Materiały metalowe. Utwardzanie wydzieleniowe stopów aluminium

Transkrypt

1

2 Aluminium Metal ten krystalizuje w sieci A1, a wic cechuje si du plastycznoci. Charakteryzuje si parametrem sieci a=0,40408 nm, temperatur topnienia 3 Mg / m 660,4 C, temperatur wrzenia 2060 C. Mał gsto 2,7 kwalifikuje ten metal do grupy metali lekkich. Dziki tej własnoci i stosunkowo bogatemu wystpowaniu w przyrodzie jest szeroko stosowany w przemyle lotniczym i transportowym. Czyste aluminium cechuje si wysok przewodnoci elektryczn 37,74 MSm, stanowic 66% przewodnoci elektrycznej miedzi, oraz dobr przewodno ciepln. Przewodno elektryczna tego metalu maleje wraz ze zwikszeniem stenia zanieczyszcze i domieszek, do których nale Fe Si, a take Cu, Zn i Ti.. Wymienione pierwiastki powoduj zmniejszenie plastycznoci, lecz zwikszenie wytrzymałoci. Wytrzymało czystego wyarzonego aluminium jest niska R m = MPa, R 02 =20 40 MPa, wydłuenie A 10 =30 40%, przewenie Z=80 95% i twardo od 15 do 30 HB.

3 mj / m Ma wysok energi błdu ułoenia Na powietrzu pokrywa si cienk warstw, która chroni je przed dalszym utlenianiem. Jest odporne na działanie wody,,, wielu kwasów organicznych, zwizków atomowych. Natomiast nie jest odporne na działanie wodorotlenków (np. NaOH, KOH), kwasów beztlenowych (HF, HCI), wody morskiej. Mała gsto, dua odporno na korozj oraz podatno na umocnienie odkształceniowe i inne przez wprowadzone do Al składniki stopowe decyduj, e stopy aluminium maj bardzo due znaczenie w budowie urzdze o małej masie, zwłaszcza dla przemysłu lotniczego, samochodowego i innych. Znaczenie techniczne maj zarówno stopy przerabiane plastycznie, jak i odlewnicze. Jednak pierwsze z nich cechuje wyranie wiksza podatno na kształtowanie podanych własnoci uytkowych wyrobów w procesach wytwórczych oraz technologiami obróbki cieplnej. 2

4 Wytwarzanie aluminium o rónej czystoci, zgodnej z normami PN-EN 573-3:2005 i PN-EN 576:2005 jest wytwarzane w kilkunastu gatunkach o zrónicowanej czystoci metalurgicznej, od 99,99% Al po rafinacji elektrolitycznej do 99,0% Al po rafinacji ogniowej. Najczystszy gatunek EN AW-A199,99 jest uywany przy wytwarzaniu aparatury chemicznej, urzdze elektronicznych, elektrycznych oraz na folie kondensatorowe. Gatunek AW-A199,8 stosuje si na folie, powłoki kablowe i do platerowania, gatunek AW- A199,5 na przewody elektryczne i gatunek AW-A199 na wyroby codziennego uytku. Aluminium obrabia si plastycznie walcuje (blachy, folie) lub wyciska (prty, druty, rury, kształtowniki). Obróbk plastyczn mona przeprowadzi na zimno lub na gorco (ok. 450 C). Aluminium ma due powinowactwo do tlenu, std jego zastosowanie w aluminotermii oraz do odtleniania stali. Oprócz tego jest szeroko stosowane w przemyle spoywczym oraz do aluminowania dyfuzyjnego stali. rok produkcja rok produkcja (tony) (tony) Historia produkcji aluminium na wiecie (tony)

5 Stopy aluminium Własnoci wytrzymałociowe czystego aluminium s stosunkowo niskie, dla tego stosuje si stopy, po odpowiedniej obróbce cieplnej maj wytrzymało nawet kilkakrotnie wiksz. Stopy aluminium cechuj si korzystnymi cechami konstrukcyjnymi tzn. stosunkiem wytrzymałoci do ciaru właciwego, który jest wikszy ni dla stali, a oprócz tego ich udarno nie maleje w miar obnienia temperatury, dziki czemu w niskich temperaturach maj wiksz udarno ni stal. Maj jednak nisk wytrzymało zmczeniow. Stopy dzieli si na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Niektóre nadaj si zarówno do odlewania jak i do obróbki plastycznej. Wpływ pierwiastków na wytrzymało.

6 Stopy odlewnicze S odlewane w formach piaskowych, kokilowych lub jako odlewy cinieniowe. Odlewa si zwykle elementy o złoonych kształtach. Maj one jednak własnoci mechaniczne gorsze ni po obróbce plastycznej. Najwiksze znaczenie sporód stopów odlewniczych aluminium odgrywaj, siluminy bdce stopami aluminium zawierajcymi 4 30% krzemu. Siluminy s najbardziej rozpowszechnionymi stopami odlewniczymi aluminium. Siluminy cechuj si bardzo dobrymi własnociami odlewniczymi. Bardzo dobr lejno oraz mały skurcz i mała skłonno do pkania sprawiaj, e mona z nich uzyskiwa na drodze odlewania elementy o skomplikowanych kształtach i cienkich ciankach. układ równowagi Al-Si

7 Modyfikacja siluminów jest procesem prowadzonym dla poprawy własnoci. Stopy te poddaje si modyfikacji polegajcej na oddziaływaniu na proces krystalizacji odpowiednimi dodatkami wprowadzanymi do ciekłego stopu. Siluminy maj grubo-ziarnist struktur eutektyki. na tle której, w przypadku stopów nadeutektycznych, dodatkowo wystpuj iglaste kryształy krzemu. Siluminy s stosowane na odlewy czci maszyn, w tym równie w przemyle okrtowym, do budowy aparatury chemicznej oraz wyrobów galanteryjnych. Najwiksze zastosowanie stopy te maj jednak w przemyle motoryzacyjnym, gdy s podstawowym materiałem na elementy silników spalinowych (tłoki, głowice). Przykładowymi stopami odlewniczymi aluminium s według [3] stopy z grup: AlSilOMg, AISi, AlS i SCu. Mikrostruktura siluminu niemodyfikowanego Mikrostruktura siluminu modyfikowanego

8 Stopy do obróbki plastycznej: Stopy aluminium z miedzi Stopy aluminium z Magnezem Stopy Al-Mg-Si Stopy aluminium z cynkiem

9 Stopy aluminium z miedzi Stopy aluminium z miedzi (ok. 5% Cu) s typowymi stopami nadajcymi si do obróbki cieplnej, zwanej utwardzaniem wydzieleniowym. Od strony aluminium wystpuje roztwór stały o ograniczonej rozpuszczalnoci, która w temperaturze eutektycznej 548 C wynosi 5,7% Cu. Eutektyka zawierajca 33% Cu składa si z roztworu i fazy midzymetalicznej ( ). Podstaw obróbki cieplnej tych stopów jest charakter linii solivus. W miar obnienia tempery rozpuszczalno miedzi maleje i w temperaturze 200 C wynosi 0,1 %. Jeli wic stop, zawierajcy np. 4% Cu, jest nagrzany do temperatury wyszej ok. linii solivus (poniej 548 C), to powstanie jednorodny roztwór stały Fragment układu Al-Cu L.A. Wille.

10 Stop dc do osignicia stanu równowagi, usiłuje wydzieli nadmiar rozpuszczonej miedzi w postaci dyspersyjnych czstek bogatych w miedz. Proces ten, który przebiega samorzutnie w okrelonym czasie, nazywamy starzeniem. Podgrzewanie przesyconego stopu przyspiesza wydzielanie drugiej fazy i jest nazywane starzeniem przyspieszonym. Połczenie obydwu operacji (przesycenia i starzenia) stanowi utwardzenie wydzieleniowe. Obróbka taka zastosowana dla stopu AlCu4,który w stanie wyarzonym ma R=200 MPa, moe dawa po starzeniu naturalnym dwukrotnie wiksz warto. Najwiksze zmiany twardoci nastpuj w cigu pierwszej doby, póniej przyrosty s ju coraz mniejsze, a po czterech dobach ustala si stała twardo, wiadczca o wydzieleniu z przesyconego roztworu ciekłego nadmiaru miedzi. Stopie umocnienia zaley od składu stopu. Inny charakter maj krzywe umocnienia otrzymywane przy przypieszonym starzeniu. Maj one wyrane maksimum, które obnia si i jednoczenie przesuwa w lewo (ku krótszym czasom) w miar wzrostu temperatury starzenia. T e m p e r a t u r a C Czas (dni) Wpływ temperatury i czasu starzenia na wytrzymało stopu Al-Cu. R m

11 Skład chemiczny wybranych stopów do obróbki plastycznej z serii 2000 wg. PN EN 573-3:2003 %" "% *)')""+,&-$ #$%&% '("%')$% #!"

12 Stop aluminium symbol chemiczny EN AW-AlCu2Mg1,5Ni wg. PN EN 573-3:1998 (1,9-2,7% Cu, 1,2-1,8% Mg, 0,8-1,4% Ni, 0,8-1,4% Fe) i AlCu2Mg2NiSi (1,9-2,5% Cu, 1,4-1,8% Mg, 0,8-1,3% Ni, 0,8-1,3% Fe, 0,5-1,2% Si) podatne do obróbki plastycznej. Utwardzane wydzieleniowo przez przez przesycanie i naturalne starzenie. Znalazły zastosowanie na konstrukcje lotnicze, do kuca swobodnego i w matrycach. Stopy te wykazuj du odporno w podwyszonych temperaturach ( C). Dostarczane w postaci prtów i odkuwek. Mikrostruktura duralu AlCu2Mg1,5Ni w stanie wyarzonym. Widoczne due kryształy roztworu stałego bogatego w aluminium oraz ciemne wydzielenia midzymetalicznych faz umacniajcych (Al 2 Cu, AlCuMg, Al 2 CuMg, Mg 5 Cu, in. ). Traw. odczynnikiem o składzie: l ml HF (30%) + 2,5 ml HNO + l,5 ml HCl H+ 2 O95 ml Powiksz. 200x

13 Stopy aluminium z Magnezem Aluminium tworzy z Mg roztwór stały graniczny o zmniejszajcej si wraz z obnieniem temperatury, krystalizujcy w sieci ciennie centrowanej typu A1 układu regularnego. W zakresie ste do ok. 35,5% Mg wystpuje mieszanina eutektyczna roztworu z roztworem stałym wtórnym na osnowie fazy elektronowej Al 8 Mg 5 krystalizujcej w sieci złoonej. W stopach przemysłowych Al z Mg stenie Mg jest zawarte przedziale 0,5 13%. Stopy o małym steniu Mg wykazuj du podatno na obróbk plastyczn, natomiast o duym steniu bardzo dobre własnoci odlewnicze. Fragment wykresu równowagi Al.-Mg (według L.A. Willeya)

14 Stopy zwane hydronaliami zawierajce 04 5,6% Mg, a take niewielki dodatki pierwiastków takich jak Mn, a take Si, Fe, Pb Posiadaj podwyszone własnoci mechaniczne, odporno na korozje w rodowisku wody i atmosfery morskiej oraz dobr spawalno i podatno na głbokie tłoczenie. Hydronalia maj struktur dwufazow roztworu stałego i wydziele fazy. Własnoci wytrzymałociowe tych stopów zwikszane w wyniku umocnienia zgniotowego. Poddaje si je take wyarzaniu ujednoradniajcemu, rekrystalizujcemu, oraz odpraniu a take utwardzaniu wydzieleniowemu. Stosowana jest równie do nich nisko i wysokotemperaturowa obróbka cieplno mechaniczna. Maksymalna rozpuszczalno magnezu w aluminium w temperaturze eutektycznej (451 C) wynosi 14,9% i spada do 1,9% w temperaturze pokojowej. Stopy Al-Mg o stosunkowo wysokiej zawartoci magnezu s jednofazowe, złoone z roztworu stałego, a wic plastyczne. Stopy o zawartoci magnezu poniej ok. 2% nie mog by utwardzane wydzieleniowo. Chłodzony w odpowiedniej temperaturze Stop EN AW-6060 Stop EN AW-6060 chłodzony zbyt wolno

15 Stopy Al-Mg-Si Stop, który oprócz 0,5% Mg zawiera jeszcze około 0,5 Si. Cechuje si dobr przewodnoci elektryczn (tylko 15% nisz ni czyste aluminium) i dobr wytrzymałoci, co zadecydowało o jego zastosowaniu na elektroenergetyczne linie napowietrzne. Jest on poddawany kombinowanej obróbce cieplnoplastycznej, najpierw przesycany od temperatury C, nastpnie odkształcany (90% zgniotu) i wreszcie starzony samorzutnie lub sztucznie (105 C, ok. 10 h). T drog osiga si dwukrotnie wiksz wytrzymało stopu od aluminium, która pozwala na stosowanie tych przewodów bez wzmacniajcych przewodów drutów stalowych. Fragment układu równowagi fazowej Al-Mg 2 Si

16 Mikrostruktura tych stopów jest złoona z roztworu stałego, fazy umacniajcej Mg 2 Si, fazy (Al 3 Mg 2 ), fazy Al 6 Mn oraz fazy Al 2 Cu. Do tych stopów stosuje si obróbk ciepln: wyarzanie odprajce w temperaturze C przez kilkanacie godzin (rzadko stosowane), wyarzanie rekrystalizujce w temperaturze C w czasie 6-8 h, utwardzanie wydzieleniowe: przesycanie z temperatury C w wodzie o temperaturze 20 C, starzenie w temperaturze C przez 8-12 h. Rama przedniej szyby w BMW Z8 wykonana ze stopów Al-Mg-Si Stopy po umacnianiu wydzieleniowym maj bardzo dobre właciwoci mechaniczne R M = 400 MPa, R 02 =300 MPa, A w =18%)

17 Porównawczy wykres własnoci stopu EN AW-Al Si1MgMn starzonego: a). sztucznie b). naturalnie

18 Materiały metalowe Stopy Al-Mg-Si nalez do stopów utwardzanych wydzieleniowo w temperaturze pokojowej i pod wzgldem znaczenia technicznego zajmuj wysok pozycj, tu za stopami Al-Cu i AI-Cu-Mg. Sekwencj tworzenia si faz wtórnych w przesyconym roztworze stałym tych stopów mona przedstawi w postaci: Strefy GP zwizane z lokaln segregacj atomów Mg i Si tworz si zwykle podczas starzenia stopów w temperaturze podwyszonej. Koherentna faza o sieci jednoskonej ma morfologi iglast w kierunku <100> i zachowuje z osnowa, orientacj przestrzenn zgodn z zalenoci: (010) //(001 ):[001] //[310] Faza B' wystpuje w postaci półkoherentnych prcików orientowanych w kierunku <100>, ma siec heksagonaln oraz skład Mg 2 Si i spełnia z osnow zalenoci krystalograficzne: Obecno tej fazy nie jest jednak jednoznacznie ustalona.

19 Faza B' tworzy si w postaci pókoherentnych listewek rozmieszczonych w kierunku <100> a, ma siec heksagonaln oraz skład Mg 2 Si i wzgldem osnowy stopu wykazuje orientacj krystalograficzn zgodn z nastpujcymi zalenociami: _ Faza B' w stopach o duej wartoci stosunku Si/Mg wystpuje zwykle łcznie z faz Faza równowagowa -Mg 2 Si jest niekoherentna i wystpuje w postaci płytek w płaszczyznach {100}, ma sie regularnciennie centrowan i wykazuje wzgldem osnowy stopu zalenoci krystalograficzne zblione do spełnianych przez faz, a w szczególnoci:

20 Skład chemiczny wybranych stopów z serii 6000 wg. PN EN 573-3:2003 *)')""+,&-$ %" "% #$%&% '("%')$% #!" #./ # # 0 # 0 #./

21 beams Typowe zastosowanie Stopów tej grupy jest wszdzie tam gdzie wymagane s bardzo due wytrzymałoci np. zderzak samochodowy.

22 Skład chemiczny wybranych stopów do obróbki plastycznej z serii 7000 wg. PN EN 573-3:2003 *)')""+,&-$ %" "% #$%&% '("%')$% #!" 1 1

23 polega na utwardzeniu stopu dyspersyjnymi czstkami fazy wydzielonej z przesyconego roztworu stałego. Proces utwardzania wydzieleniowego jest obróbk ciepln składajc si z dwóch operacji przesycania a nastpnie starzenia. Podstawowym warunkiem dla realizowania utwardzania wydzieleniowego jest wykazanie przez stop zmniejszajcej si wraz z obnieniem temperatury rozpuszczalnoci składnika stopowego w osnowie. Schemat sposobu okrelenia temperatury przesycenia i starzenia

24 Warunkiem dodatkowym zrealizowania utwardzania wydzieleniowego jest uzyskanie w temperaturze podwyszonej jednorodnego roztworu stałego, moliwo zrealizowania szybkiego ozibienia do temperatury otoczenia oraz moliwo przebiegu procesu starzenia w temperaturze otocznia lub podwyszonej.!""#!"#$"%!"&"#'! (""##( %!"#$"%!"&"#'! #"(""##( "!"#") $" )&'! #"(""##(

25 Przesycani Przesycanie stosowane jest w celu uzyskania skrajnej nierównowagowej (metastabilnej) budowy. Rozwaanie przesycania ze wzgldu na kinetyk rozpadu roztworu stałego prowadzi do pojcia stopnia przesycenia. Dla celów praktycznych proces przesycenia mona okreli jako operacje obróbki cieplnej, polegajcej na nagrzaniu stopu do temperatury jednorodnego roztworu stałego, wytrzymaniu w tej temperaturze w celu rozpuszczeniu wydzielonych czstek fazy, oraz ozibieniu do temperatury otoczenia lub wyszej, ale zawsze niszej od temperatury granicznej rozpuszczalnoci. Schemat operacji przesycania: 1-2 nagrzewanie stopu do temperatury T, powyej linii granicznej rozpuszczalnoci w stanie stałym, 2-3 wygrzewanie w temperaturze T w czasie zapewniajcym uzyskanie jednorodnego roztworu stałego, 3-4 ozibienie do temperatury otoczenia z szybkoci wiksz od krytycznej szybkoci rozpadu.

26 Okrelenie temperatury przesycenia jako temperatury wyszej od temperatury linii granicznej rozpuszczalnoci (zakres jednofazowego jednorodnego stopu) jest mało precyzyjne, poniewa nie determinuje ograniczenia temperatury do góry. Temperatura przesycenia nie moe by zbyt wysoka, aby nie spowodowała nadmiernego rozrostu ziarna lub nawet nadtopie. Orientacyjnie ograniczenie temperatury nadtopu od góry okrela nierówno: Tp < 0, 6T t *%!"+T t - temperatura przesycenia. T p - temperatura topnienia. Szybko chłodzenia podczas przesycania powinna by wiksza od szybkoci krytycznej szybkoci rozpadu roztworu stałego, a ta wie si z trwałoci Przykopnego roztworu stałego.

27 Zakres przesycania durali jest stosunkowo wski. Wykonanie tej operacji w zbyt wysokich temperaturach prowadzi do nadtapiania materiału, a w zbyt niskich do całkowitego rozpuszczenia pierwiastków przesycajcych i uzyskania struktury roztworu stałego z wydzieleniami. Przesycenie prowadzone w temperaturze dobranej dla danego stopu pozwala na utrzymanie struktury roztworu stałego przesyconego, wymuszajcej optymalne własnoci materiału po kocowej operacji utwardzania wydzieleniowego- starzeniu. Struktura duralu po przesyceniu ze zbyt niskiej temperatury 400 C. Roztwór z wydzieleniami i układami dyslokacji. Pow x [6] Struktura Duralu AlZn6Mg3 po przesyceniu w właciwej temperaturze 520 C. Roztwór z pitami dyslokacji. Pow x

28 Starzenie Starzenie jest kolejn po przesycaniu operacj utwardzania wydzieleniowego i moe wystpowa jako samorzutne w temperaturze C lub przypieszone w temperaturach podwyszonych. Starzenie przypieszone obejmuje nastpujce zbiegi: nagrzewanie stopu do temperatury t>100 C, ale niszej od temperatury granicznej rozpuszczalnoci. długotrwałe wygrzewanie w tej temperaturze (od kilku godzin do kilu dni); chłodzenie stopu; Schemat piciostadiowego procesu starzenia Stopy przesycone poddane operacji starzenia wykazuj wzrost własnoci wytrzymałociowych i twardoci. Wzrost własnoci determinowany szybkoci rozpadu przesyconego roztworu stałego zaley od temperatury starzenia i stopnia przesycenia

29 Ze wzgldu na złoono starzenie dzieli si na stadia, podczas których przewaa jeden z procesów składowych. Podział ten jest nieco sztuczny, poniewa procesy te czsto nakładaj si na siebie. Stadia rozpadu przesyconego roztworu stałego zachodzce podczas starzenia mona ogólnie podzieli nastpujco: α p α 1 -> (czciowo przesycony) + strefy GP α 2 -> (czciowo przesycony) + fazy porednie α p -> (równowagowy) + faza stabilna Schemat zmian własnoci i struktury w trakcie starzenia w zalenoci od czasu i struktury starzenia

30 Procesom wydzieleniowym podczas starzenia towarzysz istotne zmiany własnoci stopów metali. Powstajce wydzielenia powoduj znaczne zwikszenie własnoci wytrzymałociowych i twardoci stopów. Zjawisko powrotu stopu do stanu wyjciowego po krótkotrwałym wygrzaniu w temperaturach niszych ni temperatura przesycenia jest nazywane nawrotem. Schemat zmian w sieci elementarnej podczas procesu starzenia: a). stop przesycony, b). skupienia atomów, strefy Guinera-Prestona (GP). c). powstawanie wydziele o sieci koherentnej z sieci osnowy, d). powstawanie fazy niekoherentnej z sieci osnowy.