Hogyan és miért adnak ötvözőelemeket az alumíniumhoz?

Hogyan és miért adnak ötvözőelemeket az alumíniumhoz?

Ismerje meg az Ön által használt ötvözeteket: Kulcs a sikeres alumíniumhegesztéshez

Tiszta alumíniumot általában nem használnak szerkezeti alkalmazásokhoz. A szerkezeti elemek gyártásához megfelelő szilárdságú alumínium előállításához további anyagokat kell adni az alumíniumhoz. Nos, milyen anyagokat lehet adni ezekhez az alumíniumötvözetekhez? Az ilyen összetevők hozzáadása hatással van az anyag teljesítményére? Milyen alkalmazásokban használják ezeket az ötvözeteket?

Miért nem alkalmas a tiszta alumínium szerkezeti alkalmazásokhoz?

Nagyon szokatlan lenne, ha szilárdsági jellemzője miatt tiszta alumíniumot (1xxx sorozatú ötvözetek) választanának szerkezeti gyártásra. Noha az 1xxx sorozat szinte tiszta alumínium, jól reagál az alakítási keményedésre, és különösen akkor, ha jelentős mennyiségű szennyeződést, például vasat és szilíciumot tartalmaz. Az 1xxx sorozatú ötvözetek szilárdsága azonban még alakítási keményedés után is nagyon alacsony a többi sorozatú alumíniumötvözethez képest. Ha az 1xxx sorozatú ötvözeteket szerkezeti alkalmazásra választják, ennek leggyakrabban kiváló korrózióállóságuk és/vagy nagy elektromos vezetőképességük az oka. Az 1xxx sorozatú ötvözetek leggyakoribb felhasználási területei az alumíniumfólia, az elektromos gyűjtősínek, a galvanizáló huzal, valamint a vegyszertartályok és csőrendszerek.

Hogyan és miért adnak ötvözőelemeket az alumíniumhoz?

Az alumíniumhoz ötvözőelemek hozzáadása a fő módszer olyan anyagok gyártásához, amelyek a szerkezeti alkalmazások széles körében használhatók.

Ha figyelembe vesszük a megmunkált ötvözetekhez kiválasztott hét alumíniumötvözet-sorozatot, azonnal azonosíthatjuk az egyes ötvözetsorozatok előállításához használt fő ötvözőanyagokat. Ezután továbbléphetünk, és megvizsgálhatjuk az ilyen elemeknek az alumíniumra gyakorolt hatását. Néhány más gyakran használt anyagot és azok alumíniumra gyakorolt hatását is megemlítjük.

Sorozat Elsődleges ötvözőelem
1xxx Alumínium – 99,00% vagy nagyobb
2xxx Réz
3xxx Mangán
4xxx Szilícium
5xxx Magnézium
6xxx Magnézium és szilícium
7xxx Cink

Az alumínium ötvözőelemeinek fő hatásai a következők:

Réz (Cu) 2xxx – Az alumínium-réz ötvözetek jellemzően 2–10% rezet tartalmaznak, más elemek kismértékű hozzáadásával. A réz jelentősen növeli a szilárdságot, és megkönnyíti a kiválásos keményedést. Az alumíniumhoz rezet adva csökkenhet az alakíthatóság és a korrózióállóság is. Az alumínium-réz ötvözetek megszilárdulási repedésre való hajlama nagyobb. Következésképpen az alumíniumötvözetek közül az ilyen ötvözetek hegesztése jelentheti a legnagyobb kihívást. Ezek közé tartoznak a legnagyobb szilárdságú hőkezelhető alumíniumötvözetek. A 2xxx sorozatú ötvözetek leggyakoribb felhasználási területe a repülőgép- és űripar, a katonai járművek és a rakétabordák.

Mangán (Mn) 3xxx – A mangánt alumíniumhoz hozzáadva valamelyest nő a szilárdság a szilárdoldatos ötvözés miatt. Javítja az alakítási keményedést is, miközben nem csökkenti észrevehetően az alakíthatóságot és a korrózióállóságot. Ezek közepes szilárdságú, nem hőkezelhető anyagok, amelyek magas hőmérsékleten is megtartják szilárdságukat, és ritkán használják őket nagyobb szerkezeti alkalmazásokhoz. A 3xxx sorozatú ötvözetek leggyakoribb felhasználási területei a főzőedények, radiátorok, légkondicionáló kondenzátorok, párologtatók, hőcserélők és a kapcsolódó csőrendszerek.

Szilícium (Si) 4xxx –Az alumíniumhoz szilícium hozzáadása csökkenti az olvadási hőmérsékletet, és javítja a folyékonyságot. Az alumíniumban lévő szilícium önmagában nem hőkezelhető ötvözetet eredményez. Magnéziummal kombinálva azonban kiválásos keményedésre képes, hőkezelhető ötvözet állítható elő. Következésképpen a 4xxx sorozatban vannak hőkezelhető és nem hőkezelhető ötvözetek is. Az alumíniumhoz hozzáadott szilíciumadalékokat általában öntvények gyártásához használják. A 4xxx sorozatú ötvözetek leggyakoribb felhasználási területei az alumínium ömlesztőhegesztésére és keményforrasztására szolgáló hegesztőhuzalok.

Magnézium (Mg) 5xxx –A magnézium hozzáadása az alumíniumhoz növeli a szilárdságot a szilárdoldatos ötvözés miatt, és javítja az alakítási keményedést. Ezek az ötvözetek a legnagyobb szilárdságú, nem hőkezelhető alumíniumötvözetek, ezért széles körben használják szerkezeti alkalmazásokban. Az 5xxx sorozatú ötvözetek főként lapok és lemezek formájában, valamint elvétve sajtolt termékként készülnek. Ennek az az oka, hogy ezek az ötvözetek gyorsan megkeményednek, ezért nehéz és költséges a sajtolásuk. Az 5xxx sorozatú ötvözetek néhány gyakori felhasználási területe a teherautó- és vonatkarosszériák, épületek, páncélozott járművek, hajó- és csónakgyártás, vegyszerszállító tartályhajók, nyomótartályok és kriogén tartályok.

Magnézium és szilícium (Mg2Si) 6xxx – Alumíniumhoz magnéziumot és szilíciumot hozzáadva magnézium-szilicid vegyületet (Mg2Si) kap. E vegyület keletkezése biztosítja a 6xxx sorozat hőkezelésre való alkalmasságát. A 6xxx sorozatú ötvözetek könnyen és gazdaságosan sajtolhatók. Emiatt a 6xxx ötvözetek leggyakrabban a sajtolt formák széles választékában találhatók meg. Ezek az ötvözetek fontos kiegészítő rendszert alkotnak az 5xxx sorozatú ötvözettel. Az 5xxx sorozatú ötvözetet lemezek formájában használják, és a 6xxx-eseket gyakran valamilyen sajtolt formában csatolják a lemezhez. A 6xxx sorozatú ötvözetek gyakori felhasználási területei a korlátok, hajtótengelyek, autóvázrészek, kerékpárvázak, csővázas kerti bútorok, valamint a tehergépkocsikon, csónakokon és számos egyéb szerkezeteken használt állványzatok, merevítők és hevederek.

Cink (Zn) 7xxx –Az alumíniumhoz cink hozzáadásával (más elemekkel, elsősorban magnéziummal és/vagy rézzel együtt) a legnagyobb szilárdságú, hőkezelhető alumíniumötvözetek keletkeznek. A cink jelentősen növeli a szilárdságot, és lehetővé teszi a kiválásos keményedést. Néhány ilyen ötvözet érzékeny lehet a feszültségkorróziós repedésekre, ezért általában nem ömlesztőhegesztéssel készülnek. A sorozat többi ötvözetét gyakran ömlesztőhegesztéssel készítik kiváló eredménnyel. A 7xxx sorozatú ötvözetek általános felhasználási területei a repülőgép- és űripar, a páncélozott járművek, a baseballütők és a kerékpárvázak.

Vas (Fe) –A vas az alumíniumban található leggyakoribb szennyeződés, és szándékosan egyes tiszta (1xxx sorozatú) ötvözetekhez adják, hogy enyhén növeljék a szilárdságot.

Króm (Cr) –Krómot adnak az alumíniumhoz a szemcseszerkezet irányítására és az alumínium-magnézium ötvözetek szemcsenövekedésének megakadályozására. Segít megelőzni a kristályosodást is az alumínium-magnézium-szilícium vagy alumínium-magnézium-cink ötvözetekben a hőkezelés során. A króm emellett csökkenti a feszültségkorrózióra való hajlamot, és javítja a szívósságot.

Nikkel (Ni) – Nikkelt adnak az alumínium-réz és alumínium-szilícium ötvözetekhez, hogy növeljék a keménységet és szilárdságot magas hőmérsékleten, valamint csökkentsék a tágulási együtthatót.

Titán (Ti) – A titánt elsősorban szemcsefinomítóként adják az alumíniumhoz. A titán szemcsefinomító hatása fokozódik, ha bór található az olvadékban, vagy ha bórt nagyrészt TiB2-ként kombinált előötvözetként adják hozzá. A titán az alumínium hegesztőhuzalok gyakori kiegészítője, mivel finomítja a hegesztési szerkezetet, és segít megelőzni a varrat repedéseit.

Cirkónium (Zr) – Az alumíniumhoz cirkóniumot adnak, hogy finom, kristályosodást gátló csapadékot képezzenek a fémközi részecskékből.

Lítium (Li) –A lítium hozzáadása az alumíniumhoz jelentősen növelheti a szilárdságot és a Young modulust, kiválásos keményedést biztosít, és csökkenti a sűrűséget.

Ólom (Pb) és bizmut (Bi) – Az alumíniumhoz ólmot és bizmutot adnak a forgácsképződés elősegítésére és a megmunkálhatóság javítására. Ezek az automataötvözetek gyakran nem hegeszthetők, mivel az ólom és a bizmut alacsony olvadáspontú összetevőket képez, rossz mechanikai tulajdonságokat eredményez, továbbá érzékenyek a repedésre a megszilárdulás során.

Összefoglalás

Manapság számos alumíniumötvözetet használnak az iparban. Jelenleg több mint 400 megmunkált ötvözet és 200 feletti öntvényötvözet van bejegyezve az Alumínium Szövetségnél. Alumínium hegesztésénél az egyik legfontosabb szempont nyilván a hegesztendő alumínium alapú ötvözet típusának meghatározása. Ha a hegesztendő alkatrész alapanyagának típusa nem érhető el megbízható forrásból, nehéz lehet a megfelelő hegesztési eljárást kiválasztani.

Van néhány általános irányelv a különböző alkalmazásokban használt alumínium legvalószínűbb típusára vonatkozóan, például a fent említetteknél. Nagyon fontos azonban tisztában lenni azzal, hogy az alumíniumötvözetek kémiájára vonatkozó téves feltételezések erősen ronthatják a hegesztési teljesítményt. Érdemes az alumínium típusát biztosan azonosítani, valamint hegesztési eljárásokat kidolgozni és tesztelni a hegesztési teljesítmény ellenőrzéséhez.