14

WYKŁAD 8

Stopy metali nieżelaznych

Metale nieżelazne posiadają ogromne znaczenie dla konstruktora, przede wszystkim jako osnowa dla wielu stopów o bardzo różnorodnych właściwościach fizycznych i chemicznych.

Metale nieżelazne a więc ich stopy można podzielić na dwie zasadnicze grupy: lekkie i ciężkie. Kryterium przynależności do danej grupy jest gęstość, której graniczną wartość ustalono na 4,5 Mg/m3. W grupie stopów lekkich, które zostaną omówione w niniejszym opracowaniu znajdują się: Mg, Al oraz Ti, zaś w grupie metali ciężkich: Cu, Ni, Co i Zn.

Metale lekkie i ich stopy

Metale lekkie i ich stopy posiadają znaczenie przede wszystkim dla przemysłu lotniczego a obecnie coraz częściej również tam, gdzie zmniejszenie masy konstrukcji umożliwia zmniejszenie zużycia energii. Przykładem może być przemysł samochodowy, w którym obserwuje się systematyczny wzrost zastosowania stopów Al. Jest on podyktowany nie tylko dążeniem do potanienia kosztów eksploatacji samochodu lecz także dbałością o środowisko. Podobnie ma się rzecz jeśli idzie o stopy Mg jak i Ti. Te ostatnie często nawet nazywa się stopami XXI wieku.

To co czyni stopy metali lekkich wyjątkowo atrakcyjnymi wynika z bardzo dobrych właściwości mechanicznych, których miarą są wskaźniki En/ρ, gdzie n=1, ½ lub 1/3[1], oraz Re/ρ, stanowiące kryterium doboru materiału pod kątem minimalizacji masy wyrobu. Właściwości mechaniczne lekkich stopów konstrukcyjnych w porównaniu do stali podaje tablica.

Właściwości mechaniczne konstrukcyjnych stopów metali lekkich

Właściwości czystego aluminium

Aluminium jest jednym z dwóch metali najobficiej występujących w skorupie ziemskiej. Ze względu na złożoność i energochłonność procesu wytwarzania z rud jest metalem dość drogim. Najbardziej charakterystyczną cechą Al jest jego wszechstronność. Objawia się ona wieloma wyjątkowo cennymi właściwościami tak chemicznymi jak i fizycznymi, które co najważniejsze można zmieniać w bardzo szerokim zakresie stosując aluminium w postaci od superczystej do najbardziej skomplikowanych stopów.

Czyste Al charakteryzuje się małą gęstością wynoszącą ρ=2,7 Mg/m3 znaczną odpornością na utlenianie, niewielką opornością elektryczną i dobrą plastycznością. Jakkolwiek nie jest tak sztywne jak Fe (EFe ≈ 200 GPa przy EAl ≈ 70 GPa), to jednak moduł sprężystości właściwy (E/ρ) jest praktycznie taki sam. Aluminium silnie utwardza się przez zgniot co stanowi zaletę lub wadę, zależnie od potrzeby.

Stopy aluminium

Stopy Al nie posiadają już tak dobrej odporności korozyjnej czy przewodności elektrycznej jak czyste Al, mają za to zdecydowanie lepsze właściwości mechaniczne, które można podwyższyć stosując umacnianie wydzieleniowe lub dyspersyjne.

Do najczęściej stosowanych dodatków stopowych należą: Cu, Si, Mg, Mn i Zn.

Pierwiastki te tworzą roztwory stałe ograniczone a niektóre z nich również fazy międzymetaliczne, np.: Al2Cu (faza  ) Mg2Si (faza β) itp.

Stopy Al dzieli się na stopy przeznaczone do:

·         obróbki plastycznej (oznaczone PA) – stopy jednofazowe (pomijając wtrącenia faz międzymetalicznych)

·         stopy odlewnicze (oznaczone AK) – stopy wielofazowe ze strukturą mieszanin eutektycznych z wydzieleniami faz międzymetalicznych.

Inny podział, również szeroko stosowany, bazuje na składzie chemicznym. Jednym z najbardziej czytelnych jest klasyfikacja wedle systemu amerykańskiego, pokazana na rysunku.

Przykład klasyfikacji stopów Al według norm ASTM

Dla porównania w tablicy przedstawiono wybrane stopy Al i ich oznaczenia wg PN. Obok stopów pokazanych na schemacie normy amerykańskie obejmują czyste Al (>99,9% - seria 1xx,x) stopy Al z cyną (seria 8xx,x) i innymi pierwiastkami (seria 9xx,x).

Oznaczenia i skład chemiczny wybranych stopów Al do obróbki plastycznej