slitiny)

učební text pro předmět Úvod do nauky o materiálu

Měď a její slitiny Jedna z nejdůležitějších a nejprodávanějších skupin materiálů (třetí v pořadí za skupinou železo/oceli a hliník/slitiny). Vlastnosti a přednosti : •

výborná tepelná (391 W/m) a elektrická vodivost (101% IACS) (x Ag-103% IACS)

•

vynikající odolnost vůči korozi – Cu je ušlechtilý prvek, avšak na rozdíl od Au a dalších drahých kovů může být napadána běžnými činidly a korozními prostředími; čistá Cu odolává velmi dobře ve většině korozních prostředí, avšak některé slitiny jsou omezeny při použití z důvodu korozního praskání pod napětím nebo křehnutí vodíkem

•

snadná výroba ; avšak čistá měď se obtížně odlévá – náchylnost k prasklinám na povrchu, pórovitosti a vnitřním dutinám => může být zlepšeno přídavkem malých množství legur ( Be, Si, Ni, Sn, Zn, Cr,Ag)

•

střední hustota :

8,94 .103 kg/m3

•

teplota tání:

1083 °C

•

struktura :

KPC

•

modul elasticity :

115 GPa

•

dobrá pevnost a odolnost vůči únavě

Výrobky : •

tvářené (dráty, plechy, tenké plechy, fólie, výkovky, výlisky...),

•

odlévané (do pískových forem, kontinuálně, odstředivě, tlakově,..- instalatérský materiál, armatury, ventily, části čerpadel; elektrotechnické součásti, ložiska a pouzdra; ozubená soukolí, odlitky pro námořní průmysl; architektonické prvky a ozdobné předměty

•

P/M (ložiska, filtry, konstrukční součásti- vysokopevnostní slitiny disperzně zpevněné oxidy)

Čistota mědi: 99,9-99,98 hm. %

- nečistoty: Ag, As, Sb, Ni, Fe, Pb, Se, Te, O, S - výrazně snižují elektrickou i tepelnou vodivost - zvyšují tvrdost dezoxidační prvky : Si, Zn, Sn, Al a P (avšak jejich přídavek může ve zbytkovém množství snižovat vodivost) Li, Ca borid

Rozdělení slitin mědi : A)

Dělení podle intervalu tuhnutí:

Skupina I : slitiny s intervalem tuhnutí do 50 °C mezi solidem (s) a liquidem (l) - Cu-Cr1, žlutá mosaz (Zn, Sn, Pb), Mn bronz (Zn, Fe, Al, Mn, Sn, Pb), Al bronz (Al, Fe, Ni, Mn, Si), Ni bronz (Zn, Ni, Pb, Sn), bílá mosaz (Zn, Mn, Ni, Pb, Al) Skupina II : slitiny s intervalem tuhnutí 50 až 110 °C mezi (s) a (l) - Be bronz (Be, Cr, Co), Si bronz (Si, Mn, Zn), Si mosaz (Zn, Si), Cu-Ni Skupina III : slitiny s intervalem tuhnutí nad 110 °C, dokonce až do 170 °C mezi (s) a (l) - červená Pb mosaz (Zn, Pb, Sn, Ni), Sn bronz (Sn, Zn), Sn-Pb bronz (Sn, Pb, Zn) © 2007-2013 Monika Losertová FMMI, VŠB-TU Ostrava

učební text pro předmět Úvod do nauky o materiálu B)

Dělení podle převažujícího druhého prvku:

1) mědi a slitiny s vysokým obsahem mědi 2) mosazi Cu-Zn 3) bronzy Cu-Sn 4) slitiny Cu-Ni C)

Dělení podle zpracování:

Slitiny ke tváření : Měď Slitiny s vysokým obsahem Cu Mosazi Olověné mosazi Cínové mosazi Fosforové bronzy Pb-P bronzy Slitiny Cu-P a Cu-Ag-P Hliníkové bronzy Křemíkové bronzy Kupronikl Niklové stříbro Speciální mosazi

Složení > 99 % Cu > 96 % Cu & Cd, Be, Cr or Fe Cu-Zn Cu-Zn-Pb Cu-Zn-Sn-Pb Cu-Sn-P Cu-Sn-Pb-P Cu-P-Ag Cu-Al-Ni-Fe-Si-Sn Cu-Si-Sn Cu-Ni-Fe Cu-Ni-Zn Cu, Zn & Mn, Si, Al, aj.

Slitiny k odlévání : Měď Slitiny s vysokým obsahem Cu Červené a olověné červené mosazi Žluté a olověné žluté mosazi Manganové a Pb-Mn bronzy Si bronzy, Si mosazi Cínové a Sn-Pb bronzy Ni-Sn bronzy Hliníkové bronzy Kupronikl Niklové stříbro Speciální slitiny

> 99 % Cu > 94 % Cu & Cr, Be, Co, Ni, Si Cu-Zn-Sn-Pb (75-89 % Cu) Cu-Zn-Sn-Pb (57-74 % Cu) Cu-Zn-Mn-Fe-Pb Cu-Si-Sn, Cu-Zn-Si Cu-Sn-Zn-Pb Cu-Ni-Sn-Zn-Pb Cu-Al-Fe-Ni Cu-Ni-Fe Cu-Ni-Zn-Pb-Sn Cu, Ni, Fe, Al, Zn

1. Čistá měď a slitiny s vysokým obsahem mědi Čistá měď - kov s více než 99,3 % mědi a není legován, měď je často odlévána s řízeným obsahem kyslíku (např. 0,04 %) Příklady z praxe: Vysoce čistá měď pro supravodiče ≥ 99,99% ( včetně kyslíku) Nízký elektrický odpor při nízkých T ⇒ materiál používán při výrobě supravodičů (vinutí magnetických cívek, generátorů, motorů a silnoproudé kabely) slitiny s vysokým obsahem mědi pro tvářené výrobky - 96 až 99,3 % Cu pro odlévání více než 94 % Cu. Vlastnosti: vysokou vodivost, vyšší pevnost než čistá Cu Legury: • rozptýleny, nebo tvoří jemné precipitáty • obvykle zvyšují odolnost vůči oxidaci, otěruvzdornost, zatékavost (u pájek), • snižují nebezpečí tzv. vodíkové nemoci atd. © 2007-2013 Monika Losertová FMMI, VŠB-TU Ostrava


•

Ag, Mn, Si, Ni, P, As, případně jejich kombinace v obsazích cca do 3 % (při vyšším obsahu ⇒ bronzy). Použití: odporové svařovací elektrody, výhybky a součásti, formy pro odlévání, brzdové bubny, synchronizační kroužky, ložiska, kartáče, … Slitiny Cu-Be „beryliová měď “ Cu-(0,2-2,0)Be-(0,3-2,7 %)Co (nebo do 2,2 % Ni) (např. UNS C17000, C17200, C17500) fyzikální vlastnosti: • závisí na složení (max.rozpustnost Be v Cu: 2,7 % při 866 °C, 0,2 % při 300 °C) a způsobu přípravy. ⇒ Tvářitelná vysokopevnostní : 1,6-2,0 % Be (+ Ni, Co, Fe, Al, Si do 1,0 %) Rm v tahu až 1479 MPa a Rp0,2 1344 MPa (legování, válcování za studena a TZ na precipitační vytvrzení ⇒ Co a Ni tvoří jemně rozptýlené částice (Cu,Co nebo Ni)Be brání růstu zrn při rozpouštěcím žíhání ve dvoufázové oblasti „vysokovodivostní“ slitiny : 0,2-0,7 % Be (+ Co, Ni, Fe do 2,8 %) středně vysoká elektrická vodivost (min. 45 % IACS). Vlastnosti • dobrá až výborná odolnost proti korozi, • výborná obrobitelnost za tepla, • dobrá tvářitelnost za tepla, • dobrá odolnost proti otěru. Použití vysokopevnostní - pružící vlnovce, Bourdonovy manometry, membrány, přítlačné pružiny pojistek, pružné podložky, pojistky, pružiny, součásti spínačů, upínací kolíky, ventily, vybavení pro svařovací techniku. C17200 a C17300 je využívána zejména pro své nejiskřivé vlastnosti bezpečnostní nástroje. vysokovodivostní - pružiny pojistek, pojistky, pružiny, elektrické vodiče, části spínačů a relé, vybavení pro svařovací techniku, kokily pro plastové součásti, pouzdra, ventily, součásti čerpadel, převodová kola, součásti pro počítače, pro přenos dat a telekomunikace Slitina Cu-Cr Cu-(0,4-1,2 %)Cr (např. C18100, C18200 a C18400) vytvrditelné ⇒ vznikají precipitáty čistého Cr nebo disperzních fází. Slitiny Cu-Fe Cu-(1,0-2,5)Fe 2. Mosazi Cu-Zn - obsah Zn od 5 – 44 % a) binární (Cu-Zn) b) legované : Pb (do 3 % zlepšuje obrobitelnost a tvářitelnost za tepla. Al (korozivzdornost), Si (zatékavost pájek), Mn (otěruvzdornost) atd. binární diagram : ⇒ 6 fází : α, β , β´, γ , ε , δ , η α - tuhý roztok Zn v Cu (max.rozpustnost 39 hm.% při 456 °C), KPC β - elektronová sloučenina CuZn (3/2), neuspořádaná, vysokoteplotní, KSC β´ - elektronová sloučenina CuZn (3/2), uspořádaná, nízkoteplotní, křehká, KSC © 2007-2013 Monika Losertová FMMI, VŠB-TU Ostrava

učební text pro předmět Úvod do nauky o materiálu γ - elektronová sloučenina Cu5Zn8 (21/13), komplexní kubická struktura s 52 atomy δ - stabilní jen v malé oblasti, komplexní kubická struktura ε- elektronová sloučenina CuZn3 (7/4), HTU η - tuhý roztok Zn v Cu, HTU (Zn má HTU)

Tvářené mosazi - 3 hlavní skupiny : 1) Cu-Zn slitiny - červené a žluté mosazi 2) Cu-Zn-Pb slitiny - olověné mosazi 3) Cu-Zn-Sn slitiny - cínové mosazi plechy, pásy, trubky, profily

Odlévané mosazi - 4 hlavní skupiny : 1) Cu-Zn-Sn slitiny -červené a žluté mosazi 2) "manganové bronzy" vysokopevnostní žluté mosazi 3) olověné "manganové bronzy" olověné vysokopevnostní žluté mosazi 4) Cu-Zn-Si – křemíkové mosazi tvarové lití

α mosazi – červené mosazi a olověné červené mosazi - využívají širokou oblast existence tuhého roztoku do 35 % Zn - výborná tvářitelnost za tepla i za studena, dobrá vytvrditelnost - do 15 % Zn dobrá odolnost vůči korozi a koroznímu praskání ⇒ nad 15 % Zn tepelné zpracování na odstranění pnutí, avšak jsou náchylné na odzinkování Vlastnosti: vynikající korozivzdornost, dobrá elektrická vodivost, střední pevnost Použití: elektrotechnika, kabelové konektory; kondenzátorové trubky, potrubí, Tombaky (Ms 96, 90, 85, 80) Vlastnosti: vysoké plastické vlastnosti, odolnost proti koroznímu praskání (mech. zatížení + chem. agresivní prostředí), vysoká tepelná vodivost Použití: trubky, dráty pro síta, bižuterie, mince © 2007-2013 Monika Losertová FMMI, VŠB-TU Ostrava


Ms 70 - nábojnicová mosaz Vlastnosti: dobrá plasticita ⇒ lisování, hluboký tah - optimální velikost zrna 30-60 (větší ⇒ „pomerančová kůra“, menší ⇒ trhliny )

m

ALE: náchylnost ke koroznímu praskání (SCC- stress corrosion cracking) - „Sezónní“ praskání - fenomén spojený s Ms s více než 20 % Zn a deformačně zpevněným stavem (vysoké vnitřní pnutí) + prostředí vlhkosti + O2 +NH3 ⇒ praskání po hranicích zrn Opatření : žíhání - polotovary (400-600 °C) - hotové produkty (250-270 °C) Použití : nábojnice, hudební nástroje, chladiče, trubky pro kondenzátory β mosazi – žluté mosazi - 35- 40 % Zn obsahují fázi β (KSC), zejména při vyšších teplotách ⇒ protlačování a kování za tepla Vlastnosti: dobrá odolnost proti korozi, výborná tažnost a vysoká pevnost obtížná tvářitelnost za normální teploty (β´ ⇒ zkřehnutí), dobrá tvářitelnost za tepla (⇒ β) vyšší úroveň pevnosti a únavových vlastností, nižší plastické vlastnosti Legování: Al, Fe, Mn, Sn, Pb ⇒ speciální mosazi Ni ⇒ zvyšuje rozpustnost Zn v Cu ⇒ snižuje množství β´⇒ α mosazi ostatní snižují rozpustnost Zn v Cu⇒ (α+β´) a (kromě Pb) zvyšují pevnost (tvrdost), snižují plasticitu Pb zlepšuje obrobitelnost a antifrikční charakteristiky, vylučuje se v objemu zrn ⇒ nezhoršuje tvářitelnost Al, Zn, Si, Mn, Ni – zvyšují korozivzdornost

Ms35 - aplikace ve strojním, námořním a automobilovém průmyslu, dekorační Ms40 - Muntzův kov (např. 60 % Cu-1% Sn- do 2% Fe- 0,5 % Mn- zb. Zn) Použití: čerpadla, vodovodní armatury Ms40 s přídavkem Pb (1- 4 %) nebo Bi – disperze hrubých částic, což zajišťuje výbornou obrobitelnost Cínové mosazi - přídavek Sn (0,3-3,0 %) zlepšuje korozivzdornost i v prostředí mořské vody (Ms30, lodní mosaz Cu-39,2Zn0,8Sn) a pevnost - kombinace dobré pevnosti, tvářitelnosti a elektrické vodivosti (Cu-10Zn-2Sn) ⇒ použití na elektrické kontakty „Manganový bronz“ např. 58,5 Cu- 39 Zn-1Sn-0,1Mn-1,4Fe, (55-60)Cu-(36-42)Zn-(0,1-1,5)Mn-1Sn-0,4Pb-1Ni-(0,4-2)Fe-(0,5-1,5)Al Vlastnosti: vysoká pevnost, dobrá odolnost proti korozi a otěru a příznivá slévatelnost Použití: mechanické součásti -převodová kola, páčky, konzoly, součásti ventilů a kompresorů pro sladkou i mořskou vodu, vysokopevnostní ložiska, nejiskřivé nástroje Křemíkové mosazi např. (80-90)Cu-0,25Sn-(0,15-0,5)Pb-(3-16)Zn-(0,2Ni-(0,15-0,2)Fe-(3-5,5)Si Vlastnosti: střední až vysoká pevnost, dobrá odolnost proti korozi a příznivá slévatelnost Použití : mechanické součásti a čerpadla Ms pro odlévání: - 63-58% Cu (α+β´) - malý interval krystalizace ⇒ dobrá zabíhavost, malá segregace © 2007-2013 Monika Losertová FMMI, VŠB-TU Ostrava


Nevýhoda - značná smrštivost(1,5-1,9 %) ⇒ sklon k tvorbě soustředěných dutin a staženin a k praskání za tepla přídavek Pb - pro zvýšení obrobitelnosti TAB.1 Mechanické vlastnosti základních typů mosazí Typ mosazi Mez pevnosti v tahu Rm (MPa) stav deform.zpevn. žíhaný 386 234 Ms95 Cu-5Zn 421 255 Ms90 Cu-10Zn 483 269 Ms85 Cu-15Zn 517 296 Ms80 Cu-20Zn 660 330 Ms70 Cu-30Zn 510 317 Ms65 Cu-35Zn 483 372 Ms60 Cu-40Zn 510 352 Mosaz Cu-1Pb 427 290 Sn mosaz Pružinová 496 393 517 Lodní mosaz 565 448 „Mn bronz“

Tažnost A (%) stav deform.zpevn. žíhaný 5 45 5

45

5

48

6

52

3

55

8

65

13

45

7

53

10 4,5 20 25

47 47 33

3. Bronzy Tvářené bronzy - 4 hlavní skupiny: 1) Cu-Sn-P bronzy (fosforové) 2) Cu-Sn-Pb-P (olověné fosforové) 3) Cu-Al (hliníkové) 4) Cu-Si

Odlévané bronzy - 3 hlavní skupiny: 1) Cu-Sn bronzy (cínové) 2) Cu-Sn-Pb bronzy (olověné cínové) 3) Cu-Sn-Ni bronzy (cínové niklové)

Cínové bronzy Cu-Sn Binární diagram - existence následujících fází: α - tuhý roztok Sn v Cu (max.rozpustnost 15,6 hm.% při 520 °C), KPC β - elektronová sloučenina Cu5Sn (3/2), KSC γ - chemická sloučenina δ - elektronová sloučenina Cu31Sn8 (21/13), komplexní kubická struktura s 52 atomy ε - elektronová sloučenina Cu3 Sn (7/4), ortorombická

© 2007-2013 Monika Losertová FMMI, VŠB-TU Ostrava


reakce v systému : peritektické, eutektoidní - malé rychlosti ochlazování ⇒ eutektoidní reakce : δ→ α + ε , - odlévání za běžných podmínek ⇒ bronzy tvořeny α + δ , δ fáze tvrdá a křehká ⇒ praktické využití pro tváření mají bronzy jen s max. 10-12 % Sn. - široký interval tuhnutí ⇒ likvace ⇒ dendritická struktura Rozdělení bronzů podle obsahu Sn: 1) do 8 % Sn – tvořeny tuhým roztokem α ⇒ tvářitelné za studena litý stav (α +(α+γ)), příp. (α +(α+δ)) Použití: plechy, dráty 2) 8-12 % Sn – korozivzdorné, vysoké namáhání Použití: strojní části, ložiska, armatury 3) 12-20 % Sn - ložiska 4) 20-25 % Sn – tvrdá a křehká slitina ⇒ litý stav ⇒ zvonovina zvýšení úrovně mechanicko- metalurgických charakteristik - legováním ⇒ komplexní složení (Zn,Fe,P,Pb,Ni) a) tvářené – obsahují tuhý roztok α b) lité – obsahují více Zn, licí struktura: (α +(α+γ)), příp. (α +(α+δ)) dendritická struktura: osy více % Sn- měkčí a vymílají se mezidendritický prostor- tvrdá δ fáze – nosný základ ⇒ kanálky pro mazivo Tepelné zpracování bronzů: a) homogenizační žíhání 700-750 °C b) rychlé ochlazení c) žíhání na snížení pnutí 350 °C © 2007-2013 Monika Losertová FMMI, VŠB-TU Ostrava


Vlastnosti Sn bronzů: a) bez Pb tvrdé a pevné, dobrá korozní odolnost i vůči mořské vodě, dobrá odolnost vůči otěru i vůči rázům, středně dobrá obrobitelnost b) s Pb přídavek Pb ⇒ vysoké antifrikční vlastnosti, zlepšuje obrobitelnost Použití:

a) ozubené a šnekové převody, ložiska, lodní armatury, pístní kroužky, součásti čerpadel b) ložiska

c) niklové Cu-Ni-Sn Vlastnosti: vysoká mez kluzu, tvářitelnost, dobrá relaxace napětí, elektrická vodivost a korozní odolnost, vhodné pro lisování Použití: pro elektrotechnický průmysl, ložiska a pouzdra, šnekové převody, šoupátka ventilů, rotory Hliníkové bronzy Cu-Al - 5-7 % Al, + Ni, Mn, Fe Vlastnosti: výborné mechanické vlastnosti, dobrá korozivzdornost, dobré slévárenské vlastnosti - do 9 % - jednofázové slitiny α - dobrá plasticita, nízká úroveň pevnosti - vyšší obsahy – obsahuje elektronovou sloučeninu β (Cu3Al) (3:2), resp. eutektoid (α+γ´), -

γ´ tvrdá elektronová sloučenina (21:13), s nízkou plasticitou.

- obsah 4-5 % Al – vyrovnaná úroveň plasticity a pevnosti - do 7-8 % - tvářitelné za tepla i za studena - 9-11 % Al s Ni, Mn, Fe – kalení + stárnutí ⇒ zpevnění až na 827 MPa: • ohřev na 980 °C (eutektoid transformuje na β fázi) • zvýšená rychlost ochlazování ⇒ rozpad β fáze za vzniku disperzní struktury (α+γ´) a zvýšení pevnosti • vysoká rychlost ochlazování ⇒ martenzitická přeměna (její kritická rychlost závisí na chemické koncentraci Al) Použití : těžko namáhaný ložiskový materál, součásti čerpadel, ventily, elektrické kontakty, nejiskřivé nástroje, šnekové převody Křemíkové bronzy Cu-Si např. Cu-3 % Si-1 % Mn - do 3,5 % Si ⇒ roste mez pevnosti i plasticita - přídavek Mn, Ni ⇒ zvýšení mechanických charakteristik Vlastnosti: dobrá obrobitelnost, svařitelnost a tvařitelnost, dobrá úroveň pružných charakteristik, střední až vysoká pevnost, dobrá slévatelnost, dobrá korozní odolnost Použití: pružiny a pružící součásti pro teploty do 250 °C a v agresivním prostředí Olovnaté bronzy Cu-Pb - odlévané slitiny s obsahem 20 a více % Pb a malým množství Ag, bez Sn a Zn Vlastnosti : vysoká tepelná vodivost – odvádí teplo vzniklé třením, nízká mez pevnosti (60MPa) a tažnost (4%) ⇒ legování Ni, Si ⇒ Rm = 200 MPa a A= 3-8%) vysoké antifrikční vlastnosti: eutektikum – 99,96 % Pb ⇒ slitina je tvořena Cu + inkluze Pb (nerozpustné v Cu), inkluze po hranicích zrn, v mezidendritických prostorech Použití: namáhaná kluzná ložiska

TAB. 2 Mechanické vlastnosti vybraných typů bronzů © 2007-2013 Monika Losertová FMMI, VŠB-TU Ostrava

učební text pro předmět Úvod do nauky o materiálu Typ bronzu

Cínový Křemíkový Hliníkový

Mez pevnosti v tahu Rm (MPa) stav Deform. zpevněný Žíhaný 650-750 350-400 700 750 600

Tažnost A (%) stav Deform. zpevněný 8-10 7-9 10

4. Slitiny Cu-Ni Charakteristiky : - vzájemná dokonalá rozpustnost v tuhém stavu ⇒ nevznikají sekundární fáze ⇒ v celém rozsahu složení = tvářitelný ⇒ přispívá k velké odolnosti vůči korozi - > 20 % Ni - bílá barva slitiny - > 45 % Ni – klesá vodivost

rozdělení : 1) konstantan – 45 % Ni Vlastnosti: vysoký elektrický odpor, velmi nízký teplotní koeficient el. odporu Použití: termočlánky 2) kupronikl – 10 - 30 % Ni + do 1,5 % Fe, zbytek Cu Vlastnosti : velmi dobré antikorozní vlastnosti, dobrá odolnost vůči napadání mořskými organismy, dobrá pevnost a plasticita Zpracování : tváření za tepla i za studena Použití: chemický průmysl v námořnickém průmyslu-čerpadla, ventily, chladiče v elektrárnách, zařízení pro demineralizaci, trupy lodí, výměníky tepla, chladiče © 2007-2013 Monika Losertová FMMI, VŠB-TU Ostrava

Žíhaný 50-65 35


• •

s 10 % Ni – pro lodě s 30 % Ni – pro ponorky (vyšší tlaky)

3) niklové stříbro – 55- 65 % Cu, 10-30 % Ni, zbytek Zn Vlastnosti: bílé zbarvení, dobrá tvářitelnost, střední pevnost, velmi dobrá korozivzdornost i vůči mořské vodě, vysoký obsah Ni brání odzinkování- nahrazuje mosazi v korozním prostředí slané vody, příznivé zabarvení (jako Ag) Použití : plátování; ventily, armatury další součásti běžného vybavení, dekorativní a architektonické prvky Příklad složení : nejběžnější slitiny 65Cu-18Ni-17Zn a 55Cu-18Ni-27Zn

MECHANISMY ZPEVNĚNÍ SLITIN •

zpevnění tuhým roztokem (solid solution hardening)

•

deformační zpevnění (work hardening)

•

precipitační zpevnění (age hardening)

Vliv na mechanismy: • struktura • chemické složení • způsob zpracování 1) Zpevnění tuhým roztokem Přídavek dalšího prvku nebo kombinace prvků, které se rozpouštějí v tuhém roztoku, omezuje pohyb dislokací a tím se zvyšuje pevnost. Účinnost legování závisí na množství přidávaného prvku a na velikosti jeho atomu. Příklady zpevnění Cu: Zn (do 35 %), Ni (do 50 %), Mn (do 50 %), Al (do 9 %), Sn (11 %), Si (do 4 %) (pořadí rostoucího účinku). 2) Deformační zpevnění tvářecího procesu za studena ⇒ uložení energie v materiálu ⇒ vznik a interakce dislokací, zrna - přednostní krystalografické orientace nebo "textury." Řízením velikosti tváření za studena po rozpouštěcím žíhání lze u slitin získat různé vlastnosti. méně legované slitiny (např. do 12 % Zn, nebo do 3 % Al) ⇒

při deformaci dislokace ⇒ sítě a buňky, úzké skluzové pásy při deformaci nad 65 % úběru tloušťky za studena;

⇒

po 90 % deformaci za studena - textury „mědi“ nebo „kovu“ © 2007-2013 Monika Losertová FMMI, VŠB-TU Ostrava


více legované slitiny ⇒ ↓ EVCH ⇒ převládajícím mechanismem planární skluz dislokací ⇒ větší deformační zpevnění. větší deformace (nad 40 %) ⇒ vznik vrstevných chyb, skluzové pásy a deformační dvojčatění ⇒ pro deformace nad 90 % vzniku krystalografických textur typu „mosaz“ nebo „slitina“ spojených s anizotropií vlastností. 3) Precipitační zpevnění TZ ⇒ zvyšuje pevnost, ⇒ účinnější než tváření za studena, snížení velikosti zrn nebo zpevnění tuhým roztokem. • ohřev na rozpouštění • dostatečná výdrž na této teplotě • rychlé zakalení do oblasti výskytu dvou fází. • precipitace (stárnutí) jemných precipitátů - při pokojové (přirozené stárnutí) nebo zvýšené teplotě (umělé stárnutí), avšak vždy pod teplotou rozpouštění. Spinodální rozpad • spontánní odmíšení nebo vznik shluků difuzním mechanismem (viz diagram Cu-Ni), • liší se od klasické nukleace a růstu v metastabilním roztoku. • spinodální struktura vzniká za určitých teplotních a koncentračních podmínek • tvořena homogenní směsí dvou fází. Sdružené fáze vzniklé spinodálním rozpadem přesyceného tuhého roztoku se liší od mateřské fáze svým chemickým složením, avšak mají stejnou krystalografickou strukturu. • precipitace spinodálním rozpadem může probíhat současně s reakcí uspořádání. ⇒ zlepšení fyzikálních a mechanických vlastností ⇒ významné zvýšení pevnosti bez makroskopických distorzí. Mechanismus stárnutí je využíván v několika důležitých systémech s Cu : a) Cu-Be-Co Cu-(0,2-2,0) % Be-(0,3-2,7) % Co (nebo do 2,2 % Ni) b) Cu-Cr Cu-(0,4-1,2) % Cr c) Cu-Ni-Si (1,6-4,2) % Ni- (0,4-1,2) % Si- zb. Cu d) Cu-Ni-Sn Cu-(8-33) % Ni-(5,5-8,5) % Sn 4) Zpevnění disperzními částicemi (silicidy, karbidy, oxidy, nitridy) - používá se u Cu slitin za účelem zpevnění, velikosti zrn, odolnosti proti změkčení. Příklad: - CoSi2 v matrici Cu-2,8Al-1,8Si-0,4Co, - Al2O3 v matrici Cu



Hliník a jeho slitiny 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 mm2/m 1,75 ; 6 %

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

Vliv jednotlivých přísad na vlastnosti hliníku Hliník a jeho slitiny nacházejí stále širší uplatnění v nejrůznějších oborech lidské činnosti díky příznivým vlastnostem. Neustále se zvyšuje podíl hliníku i jeho slitin v materiálových aplikacích v leteckém i automobilovém průmyslu. Hliník tvoří s většinou přísadových kovů tuhé roztoky, maximální rozpustnost je v tuhém stavu při eutektické teplotě. S klesající teplotou rozpustnost přísad klesá a při teplotě okolí bývá malá, nebo i zanedbatelná. Toho se využívá při tepelném zpracování

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 koncentracizvyšuje 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 © 2007-2013 Monika Losertová FMMI, VŠB-TU Ostrava


Vliv vybraných přísad na vlastnosti hliníku Legování: – zpevnění tuhým roztokem – precipitační zpevnění – zjemnění zrna – slévárenské slitiny

do 1,25% Mn nebo 3,5% Mg, do 4,5% Cu, 7% Zn nebo (3% Mg + 1% Si), do 0,5% Cr, Sc 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 α), který je pevnější a tvrdší než čistý Al, za nižších teplot - následkem změny rozpustnosti precipitace další fáze Slitiny určené ke slévání větší obsah přísad ⇒ heterogenita ⇒ 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 hliníkových slitin 1 2 3 4

slévárenské slitiny slitiny určené k tváření precipitačně vytvrditelné slitiny 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, … © 2007-2013 Monika Losertová FMMI, VŠB-TU Ostrava


Slitiny ke tváření 1. Dural, Superdural ( Al-Cu, Al-Cu-Mg) (2-4,5 hm.% Cu, do 1,8 hm.% Mg) TZ: rozpouštěcí žíhání (vlastnosti přesahují leckdy vlastnosti nízkouhlíkových ocelí) +precipitační vytvrzení – zvýšení mechanických vlastností (mez kluzu) Vlastnosti: omezená korozivzdornost, za určitých podmínek-mezikrystalická koroze – plátování čistým hliníkem, slitinami Mg-Si nebo slitinou s 1 % Zn (povlak tvoří 2,5-5% celkové tloušťky na každé straně) Rp0,2 300-350 MPa, Rm 420-450 MPa, Použití : součásti a konstrukce vyžadující vysokou specifickou pevnost- kola nákladních aut a letadel, konstrukční součást aut, trupy letadel a pláště křídel, konstrukce a součásti požadující pevnost do 150°C 2. Al-Mn (do 1,5 hm.% Mn, příp.Mg) TZ: slitiny se většinou jen žíhají (vytvrzení ne), zdroj zpevnění – zvýšení pevnostní základního t. roztoku, sekundární fáze přispívá minimálně Vlastnosti : o 20 % vyšší pevnost než čistý hliník Použití: pro středně pevnostní požadavky ve spojení s dobrou obrobitelností

úrovně

3. Al-Si (do 12 hm.% Si) TZ: nezpracovávají se Vlastnosti: nižší TM slitiny, Si nezpůsobí křehnutí nízký koeficient tepelné roztažnosti, vysoká otěruvzdornost vyšší obsahy Si-tmavě šedé zbarvení Použití: pojidlo při svařování a pájení hliníkových slitin, které mají vyšší TM architektura 4. Al-Mg, Al-Mg-Cu (do 2-7 hm.% Mg) TZ : nezpracovávají se Vlastnosti: dobrá svařitelnost, dobrá korozivzdornost v mořském prostředí, Použití: lodě, čluny, části jeřábů, pouliční svítilny, dělové lafety,.. 5. Al-Si-Mg TZ: zpracovávají se, vytvrditelné, precipitáty Mg2Si Vlastnosti: dobrá tvařitelnost, svařitelnost, obrobitelnost, korozivzdornost, střední pevnost Použití: stavebnictví, mosty, zábradlí, svařované konstrukce,… 6. Al-Zn (1-8 hm.%) +Mg, Cu, Cr, Sc (malá množství) TZ: zpracovávají se vysokopevné - nižší odolnost vůči koroznímu praskání pod napětím proto TZ mírně přestárnuté pro získání kombinace pevnosti, korozivzdornosti a lomové houževnatosti Vlastnosti: středně až vysokopevné hliníkové slitiny Použití: letecké konstrukce, zařízení pro přepravu a zařízení s vysokou pevností při malé hmotnosti



Slitiny slévárenské - na bázi stejných binárních (ternárních) systémů jako slitiny ke tváření, ale obsah legur přesahuje rozpustnost ⇒ přítomnost eutektik - dobrá tekutost, nízká náchylnost k segregaci, pórovitosti a vzniku licích trhlin - stejný princip zpevnění (kromě deformačního) - tepelně zpracovávané a nezpracovávané 1.

Hliník

2. Al-Cu 4-6 hm.%Cu, 0,25-0,35 hm.% Mg, + Mn, Cr, (Ag) Vlastnosti: nejvyšší pevnost a tvrdost do 300°C z odlévaných slitin Al ve slitině vznikají hrubé intermetalické fáze na hranicích zrn ⇒ náchylnost ke křehkému porušení 3. Al- Si siluminy 4,5-22 % hm. Si Podeutektické 4,5-10 hm.% Si; eutektické 11-13 hm.% Si; nadeutektické nad 13 % Si Vlastnosti : - Si tvoří již při malém podchlazení ostrohranné útvary a dlouhé jehlice ⇒ křehkost slitiny, Čím je chladnutí pomalejší – tím větší a hrubší útvary, zjemnění struktury a potlačení nepříznivého vlivu Si - modifikace sodíkem (0,05-0,08 hm.% Na) – vznik Na2Si, který obaluje částice Si a zamezuje jejich růst - zvyšuje tekutost, snižuje praskání a vznik ředin další legury : Mg, Cu, Ni, Be ⇒ žárupevné slitiny typu Al-Cu, Al- Si - vytvrzené fázemi Al2Cu, Mg2Si, Al2CuMg nebo jejich kombinací Použití : vyšší obsahy Si – písty a bloky motorů 4. Al-Mg Vlastnosti : nejhorší úroveň slévárenských vlastností, netvoří eutektikum vysoká obrobitelnost,korozivzdornost, nebezpečí vzniku intermetalických fází na hranicích zrn křehké porušení – TZ : kalení do oleje 5. Al-Sn (do 6 hm.% Sn) + Cu, Ni Použití : kluzná ložiska a pouzdra, ložiska klikové skříně u dieselových motorů Mechanické vlastnosti a požadovaná pevnost u slévárenských slitin závisejí na faktorech velikost zrn stupeň pórovitosti přítomnost ostrých hran možné cyklické zatížení při provozu



Základní charakteristiky slitin hliníku Dobrá obrobitelnost Nízká hustota Dobrá tvařitelnost matrice (KPC) Dobrá svařitelnost Výborná korozivzdornost –vznik ochranné vrstvy Al2O3 Nízká únavová pevnost-zejm. u precipitačně zpevněných slitin Nebezpečí korozního praskání pod napětím SCC-zejm. u precip.zpevněných



Slitiny hliníku- zařazení do tříd podle legur a stavu tepelného zpracování



Slitiny třídy 2000 : Al-Cu - mikrostrukturní vytvrzení:

1) Guinier Prestonovy zóny 2) Precipitáty fáze CuAl2



Slitiny třídy 2000 : Al-Cu - oblasti aplikací

Slitiny třídy 5000 : Al-Mg - oblasti aplikací

Slitiny třídy 7000 : Al-Zn - oblast aplikací



Slitiny třídy 8000 : Al-Li - vývoj První generace 1920 – první experimenty s příměsí Li. 1945 - patentováno složení slitiny Al-Li-Cu (Baron-fy Alcoa). další výzkumné práce – na základě potřeb vojenských a leteckých návrhářů (1958- slitiny typu 2020). Druhá generace přelom 70 a 80 let- strategický cíl vyvinout tvářené slitiny, které by nahradily stávající a zlepšily určité vlastnosti za současného snížení hmotnosti. Druhá generace slitin obsahovala Li koncentrace nad 2 hm.%. Už v r. 1986 byly první součástky ze slitiny 8090 v prototypech vojenských letadel v USA, Fr a VB. Další slitiny typu 2091, 2090. Třetí generace přelom 80 a 90 let - vývoj slitin se sníženým obsahem Li (1 až 1.8 hm.%), na výzkum vynaložena 1miliarda dolarů. Slitiny typu 2195, 2097/2197, Weldalite. 1989- Základní myšlenkou při koncepci těchto slitin - aplikace legujícího prvku, který by snížil hustotu slitiny v porovnání s běžně aplikovanými slitinami (úspora až 400 USD/kg ) Z tohoto pohledu je Li s hustotou 0,534 g.cm-3 při 20°C ideálním legujícím prvkem. Nižší hustota materiálu by umožňovala rychlejší a úspornější letadla. 1996- na poslední chvíli byly Al-Li slitiny vypuštěny z koncepce Boeingu 777 z důvodu mikropraskání v okolí dutin 1998 palivová nádrž raketoplánu ze slitiny Al-1%Li- náklady stouply o 16% 1999- vrtulník EH101 s Al-Li slitinou ve zkušební výrobě Každé jedno procento Li snižuje hustotu o 3 % a zvyšuje modul pružnosti v tahu E o 5 %. Nevýhodou binárních slitin Al – Li je jejich nízká tažnost a lomová houževnatost. Optimálních vlastností u všech slitin lze dosáhnout ve stavu vytvrzeném za tepla. Prvky (hm.%) Označení slitiny

C u

Li

Zr

Mg

A g

Al

2090

2,7

2,2

0,12

-

-

Zbytek

2091

2,1

2

0,1

-

-

Zbytek

8090

1,3

2,45

0,12

0,95

-

Zbytek

Weldalite

5,4

1,3

0,14

0,4

0,4

Zbytek

CP276

2,7

2,2

0,12

0,5

-

Zbytek



Slitiny třídy 8000 : Al-Sc Současný vývoj slitin legovaných Sc - zaměřen zejména na jejich využití pro svařované konstrukce. Optimálních vlastností při legování Sc- se dosahuje při současném legování zirkoniem. účinky legování Sc - vznik fáze Al3Sc. legování nad 0,55 hm.% Sc - efektivní zjemnění zrna u binární slitiny Al – Sc.

obsah Sc (hm.%)

Vliv Sc na strukturní a mechanické vlastnosti zabraňuje rekrystalizaci a zachovává tak tvářenou strukturu. daleko účinnější než známé a doposud běžně používané antirekrystalizační prvky, jako jsou Mn, Cr a Zr. mez kluzu Rp0,2 se zvýší po tepelném zpracování o 50 MPa. Superplasticita jemnozrnná struktura - vhodná pro superplastické tváření nejvhodnější slitina AlMg6Sc Tažnost u této slitiny - až kolem 1000 %. Svařitelnost Pevnost svarového spoje dosahuje až 85 % pevnosti základního materiálu. Sc výrazně snižuje náchylnost ke vzniku trhlin za tepla u svarových spojů. Využití v oblastech, kde vzhledem k jejich nižším mechanickým vlastnostem to nebylo možné. Příklad: svařitelná slitina Al – Li – Sc - již řadu let běžně používány v ruských vojenských letadlech.



Aplikace

• slitiny ostatních kovů • elektrotechnika - hliníkové vodiče žílové - z elektrolyticky čistého hliníku (min. 99.5%) - skládány z jednoho nebo více žil z hliníkových drátů (záleží na konečném použití) - s ocelovým zpevněním (HVOZ) - nízkonapěťové s PVC izolantem - Al-Mg-Si slitiny • stavebnictví a strojírenství • sportovní potřeby • letectví, kosmonautika a vojenský průmysl • automobilový průmysl – karosérie, bloky motorů, písty, litá kola, oběžné kolo a skříň dmychadla v turbodmychadle, chladiče aj. Důvody aplikace Al slitin pro kostru karosérie: V průměru je hliníková karoserie o 40% lehčí než srovnatelná ocelová a v závislosti na metodě výroby o 10 – 38% tužší. Tuhost mimo jiné zvyšují i lisované profily, jež používá především společnost Honda. Snížení hmotnosti auta umožní snížit spotřebu paliva, zvýšení výkonu, zlepšení ekologie (menší emise) Žádné korozní problémy. Dobrá možnost oprav. Vyšší užitková životnost. Dobrá možnost kombinace s jinými materiály. Lehká konečná separace odpadů.



Hořčík a jeho slitiny Slitiny hořčíku jsou v současné době materiálovou skupinou s nejrychlejším nárůstem objemu výroby, neboť představují perspektivní materiály jak z hlediska technologického, tak i fyzikálního. Příznivými faktory pro jejich aplikace jsou především nízká hustota, která představuje pouze dvě třetiny hustoty hliníku, výborné fyzikální a mechanické vlastnosti, dobré slévárenské vlastnosti, velmi dobrá obrobitelnost a možnost recyklace. Pro tyto vlastnosti nacházejí slitiny hořčíku široké uplatnění v mnoha různých odvětvích od automobilového, leteckého až po lékařské. Jsou známy případy, kdy odlitky z Mg slitin nahrazují plastové materiály. V současnosti se slitiny hořčíku studují i z hlediska schopnosti absorpce vodíku a tvorby hydridů, což představuje vlastnosti nutné pro uchovávání vodíku ve formě hydridů (vodíkové hospodářství). Mezi nepříznivé vlastnosti hořčíku a jeho slitin patří špatná tvařitelnost za studena, špatná odolnost proti korozi, poněkud větší tepelná roztažnost než mají slitiny hliníku a vysoká reaktivita s kyslíkem a schopnost hořet na vzduchu, přičemž oxidové povlaky urychlují oxidační proces.

Chemické, fyzikální a mechanické vlastnosti • • •

krystalizuje v HTU soustavě ⇒ nelze jej za normální teploty tvářet při mechanickém zatížení se deformuje dvojčatěním čistý hořčík a konvenčně lité slitiny hořčíku mají sklon ke vzniku křehkých interkrystalických lomů v rovinách dvojčatění nebo v bazálních rovinách {0001} = 1 skluzová rovina

⇒ tváření - při teplotách nad 225 °C ⇒ vznikají nové bazální roviny {1011} a hořčík se stává dobře tvárným materiálem , výborně při 350-450°C Hořčík je stříbrolesklý, lehký, na vzduchu stálý (pokrývá se vrstvičkou oxidu) kov. Je o něco méně reaktivní než alkalické kovy. S kyslíkem reaguje za vzniku oxidu (obr.1), s vodíkem tvoří hydrid. Za vyšší teploty se slučuje rovněž s dusíkem, sírou a halogeny za vzniku nitridů, sulfidů a halogenidů. Ve sloučeninách má oxidační číslo II.

Obr. 1 Rychlost oxidace Mg ve vlhkém vzduchu

V následující tabulce (Tab.1) jsou uvedeny vybrané fyzikální vlastnosti čistého hořčíku. Tab.1 Fyzikální vlastnosti čistého hořčíku atomová hmotnost hustota (při 20 °C) teplota tavení teplota varu skupenské teplo tání měrná tepelná kapacita (při 20 °C) tepelná vodivost elektrická vodivost elektrická rezistivita lineární tepelná roztažnost (20-300 °C) objemové smrštění při tuhnutí objemové smrštění při ochlazování z 650 na 20°C lineární smrštění při tuhnutí modul pružnosti

24,31 1 740 kg.m-3 650 °C 1 107 °C 372 kJ.kg-1 1,03 kJ.kg-1.K-1 155 W.m-1.K-1 38,6 % IACS 4,45 mΩ cm-1 27-28x10-6 K-1 4,2 % 5% 1,5 % 45 GPa



Klasifikace hořčíkových slitin Hořčík není možné použít v čisté formě pro konstrukční aplikace, protože je měkký a má nízkou mechanickou pevnost. Fyzikální, mechanické a technologické vlastnosti hořčíkových slitin významně ovlivňuje charakter a obsah příměsí, které mohou být podle účinku rozděleny do dvou skupin: Prvky aktivně ovlivňující taveninu (Be ≤ 15 ppm, Mn ≤ 0,6 hm.%), tyto prvky nemusí být v Mg rozpustné a jsou přidávány v malých množstvích. 2) Prvky, které vyvolávají změnu mikrostruktury slitiny a podporují mechanismy zpevnění, do této skupiny patří i prvky, které ovlivňují slévatelnost. Tyto prvky musí být relativně dobře rozpustné v roztaveném Mg. Komerční slitiny se legují Al, Ce, Cu, La, Li, Mn, Nd, Ag, Th, Y, Zn a Zr. Následující přehled shrnuje vliv jednotlivých legujících prvků na vlastnosti hořčíku. Hliník má ze všech prvků nejpříznivější účinky na hořčík, zlepšuje jeho pevnost a tvrdost, rozšiřuje interval tuhnutí a tím zlepšuje slévatelnost. Maximum rozpustnosti Al v Mg je 11,5 at.% (12,7 hm.%). Komerční slitiny zřídka obsahují více než 10 hm.%. Slitiny s více než 6 hm.% Al, které mohou být tepelně zpracovávány, dosahují optimální kombinace pevnosti a houževnatosti. Odolnost proti creepu je omezena v důsledku nepříliš dobré teplotní stability intermetalické fáze Mg17Al12. Křemík zvyšuje tekutost roztavených slitin. V přítomnosti železa však snižuje odolnost proti korozi. Je legován jen do několika slitin, např. AS21 resp. AS41. Lithium, které jako jediný legující prvek snižuje hustotu slitiny pod hodnotu čistého hořčíku, je v Mg velmi dobře rozpustné při pokojové teplotě až do 5,5 hm.% (17 at.%). Tvařitelnost slitin se zvýší přítmností β fáze, která má KSC mřížku a tvoří se již při 11 hm.%. Přídavek Li snižuje pevnost, avšak zvyšuje tažnost. Slitiny Mg-Li je možné zpevňovat stárnutím, jsou ovšem náchylné na přestárnutí již při nepatrně zvýšených teplotách a jejich aplikace je tím omezena. Mangan se většinou nepoužívá samostatně, ale v doprovodu s dalším prvkem, např. Al. Množství přídavku Mn se řídí jeho rozpustností, která je nízká. U komerčních slitin se rozsah koncentrací Mn pohybuje v rozmezí 1,2-2 hm. %, zřídka však přesahuje obsah 1,5 hm.%. V kombinaci s Al rozpustnost Mn klesá až na 0,3 hm.% a při jeho vyšších obsazích se tvoří sloučeniny MnAl, MnAl6 nebo MnAl4. Jeho největší přínos spočívá ve zvýšení odolnosti vůči korozi ve slané vodě u slitin Mg-Al a Mg-Al-Zn, ve kterých snižuje rozpustnost železa a dalších těžkých kovů a převádí je na relativně neškodné sloučeniny, z nichž některé se mohou odstranit již během tavení. Mn rovněž zvyšuje mez kluzu. Stroncium umožňuje získat dobrou kombinaci slévatelnosti a odolnosti proti creepu. Stříbro zlepšuje mechanické vlastnosti a podporuje zpevnění stárnutím. Zlepšuje vlastnosti za vyšších teplot u slitin obsahujících thorium nebo vzácné zeminy (slitiny QE22 nebo QH21). Thorium zvyšuje odolnost slitin proti creepu až do 370 °C. Komerční slitiny obsahují 2-3 hm% Th v kombinaci s Zr, Zn nebo Mn. U slitin Mg-Zn zlepšuje také slévatelnost. Slitiny s Th jsou svařitelné. V poslední době jsou však postupně nahrazovány jinými slitinami, protože Th je radioaktivní. Vápník je přidáván ve velmi malých množstvích jako zvláštní legující prvek se dvěma účinky: pokud je přidán do slitin pro odlévání těsně před litím, snižuje oxidaci v tavenině, jakož i během následného tepelného zpracování odlitku a dále zlepšuje válcovatelnost tenkých plechů. Nicméně množství Ca se pohybuje do 0,3 hm.%, protože plechy by byly během svařování náchylné k praskání. Ve slitině s Ca se místo fáze Mg17Al12 objevuje fáze Al2Ca, která rovněž napomáhá odolnosti vůči creepu. Vzácné zeminy (RE nebo KVZ) jsou přidávány do hořčíku pro zlepšení vlastností za vyšších teplot a zvýšení creepové odolnosti. Zpravidla jsou přidávány jako směsi Mischmetal (okolo 50 % Ce +další vzácné zeminy, zejména La a Nd) nebo didymium (85 % Nd a 15 % Pr). Prvky vzácných zemin lze rozdělit do dvou skupin. V první skupině je La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm a Eu. Do druhé se řadí Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu a někdy k nim bývá řazeno i Y. Yttrium má v Mg relativně velkou rozpustnost (12,4 hm.%) a spolu s ostatními kovy vzácných zemin zvyšuje odolnost proti creepu do 300 °C. V komerčních slitinách WE54 a WE43 s dobrými vysokoteplotními vlastnostmi je obsaženo okolo 4-5 % Zr. 1)



Zinek se často přidává v kombinaci s Al (AZ91) pro zlepšení pevnosti za pokojových teplot, ovšem u slitin s 7-10 hm.% Al zvyšuje přídavek více než 1 hm.% lámavost za červeného žáru. V kombinaci s Zr, RE nebo Th je možné provádět u těchto slitin precipitační vytvrzení s následnou dobrou pevností. Zn pomáhá snížit škodlivé účinky nečistot Fe a Ni v hořčíkové slitině. Zirkonium je velmi důležitou přísadou pro zjemnění zrna, přidává se (nad mez rozpustnosti) např. do slitin obsahujících Zn, vzácné zeminy, Th nebo jejich kombinaci. Ve slitinách s Al nebo Mn s nimi tvoří stabilní sloučeniny a jeho obsah je v tuhém roztoku tak snížen. Zr tvoří také stabilní sloučeniny s Fe, Si, C, N, O a H přítomných v tavenině. Na zjemnění zrna působí pouze Zr rozpuštěné v tuhém roztoku, proto je obsah Zr v tuhém roztoku důležitější než celkový obsah Zr ve slitině. Berylium je jen velmi málo rozpustné v Mg. Be snižuje tendenci oxidace roztaveného kovu během tavení, lití a svařování, nikdy se ho však nepřidává ve větším obsahu než 0,001 hm.%. Jeho přídavek u tlakové litých a kovaných slitin nepůsobí problémy, avšak u slitin litých do pískových forem může způsobit zhrubnutí zrna. Malé přídavky cínu ve spojení s malým přídavkem Al zlepšuje tažnost a snižuje tendenci k tvorbě trhlin při kování za tepla. Měď nepříznivě ovlivňuje korozní vlastnosti, je-li v množství větším než 0,05 hm %, ovlivňuje však příznivě vysokoteplotní pevnost. Železo je nejškodlivější příměs v Mg slitinách, protože i ve velmi malých obsazích výrazně snižuje odolnost proti korozi. Pro maximální odolnost proti korozi nesmí obsah železa ve slitinách překročit 0,005 hm. %, v běžných komerčních slitinách se však obsah Fe pohybuje v rozmezí 0,01 až 0,03. Rovněž příměsi niklu jsou škodlivé, neboť obdobně jako Fe snižují odolnost proti korozi již při malých koncentracích. Pro maximální odolnost proti korozi je limitní obsah Ni stanoven na 0,005 hm %m avšak v běžných komerčních slitinách se obsah Ni pohybuje v rozmezí 0,01 až 0,03. Tab.2 Typické hodnoty vybraných charakteristik Mg slitin při pokojové teplotě Hustota

1770-1830 kg.m-3

Bod tání

445-650 °C

Modul elasticity

44,8 GPa

Poissonův poměr:

0,35

Mez pevnosti v tahu

152-379 MPa

Mez kluzu

80-280 MPa

Tažnost

5-15%

Lineární koeficient tepelné roztažnosti

(26,5-27,3) x 10-6 K-1

Rozdělení Mg slitin Z hlediska technologie přípravy je možné slitiny hořčíku stejně jako hliníkové slitiny rozdělit na slitiny slévárenské a tvařitelné a dále rovněž podle legujících prvků: a) způsobu výroby :

• • • •

slitiny k odlévání (např. volné lití, tlakové lití,..) slitiny ke tváření (kování, protlačování, válcování) kompozity práškové materiály

b) legujících příměsí:

• slitiny s obsahem 2- 10 % Al, malým obsahem Zn a Mn - relativně levná výroba, mechanické vlastnosti rychle klesají s rostoucí teplotou © 2007-2013 Monika Losertová FMMI, VŠB-TU Ostrava


• slitiny s různými příměsmi (Zn, Th, Ag, Si, aj) namísto Al ale vždy s určitým množstvím Zr jemnozrnnou strukturu a lepší mechanické vlastnosti, vyšší výrobní náklady, ale lepší vysokoteplotní vlastnosti Hořčík je vzhledem ke své strukturní mřížce HTU obtížně tvařitelný zastudena. Lépe tvařitelný je za zvýšených teplot, takže procesy jako je válcování, protlačování, kování musí být prováděny při následujících teplotách: válcování 400-450°C, kování 360-380°C a protlačování 375380°C. Vyšší úrovně plasticity je možné dosáhnout při nižších rychlostech deformace. Většina slitin Mg má specifickou pevnost v tahu (poměr meze pevnosti k hustotě slitiny) srovnatelnou s klasickými konstrukčními materiály, tvrdost a otěruvzdornost postačující pro všechny konstrukční prvky s výjimkou velkých abrazí a únavovou pevnost vyšší pro tvářené než pro slévárenské slitiny. Vybrané mechanické vlastnosti slévárenských i tvařitelných slitin jsou v návaznosti na jejich složení a tepelné zpracování uvedeny v Tab.3. Je zřejmé, že hořčíkové slitiny nedosahují hodnot mechanických vlastností hliníkových slitin, důležité jsou však hodnoty vztažené na hustotu materiálu. Proto je při aplikacích nutné brát v úvahu, na který parametr je kladen důraz, zda na absolutní hodnoty nebo poměrné. Komerční slitiny je možné rozdělit na 5 základních skupin podle hlavního legujícího prvku: Mg-Mn; Mg-Al-Mn; Mg-Al-Zn-Mn; Mg-Zr; Mg-Zn-Zr; Mg-RE-Zr; Mg-Ag-RE-Zr; Mg-Y-RE-Zr.

Donedávna bylo hlavním legujícím prvkem Mg rovněž Th, slitiny byly klasifikovány do následujících skupin: • Mg-Th-Zr • Mg-Th-Zn-Zr • Mg-Ag-Th-RE-Zr Ačkoliv byly hořčíkové slitiny s Th používány do raket a v kosmických aplikacích, jsou již dnes z ekologických důvodů považovány za nevhodné a zastaralé. Slitiny i s nízkými obsahy Th (okolo 2%) jsou již řazeny mezi radioaktivní materiál a vyžadují speciální zacházení, což komlikuje jejich výrobu a zvyšuje jejich cenu. Přesto jsou však součásti nebo náhradní díly z těchto slitin stále používány a vyráběny.



Tab.3 Mechanické vlastnosti za pokojových teplot vybraných Mg slitin Mechanické vlastnosti Rm Rp0,2 Tažnost [MPa] [MPa] [%] Lité do pískové a permanentní formy T61 275 150 1 AM100A T4 275 83 15 AZ81A T6 275 145 6 AZ91E** T6 275 150 3 AZ92A T6 235 195 2 EQ21A T5 160 110 2 EZ33A T6 220 105 8 HK31A T5 205 140 3,5 ZE41A T6 300 190 10 ZE63A T5, T6 310 185 … ZK61A Tlakově lité F 205 115 6 AM60A F 205 115 6 AM60B** F 220 150 4 AS41A AZ91A, F 230 150 3 AZ91B F 230 150 3 AZ91D** Protlačované tyče a profily F 260 200 15 AZ31B F 310 230 16 AZ61A T5 380 275 7 AZ80A F 360 340 5 ZC71 T5 365 305 11 ZK60A Plechy a desky H24 290 220 15 AZ31B H24 255 200 9 HK31A Slitina

Tepelné zpracování

Pozn.: Tepelné zpracování dle norem ASTM

Značení slitin hořčíku Značení pro lité a tvářené slitiny se podle norem ASTM (American Society for Testing and Materials) provádí následujícím způsobem:

AZ91C-T6 Tepelné zpracování

2 písmena

2 číslice

1 písmeno specifikační skupiny (C – třetí skupina daného typu slitiny)



Značení a složení slitin se určuje dle názvů a obsahů hlavních legujících prvků, používaných pro hořčíkové slitiny. Značení hlavních legujících prvků v Mg je uvedeno v Tab.4. Tab.4 Označení prvků v Mg slitinách Písmeno Legující prvek hliník (Al) A měď (Cu) C kovy vzácných zemin (RE) E thorium (Th) H zirkonium (Zr) K lithium (Li) L mangan (Mn) M stříbro (Ag) Q křemík (Si) S ytrium (Y) W zinek (Zn) Z vápník (Ca) X stroncium (Sr) J

Tab.5 Označení zpracování slitin Hlavní rozdělení F podle technologie výroby O žíhaná rekrystalizovaná (jen kované produkty) H deformačně zpevněné T tepelně zpracované W rozpouštěcí žíhání Podskupina H H1, plus 1 nebo více číslic jen deformačně zpevněná slitina H2, plus 1 nebo více číslic deformačně zpevněná a částečně žíhaná H3, plus 1 nebo více číslic deformačně zpevněná a stabilizovaná Podskupina T T1 ochlazení a přirozené stárnutí T2 žíhání (jen produkty lité) T3 rozpouštěcí žíhání a deformace za studena T4 rozpouštěcí žíhání T5 ochlazení a umělé stárnutí T6 rozpouštěcí žíhání a umělé stárnutí T7 rozpouštěcí žíhání a stabilizace T8 rozpouštěcí žíhání, deformace za studena a umělé stárnutí T9 rozpouštěcí žíhání, umělé stárnutí a deformace za studena T10 ochlazení, umělé stárnutí a deformace za studena

Tak např. výše uvedené označení AZ91 znamená, že slitina obsahuje 9 % Al a 1 % Zn. Celkové složení se uvádí celými zaokrouhlenými čísly. Další písmena např. A, B, C souvisí se stupněm čistoty slitiny. Další informace o zpracování, příp. žíhání je uvedeno za pomlčkou (označení uvedené v Tab.5). Příkladem jsou slitiny AZ91A-T6, AM100A-T6, AZ31B-H24.

Vlastnosti hořčíkových slitin Mechanické: většina slitin Mg má specifickou pevnost v tahu srovnatelnou s klasickými konstrukčními materiály Tvrdost a otěruvzdornost : postačující pro všechny konstrukční prvky s výjimkou velkých abrazí Únavová pevnost : vyšší pro tvářené než pro slévárenské Hořčík je kov s hexagonální těsně uspořádanou strukturou s poměrem os c:a = 1,623 a atomovým poloměrem 0,320 nm. V rozpustnosti legujících prvků hraje důležitou roli velikostní faktor, který by neměl být větší než ±15 %. Další omezení je dáno rozdílem valencí. Velká chemická afinita vysoce elektropozitivního hořčíku vede k tvorbě stabilních sloučenin s prvky jako je Sn nebo Si. V hořčíkových slitinách se tvoří řada intermetalických sloučenin, nejčastějšími typy jsou AB a AB2. V sloučeninách typu AB s jednoduchou strukturou (např. MgTl, MgAg, CeMg a SnMg) může být hořčík jak elektropozitivní, tak i elektronegativní prvek. Struktura AB2 zahrnuje Lavesovy fáze, které mohou být podle struktury následujícícho typu:

• • • •

MgCu2 (kubická plošně centrovaná) MgZn2 (hexagonální) MgNi2 (hexagonální s odlišným řazením bazálních rovin) Mg2Si a Mg2Sn (kubická plošně centrovaná). © 2007-2013 Monika Losertová FMMI, VŠB-TU Ostrava


Pokles rozpustnosti legujícícho prvku s teplotou vede k precipitaci z přesycené matrice. Precipitační procesy v hořčíkových slitinách jsou složité a mnohé z nich vedou k tvorbě precipitátů s uspořádanou hexagonální strukturou D019 (např. Mg3Cd), které jsou koherentní s hořčíkovou matricí. Proces vytvrzení je stejně jako u řady dalších slitin zajištěn jedním nebo více mechanismy zpevnění:

• • • • •

zpevnění tuhým roztokem precipitační zpevnění zpevnění disperzními částicemi deformační zpevnění zpevnění hranicemi zrn

Z hlediska složení je možné jak pro odlévání (viz dále slitiny 1) až 5) ), tak pro tváření (viz dále slitiny 6) a 7) ) rozdělit slitiny Mg-Al podle legování dalšími ternárními prvky:

1) Slitiny Mg-Al-Zn: Zn ve slitině AZ91 zlepšuje pevnost, ale na druhé straně zvyšuje tendenci k tvorbě mikropórů; odolnost proti korozi je uspokojující.

2) Slitiny Mg-Al-RE: mají dobré creepové vlastnosti, protože u nich byla potlačena tvorba fáze δ - Mg17Al12,

kterou nahrazuje intermetalikum Al-RE (RE – kovy vzácných zemin, např. Nd, Y, Th); jsou vhodné pouze pro tlakové lití, protože při nízkých rychlostech tuhnutí se tvoří hrubé částice Al2RE.

3) Slitiny Mg-Al-Si: spolu s dobrou odolností vůči vyšším teplotám mají uspokojující hodnotu lomové houževnatosti. Standardní slitiny AS21 a AS41 jsou použitelné do teplot 130-150°C; slévatelnost AS41 je poměrně dobrá, zatímco slévatelnost AS21 je problematická.

4) Slitiny Mg-Al-Ca:

levnější alternativa za slitiny se vzácnými zeminami pro aplikace při vyšších teplotách; vytvrzení zajišťují precipitáty.

5) Slitiny Mg-Al-Sr: poměrně nové slitiny; Sr zlepšuje creepové vlastnosti. 6) Slitiny Mg – Li: nejlehčí známé slitiny vůbec, dalšími legujícími prvky jsou Al, Zn nebo Si; zatím nejsou příliš komerčně využívány, atraktivní z hlediska srovnání specifické pevnost hliníkových a ostatních hořčíkových slitin; mají dvojnásobnou tuhost než ostatní komerční Mg slitiny a asi pětkrát větší než Al slitiny. Jsou však poměrně drahé a zatím byly využívány jen v kosmickém průmyslu a ve vojenském letectví.

7) Slitiny Mg – Sc: odolné proti creepu až do teplot 300°C (Sc má teplotu tavení 1541°C). Legování dalšími prvky, jako je Y, Nd, La, Ce, umožňuje další zlepšení vlastností.

8) Slitiny Mg-Y-RE-Zr: připraveny pro vysokoteplotní aplikace, slitiny se taví v ochranné astmosféře Ar a vlivem přídavku směsi Y a Nd a teplotnímu zpracování (T6) jsou schopny odolávat vysokým teplotám v kosmických aplikacích; nahrazují slitiny Mg-Ag-RE-Zr a slitiny obsahující problematické (radioaktivní) thorium.

Mez pevnosti při pokojové teplotě i za zvýšených teplot u vybraných Mg slitin po dlouhodobé expozici na teplotě zkoušení jsou uvedeny v následující Tab.6. Ze srovnání uvedených hodnot vyplývá, že při zkušební teplotě 150°C u Mg slitin dochází k výraznému poklesu pevnosti. Poměrně velkou odolnost vůči creepu při 205 a 315 °C mají slitiny s přídavkem thoria (Th), na rozdíl od slitin Mg-Al-Zn, které vykazují naopak nejnižší odolnost.



Tab.6 Vliv zvýšených teplot na pevnost v tahu u vybraných Mg slitin

Slitina

Tepelné zpracování

315°C

Zkoušeno při pokojové teplotě Expozice 1000 h 205°C 315°C

115 ... 130 180 ... ... ... 235

... 76 62 ... ... ... ...

270 246 170 240 ... ... 250 272

180 180 ... ... ... 217

69 41

... ...

... ...

... 315

... 315

48 115

90 …

62 55

255 255

260 215

Zkoušeno při teplotě expozice Expozice 10min. Expozice 1000 h 20°C

Lité AZ92A T6 275 EQ21A T6 261 EZ33A T5 160 HK31A T6 215 ZE41A T5 218 ZH62A T5 290 WE43 T6 265 WE54 T6 280 Protlačované tyče a profily AZ80A T5 380 ZK60A T5 365 Plechy AZ31B H24 285 HK31A T6 255

150°C

315°C

205°C

195 211 145 195 167 195 245 255

55 132 83 125 77 69 163 184

235 180 145 180

Zdroj literatury [1] ASM Handbook®. Volume 2. Properties and selection: Nonferrous alloys and special- purpous materials. ASM International. Sixth printing. December 2000. 1328 s. ISBN 0-87170-378-5(v.2) [2] Losertová, M. Interní elektronické opory pro výuku [3] Michna , Š. et al. Encyklopedie hliníku. Adin s.r.o., Prešov. 2005, 701 s. ISBN 80-89041-88-4 [4] Magnesium Encyclopedia [online].[cit. 2005-011-20]. Dostupný z www: http://www.magnesium.com/w3/1 [5] PEČ, P., PEČOVÁ, D. Chemie do kapsy. Nakladatelství a vydavatelství FIN. Olomouc, 1993. s. 114 – 115. [6] RUČKA, J. Metalurgie neželezných slitin. Akademické nakladatelství CERM. Brno, 2004. s. 116 – 122. [7] DRÁPALA, J., KUCHAŘ, L., TOMÁŠEK, K., TROJANOVÁ, Z. Hořčík, jeho slitiny a binární systémy hořčík – příměs. Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava. Ostrava, 2004. s. 6 – 31. [8] DRÁPALA, J. a kol. Encyklopedie hliníku. Adin. Prešov, 2005. s 179 – 181. [9] FRIEDRICH, H., SCHUMANN, S. Strategies for overcoming technoligical barriers to the increased use of magnesium in cars. Journal of Materials Processing Technology 117, 2001, p. 276 – 281


slitiny)

Recommend Documents