Politechnika Gdańska. Wydział Chemiczny. Katedra Elektrochemii, Korozji i Inżynierii Materiałowej. Materiały Konstrukcyjne

Transkrypt

1 Politechnika Gdańska Wydział Chemiczny Katedra Elektrochemii, Korozji i Inżynierii Materiałowej Materiały Konstrukcyjne Stopy aluminium i stopy miedzi Juliusz Orlikowski Gdańsk 2009

2 Wprowadzenie Teoretyczne Stopy Aluminium Aluminium charakteryzuje się dobrymi właściwościami fizycznymi i technologicznymi, to powoduje, iż ciągle nowe dziedziny techniki zainteresowane są stosowaniem aluminium i jego stopów. Rozwój techniki i uprzemysłowienia sprawia, że metale i ich stopy są eksploatowane w coraz ostrzejszych warunkach środowiskowych i przy rosnących wymaganiach wytrzymałościowych czego skutkiem mogą być zachodzące procesy korozyjne. Najczęściej stosowanymi składnikami stopowymi w stopach aluminium są: miedź, krzem, magnez, mangan, cynk, które są podstawą stopów dwuskładnikowych, jak i trójskładnikowych. Większość dodatków stopowych tworzy twarde i kruche fazy międzymetaliczne z aluminium, bądź z innymi dodatkami stopowymi. Składniki Mn, Mg, Si, Cu występują w postaci roztworów stałych, a również w pewnym zakresie stężeń roztworów stałych w temperaturze otoczenia w postaci faz międzymetalicznych Al 6 Mn, Al 3 Mg 2, Mg 2 Si, Al 2 Cu. Zmiana rozpuszczalności umożliwia utwardzenie dyspersyjne stopów. Składniki stopowe, które nie rozpuszczają się w aluminium np. Fe i Ni występują w postaci wtrąceń faz międzymetalicznych Al 3 Fe, Al 5 Fe, Al 5 FeSi i in.. Inne dodatki stopowe takie jak Mn, Ti, i Cr zwiększają odporność na korozję, a zmniejszają ją Cu i Fe, natomiast Mg w postaci fazy Al 3 Mg 2 powoduje korozję międzykrystaliczną. Drobnoziarnistość struktury zapewnia Ti, Ni, Cr i Mn, przy czym Mn hamuje w podwyższonych temperaturach wzrost ziarna. Dla polepszenia skrawalności wprowadza się mniej niż 1,5 % Pb, który nie rozpuszcza się. Stopy aluminium podzielone są na serie od 1000 do Podział ten jest podyktowany różnym składem chemicznym w zależności od zastosowanych składników stopowych i opisuje go norma PN-EN 573-1:2006: 1XXX Aluminium o różnej czystości minimum 99 % 2XXX Stopy aluminium - miedź Al Cu - Mg 3XXX Stopy aluminium mangan Al Mn 4XXX Stopy aluminium krzem Al Si 5XXX Stopy aluminium magnez Al Mg 6XXX Stopy aluminium magnez krzem Al Mg - Si

3 7XXX Stopy aluminium cynk magnez Al Zn - Mg 8XXX Pozostałe stopy (np. z zawartością litu) Tabela 1. Podstawowe składy chemiczne stopów aluminium. Oznaczenie stopu Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Cr inne Al 1050A 0,25 0,4 0,05 0,05 0,05 0,07 0,05-0,03 99, ,5 0,5 3,8-4,9 0,3-0,9 1,2-1,8 0,25 0,15 0,1 0,15 reszta ,6 0,7 0,05-0,2 1,0-1,5-0, ,15 reszta ,8-1,2 0,5-0,8 0,10 0,05 0,01 0,05-0,20 0,15 reszta ,4 0,4 0,10 0,4-1,0 4,0-4,9 0,25 0,15 0,05-0,25 0,15 reszta ,3-0,6 0,1-0,3 0,10 0,10 0,35-0,6 0,15 0,10 0,05 0,15 reszta ,35 0,40 0,20 0,05-0,50 1,0-1,4 4,0-5,0-0,1-0,35 0,15 reszta ,4 0,5 1,2-2,0 0,30 2,1-2,9 5,1-6,1 0,2 0,18-0,28 0,15 reszta 8011A 0,4-0,80 0,5-1,0 0,10 0,10 0,10 0,10 0,05 0,10 0,15 reszta Aluminium 1050A - Al99,5 Aluminium 1050 charakteryzują się bardzo dobrą odpornością korozyjną oraz ze względu na niższe własności mechaniczne bardzo dobrą formowalnością. Ze względu na czystość posiadają wysoką przewodność cieplną, elektryczną i termiczną. Znajduje zastosowanie w produkcji naczyń, pojemników, garnków do produktów spożywczych i chemicznych, przedmiotów gospodarstwa domowego, tablic znaków informacyjnych, reklam. Stop aluminium AlCu4Mg1 Stopy aluminium z Cu i Mg oraz niewielkim dodatkiem Mn albo Fe, lub Si nazywane są duraluminium lub duralami miedziowymi. Zwiększenie stężenia miedzi oraz magnezu powoduje zwiększenie własności wytrzymałościowych i zmniejszenie własności plastycznych oraz podatności durali na obróbkę plastyczną. Miedź pogarsza odporność na

4 korozję, magnez polepsza. Dodatki Fe, Mn, Ti podwyższają żarowytrzymałość tworzenie faz bogatych w te pierwiastki. Stop typu 2024 stosowany jest głównie w przemyśle lotniczym. Stop aluminium AlMg5 Stopy aluminium z magnezem wykazują największą spośród stopów aluminium odporność na korozję i najmniejszą gęstość. Stężenie magnezu w tych stopach zawarte jest w przedziale od 0,5 do ok. 13%. Stopy o małym stężeniu Mg wykazują dużą podatność na obróbkę plastyczną, natomiast o dużym stężeniu bardzo dobre własności odlewnicze. Stopy aluminium z magnezem do obróbki plastycznej, zwane hydronaliami, mają strukturę dwufazową roztworu stałego α i wydzieleń fazy β. Charakteryzują się podwyższonymi własnościami mechanicznymi, odpornością na korozję w środowisku wody i atmosfery morskiej oraz dobrą spawalnością i podatnością na głębokie tłoczenie. Stop aluminium 7075 AlMg5Zn2 Stop typu 7075 należy do grupy stopów trójskładnikowych, charakteryzujący się bardzo wysoką wytrzymałością na rozrywanie oraz dużą twardością. Dodatki stopowe powodują, że ten stop posiada bardzo niską odporność korozyjną. Właściwości wytrzymałościowe stopów aluminium Na Rys. 1. przedstawiono wykresy badań mechanicznych niektórych stopów aluminium Naprężenie / MPa Odkształcenie

5 Odkształcenie Naprężenie / MPa Naprężenie / MPa Odkształcenie Rys. 1. Wykresy wytrzymałościowe stopów aluminium Korozja aluminium. W szeregu napięciowym metali aluminium ma jeden z najniższych potencjałów elektrochemicznych ( E 0 = -1,7 V ), jest więc pierwiastkiem bardzo aktywnym, ale już pod wpływem powietrza lub wody pokrywa się warstewka pasywną. Obecność rozpuszczonego w wodzie tlenu nie jest warunkiem konieczny do przejścia aluminium w stan pasywny. Warstwę pasywną stanowi tlenek metalu, którego grubość na tym metalu, utworzoną na skutek kontaktu z powietrzem, szacuje się na 2-10 nm. W środowisku wodnym powstaje amorficzna, porowata warstwa tlenkowa o znacznie większej grubości. Obecność warstwy pasywnej hamuje procesy korozji elektrochemicznej i ma duży wpływ na odporność korozyjną aluminium w wielu środowiskach. W technice często stosuje się anodowe

6 utlenianie aluminium różnych elektrolitach i przy różnych gęstościach prądu, które ma na celu pogrubienie warstewki tlenkowej. Ponieważ odporność aluminium wiąże się z warstwą pasywną, zatem będzie ono odporne w środowiskach sprzyjających wytworzeniu się takiej warstwy oraz w takich, które nie powodują jej rozpuszczenia. Mechanicznie uszkodzona warstewka ochronna może być odbudowana przez utleniające środowisko agresywne bądź tez miejsce uszkodzenia może stać się ośrodkiem powstawania wżerów i miejscowych uszkodzeń korozyjnych. Stopy miedzi Miedź występuje w przyrodzie w postaci rodzimej oraz w rudach siarczkowych. Jest pierwiastkiem odznaczającym się bardzo dobrą przewodnością elektryczną i cieplną oraz znaczną plastycznością lecz niewielką wytrzymałością na rozciąganie, którą można zwiększyć przez obróbkę plastyczną na zimno. W wilgotnym powietrzu miedź pokrywa się warstewką patyny, która jest zasadowym węglanem miedzi CuCO3 Cu(OH)2, zabezpieczającym w pewnym stopniu materiał przed dalszą korozją. Atmosfera przemysłowa zawierająca SO2 lub NH3 działa na miedź agresywnie. Stopy miedzi z cynkiem Mosiądzami nazywane są stopy miedzi z cynkiem jako głównym składnikiem. Mosiądzami zwykłymi nazywa się stopy zawierające tylko miedź i do 45% cynku. Jeżeli mosiądze zawierają oprócz miedzi i cynku inne dodatki stopowe, wówczas nazywane są mosiądzami wieloskładnikowymi. Mosiądze są podatne na korozję elektrochemiczną (szczególnie stopy dwufazowe α + β). Korozja ta powoduje tzw. odcynkowanie stopu, tj. wytrącanie miedzi na powierzchni wyrobu w postaci gąbczastej powłoki. Odcynkowaniu ulegają mosiądze szczególnie w ośrodkach utleniających. Mosiądze α w stanie umocnionym są wrażliwe na korozję naprężeniową, zwaną sezonowym pękaniem, a szczególnie intensywnie w środowisku zawierającym amoniak nawet w śladowych ilościach. Zabezpieczenie przed sezonowym pękaniem uzyskuje się wykonując dokładne odprężenie wyrobów w temperaturze 250 C, w czasie 4 5 godzin. Brązy Brązami nazywa się stopy miedzi z cyną oraz podwójne stopy miedzi z takimi pierwiastkami, jak: Al, Pb, Si, Mn, Be. Oprócz stopów podwójnych stosuje się również stopy wieloskładnikowe. Nazwa poszczególnych gatunków brązu pochodzi od głównego składnika

7 lub składników stopowych, np. brąz cynowy, aluminiowy, krzemowy, cynowo-ołowiowy. Brązy cynowe należą do najstarszych stopów technicznych i są stosowane powszechnie do dnia dzisiejszego. Zastosowanie techniczne znalazły stopy o zawartości mniejszej niż 20% Sn. Struktura brązów zależy od składu chemicznego, sposobu odlewania oraz stanu materiału. Rodzaje brązów: Brąz cynowy Zawiera od 1% do 9% cyny: Ma barwę szarą, której intensywność wzrasta wraz z zawartością cyny. Mogą zawierać także inne dodatki stopowe, takie jak cynk (2,7% do 5%), ołów (1,5% do 4,5%) oraz domieszki fosforu (0,1% do 0,3%) z zanieczyszczeniami nie przekraczającymi 0,3%. Symbole brązów cynowych to B2 (CuSn2), B4 (CuSn4), B6 (CuSn6), B43 (CuSn4Zn3), B443 (CuSn4n4Pb3), B444 (CuSn4n4Pb4). Brązy cynowe używane są na elementy sprężyste, trudno ścieralne, a przy większej zawartości ołowiu na tuleje i panwie łożyskowe, monety, elementy pracujące w wodzie morskiej, armaturę. Brąz aluminiowy Zawiera od 4% do 11% aluminium: Może zawierać także inne dodatki stopowe, takie jak żelazo (2,0% do 5,5%), mangan (1,5% do 4,5%) oraz nikiel (3,5% do 5,5%), z zanieczyszczeniami nie przekraczającymi 1,7%. Symbole brązów aluminiowych to BA5 (CuAl5), BA8 (CuAl8), BA93 (CuAl9Fe3), BA1032 (CuAl10Fe3Mn2), BA1044 (CuAl10Fe4Ni4), BA92 (CuAl9Mn4). Cechują się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi. Brązy aluminiowe stosowane są na części do przemysłu chemicznego, elementy pracujące w wodzie morskiej, monety, styki ślizgowe, części łożysk, wały, śruby, sita. Brąz berylowy Zawiera od 1,6% do 2,1% berylu: Może zawierać także inne dodatki stopowe, takie jak nikiel w połączeniu z kobaltem (0,2% do 0,4%) oraz tytan (0,1% do 0,25%), z zanieczyszczeniami nie przekraczającymi 0,5%. Symbole brązów berylowych to BB2 (CuBe2Ni (Co)), BB1T (CuBe1,7NiTi), BB2T (CuBe2NiTi). Brązy berylowe stosowane są na elementy sprężyste, elementy aparatury chemicznej, elementy żaroodporne, np. gniazda zaworów, narzędzia nieiskrzące. Brąz krzemowy BK31 (CuSi3Mn1): Zawiera 2,7% do 3,5 krzemu i 1,0% do 1,5% manganu, przy zanieczyszczeniach nie przekraczających 1,0%. Stosowany jest na siatki, elementy sprężyste, elementy w przemyśle chemicznym, elementy odporne na ścieranie, konstrukcje spawane.

8 Brąz manganowy BM123 (CuMn12Ni3): zawiera 11,5% do 13% manganu i 2,5% do 3,5% niklu przy dopuszczalnych zanieczyszczeniach do 1%. Stosowany na oporniki wysokiej jakości. Inne stopy miedzi Miedzionikle są przerabianymi plastycznie stopami miedzi, w których głównym składnikiem stopowym jest nikiel w ilości powyżej 2%. Cechą szczególną miedzionikli jest odporność na ścieranie i korozje oraz dobra plastyczność która umożliwia wytwarzanie w nich np. monet (MN25) Stopy oporowe miedzi są stopami z niklem (do 41%), cynkiem (do 28%), manganem (do 13%), aluminium (do 3,6%) i żelazem (do 1,5%). Charakteryzują się stosunkowo wysokim oporem elektrycznym (rezystywnością) i małym współczynnikiem cieplnym oporu. Wykonanie ćwiczenia Ćw. 1 Celem ćwiczenia jest rozróżnienie typu stopu w zależności od mierzonej wartości potencjału stacjonarnego. Należy przeszlifować na papierze ściernym następujące próbki stopów: 1050A, 2024, 5019, Próbki stopów należy umieścić w naczyniach w środowisku 1% NaCl. Bezpośrednio po zanurzeniu badanych stopów aluminium należy wykonywać pomiary potencjałów za pomocą kalomelowej elektrody odniesienia przy pomocy stacjonarnego miernika napięcia. Pomiary należy wykonywać co 30s w ciągu 12 minut. Wyniki pomiarów umieścić na wspólnym wykresie. Należy skomentować uzyskane wyniki pomiarów. W sprawozdaniu należy umieścić odpowiedzi na następujące pytania: Jaki stop charakteryzuje się najwyższym potencjałem stacjonarnym, dlaczego? Jaki stop charakteryzuje się najniższym potencjałem stacjonarnym, dlaczego? Czy wyższa wartość potencjału może świadczyć o większej odporności korozyjnej konkretnego stopu? Ćw. 2 Celem ćwiczenia jest sprawdzenie w jaki sposób funkcjonują mikroogniwa jakie znajdują się w strukturze stopów aluminium (wtrącenia). W tym celu należy zbudować dwa ogniwa: Al

9 Mg oraz Al Cu. Elektrody z w/w metali (po oszlifowaniu na papierze ściernym) należy umieścić w naczyniach i dokonać pomiaru potencjału po okresie około 5 minut po umieszczeniu w środowisku 1% NaCl. Następnie poprzez zeroamperomierz zewrzeć oba metale. Przez okres 8 minut rejestrować wartość prądu płynącego w ogniwie oraz potencjały elektrod co 1 minutę. Wyniki pomiarów umieścić na wspólnym wykresie. Należy skomentować uzyskane wyniki pomiarów. W sprawozdaniu należy umieścić odpowiedzi na następujące pytania: Czy aluminium ulega korozji w którymś z ogniw, dlaczego? apisz równania reakcji jakie występują w ogniwach. Ćw 3. Celem ćwiczenia jest określenie jak różnią się właściwości elektrochemiczne głównych składników mosiądzów i brązów (stopy miedzi). W tym celu należy zbudować dwa ogniwa: Cu Zn oraz Cu Sn. Elektrody z w/w metali (po oszlifowaniu na papierze ściernym) należy umieścić w naczyniach i dokonać pomiaru potencjału po okresie około 5 minut po umieszczeniu w środowisku 1% NaCl. Następnie poprzez zeroamperomierz zewrzeć oba metale. Przez okres 8 minut rejestrować wartość prądu płynącego w ogniwie oraz potencjały elektrod co 1 minutę. Wyniki pomiarów umieścić na wspólnym wykresie. Należy skomentować uzyskane wyniki pomiarów. W sprawozdaniu należy umieścić odpowiedzi na następujące pytania: W jakim ogniwie występują największa różnica potencjałów, dlaczego? Jaki to ma wpływ na korozyjność brązów cynowych i mosiądzów? Ćw. 4 Celem ćwiczenia jest wizualna ocena stopów miedzi i aluminium oraz wykonanie badań twardości niektórych stopów aluminium i miedzi. W tym celu należy opisać wygląd (kolor, połysk) dostarczonych stopów. Następnie za pomocą twardościomierza dokonać pomiarów twardości. W sprawozdaniu należy umieścić odpowiedzi na następujące pytania: Jak odróżnić brązy cynowe od mosiądzów? Jaki stop ma największą twardość, dlaczego?