Aluminium i stopy aluminium

Najważniejsze obszary zastosowania

Aluminium i jego stopy jako materiały konstrukcyjne mają wiele zalet – są lekkie, odznaczają się wysoką wytrzymałością, dobrą odpornością na korozję i pozwalają się łatwo kształtować. Tradycyjnym obszarem zastosowania tego materiału jest budowa pojazdów szynowych, do której dołączyła w ostatnim czasie produkcja samochodów osobowych. Obok wymienionych dziedzin, stopy aluminium wykorzystuje się w produkcji rowerów, do budowy maszyn, zbiorników, w przemyśle stoczniowym, budownictwie i transporcie.

Aluminium

Aluminium jest metalem lekkim (gęstość 2,7 Mg/m3, 3 razy mniejsza niż żelaza), co decyduje o szerokim zastosowaniu jego stopów w przemyśle lotniczym i transporcie. Aluminium cechuje dobre przewodnictwo elektryczne, stąd jego zastosowanie na przewody elektryczne. Na powietrzu pokrywa się cienką warstwą tlenku, która chroni je przed dalszym utlenianiem. Jest odporne na działanie wody i wielu kwasów. Nie jest odporne na działanie wodorotlenków i kwasów beztlenowych. Z powodu dobrej odporności na korozję, wykorzystywane jest w przemyśle spożywczym i chemicznym. Aluminium jest plastyczne i ma niską wytrzymałość: Rm = 70 – 120 MPa, Re = 20 - 40 MPa, A = 30 - 45%. Twardość wynosi 15 - 30 HB.

Własności wytrzymałościowe czystego aluminium są stosunkowo niskie, dlatego stosuje się stopy, które - po odpowiedniej obróbce cieplnej, mają wytrzymałość nawet kilkakrotnie większą od metalu podstawowego.

Stopy aluminium

Stopy aluminium - stopy, których podstawowym składnikiem jest aluminium, a dodatkami miedź, krzem, magnez, cynk i mangan. Rozróżnia się stopy dwuskładnikowe i wieloskładnikowe.

Stopy cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym, tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, a oprócz tego ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki czemu w niskich temperaturach mają większą udarność niż stal. Techniczne stopy aluminium dzieli się na odlewnicze oraz do obróbki plastycznej.

Stopy aluminium odlewnicze

Stopy aluminium odlewnicze są to stopy, w większości których głównymi składnikami stopowymi są krzem, miedź i magnez. Najszersze zastosowanie znajdują stopy z krzemem, dwuskładnikowe i wieloskładnikowe. Stopy te noszą nazwę siluminów. W strukturze stopów duży udział ma eutektyka złożona z krzemu i roztworu na bazie aluminium, czego wynikiem jest niska plastyczność.

Siluminy charakteryzują się doskonałymi właściwościami odlewniczymi i małym skurczem, co związane jest m.in. z wąskim zakresem krzepnięcia tych stopów, przy składzie bliskim eutektycznemu. Mają również bardzo dobrą odporność na korozję. Ich właściwości mechaniczne zależą od postaci eutektyki. Z tego powodu, w czasie odlewania przeprowadza się proces modyfikacji struktury eutektyki, poprzez wprowadzenie mikrododatków działających jak zarodki krystalizacji i powodujących krzepnięcie eutektyki w postaci drobnoziarnistej. Dzięki temu właściwości mechaniczne siluminów ulegają poprawie.

Stopy aluminium do obróbki plastycznej

Stopy do obróbki plastycznej to przede wszystkim stopy z magnezem, manganem, miedzią, cynkiem oraz dodatkami innych pierwiastków. Stopy przerabia się plastycznie na zimno lub gorąco.

Stopy te dzieli się na:

• Nieutwardzane wydzieleniowo (typu AlMn, AlMg, AlMnMg), o strukturze roztworu na bazie aluminium, w których wzrost wytrzymałości uzyskuje się przez odkształcenie plastyczne.
  
  Przykład stopu: AlMg4,5Mn (hydronalium). Odporny na korozję, spawalny. Dostarczany w postaci blach, rur, prętów, drutów i kształtowników. Pręt ciągniony w stanie twardym wykazuje Rm=300 MPa, A=9 %. Stosowany na średnio obciążone elementy konstrukcji okrętowych, nadbudówki statków, urządzenia przemysłu chemicznego.
• Utwardzane wydzieleniowo (typu AlMgSi, AlCuMg, AlZnMg, AlZnMgCu) o strukturze złożonej z roztworu na bazie aluminium i faz międzymetalicznych. Polepszenie właściwości wytrzymałościowych tych stopów uzyskuje się przez obróbkę cieplną złożoną z przesycania i starzenia.
  
  Przykład stopu: AlZn6Mg2Cu. Stop konstrukcyjny o dobrych właściwościach mechanicznych i przeciwkorozyjnych, utwardzany przez przesycanie i starzenie w temperaturze 120-140oC. Dostarczany w postaci blach, odkuwek, prętów i kształtowników. Pręt wyciskany, przesycony, zgnieciony i starzony wykazuje: Rm=540MPa, A=7 %. Stosowany na znacznie obciążone elementy konstrukcji lotniczych, środków transportu i maszyn.

Wpływ składników stopowych na właściwości stopu

Różne domieszki mają odmienny wpływ na właściwości stopu:

• Cu - zwiększa wytrzymałość
• Si - obniża temperaturę topnienia i zwiększa płynność metalu
• Mn - zwiększa wytrzymałość nie wpływając znacząco na lepkość
• Mg - zwiększa wytrzymałość nie pogarszając odporności na korozję
• Mg/Si - zwiększa wytrzymałość oraz ułatwia utwardzanie i tłoczenie
• Zn - w połączeniu z magnezem i miedzią daje wysoką wytrzymałość

Spawalność aluminium

Technologia i technika spawania stopów aluminium różni się zasadniczo od metod łączenia stali oraz innych metali i stopów stosowanych w budownictwie okrętowym. Wynika to z charakterystycznych własności czystego aluminium i jego stopów. Aluminium jest metalem chemicznie aktywnym, który energicznie łączy się z tlenem, tworząc trudno topliwą (temperatura topliwości 2060°C), cienką i ścisłą warstewkę tlenków glinu (głównie AlO3) o ciężarze właściwym około 4,1 kG/dm3. Warstewka ta w normalnej temperaturze izoluje metal od tlenu z powietrza i zapobiega dalszemu tworzeniu się tlenków, zwiększając ze wzrostem temperatury swoją grubość. W zakresie temperatur topnienia stopów aluminium (około 650°C) tlenki nie ulegają roztopieniu, utrudniając proces spawania

Podczas spawania aluminium należy uwzględnić reakcję metalu z tlenem i powstający wtedy w szybkim tempie tlenek. Należy pamiętać o tym, że tlenek jest twardy i charakteryzuje się wysoką temperaturą topnienia, w związku z czym łatwo może spowodować wady spoiny. Tlenek jest cięższy niż roztopiony metal i może w nim tworzyć wtrącenia. Dlatego też spawając aluminium należy najpierw zawsze usunąć tlenek ze spajanych powierzchni.

Można do tego użyć szczotki ze stali nierdzewnej. Dobrze oczyszczone i wolne od tlenku powierzchnie są warunkiem uzyskania spoin wolnych od wad.

Należy również wziąć pod uwagę ryzyko powstawania porów. Wodór wydzielający się z występującej w powietrzu wilgoci oraz z zanieczyszczeń metalu rozpuszcza się łatwo w stopionym aluminium, a prawie wcale w materiale zakrzepniętym. Podczas krzepnięcia stopionego materiału wydziela się wodór w postaci bąbelków gazu, które mogą zatrzymywać się w stygnącym metalu powodując porowatość.

W aluminium i jego stopach występują:

• duża przewodność cieplna (konieczność szybkiego spawania);
• duże współczynniki przewodności cieplnej (0,25—0,55 cal/cm s °C);
• duży współczynnik rozszerzalności cieplnej;
• duże skurcze odlewnicze (1,8%), które są główną przyczyną deformacji i naprężeń spawalniczych oraz pęknięć spoin;
• znaczne spadki wytrzymałości w temperaturach spawania; stwarza to trudności technologiczne (pęknięcia), szczególnie przy spawaniu konstrukcji sztywnych, nie mających możliwości swobodnego kurczenia się.

• Aluminium i stopy aluminium - rodzaje i spawalność
• Spawanie aluminium - sposoby i wybór metody
• Spawanie aluminium - technika spawania metodą TIG