HLINÍK A JEHO SLITINY Al je nepolymorfní kov, o měrné hmotnosti 2.69.103 kg/m3. Krystalizuje v soustavě fcc. TT je 660°C, bod varu 2060°C. Elektrická vodivost se pohybuje v rozmezí 30.106 až 36.106 S/m. Tepelná vodivost za teploty 20°C je 222 J.m-1.s-1.K-1. Mechanické vlastnosti Al závisí na jeho čistotě a zpracování. Ve stavu vyžíhaném má pevnost v tahu 60 MPa a tažnost 25%. Tvářením za studena lze čistý Al zpevnit na 160 až 200 MPa. Modul pružnosti v tahu je 72 000 až 75 000 MPa, ve smyku 27 000 MPa. Na vzduchu je Al stálý, povléká se vrstvičkou Al2O3 , která jej chrání před další oxidací. Odolává poměrně dobře mořské vodě a slabším kyselinám (i koncentrované kyselině dusičné). Koroduje však ve styku s louhy a čpavkem. Čistý hliník je velmi špatně slévatelný, avšak velmi dobře tvárný za tepla i za studena. Použití hliníku v různých průmyslových odvětvích je dáno především jeho dobrou elektrickou vodivostí, která činí asi 60 % vodivosti mědi, dále dobrou tepelnou vodivostí, malou měrnou hmotností, dobrou chemickou odolností, tvárností a možností rozmanité úpravy povrchu. Základní rozdělení slitin Al z hlediska jejich vhodnosti ke tváření, slévání a tepelnému zpracování vytvrzováním: Až do bodu A jsou tvárné za tepla i za studena, v rozmezí AB jsou po ohřevu nad křivkou změny rozpustnosti AC tvárné za tepla.
Slitinydiagram v jejichž struktuře Obr. P8.5 Rovnovážný slitin Al se vyskytuje
eutektikum, jsou méně tvárné za tepla, mají však velmi dobré slévárenské vlastnosti; nejlépe slévatelné jsou slitiny eutektické.
Precipitační vyvtvrzování Je způsob TZ založený na využití pre-cipitačního rozpadu přesyceného tuhého roztoku. Precipitace nové fáze je provázena změnou jeho chemického složení, změnou struktury a také změnou fyzikálních a mechanických vlastností slitiny. Pochod nazýváme vytvrzování někdy také stárnutí. Základním předpokladem pro tento způsob TZ je: - vznik tuhého roztoku s částečnou rozpustností, - pokles rozpustnosti při poklesu teploty,
- získání přesyceného tuhého roztoku (rychlým ochlazením). Postup tepelného zpracování: - rozpouštěcí ohřev nad křivku změny rozpustnosti do oblasti α (teplota C), - rychlé ochlazení zamočením do vodní lázně nebo ve vodní mlze , ihned po vyjmutí z pece, - vytvrzování za normální nebo zvýšené teploty. Obr. P8.7 Rozpouštěcí žíhání slitin Al (Tr - teplota rozpouštěcího žíhání)
Rozpouštěcí ohřev: segregovaná fáze (ω) výchozí struktury, se rozpustí v tuhém roztoku α, který se po dostatečné prodlevě na teplotě stává homo-genním.Teplotu rozpouštěcího ohřevu je nutno dodržet s přesností ± 5°C (pásmo homogenizačních teplot je úzké). Ochlazení: cílem je zachování přesyceného tuhého roztoku α až do normální teploty. U slitin Al je rychlost rozpadu veliká a proto je nutné volit ochlazování zamočením do vodní lázně nebo ve vodní mlze a to ihned po vyjmutí z pece (do 5 sekund). Tvarově složité součásti se ochlazují v horké vodě nebo v oleji, aby vznikající deformace byly co nejmenší. Po ochlazení jsou slitiny měkčí, tvárnější a méně pevné než ve stavu rovnovážném. Vytvrzování: V tomto údobí TZ přechází přesycený tuhý roztok ve stabilní odpovídající rovnovážnému stavu. Za normální teploty −> vytvrzování přirozené (např. u slitin Al-Cu-Mg), za zvýšených teplot −> vytvrzování umělé (např. u slitin s přísadou Ni a Si). V průběhu vytvrzování vzrůstá pevnost a tvrdost, snižuje se tažnost.
Obr. P8.8 Změna pevnosti v tahu slitiny AlCu4Mg v závislosti na době a teplotě vytvrzování
Průběh vytvrzování: (slitiny Al - Cu) V počátečním stadiu vytvrzování vznikají v přesyceném tuhém roztoku oblasti s vysokou koncentrací mědi. Mají tvar destiček s průměrem několika nm, tloušťkou řádově 10-1 nm a označují se jako Guinier – Prestonovy pásma (zóny) I. Počet těchto destičkovitých oblastí je velmi vysoký – asi 10 14. cm-3. V důsledku rozdílné velikosti atomů základního kovu (Al) a přísady (Cu) vyvolává soustředění atomů Cu v G.P pásmu deformaci mřížky tuhého roztoku v jejich sousedství, neboť tato pásma jsou s mřížkou okolního tuhého roztoku dokonale koherentní (průměr atomů Al je 0,286 nm a průměr atomů Cu, která je přisadou je 0,256 nm). S prodloužením doby vytvrzování (nebo zvýšením teploty) se tyto oblasti zvětšují a získávají tetragonální mřížku, (tuhý roztok má fcc mřížku), zůstávají však stále dokonale koherentní, zvyšuje se pružné napětí v mřížce. Tyto útvary se označují jako G.P II ( nebo ΘII ) a tomuto stavu odpovídá maximální Rm a HV. Při dalším růstu těchto útvarů může pružné napětí v okolním tuhém roztoku vzrůstat jen do určité velikosti; pak dojde k porušení koherentnosti. Vznikají mezifázové hranice s dislokacemi a nekoherentní přechodný precipitát s tetragonální mřížkou (označovaný jako Θ´ ). Pole pružných deformací v okolním tuhém roztoku se v důsledku ztráty koherence snižuje; hodnoty pevnosti a tvrdosti začínají klesat. V dalším průběhu vytvrzování se precipitáty přechodné fáze mění v rovnovážnou fázi Θ (Al2Cu). Další údobí je charakterizváno koagulací drobných částic a výrazným poklesem pevnosti a tvrdosti, tažbnost vzrůstá. Při nízkých teplotách a velkých přesyceních začíná vytvrzování vznikem G.P pásma a končí tází Θ resp. ΘII. Při vyšších teplotách je vznik konečného precipitátu snadný; tvorbu G.PI nelze prokázat a přechodný precipitát Θ se tvoří v těsném sledu za G.P II., rychle probíhá koagulace následovaná poklesem pevnosti a tvrdosti.
Slitiny Al ke tváření Slitiny Al – Cu – Mg AlCu4Mg známá pod obchodním označením dural (3,5 - 4,5% Cu; 0,4 - 0,8% Mg, 0,3 - 0.7% Mg, max. 0.7% Si, zbytek tvoří Al a nečistoty Fe, Zn, Pb). AlCu4Mg1 označovaná jako superdural, má zvýšený obsah Mg na 0,9 -1,5% a ~1% Mn. Cu zvyšuje Rm a HB, zhoršuje tvárnost a odolnost proti korozi.
Mg zvyšuje Rm a HB po vytvrzení.
Obr. P8.9 Rovnovážný diagram Al - Cu ( Θ - tvrdá 5,7% a křehká chemická sloučenina Al2Cu resp. Al2CuMg )
TZ: - rozpouštěcí žíhání 480 – 520°C/20 až 60 minut, - zamočení do vody 20°C, - přirozené vytvrzování 5 až 7 dnů (umělé 150°C/3h) Rm žíh. Rm vytvr. A10 žíh. A10 vytvr.
AlCu4Mg AlCu4Mg1 180 MPa 180 MPa 400 MPa 440 MPa 12% 11% 14% 10%
Slitiny AI-Cu-Mg se používají do pracovních teplot ~ 50°C na konstrukční části letadel, automobilů a všude tam, kde je požadožadována při dostatečné Rm malá měrná hmotnost. Jejich nevýhodou je snížená chemická odolnost a to i proti atmosférickým vlivům. Proto se zejména plechy plátují čistým Al nebo slitinou AI-Mg-Mn. Slitiny Al slévárenské Slévárenské slitiny hliníku mají větší obsah legovacích prvků a obvykle jsou ve dvoufázové oblasti. Při chladnutí dochází k segregaci přísady. Charakter segregace i způsob vyloučení závisí na složení slitiny a podmínkách ochlazování. Segregáty vždy zpevňují slitinu, zvětšují tvrdost a zhoršují plasticitu. Optimální slévárenské vlastnosti mají slitiny blízko eutektického složení které jsou dobře tekuté a málo smršťují. Obr. P8.10 Rovnovážný diagram Al - Si
Al – Si - siluminy Siluminy se vyznačují dobrou odolností proti korozi. Jejich měrná hmotnost a součinitel teplotní roztažnosti jsou menší než u slitin Al-Cu. Oba kovy jsou nepolymorfní a netvoří spolu chemické sloučeniny. Maximální rozpustnost Si v Al je 1,65% při 577°C, rozpustnost Si v Al s teplotu klesá a při 20°C je tuhý roztok prakticky čistý Al, malá rozpustnost Si v Al neumožňuje vytvrzování. Eutektický bod je při 11,7% Si – eutektikum (+ Si).
Zlepšení mechanických vlastností je možné ovlivněním krystalizace očkováním. Při očkování se přidává do taveniny před odlitím očkovací přísada buď čistý sodík nebo jeho soli (NaF + NaCl). Očkování poklesne TE z 577 na 564°C, etektická krystalizace probíhá za značného přechlazení a tím je vzniklé eutektikum velmi jemné. Rovněž se posune eutektický bod E na E´, tzn. z 11,7% Si na ~ 14% Si. Nadeutektické slitiny krystalizují jako eutektické nebo podeutektické. Očkování příznivě ovlivňuje mechanické vlastnosti: silumin: neočkovaný: Rm = 140 MPa, A10 = 3%, očkovaný: Rm = 200 MPa, A10 =10%. α - tuhý roztok Si v Al, fcc mřížka, Rm ~ 20MPa, ~ 20HB, krystalizuje ve formě dendritů (pod mikroskopem bílé) E = (α + Si) – eutektikum, částice Si: jsou u neočkovaného siluminu ve tvaru jehlic, u očkovaného siluminu ve tvaru drobných zrn
neočkovaný
Obr. P8.11 Vliv očkování na digram Al-Si
silumin
očkovaný silumin
Při obsahu křemíku nad eutektickou koncentrací (tj. nad 12,6%Si) se objevují ve struktuře poměrně velmi hrubé, křehké a tvrdé primární krystaly křemíku, uložené v matrici eutektika. Použití nadeutektických slitin AI-Si je opět vázáno na zjemnění primárních krystalů křemíku. To se provádí přísadou červeného fosforu nebo látek obsahujících červený fosfor. Přísadou fosforu se tvoří v roztavené slitině Al-Si fosfid hliníku, který působí jako krystalizační zárodky pro krystalizaci primárního křemíku, takže vznikají velmi jemné krystaly, uložené v eutektiku.
