Hliník a slitiny hliníku

Slitiny hliníku patří kromě ocelí nejpoužívanějším kovovým konstrukčním materiálům.

Surovinou pro výrobu hliníku je minerál bauxit, v čistém stavu oxid hlinitý. Z taveniny tohoto oxidu ve směsi s kryolitem se elektrolyticky získává kovový hliník.

Výroba hliníku byla patentována v roce 1886 a od 1890 zahájena v průmyslovém měřítku. V roce 1906 byla vyvinuta první slitina hliníku, známá jako dural (AlCu4Mg). Tato slitina znamenala převrat ve stavbě vzducholodí a letadel. Dnešní základní řada nejvíce používaných slitin hliníku je celosvětově unifikována a její vývoj je v podstatě ukončen.

K přednostem hliníku lze počítat zejména nízkou měrnou hmotnost a poměrně dobrou pevnost, což znamená, že měrné charakteristiky (např.Rm/ρ) některých slitin hliníku jsou srovnatelné s obdobnými charakteristikami ocelí, popřípadě jsou lepší.

Slitiny hliníku pokud neobsahují měď velmi dobře odolávají korozi v atmosféře a látkám kyselé povahy. Odolnost slitin proti působením alkalických látek je naopak malá.

Slitiny hliníku se v ochranné atmosféře dobře svařují, mají dobrou elektrickou a tepelnou vodivost.

Vratný odpad se poměrně snadno zpracovává

+

Nedostatkem slitin hliníku je jejich nízká tvrdost, obtížné třískové obrábění a mechanické leštění měkkých slitin (materiál se maže).

Slitiny hliníku mohou být napadeny elektrochemickou korozí, jsou-li v konstrukci ve vodivém styku s ostatními kovy s výjimkou zinku a kadmia.

-

Struktura čistého hliníku Al99,99 po tváření za studena

Slitiny hliníku lze dělit podle různých kritérií. Nejčastější je dělení podle způsobu zpracování, respektované normou ČSN. V ČSN bylo ke dni 1.1.1995 registrováno 18 slitin hliníku pro tváření a 16 slitin hliníku pro odlitky.

Jiným kritériem pro dělení slitin může být jejich schopnost zvýšit tvrdost a pevnost tepleným zpracováním – vytvrzováním. Tato schopnost souvisí s chemickým složením slitin, tedy jejich polohou v rovnovážném diagramu odpovídající soustavy.

SLITINY HLINÍKU PRO TVÁŘENÍ

Slitiny nízkopevnostní s dobrou odolností proti korozi

Slitiny s vyšší a vysokopevností, avšak s nízkou odolností proti korozi

Slitiny nízkopevnostní s dobrou odolností proti korozi

V této podskupině jsou zařazeny slitiny soustav Al-Mg a Al-Mn

Neobsahují měď ⇒ mají dobrou odolnost proti korozi i bez povrchové ochrany, avšak je nelze tepelným zpracováním podstatně zpevnit (vytvrdit)

Binární diagram Al-Mg

Binární diagram Al-Mn

Jejich předností je dobrá svařitelnost, tvařitelnost, odolnost proti vibračnímu zatížení a dobrá lomová houževnatost.

Slitiny Al-Mg tvoří řadu AlMg2 AlMg3, AlMg5, AlMg6. Slitiny s obsahem hořčíku větším než 6 hm.% mají sklon ke korozi po hranicích zrn, zejména při mechanickém zatížení, proto se obvykle nepoužívají.

Mikrostruktura slitiny AlMg2 – litý stav Mikrostruktura slitiny AlMg10 – litý stav + tepelné zpracování

U slitiny AlMg2 je patrná vyloučená fáze Mg2Al3 na hranicích dendritů a v podobě tmavých skvrn, u slitiny AlMg10 se šedá fáze Mg2Al3 se nachází ve formě síťoví na hranicích zrn i dendritů. Fáze Mg2Al3 je velmi křehká při teplotách pod 350 °C, při vyšších teplotách se stává plastickou.

Nevelkou pevnost slitin Al-Mg (v žíhaném stavu Rm = 140 až 200 MPa) lze zvýšit deformačním zpevněním, tedy tvářením za studena (do Rm max.420 MPa), které se používá především pro slitinu AlMg5 a to se stupněm deformace 20 až 30%.

Slitiny Al-Mn se tepelně nevytvrzují, neboť nevelké přesycení tuhého roztoku α umožňuje pouze nepodstatné zvýšení pevnosti. Jsou často používány jako poněkud pevnější náhrada čistého hliníku.

SLITINY S VYŠŠÍ A VYSOKOU PEVNOSTÍ, AVŠAK S NÍZKOU ODOLNOSTÍ PROTI KOROZI

Slitiny Al-Cu-Mg představují nejvíce používané materiály této podskupiny. Jsou to zejména duraly AlCu4Mg AlCu4Mg1 a AlCu4Mg1Mn, dosahující značné pevnosti po vytvrzení tepelným zpracováním (Rm až 530 MPa).

Maximální rozpustnost mědi v tuhém roztoku hliníku je za rovnovážných podmínek 2.48 at.% (~ 5.7hm.%) Cu při teplotě eutektické reakce 548.2 °C.

Mechanické vlastnosti slitin Al – Cu závisí na tom, jestli se Cu nachází v tuhém roztoku ve formě sféroidické, případně jako rozptýlené částice, anebo zda vytváří síť na hranicích zrn.

Mechanické vlastnosti Al – Cu slitin jako funkce obsahu Cu (H – mechanicky zpevněné, O – stav žíhaný, T4 – zakalení a přirozené stárnutí, T6 - zakalení a umělé stárnutí).

%Cu %Cu

%Cu

Ve slitině AlCu4Mg1 (typ AlCuMg) se vyskytuje především binární eutektikum α + CuAl2 a malé množství ternárního eutektika α + CuAl2 + Cu2Mg2Al5. Mimo těchto základních složek fází se zde mohou vyskytovat i další fáze, a to: Mg2Si, FeAl3, AlFeMnSi, AlCuFeMn apod.

Struktura slitiny AlCu4MgMn v nehomogenizovaném stavu.

Struktura slitiny AlCu4MgMn po 8 hodinách homogenizace při teplotě 480 °C.

Struktura litého stavu slitiny AlCu4MgMn s lamelárním typem

eutektika.

Struktura litého stavu slitinyAlCu4MgMn s lamelárním typem eutektika, ve kterém jsou patrné krystalograficky vyvinuté částicebohaté na Fe a Mn.

SLITINY HLINÍKU PRO ODLITKY

Jsou určeny k výrobě tvarových odlitků litím do písku, do kovových forem nebo tlakově. Mechanické hodnoty odlitků nedosahují hodnot výrobků tvářených a značně závisí na způsobu odlévání. Největší pevnost v tahu bývá asi 250 MPa.

Hrubá struktura s nejnižšími pevnostními charakteristikami vzniká při lití do písku, jemná struktura s lepšími vlastnostmi se tvoří při lití do kovových forem nebo při lití tlakovém.

Binární slitiny

Speciální slitiny

Slitiny Al-SiPodeutektické (pod 11,7% Si)

Eutektické (kolem 11,7% Si)

Nadeutektické (od 11,7 do 24 hm.% Si)

Slitiny Al-Si-Mg, Al-Si-Cu- přísada Mg a Cu umožňuje tyto slitiny vytvrzovat

Nejlepší slévárenské vlastnosti mají eutektické siluminy.

Eutektikum v binárních siluminech představuje směs tuhého roztoku α a krystalů téměř čistého křemíku.

Tuhé částice křemíku zvyšují odolnost proti otěru.

Eutektikum přítomné v poměrně velkém obsahu (40 až 75 hm.%) dává binárním siluminům nejen vysokou zabíhavost, ale také snižuje jejich lineární smrštění a sklon k tvorbě trhlin za tepla a sklon ke vzniku mikropórovitosti.

Průběh tvorby eutektika v siluminech má anomální charakter. Jeho důsledkem je značný podíl hrubých a křehkých krystalů křemíku. Siluminy krystalizující bez zásahu do mechanismu tvorby anomálního eutektika mají proto poměrně nízkou pevnost a tažnost (Rm = 130 – 140 MPa, A = 1 až 2%)

Pevnost a současně i tvárnost siluminů lze zvýšit zjemněním krystalů křemíku v eutektiku. Toho lze dosáhnout dvěma způsoby:

a) Podchlazením taveniny zvýšenou rychlostí ochlazování a následně pak vyšší rychlostí eutektické přeměny s tvorbou anomálního eutektika

b) Modifikací malým množstvím alkalických kovů (sodíku, lithia, stroncia) – častější způsob, univerzálnější, neboť první způsob je použitelný pro odlitky tenkostěnné, odlévané do kovových forem, či tlakově.

Částice Si ve slitině AlSi25 ve stavu po odlití

Částice Si (modře) ve struktuře nemodifikovaného

siluminu

Struktura slitiny AlSi7Mg

Struktura slitiny AlSi7Mg0,3

Struktura litého stavu slitiny AlSi20. Jedná se o nemodifikovaný eutektický silumin, kdeje ve struktuře patrné eutektikum tvořené jehlicemi Si + tuhým roztokem α a velkými částicemi nerozpuštěného křemíku ve tvaru desek nebo jiných nepravidelných geometrických útvarů.

Struktura litého stavu slitiny AlSi10. Jedná se o strukturu eutektického nemodifikovaného siluminu, kde je ve struktuře patrné eutektikum,tvořené žlutě zbarvenými jehlicemi Si a modřezbarveným tuhým roztokem α.

Struktura litého stavu slitiny AlSi7Mg0.3. Obrázekzachycuje modifikovaný podeutektický silumin,který je tvořen zrny tuhého roztoku α, a eutektikumα + Si (modře zbarvený modifikovaný Si.)

Struktura litého stavu slitiny AlSi7Mg0.3. Obrázek zachycuje modifikovaný podeutektickýsilumin, který je tvořen hnědě zbarvenými zrny tuhého roztoku α , a eutektikum α + Si (modře zbarvené modifikované částice Si).

SLITINY NIKLU

Nikl je drahý, feromagnetický kov. Z celkového objemu vyráběného niklu se asi 60% spotřebuje jako přísada do slitinových ocelí, asi 15% jsou polotovary z Ni (plechy, pásy, tyče, trubky a dráty) a zbylých 25% představují niklové slitiny.

Menší množství niklu je určeno pro anody k niklování povrchů předmětů zejména ocelových, protože niklová vrstva má značnou odolnost proti atmosférické korozi.

V elektronice nikl slouží pro regulační odpory, odporové teploměry a pro výrobu alkalických akumulátorů.

Slitiny niklu se vyznačují vysokým elektrickým odporem, vysokou odolností proti korozi a opalu, vysokou pevností, žárupevností a houževnatostí.

Slitiny konstrukční

Sl.se zvláštními fyzikálními vlastnostmi

Sl.žárovzdorné a žáropevné

Niklové

slitiny

ŽÁROVZDORNÉ A ŽÁROPEVNÉ SLITINY NIKLU

Tyto drahé materiály jsou určeny pro teplotně a napěťově nejvíce exponované součásti. Jejich tavení a odlévání vyžaduje nákladnou vakuovou technologii. Také tváření a obrábění je obtížné a tedy nákladné.

Slitiny žárovzdorné mají bázi Ni-Cr nebo Ni-Cr-Fe. Chrom je základním přísadovým prvkem, podmiňujícím udržení žárovzdornosti. Struktura žárovzdorných slitin je tvořena tuhým roztokem f.c.c. mřížkou, který je zpevněn pouze substitučně. Proto nemůže za vyšších teplot přenášet mechanická zatížení bez nebezpečí značné rychlosti tečení slitiny.

Slitiny žáropevné mají jako bázi také tuhý roztok Ni-Cr. Přísadovými prvky jsou zde hliník a titan, tvořící hlavní vytvrzující fázi a prvky karbidotvorné, substitučně zpevňující niklovou matrici a vytvářející vlastní karbidy.

Při rozpouštěcím ohřevu žáropevné slitiny přecházejí přísadové prvky ze svých sloučenin do tuhého roztoku. Ochlazením vzniká metastabilní tuhý roztok, při jehož následujícím stárnutí se vylučují vysoce disperzní precipitáty intermetalických sloučenin. Titan tvoří sloučeninu Ni3Ti, hliník sloučeninu Ni3Al. V případě, že jsou ve slitině oba prvky, vzniká fáze Ni3(Ti,Al), kterou lze považovat za tuhý roztok titanu ve sloučenině Ni3Al. Označuje se symbolem γ′.

Vysoká žáropevnost slitin niklu je podmíněna přítomností velmi jemných precipitátů fáze γ′ rovnoměrně rozdělených v celém objemu slitiny.

K žáropevnosti přispívá i disperze karbidů. Vhodným tepelným zpracováním lze dosáhnout vytvoření karbidických fází typu M23C6, M7C3 nebo M6C podél hranic zrn, kde jsou překážkou pokluzu zrn.

Proces vytvrzování žáropevných slitin je velmi náročný tepelný proces.

T [°C]

500

780

980

720620

t [min]40 40 90 40 480 1080

Rozpouštěcí

žíhání

Prudké ochlazení ve vodě

Umělé stárnutí

Příklad tepelného zpracování niklové slitiny Inconel 718

Vznik karbidů M23C6 lze popsat rovnicí:MC + γ → M23C6 + γ΄

Z toho vyplývá, že karbidy M23C6 se vylučují z karbidů MC a z rozpuštěného zbytkového uhlíku obsaženého v austenitické matrici.

Struktura tepelně zpracované slitiny

Inconel 718 s rozmístěním různých typů

karbidů

Odlévaná slitina Inconel 738, struktura sestávající se z kulatých

částic fáze γ′ (precipitáty) v austenitické matrici (replika).

Slitina MAR-M246, struktura sestávající se z jehlicovitých karbidů typu M6C a částic fáze γ′ v austenitické matrici (replika).

Použité zdroje:

[1] ASM Handbook: Volume 9 – Metallography and Microstructure, ASM International, 2004.

[2] L.Ptáček a kol.: Nauka o materiálu II, CERM, 2002.

[3] The Charming metal: Alcan Děčín Extrusion, 2007.