (Al- * maks. Li) ,1 0,15 maks. 0,25 maks. 0,2 maks. 0,15 maks. 3,6-5,4 18 1,0-1, ,05-0,15 0,01-0,06 0,10 maks. 4,5-6,0 0,25 maks ,05-0,55 0,9-0,05-0,2-1,4 0,15 0,4 1,8-0,1-0,2 0,2-2,4 0,4 3,9-0,05-0,3-4,5 0,15 0,5 4,6-0,05-0,3-5,7 0,15 0,5 5,3-6,3 5,8-6,8 0,35 2,0 5,4 0,1 0,25 0,25 2,0 5,4 0,1 0,08 1,3-1,9 1,9-2,2 2,0-2,8 4,8-5,2 6,5-7,9 0,11-0,20 0,08-0,1 0,18-0,50 0, ,1 0,12 0,08 0,02-0,3 0,05-0,14 0,15 * maks. maks ,1 0,15 1,5- * maks. maks. 1, ,6- * 3,3 *-oznaczenia według norm rosyjskich ,5-1,9 0,05-2,0-0,1 2,5 0,08-0,14 0,06-0,15 Tabela 2.2. Składy chemiczne przykładowych stopów aluminium z dodatkiem Sc w zastosowaniu komercyjnym [05Røy1]. Stopy te zostały opracowane dla przemysłu lotniczego ze szczególnym uwzględnieniem Airbusa 380, jednak nie zostały do tej pory wykorzystane. Jedynym

23 Stopy aluminium komercyjnym stopem aluminium serii 5xxx z dodatkiem Sc był stop 5025, stosowany jako drut spawalniczy. Jego skład chemiczny jest podany w Tabeli 2.2 [01AA]. Obecnie ten stop nie jest dostępny na rynku. Stopy aluminium umacniane odkształceniowo z dodatkiem Sc w większości zostały opracowane w Związku Radzieckim i późniejszej Rosji (tab.2.2). Umocnienie stopów aluminium serii 5xxx poprzez dodanie Sc, zwiększa granicę plastyczności stopu Al-Mg ponad trzykrotnie a wytrzymałość na rozciąganie dwukrotnie (tab.2.1). Obecność skandu w tych stopach powoduje hamowanie procesu samorzutnego ich zdrowienia powodującego obniżenie własności wytrzymałościowych podczas eksploatacji [12Dym]. Stopy Al-Mg-Si (seria 6xxx) Stopy aluminium tej serii ze względu na korzystną korelację pomiędzy wytrzymałością, spawalnością i dobrą formowalnością są najczęściej stosowanymi stopami aluminium i cieszą się dużą popularnością w zastosowaniach architektonicznych oraz w przemyśle transportowym. Sekwencja wydzielania cząstek w tych stopach jest następująca: stan przesycony GP β β β(mg 2 Si). Wpływ Sc i Zr na umocnienie wydzieleniowe stopów Al-Mg-Si jest niewielki. Dodatek Cu do tych stopów zmienia sekwencje wydzielania na: stan przesycony GP q q(al 5 Cu 2 Mg 8 Si). Skand w stopach Al-Mg-Si-Cu, podobnie jak w stopach Al-Mg-Si, nie ma wielkiego wpływu na umocnienie wydzieleniowe, lecz opóźnia etap przestarzenia [05Lit]. Dodatek Sc w tych stopach może prowadzić do tworzenia się niepożądanej fazy AlSc 2 Si 2 [07Lit].Powoduje to, że dodatek Sc do tych stopów jest ograniczony. Jednak z drugiej strony dodatek Sc ma korzystny wpływ na mikrostrukturę poprzez rozdrobnienie ziarna i przyczynek do umocnienia wydzieleniowego [07Leo,07Lit]. Stopy Al-Zn-Mg-(Cu) (seria 7xxx) Stopy z serii 7xxx są identyfikowane jako stopy Al-Zn, ale w rzeczywistości są to stopy Al-Zn-Mg-(Cu). Ta grupa stopów aluminium należy do najwytrzymalszych stopów dostępnych komercyjnie stosowanych w lotnictwie i transporcie. W zależności od stosunku Zn/Mg obserwuje się dwie sekwencje wydzielania : stan przesycony η η(mgzn 2 ) stan przesycony T T(Al 2 Mg 3 Zn 3 ). Dodatek Sc wspólnie z Zr zwiększa wytrzymałość na rozciąganie (tab. 2.1) oraz podwyższa twardość tych stopów w porównaniu ze stopami serii 7xxx bez tych 19

24 Stopy aluminium mikrododatków. Ponadto Sc w tych stopach hamuje rozrost ziarna oraz podwyższa temperaturę rekrystalizacji poprzez tworzenie się koherentnych cząstek Al 3 Sc. Przy udziale skandu powyżej 0,3% tworzą się ponadto pierwotne cząstki Al 3 Sc, które również wpływają korzystnie na własności takich stopów [06Pol,06Sen,09Xia]. W tabeli 2.2 przedstawiono przykłady takich stopów. Stopy Al-Li (seria 8xxx) Stopy aluminium z dodatkiem Li zostały opracowane głównie dla przemysłu lotniczego, a głównym założeniem było uzyskanie nowej generacji stopów o małej gęstości przy zachowaniu dużej sztywności. Sekwencja wydzieleń w tym stopie jest dość prosta: stan przesycony δ (Al 3 Li) δ(al 3 Li). Obecność skandu w tych stopach prowadzi do zmniejszenia wielkości cząstek δ, ale jednocześnie nie wpływa na kinetykę wydzielania i w rezultacie na wytrzymałość na rozciąganie podstawowego stopu Al-Li [99Joh] Stopy aluminium 7xxx z dodatkiem Sc. Stopy aluminium Al-Zn-Mg i Al-Zn-Mg-Cu (serii 7xxx) są powszechnie stosowane w przemyśle lotniczym ze względu na swoje bardzo dobre własności mechaniczne. Są to stopy umacniane wydzieleniowo i mają największą wytrzymałość spośród wszystkich stopów aluminium. Podział stopów serii 7xxx na stopy z miedzią i bez miedzi jest związany z ich spawalnością. Stopy bez dodatku miedzi (Al-Zn-Mg) uznaje się za stopy spawalne, a te drugie (Al-Zn-Mg-Cu), za niespawalne (rozdział 3.1). Zarodkowanie i wzrost cząstek umacniających w tych stopach następuje według następującego schematu zależnego od czasu starzenia i temperatury [06Pol]: strefy Guiniera-Prestona (GP), metastabilne cząstki η lub Τ, równowagowe cząstki η(mgzn 2 ) albo Τ(Mg 32 [Al,Zn] 49. W zależności od składu chemicznego stopu mogą też pojawić się wydzielenia z miedzią typu CuMgAl 2 cząstki S. W tabeli 2.3 zostały przedstawione prawdopodobne wydzielenia, jakie mogą się pojawiać w stopach Al-Zn-Mg-Cu. 20

25 Stopy aluminium Fazy strefy GP: dwa rodzaje η' (lub M ) heksagonalna a = 0,496 nm c = 1,405 nm η (lub M) heksagonalna MgZn 2 a = 0,521 nm (0,5221) c = 0,860 nm (0,8567) Τ heksagonalna prawdopodobnie Mg 32 (Al,Zn) 49 a = 1,388 nm c = 2,752 nm Τ regularna Mg 32 (Al,Zn) 49 a = 1,416 nm S rombowa CuMg Al 2 a = 0,404 nm b = 0,925 nm c = 0,718 nm S rombowa CuMg Al 2 a = 0,400 nm b = 0,923 nm c = 0,714 nm Uwagi GP sferyczne, 1 1,5 nm, uporządkowane. GP cienkie dyski Zn, grubość 1 2 atomy, tworzy się w {111} α ; częściowo uporządkowane Mogą się tworzyć ze stref GP w stopach ze stosunkiem Zn:Mg > 3:1 (0001) η //(111) α ; [1120] η //[112] α ; półkoherentne; w kształcie dysku. a//<112> α, c//<111> α. Skład zbliżony do MgZn. Tworzą się na lub z fazy η ; mogą mieć jedną z dziewięciu zależności orientacji z osnową (1010) η //(001) α ; (0001) η //(110) α ; i (0001) η //(111) α ; (1010) η //(110) α. Mogą mieć kształt listew lub płytek. Faza półkoherentna. Może tworzyć się zamiast fazy η w stopach o wysokim stosunku Mg:Zn. (0001) Τ //(111) α ; (1011) Τ //(112) α Może tworzyć się z η, jeśli temperatura starzenia jest wyższa niż 190 o C, lub z Τ w stopach o wysokim stosunkiem Zn:Mg (100) Τ //(112) α ; [001] Τ //[100] α Faza półkoherentna. Zarodkuje na dyslokacjach. Tworzy się jako listwy w {210} α wzdłuż <001> α. Niekoherentna faza równowagowa, prawdopodobnie tworzy się z S. Tabela 2.3. Prawdopodobne wydzielenia powstające w stopach aluminium Al Zn Mg Cu [06Pol]. Energia międzyfazowa pomiędzy osnową a koherentnymi wydzieleniami stref GP w tych stopach jest niska, co powoduje formowanie się drobnych stref GP. Metastabilne wydzielenia typu η' i Τ są półkoherentne z osnową i posiadają większą energię międzyfazową, co wymaga większych krytycznych rozmiarów do formowania i wzrostu zarodka tych wydzieleń. Formowanie się niekoherentnych równowagowych wydzieleń typu η i Τ o strukturze heksagonalnej i regularnej, zazwyczaj wiąże się z przestarzeniem stopu, co skutkuje np. spadkiem własności wytrzymałościowych. Wydzielenia typu η' i η tworzą się zazwyczaj w stopach o dużym stosunku Zn:Mg, natomiast wydzielenia typu Τ i Τ formują się przy średnim i niskim stosunku Zn:Mg 21

26 Stopy aluminium (mniejszym niż 3:1) [06Pol]. Zidentyfikowano w tych stopach dwa rodzaje wydzieleń stref GP [02Eng, 04Han, 99Sti]. Strefy GPI zarodkują na klasterach magnezu i cynku poniżej temperatury 100 C. Mają kształt kulisty i średnice dochodzące do 6 nm. Są one rozpuszczane w zakresie temperatury od 100 do 140 C w zależności od czasu starzenia [02Eng,04Han]. Strefy GPI zazwyczaj pojawiają się przy stosunku Mg:Zn 2:1. Są uporządkowanymi i koherentnymi fazami na płaszczyznach {100} Al [02Eng]. Strefy GPII zarodkują na klastrach bogatych w wakancje, które powstają podczas przesycania stopu z zakresu temperatury 450 C [08Sen]. Powstają jako pojedyncze lub wielokrotne strefy bogate w cynk (stosunek Mg:Zn wynosi od 1:5 do 1:4) i ulegają rozpadowi w wyższych temperaturach aniżeli strefy GPI [02Eng,04Han]. Strefy GPII powstają na płaszczyznach {111} Al wydzieleń typu η. i maja kształt płytek dlatego trudno jest je odróżnić od Zarówno strefy GPI jak i GPII przy dłuższych czasach starzenia mogą ulegać przemianie w fazę η [02Eng, 04Han, 99Li]. Faza η może się tworzyć również bezpośrednio z przesyconego roztworu. Dodatek Cu do stopu Al-Zn-Mg stabilizuje strefy GP i fazę η (między innymi poprzez podwyższenie temperatury solvus i hamowanie rozrostu fazy) oraz ogranicza formowanie się fazy T sprzyjając powstawaniu wydzieleń typu η [03Tot]. Obecność Cu w tych stopach prowadzi również do zwiększenia ich wytrzymałości na rozciąganie poprzez tworzenie się faz bogatych w miedź takich jak S (CuMg Al 2 ) lub θ (Al 2 Cu). Wytrzymałość na rozciąganie stopów Al-Zn-Mg-Cu rośnie wraz ze wzrostem zawartości Zn i Mg, jednak przy zawartości 7 do 8% Zn stopy te są skłonne do tworzenia gorących pęknięć podczas szybkiego chłodzenia z temperatury odlewania. Generalnie stopy z serii 7xxx mają małą plastyczność i niską odporność na pękanie w stanie po odlaniu. Jednocześnie odpowiednia obróbka cieplno-plastyczna, taka jak kucie na gorąco, wyciskanie na gorąco lub walcowanie na gorąco poprawiają własności mechaniczne tych stopów [93Dav]. Sumaryczna zawartość Zn i Mg w stopach serii 7xxx wynosi zwykle 4,5-8,5%. Ponadto im większa sumaryczna wartość Zn i Mg w stopie, tym ten stop jest bardziej podatny na pękanie korozyjno-naprężeniowe [75Spe]. W stopach serii 7xxx, od których wymagana jest dobra spawalność połączona ze zmniejszonym ryzykiem pękania korozyjno-naprężeniowego sumaryczna zawartość Zn i Mg nie powinna przekraczać 6%. Pękanie korozyjno-naprężeniowe oraz korozja naprężeniowa to najczęściej spotykane typy korozji w stopach z serii 7xxx. Odporność na korozję tych stopów jest 22

27 Stopy aluminium silnie związana z zawartością cynku i magnezu. Zwiększeniu odporności na pękanie korozyjno-naprężeniowe sprzyja stosunek Zn:Mg w zakresie 2,7-2,9 (rys. 2.6) [06Pol,12Dym]. Rys. 2.6 Wpływ stosunku Zn:Mg na odporność na pękanie korozyjno-naprężeniowe stopów 7xxx [06Pol]. W stopach serii 7xxx wydzielające się na granicach ziaren fazy międzymetaliczne, np. Mg(Zn 2,Al,Cu), MgAlCu lub Al 2 Mg 3 Zn 3, są najczęściej anodą i tym samym zwiększają podatność tych stopów na pękanie korozyjno-naprężeniowe. Aby zmniejszyć podatność na pękanie korozyjno-naprężeniowe należy tak prowadzić obróbkę cieplną, aby zmniejszyć różnicę potencjałów elektrochemicznych pomiędzy samym ziarnem i obszarem przy granicy ziarna. To znaczy tak prowadzić proces, aby fazy międzymetaliczne po przesycaniu wydzielały się w całej objętości ziarna. Zmniejszenie potencjału pomiędzy wydzieleniami na granicach ziarna a samym ziarnem może się też odbyć poprzez odkształcenie stopu na zimno powodując przesunięcie potencjału elektrodowego ziarna w kierunku ujemnym. Również ważnym czynnikiem wpływającym na pękanie korozyjno-naprężeniowe jest rekrystalizacja, która pogarsza odporność tych stopów na tę korozję. Dlatego wszystkie mikrododatki dodawane do stopów serii 7xxx, które utrudniają rekrystalizację polepszają ich odporność na pękanie korozyjno-naprężeniowe [63Orm,06Pol,08Pag]. 23

28 Stopy aluminium W stopach Al-Zn-Mg-Cu stosuje się głównie mikrododatki takie jak chrom, mangan, srebro, cyrkon oraz od niedawna skand. Stosowanie tych dodatków stopowych ma wpływ na procesy zdrowienia i rekrystalizacji i w rezultacie na rozdrobnienie ziarna w czasie obróbki cieplnej tych stopów. Srebro jest dodawane głównie w celu poprawy odporności na pękanie korozyjno-naprężeniowe. Natomiast takie pierwiastki jak chrom, mangan, cyrkon oraz skand są dodawane nie tylko w celu poprawy własności wytrzymałościowych poprzez rozdrobnienie ziarna i zwiększenia liczby wydzieleń umacniających, ale także w celu opóźnienia rekrystalizacji tych stopów. Ponadto mikrododatki te polepszają odporność nie tylko na korozję naprężeniową lecz również na korozję warstwową [06Pol,12Dym]. Dowiedziono również, że cyrkon wpływa pozytywnie na spawalność stopów Al-Zn-Mg. Dlatego ostatnio istnieje tendencja do zastępowania Cr i Mn takimi pierwiastkami jak Zr i Sc [12Dym]. 24

29 Spajanie stopów aluminium 3. Spajanie stopów aluminium Bardzo ważnym czynnikiem, który decyduje o zastosowaniu stopu aluminium na elementy konstrukcyjne jest możliwość wykonania dobrego połączenia. Stopy aluminium można łączyć za pomocą spawania, zgrzewania, lutowania czy też klejenia oraz połączeń mechanicznych takich jak nitowanie, łączenie śrubami, sworzniami i kołkami. Dobór odpowiedniej metody łączenia jest uzależniony od własności łączonego stopu, konfiguracji złącza, możliwościami produkcyjnymi i warunkami procesu [93Lan, 03Pil,05Sac]. W przypadku stopów aluminium bardzo przydatne jest łączenie adhezyjne ze względu na to, że nie wymaga precyzyjnego czy szczególnego przygotowania powierzchni łączonych materiałów. Jedynie co należy zrobić, to oczyścić powierzchnie łączone za pomocą papieru ściernego bądź szczotki drucianej, a następnie odtłuścić powierzchnie za pomocą rozpuszczalników organicznych bądź przez zanurzenie np. w kwasie siarkowym. Niekiedy stosuje się również anodowanie powierzchni w celu zwiększenia efektu adhezyjnego [06Pol]. Inną i zarazem najstarszą metodą łączenia stopów aluminium jest nitowanie oraz połączenia śrubowe i kołkowe. Dobór stopu aluminium na te połączenia jest uzależniony od gatunku łączonych stopów ich własności mechanicznych bądź też konstrukcyjnych. Najczęściej stosowanymi komercyjnymi stopami aluminium na nity są: 1100, 2017, 2024, 2117, 2219, 5056, 6053, 6061 i Stopy te najczęściej są przerabiane na zimno. W szczególnych przypadkach stosuje się obróbkę cieplną. Na przykład nity ze stopu 2024, są przesycane przed nitowaniem z wysokiej temperatury. Taka obróbka zapewnia zwiększenie twardości nitu w wyniku starzenia naturalnego. Podobne rodzaje stopów są stosowane na połączenia śrubowe. Jednak ze względów ekonomicznych często na nity, śruby czy nakrętki stosuje się stal zamiast stopów aluminium. W takim przypadku, aby zapobiec korozji galwanicznej, takie elementy pokrywane są warstwę niklu, kadmu bądź cynku lub wykonuje się je ze stali odpornej na korozję [06Pol,12Dym]. Do łączenia aluminium i jego stopów stosuje się również zgrzewanie, głównie ultradźwiękowe, tarciowe, wybuchowe, elektronowe, oporowe i iskrowe. W przypadku zgrzewania oporowego najczęściej wykonuje się zgrzewanie oporowe punktowe. Jest ono stosowane głównie do łączenia blach aluminiowych, np. blach karoseryjnych. Pokrywanie się stopów aluminium warstwą trudnotopliwego tlenku sprawia jednak trudności podczas zgrzewania punktowego. Dlatego w tym przypadku ważne jest 25

30 Spajanie stopów aluminium oczyszczenie łączonych powierzchni przed zgrzewaniem. Ponadto dobra przewodność elektryczna i cieplna aluminium powoduje konieczność stosowania transformatorów dużej mocy. Dodatkowym problemem w tym procesie jest zmiana objętości w czasie krzepnięcia. Podczas zgrzewania iskrowego uzyskuje się złącza o wytrzymałości na rozciąganie do ok. 80% materiału rodzimego. Ten rodzaj zgrzewania można również stosować do łączenia aluminium z miedzią [93Lan]. Lutowanie stopów aluminium stosuje się głównie w konstrukcjach złożonych z wielu elementów, np. wymienniki ciepła czy chłodnice samochodowe. Wyróżnia się dwa rodzaje lutowania: twarde stopami o wyższej temperaturze topnienia w zakresie temperatur C oraz miękkie stopami o temperaturze topnienia poniżej 450 C. Należy przy tym pamiętać, że temperatura topnienia lutu musi być niższa od temperatury topnienia łączonego materiału. Połączenia wykonane za pomocą miękkich lutów mają gorsze własności wytrzymałościowe w porównaniu do lutowania twardego. Najczęściej używa się lutów będących stopami cynku, cyny, kadmu i bardzo rzadko stosowanego obecnie ołowiu [03Pil,06Pol,12Dym] Spawanie aluminium i jego stopów Trwałe połączenie spawane powstaje wskutek nadtopienia brzegów łączonych elementów przy użyciu np. energii cieplnej. Klasyfikacja metod spawania jest zależna od rodzaju źródła ciepła, które jest konieczne do nadtopienia brzegów. Najczęściej tymi źródłami są łuk spawalniczy, płomień spalanego gazu, wiązka elektronów, wiązka lasera, wiązka plazmy lub kąpiel żużlowa [03Pil,12Dym]. Spawalność materiału jest to zdolność do tworzenia za pomocą spawania złączy o wymaganych własnościach, zdolnych do przenoszenia obciążeń przewidzianych dla konstrukcji, do wykonania której materiał ma być użyty [03Pil]. Spawalność stopów aluminium zależy głównie od składu chemicznego, technologii spawania i rodzaju (kształtu) połączenia. Za bardzo dobrze spawalne uważane są stopy, które nie są poddawane obróbce cieplnej, a więc czyste aluminium, stopy serii 3xxx (Al-Mn) oraz stopy serii 5xxx (Al-Mg). Jednak stopy z dodatkiem magnezu są skłonne do pęknięć na gorąco. Również zwiększenie zawartości magnezu w stopach serii 5xxx powoduje zwiększone utlenianie utrudniające spawanie. Wytrzymałość na rozciąganie połączeń spawanych tych stopów jest zbliżona do wytrzymałości na rozciąganie stopów rodzimych po wyżarzaniu bez względu na stopień umocnienia odkształceniowego przed spawaniem. Istotnym czynnikiem wpływającym na wytrzymałość na rozciąganie jest zdrowienie i rekrystalizacja obszarów przylegających do spoiny. Procesy te obniżają 26

31 Spajanie stopów aluminium własności mechaniczne spoin. Dlatego w konstrukcjach spawanych stosuje się często stop 5083 w stanie wyżarzonym o dużej wytrzymałości na rozciąganie spowodowanej umocnieniem roztworowym atomami magnezu. Stopy obrabiane cieplnie mają gorszą spawalność w porównaniu do stopów nieobrabianych cieplnie. Stopy serii 6xxx (Al- Mg-Si) są uznawane za stopy o ograniczonej spawalności, a obecność w tych stopach miedzi powyżej 0,25% jeszcze pogarsza spawalność. Wytrzymałość na rozciąganie spawów takich stopów odpowiada wytrzymałości na rozciąganie po obróbce T4. Mikrostruktura stopów obrabianych cieplnie po spawaniu jest złożona i zazwyczaj składa się z wielu obszarów o różnych własnościach. Rodzaje tych obszarów są uzależnione od wielu czynników, ale przede wszystkim od składu chemicznego danego stopu, prędkości spawania, grubości łączonych elementów i konfiguracji złącza. W mikrostrukturze można wyróżnić obszary częściowo wyżarzone, przesycone oraz przestarzone. Tak złożona mikrostruktura ma często wpływ na własności korozyjne i zmęczeniowe wykonanego złącza. Stopy Al-Zn-Mg mają specyficzną własność polegającą na tym, że występuje regeneracja spoiny wskutek starzenia naturalnego po spawaniu. Dlatego są one uznawalne za spawalne. Natomiast stopy Al-Zn-Mg-Cu tej cechy nie wykazują i są uznawalne za niespawalne. Również ze względu na zawartość miedzi stopy serii 2xxx (Al-Cu-Mg) są uznawane za niespawalne. Są one głównie stosowane na konstrukcje lotnicze i dlatego najczęściej się je łączy za pomocą nitowania lub zgrzewania punktowego [03Pil,04Sob,06Pol,12Dym]. Stopy aluminium można spawać takim samymi metodami jak spawa się stal. Zalicza się do nich spawanie gazowe, wiązką elektronów czy lasera. Najbardziej rozpowszechnionymi metodami spawania są metody łukowe. Metody łukowe polegają na przypływie prądu elektrycznego przez jarzący się łuk elektryczny pomiędzy elektrodą a elementem łączonym. Spawanie łukowe może się odbywać w osłonie gazów ochronnych elektrodą topliwą (MIG metal inert gas welding) oraz również w osłonie gazów ochronnych z elektrodą nietopliwą zwane (TIG tungsten inert gas welding). Metoda MIG w porównaniu z metodą TIG jest wydajniejsza i tańsza oraz powoduje mniejsze odkształcenie elementów spawanych poprzez ich mniejsze nagrzewanie. W przypadku stopów aluminium popularne jest spawanie metodą TIG, ale przy użyciu prądu przemiennego. W tym przypadku najważniejsze jest tzw. czyszczenie katodowe, czyli usuwanie warstwy trudnotopliwych tlenków z powierzchni jeziorka ciekłego metalu. Dzieje się tak dlatego, że przy użyciu prądu zmiennego elektroda wolframowa zmienia co półokresu swoją biegunowość. W półokresie dodatnim elektroda staje się 27