W jaki sposób i dlaczego pierwiastki stopowe są dodawane do aluminium?

W jaki sposób i dlaczego pierwiastki stopowe są dodawane do aluminium?

Poznaj stopy, których używasz: to klucz do uzyskania odpowiednich spoin aluminiowych

Czyste aluminium zwykle nie jest używane w rozwiązaniach konstrukcyjnych. Wyprodukowanie aluminium o wytrzymałości odpowiedniej do produkcji elementów konstrukcyjnych wymaga dodanie do niego innych pierwiastków. Jakie pierwiastki można dodać do tych stopów aluminium? Czy dodanie tych elementów ma jakiś wpływ na wydajność materiału? W jakich zastosowaniach wykorzystywane są te stopy?

Dlaczego czyste aluminium nie nadaje się do zastosowań konstrukcyjnych?

Ze względu na właściwości wytrzymałościowe, czyste aluminium (seria 1xxx stopów) nie jest zazwyczaj stosowane do produkcji elementów konstrukcyjnych. Seria 1xxx to prawie czyste aluminium, mimo to reaguje na utwardzanie przez zgniot, zwłaszcza gdy zawiera znaczne ilości zanieczyszczeń, takich jak żelazo i krzem. Nawet w stanie utwardzonym przez zgniot, stopy serii 1xxx mają jednak bardzo niską wytrzymałość w porównaniu z innymi seriami stopów aluminium. Stopy serii 1xxx są najczęściej wybierane do zastosowań konstrukcyjnych ze względu na ich doskonałą odporność na korozję i/lub wysoką przewodność elektryczną. Najczęstsze zastosowania stopów serii 1xxx to folia aluminiowa, szyny elektryczne, druty metalizujące, zbiorniki na chemikalia i systemy rurociągów.

W jaki sposób i dlaczego pierwiastki stopowe są dodawane do aluminium?

Dodanie pierwiastków stopowych do aluminium to główna metoda wykorzystywana do produkcji różnych materiałów przydatnych w szerokim zakresie zastosowań konstrukcyjnych.

Biorąc pod uwagę siedem określonych serii stopów aluminium używanych do obróbki plastycznej, możemy natychmiast zidentyfikować główne pierwiastki stopowe używane do produkcji każdej z serii stopów. Następnie możemy zbadać wpływ każdego z tych pierwiastków na aluminium. Opisaliśmy również kilka innych powszechnie wykorzystywanych pierwiastków i ich wpływ na aluminium.

Seria Podstawowy pierwiastek stopowy
1xxx Aluminium – 99,00% lub więcej
2xxx Miedź
3xxx Mangan
4xxx Krzem
5xxx Magnez
6xxx Magnez i krzem
7xxx Cynk

Główne działanie pierwiastków stopowych w aluminium:

Miedź (Cu) 2xxx –Stopy aluminium-miedź zazwyczaj zawierają od 2 do 10% miedzi oraz mniejszą ilość innych pierwiastków. Miedź zapewnia znaczny wzrost wytrzymałości i ułatwia utwardzanie wydzieleniowe. Wprowadzenie miedzi do aluminium może również zmniejszyć ciągliwość i odporność na korozję. Zwiększa również podatność stopów aluminiowo-miedzianych na pękanie wskutek krzepnięcia. W rezultacie niektóre z tych stopów mogą zacznie utrudniać spawanie aluminium. Znajdują się wśród nich jedne z najbardziej wytrzymałych stopów aluminium pod względem obróbki cieplnej. Najczęstsze zastosowania stopów serii 2xxx to lotnictwo, pojazdy wojskowe i skrzydła rakiet.

Mangan (Mn) 3xxx – Dodatek manganu do aluminium zwiększa nieco wytrzymałość poprzez wzmocnienie roztworu. Poprawia również utwardzanie poprzez zgniot, nie zmniejszając w znacznym stopniu plastyczności ani odporności na korozję. Są to materiały o umiarkowanej wytrzymałości, niepodlegające obróbce cieplnej, które zachowują wytrzymałość w wyższych temperaturach i są rzadko używane do głównych zastosowań konstrukcyjnych. Najczęstszymi zastosowaniami stopów serii 3xxx są przybory kuchenne, grzejniki, skraplacze klimatyzacji, parowniki, wymienniki ciepła i powiązane systemy rurociągów.

Krzem (Si) 4xxx –Dodatek krzemu do aluminium obniża temperaturę topnienia i poprawia płynność. Sam krzem w aluminium wytwarza stop niepodlegający obróbce cieplnej. Natomiast w połączeniu z magnezem tworzy stop utwardzany wydzieleniowo. W związku z tym w serii 4xxx znajdują się zarówno stopy nadające się do obróbki cieplnej, jak i niepodlegające obróbce cieplnej. Dodatki krzemu do aluminium są powszechnie stosowane do produkcji odlewów. Najczęstszymi zastosowaniami stopów serii 4xxx są druty do spawania z przetopem i lutowania twardego aluminium.

Magnez (Mg) 5xxx –Dodatek magnezu do aluminium zwiększa wytrzymałość poprzez wzmocnienie roztworu stałego i poprawia ich zdolność utwardzania poprzez zgniot. Są to najbardziej wytrzymałe stopy aluminium niepodlegające obróbce cieplnej, dlatego są szeroko wykorzystywane do zastosowań strukturalnych. Stopy serii 5xxx są produkowane głównie jako arkusze i płyty, rzadko jako wytłoczki. Powodem tego jest fakt, że stopy te szybko twardnieją, a zatem są trudne i drogie w wytłaczaniu. Niektóre typowe zastosowania stopów serii 5xxx to nadwozia ciężarówek i pociągów, budynki, pojazdy opancerzone, statki i łodzie, chemikaliowce, zbiorniki ciśnieniowe i zbiorniki kriogeniczne.

Magnez i krzem (Mg2Si) 6xxx – Dodanie magnezu i krzemu do aluminium tworzy krzemek magnezu (Mg2Si). Związek ten zapewnia serii 6xxx możliwość obróbki cieplnej. Stopy serii 6xxx są łatwe i niedrogie w wytłaczaniu. Dlatego stopy 6xxx najczęściej znajdują zastosowanie w wytłaczaniu wielu elementów. Stopy te stanowią ważny system uzupełniający ze stopem serii 5xxx. Stop serii 5xxx jest stosowany w postaci płyt, a 6xxx są często łączone z płytą w formie wytłaczanej. Niektóre z typowych zastosowań stopów serii 6xxx to poręcze, wały napędowe, sekcje ram samochodowych, ramy rowerowe, rurowe meble ogrodowe, rusztowania, usztywnienia i podpory stosowane w ciężarówkach, łodziach i wielu innych konstrukcjach.

(Zn) 7xxx –Dodatek cynku do aluminium (w połączeniu z innymi pierwiastkami, głównie magnezem i/lub miedzią) wytwarza najbardziej wytrzymałe stopy aluminium nadające się do obróbki cieplnej. W znacznym stopniu zwiększa wytrzymałość i umożliwia utwardzanie wydzieleniowe. Niektóre z tych stopów mogą być podatne na pękanie korozyjne naprężeniowe, dlatego zwykle nie są spawane. Inne stopy z tej serii przynoszą doskonałe rezultaty spawania. Niektóre z powszechnych zastosowań stopów serii 7xxx to lotnictwo, pojazdy opancerzone, kije baseballowe i ramy rowerowe.

Żelazo (Fe) –Żelazo jest najczęstszym zanieczyszczeniem występującym w aluminium i jest celowo dodawane do niektórych czystych (seria 1xxx) stopów, aby zapewnić niewielki wzrost wytrzymałości.

Chrom (Cr) –Chrom jest dodawany do aluminium w celu kontrolowania struktury ziarna i zapobiegania wzrostowi ziarna w stopach glinu i magnezu. Pomaga również zapobiegać rekrystalizacji w stopach aluminium-magnez-krzem lub aluminium-magnez-cynk podczas obróbki cieplnej. Chrom zmniejsza również podatność na korozję naprężeniową i poprawia wytrzymałość.

Nikiel (Ni) – Nikiel jest dodawany do stopów aluminium-miedź i aluminium-krzem w celu poprawy twardości i wytrzymałości w podwyższonych temperaturach oraz zmniejszenia współczynnika rozszerzalności.

Tytan (Ti) – Tytan jest dodawany do aluminium przede wszystkim jako rafinator ziarna. Efekt rafinacji ziarna przez tytan jest wzmocniony, jeśli bor jest obecny w stopie lub jeśli jest dodawany jako stop główny zawierający bor w dużej mierze połączony jako TiB2. Tytan jest powszechnym dodatkiem do drutu wypełniającego do spawania aluminium, ponieważ udoskonala strukturę spoiny i pomaga zapobiegać jej pękaniu.

Cyrkon (Zr) – Cyrkon jest dodawany do glinu w celu utworzenia drobnego osadu cząstek międzymetalicznych, które hamują rekrystalizację.

Lit (Li) –Dodanie litu do aluminium może znacznie zwiększyć wytrzymałość i, moduł Younga, zapewnić utwardzanie wydzieleniowe i zmniejszać gęstość.

Ołów (Pb) i bizmut (Bi) – Ołów i bizmut są dodawane do aluminium, aby wspomóc tworzenie wiórów i poprawić skrawalność. Te stopy charakteryzują się swobodną obróbki i często nie nadają się do spawania, ponieważ ołów i bizmut wytwarzają składniki o niskiej stopie i mogą mieć słabe właściwości mechaniczne i / lub wysoką wrażliwość na pękanie podczas krzepnięcia.

Podsumowanie

Istnieje wiele stopów aluminium stosowanych obecnie w przemyśle. Ponad 400 stopów przerabianych plastycznie i ponad 200 stopów odlewniczych jest obecnie zarejestrowanych w Aluminium Association (Stowarzyszeniu Aluminium). Z pewnością jedną z najważniejszych kwestii dotyczących spawania aluminium jest identyfikacja typu rodzimego stopu aluminium, który ma być spawany. Jeśli podstawowy typ materiału spawanego elementu nie jest dostępny z wiarygodnego źródła, wybór odpowiedniej procedury spawania może być trudny.

Istnieją pewne ogólne wytyczne dotyczące najbardziej optymalnego rodzaju aluminium do określonych zastosowań, takich jak te wymienione powyżej. Bardzo ważne jest jednak, aby mieć świadomość, że błędne założenia dotyczące składu stopu aluminium mogą mieć bardzo poważny wpływ na właściwości spoiny. Zdecydowanie zaleca się pozytywną odpowiednią rodzaju aluminium oraz opracowanie i przetestowanie procedur spawania w celu weryfikacji właściwości spoiny.