Jak a proč se do hliníku přidávají legující prvky

Jak a proč se do hliníku přidávají legující prvky

Poznejte jednotlivé slitiny: klíč k úspěšným hliníkovým svarům

Čistý hliník se obvykle nepoužívá pro konstrukční aplikace. Při výrobě hliníku, který má dostatečnou pevnost pro výrobu konstrukčních dílů, je nutné přidat k hliníku další prvky. Jaké prvky lze tedy do takových hliníkových slitin přidat? Bude mít přidání těchto prvků nějaký vliv na chování materiálu? V jakých aplikacích se tyto slitiny používají?

Proč je čistý hliník nevhodný pro konstrukční aplikace

Bylo by velmi neobvyklé najít čistý hliník (řada slitin 1xxx) jako volbu pro konstrukční výrobu kvůli jejím pevnostním charakteristikám. Přestože řady 1xxx jsou téměř čistý hliník, budou reagovat na zpevnění kovu deformací, a to zejména, obsahují-li znatelné množství nečistot, jako je železo nebo křemík. Slitiny řady 1xxx však mají ve srovnání s jinými řadami hliníkových slitin velmi nízkou pevnost i ve stavu zpevnění materiálu deformací. Když jsou slitiny řady 1xxx vybírány pro konstrukční použití, nejčastěji se volí pro svou vynikající odolnost proti korozi, popř. vysokou elektrickou vodivost. Nejběžnějším použitím pro slitiny řady 1xxx jsou hliníkové fólie, elektrické přípojnice, pokovovací elektrody, chemické nádrže nebo potrubní soustavy.

Jak a proč se do hliníku přidávají legující prvky

Přidávání legujících prvků do hliníku je hlavní metodou používanou k vytvoření výběru různých materiálů, které lze použít v širokém sortimentu konstrukčních aplikací.

Vezmeme-li v úvahu sedm vyhrazených řad hliníkových slitin používaných jako slitiny na kování, můžeme hned zjistit hlavní legující prvky použité pro výrobu jednotlivých řad slitin. Pak můžeme jít dále a zkoumat účinky jednotlivých prvků na hliník. Přidali jsme také některé další běžně používané prvky a zkoumali jejich účinky na hliník.

Řada Hlavní legující prvek
1xxx Hliník – 99,00 % nebo více
2xxx Měď
3xxx Mangan
4xxx Křemík
5xxx Hořčík
6xxx Hořčík a křemík
7xxx Zinek

Hlavní účinky legujících prvků v hliníku:

Měď (Cu) 2xxx – Slitiny hliníku a mědi obvykle obsahují 2 % až 10 % mědi s menšími přídavky dalších prvků. Měď zajišťuje podstatné zvýšení pevnosti a usnadňuje vytvrzování srážením. Zavedení mědi do hliníku může také snížit tvárnost a odolnost proti korozi. U slitin hliníku a mědi se zvyšuje náchylnost k praskání při tuhnutí. V důsledku toho mohou být některé z těchto hliníkových slitin nejnáročnější na svařování. Mezi tyto slitiny patří některé z nejpevnějších tepelně zpracovatelných hliníkových slitin. Nejběžnějšími aplikacemi pro slitiny řady 2xxx jsou letectví, sektor vojenských vozidel nebo žebra raket.

Mangan (Mn) 3xxx – Přidání manganu k hliníku poněkud zvyšuje pevnost zpevněním roztoku. Mangan také zlepšuje zpevnění materiálu deformací, aniž by znatelně snižoval jeho tvárnost nebo odolnost proti korozi. Jedná se o středně pevné, tepelně nezpracovatelné materiály, které si zachovávají pevnost i při vyšších teplotách a zřídka se používají pro velké konstrukční aplikace. Nejběžnějším použitím slitin řady 3xxx jsou kuchyňské nádobí, radiátory, kondenzátory klimatizací, výparníky, výměníky tepla a související potrubní soustavy.

Křemík (Si) 4xxx – Přidání křemíku k hliníku snižuje teplotu tání a zlepšuje tekutost. Samotný křemík v hliníku vytváří tepelně nezpracovatelnou slitinu. V kombinaci s hořčíkem však vytváří tepelně zpracovatelnou slitinu vytvrzovanou srážením. V důsledku toho se v řadě 4xxx vyskytují jak tepelně zpracovatelné, tak tepelně nezpracovatelné slitiny. K výrobě odlitků se běžně používají slitiny s přísadou křemíku k hliníku. Nejběžnějším použitím slitin řady 4xxx jsou přídavné dráty pro tavné svařování a pájení hliníku.

Hořčík (Mg) 5xxx – Přidání hořčíku k hliníku zvyšuje pevnost zpevněním tuhých roztoků a zlepšuje jejich schopnost zpevnění materiálu deformací. Tyto slitiny jsou nejpevnějšími tepelně nezpracovatelnými hliníkovými slitinami, a proto se ve velké míře používají pro konstrukční aplikace. Slitiny řady 5xxx se vyrábějí převážně ve formě plechu a pouze příležitostně jako výlisky. Důvodem je, že tyto slitiny se rychle namáhají a vytvrzují, a proto je obtížné a nákladné je vytlačovat. Některá běžná použití pro slitiny řady 5xxx jsou karoserie nákladních automobilů a vlaků, budovy, obrněná vozidla, stavba lodí a člunů, cisterny na chemikálie, tlakové nádoby a kryogenické nádrže.

Hořčík a křemík (Mg2Si) 6xxx – Přidáním hořčíku a křemíku k hliníku vzniká sloučenina silicid hořečnatý (Mg2Si). Vznik této sloučeniny dodává slitinám řady 6xxx jejich tepelnou zpracovatelnost. Slitiny řady 6xxx lze snadno a hospodárně vytlačovat. Z toho důvodu se slitiny 6xxx nejčastěji vyskytují v rozsáhlém výběru vytlačovaných tvarů. Tyto slitiny tvoří důležitý doplněk ke slitinám řady 5xxx. Slitina řady 5xxx se používá v podobě plátů a slitiny 6xxx jsou často k těmto plátům připojeny v nějaké vytlačené formě. Některými z běžných použití pro slitiny řady 6xxx jsou zábradlí, hnací hřídele, části automobilových rámů, rámy jízdních kol, trubkový zahradní nábytek, lešení, výztuhy a vzpěry používané na nákladních automobilech, lodích a mnohé další konstrukční výrobky.

Zinek (Zn) 7xxx – Přidáním zinku k hliníku (společně s některými dalšími prvky, především hořčíkem, popř. mědí) vznikají tepelně zpracovatelné hliníkové slitiny s nejvyšší pevností. Zinek podstatně zvyšuje pevnost a umožňuje vytvrzování srážením. Některé z těchto slitin mohou být náchylné k praskání pod napětím v důsledku koroze, a z tohoto důvodu se obvykle nesvařují tavným svařováním. Ostatní slitiny v této řadě jsou často svařovány tavným svařováním s vynikajícími výsledky. Některými z běžných použití slitin řady 7xxx je sektor letectví, obrněná vozidla, baseballové pálky nebo rámy jízdních kol.

Železo (Fe) – Železo je nejběžnější příměsí nacházející se v hliníku a záměrně se přidává i do některých čistých slitin (série 1xxx), aby se dosáhlo mírného zvýšení pevnosti.

Chrom (Cr) – Chrom se přidává k hliníku pro kontrolu struktury zrn a pro zabránění růstu zrn ve slitinách hliníku a hořčíku. Také pomáhá předcházet rekrystalizaci ve slitinách hliník-hořčík-křemík nebo hliník-hořčík-zinek během tepelného zpracování. Chrom také snižuje náchylnost ke korozi pod napětím a zlepšuje houževnatost.

Nikl (Ni) – Nikl se přidává do slitin hliníku a mědi a hliníku a křemíku pro zlepšení tvrdosti a pevnosti při vyšších teplotách a pro snížení koeficientu roztažnosti.

Titan (Ti) – Titan se k hliníku přidává především pro zjemnění zrn. Účinek titanu na zjemnění zrn se zvýší, pokud je v tavenině přítomen bor nebo pokud je přidán jako předslitina obsahující bor z velké části jako sloučenina TiB2. Titan je běžným přídavkem v hliníkové svařovací elektrodě, protože zjemňuje strukturu svaru a pomáhá předcházet praskání svaru.

Zirkonium (Zr) – Zirkonium se přidává do hliníku, aby vznikla jemná sraženina mezikovových částic, které brání rekrystalizaci.

Lithium (Li) – Přidáním lithia k hliníku se může podstatně zvýšit pevnost a modul pružnosti v tahu, zajistit zpevnění srážením a snížit hustota.

Olovo (Pb) a bismut (Bi) – Olovo a bismut se k hliníku přidávají, aby napomáhaly tvorbě štěpin a zlepšovaly obrobitelnost. Tyto slitiny pro volné obrábění často nejsou svařitelné, protože olovo a bismut vytvářejí složky s nízkou teplotou tání a mohou mít špatné mechanické vlastnosti, popř. i vysokou citlivost na trhliny při tuhnutí.

Souhrn

V průmyslu se dnes používá mnoho hliníkových slitin. V současné době je u sdružení Aluminium Association (Společnost pro hliník) registrováno přes 400 slitin na kování a přes 200 slitin na odlévání. Jedním z nejdůležitějších faktorů, se kterými se při svařování hliníku setkáváme, je jistě určení typu slitiny svařovaného hliníkového podkladového materiálu. Není-li typ podkladového materiálu svařované součásti k dispozici ze spolehlivého zdroje, může být obtížné zvolit vhodný postup svařování.

Existuje několik obecných pokynů pro nejpravděpodobnější typ hliníku používaný v různých aplikacích, jako jsou ty výše uvedené. Je však velmi důležité si uvědomit, že nesprávné předpoklady, pokud jde o chemické složení hliníkové slitiny, mohou mít velmi vážné dopady na chování svaru. Důrazně doporučujeme, aby bylo provedeno pozitivní určení typu hliníku a aby byly vyvinuty a odzkoušeny postupy svařování za účelem ověření chování svaru.