Hliník a jeho slitiny

Hliník a jeho slitiny příprava (tavení, lití, prášková metalurgie, legování), tepelné zpracování, tepelně-mechanické zpracování svařitelnost, obrobitelnost fyzikálně-mechanické a strukturní vlastnosti označování tříd podle norem aplikace

Perspektivy •

Využití hliníku v automobilovém průmyslu hraje stále větší úlohu především z důvodu hledání odlehčených materiálů a snahy snížit emise CO2.

•

S rostoucím požadavkem na zastoupení Al slitin v automobilovém průmyslu roste v posledních letech i zájem vědy a výzkumu o tyto slitiny.

Důvody v roce 2005 bylo do automobilů zakomponováno 2milióny tun součástí z hliníku:

Síly odporu

Snížení hmotnosti osobních aut v průměru o 100 kg vede k úspoře: • 0,35 litrů paliva na 100 km • 9 gramů CO2 na km na výfuku

1 ©2009-10 Losertová Monika VŠB-TUO, sylaby přednášek Slitiny nž kovů pro automobilový průmysl

Příznivý dopad snížení hmotnosti Okamžitý • Brždění • Zrychlení • Ovládání vozidla Sekundární • Zmenšení součástí vozidla (brzdný systém, nádrž na palivo,…).

Základní fyzikální vlastnosti Al Relativní atomová hmotnost Struktura Mřížková konstanta Hustota Teplota tavení Skupenské teplo tání Elektrický odpor Smrštění lineární, objemové Nemagnetický

26,98 KPC 0,40412 nm 2,7.103 kg/m3 660 °C 396,1 kJ/kg 0,027-0,029 Wmm2/m 1,75 ; 6 %

Srovnání vlastností Al s ocelí, Cu a Mg Veličina

Hliník

Ocel

Měď

Hořčík

Relativní atomová hmotnost

26,98

-

63,55

24,31

Struktura

KPC

KSC,KPC

KPC

HTU

2,7

7,85

8,96

1,74

660

cca1500

1083

650

27-29

200

17,5

47

1,75 4-8

1,2-2,5 3-10

1-2 3-6

0,5-1,5 5-7

Měrná tepelná kapacita (J/(kg.K) )

896

469

380

1020

Tepelná vodivost ( W/(m.K) )

229

73

386

156

Hustota

Prvek

x 103 (kg/m3)

Teplota tavení (°C) Rezistivita (W/m) Smrštění (%)

lineární objemové


Náhrada za oceli Hustota Al - 1/3 hustoty oceli → snížení hmotnosti avšak musí být zachovány požadované vlastnosti součásti → nutné zvýšit tloušťku Ocelové konstrukční aplikace 0,8 mm → nahrazeny díly s tloušťkou 1,2 mm (vypočtený poměr pro náhradu: ρ(oceli) → 1,5 ρ(Al) přesto 50% redukce hmotnosti!!

Úspora hmotnosti při použití vysoce pevných ocelí s vysokým poměrem k

Požadavky na plechy karosérií


Metody výroby hliníku Výchozí surovina

- oxid hlinitý Al2O3

(hlavním meziprodukt při výrobě Al)

2 hlavní hlavní stá stádia výroby roby kovové kovového hliní hliníku: ¾ extrakce, čištění a dehydratace bauxitu a výroba Al2O3 amfoterní charakter Al2O3

způsob výroby zásaditý

kyselý

¾ elektrolýza Al2O3 rozpuštěného v roztaveném kryolitu Na3[AlF6] nebo

karbotermická redukce Al2O3

další alší etapa: ¾ rafinace hliníku vyrobeného elektrolýzou

Elektrolyzér: a) schéma součástí pece b) řazení anod v peci


Elektrolýza Katodová reakce: - přenos náboje na rozhraní katody a hexafluorohlinitanového iontu za vzniku Al a F−, který neutralizuje náboj přicházejícího Na+: 6Na+ + AlF63− + 3 e−→ 6 NaF + Al zjednodušeně: Al3+ + 3 e−→ Al

Anodová reakce: - zjednodušeně představuje dále reaguje

C + 2O2− → CO2(g) + 4e− CO2 (g) + C → 2CO

avšak primárním produktem na anodě pouze CO2 protože : kyslík se elektrochemicky redukuje rychleji než odpovídá tvorbě CO, připojení 2 O na C - + energii → nadpětí

Kyslík je ale přítomen ve formě komplexních aniontů Al-O-F a procesy jsou tedy složitější, lze je psát např. ve tvaru: Al2OF62− + C → CxOabs + 2e− Po této reakce proběhne desorpce: Al2O2F42− + CxOabs → CO2 + Al2OF4 + 2e− 3 Al2OF4 ↔ AlF3 + Al2O3

Karbotermická redukce


Technologie zpracování hliníku

vysvětlivky casting- odlévání, scalping- odstranění kůry ingotu, preheating- ohřev, hot rolling-válcování za tepla, cold rolling- válcování za studena, continuous heat treatment-kontinuální tepelné zpracování, cut to length-řezání na délku


Cena Al a slitin Al na světových trzích Al

2000 2001 2002 2003 2004

1.64 1.52 1.43 1.50 1.85

LME Cash Prices, Aluminum Prices Chart : Aluminium alloy Prices : Aluminum Prices Chart : Aluminium alloy Prices :

28/2/2008 Stř.h.: 3046 $/t = 3,046 $/kg Stř.h.: 2710 $/t = 2,710 $/kg 11/2/2013 Stř.h.: 2068 $/t = 2,068 $/kg Stř.h.: 1830 $/t = 1,830 $/kg


Aplikace Al • plechy a pásy, • flexibilní obaly na bázi Al, • fólie pro izolace a jiné • technické aplikace, • fólie pro čokoládovny, • alobal, • mechanický finstock aj. • slitiny

Vliv jednotlivých přísad na vlastnosti hliníku Cu - zvyšuje pevnost a tvrdost slitiny, zhoršuje tvárnost, působí nepříznivě na korozivzdornost slitiny ke tváření – max.6 % Cu, slévarenské slit.- max. 12 % Cu Mg - zlepšuje většinou podmínky pro TZ, zlepšuje odolnost proti korozi, slitiny pro tváření – max.8 % Mg, slévarenské slit.- max. 11 % Mg Mn - zlepšuje pevnost, tvárnost a korozivzdornost, u slitin určených k vytvrzení-zjemňuje zrno a brání jeho hrubnutí při ohřevu při větší koncentraci-zvyšuje křehkost a zhoršuje slévatelnost (více smršťují) Zn - výborná pevnost, menší houževnatost, menší korozivzdornost, malá tvárnost za pokojové teploty se zvyšuje při vyšších teplotách Li - zvyšuje modul elasticity, snižuje hustotu (výhoda pro aplikace v letectví, nevýhoda- obtíže při výrobě, vysoká cena) Pb,Bi – zlepšují obrobitelnost Fe - stálá příměs hliníku, slitiny ke tváření – do 0,5 % Fe (1,6 % ve zvláštních případech); slévarenské slitiny - přidává se do 1% Fe –zlepšuje slévatelnost Si - stálá příměs hliníku, zvyšuje otěruvzdornost, slévárenské slitiny - přidává se do 13-25 % Si, zvyšuje slévatelnost a zabíhavost, úprava taveniny očkováním. Ni - zvyšuje mechanické vlastnosti za normální i vyšší teploty, zlepšuje korozivzdornost u některých slitin Fe, Ni, Ti, Mn, Cr : - vznik intermetalických fází a zvýšení pevnosti a tvrdosti - zpevnění sekundární fází - vylučuje se většinou po hranicích zrn a v mezidendritickém prostoru během solidifikace Cr, Co, W, Ti, V, Ce, …: - působí na zjemnění krystalizace


Vliv vybraných přísad na vlastnosti hliníku Legování: – zpevnění tuhým roztokem

do 1,25% Mn nebo 3,5% Mg,

– precipitační zpevnění

do 4,5% Cu, 7% Zn nebo (3% Mg + 1% Si),

– zjemnění zrna

do 0,5% Cr, Sc

– slévárenské slitiny

do 17% Si, 7% Cu, 10% Mg.

Rozdělení slitin podle mikrostruktury a zpracování •

Slitiny určené ke tváření : za vyšších teplot - tvořeny homogenním tuhým roztokem (substituční tuhý roztok a), který je pevnější a tvrdší než čistý Al, za nižších teplot - následkem změny rozpustnosti precipitace další fáze

•

Slitiny určené ke slévání větší obsah přísad Þ heterogenita Þ eutektikum s rostoucím množstvím eutektika klesá jejich tvárnost, ale roste zabíhavost; kromě slitin eutektických mají jen 15-20 obj.% eutektika

•

Slitiny vyrobené práškovou metalurgií (SAP) struktura tvořena Al nebo Al slitinou a Al2O3 (6-22%), zvýšená pevnost, vysoká korozivzdornost, žárupevnost (do 500 °C)

•

Kompozity struktura tvořena Al nebo Al slitinou a Al2O3, SiC částicemi, způsoby přípravy – P/M, tlakové lití,…


Rozdělení slitin podle mikrostruktury a zpracování Rozdělení hliníkových slitin

1

slévárenské slitiny

2

slitiny určené k tváření

3

precipitačně vytvrditelné slitiny

4

precipitačně nevytvrditelné slitiny

Rozdělení slitin podle složení a obsahu legur • • •

v praxi : slitiny hliníku = slitiny komplexní ⇒ odlišnost a komplikovanost struktur jednotlivých slitin - lze je však odvodit z několika základních binárních nebo ternárních slitin :

Al-Cu,

Al-Mg,

Al-Mn,

Al-Si,

Al-Zn;

Al-Cu-Mg, Al-Cu-Si, Al-Cu-Ni, Al-Cu-Zn, Al-Mg-Si, Al-Mg-Mn, Al-Zn-Mg, …


Rozdělení slitin podle složení a obsahu legur

1.

s vysoce rozpustnými příměsemi ( > 10 at.%): Zn, Ag, Mg, Li

2.

se středně rozpustnými příměsemi (>1 a < 10 at. %): Mn, Ga, Ge, Cu, Si

3.

s nízko rozpustnými příměsemi (< 1 at.%): Fe, Sc, aj


Rozdělení slitin podle složení a obsahu legur Rozpustnost legujícího prvku v matrici s poklesem teploty klesá

1. příměsi podporující eutektickou reakci: Au, Ba, Be, Ca, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, Mn, Ni, Sb, Si, Sn, Zn 2. příměsi podporující peritektickou reakci : Cr, Hf, Mo, Nb, Ta, Ti, V, W, Zr 3. příměsi podporující monotektickou reakci : Bi, Cd, In, Na, Pb, Tl

12

Částice v mikrostruktuře Al slitin – obecná charakteristika Intermetalické sloučeniny, které vznikají při solidifikaci a zůstávají prakticky nerozpustné během TMZ: Intermetalické sloučeniny, které vznikají při solidifikaci a mohou být rozpuštěny během TMZ: Intermetalické sloučeniny, které vznikají při prvním TZ nebo TMZ z přesyceného t.r. vzniklého po solidifikaci. Disperzoidy po vzniku jsou nerozpustné:

Precipitáty vzniklé během precip. vytvrzení při nízkých T - mohou být snadno rozpuštěny a precipitovány při TZ: A různé Guinier Prestonovy zóny a metastabilní precipitáty Nežádoucí nekovové inkluze:


©2009/10 Losertová Monika VŠB-TUO, sylaby přednášek Slitiny neželezných kovů v automobilovém průmyslu


Částice v mikrostruktuře Al slitin - problematické

Částice v mikrostruktuře Al slitin – žádoucí v tomto případě TZ působí na zpevnění


Tvařitelnost Al slitin

!! legury a přítomnost částic ovlivňují tvařitelnost – lisování, kování


Slitiny pro plechy v AP - použití v minulosti, dosud a v budoucnosti

Slitiny pro plechy v AP - chemické složení pro plechy karosérií

Slitiny pro plechy v AP - tahové vlastnosti a tvařitelnost plechy karosérií


Hliník a jeho slitiny

Recommend Documents