Stop aluminiowo-miedziowy

Stopy aluminiowo-miedziowe ( AlCu ) to stopy aluminium - stopy składające się głównie z aluminium (Al) - zawierające miedź (Cu) jako główny pierwiastek stopowy . Ważne rodzaje nadal zawierają dodatki magnezu i krzemu (AlCu (Mg, Si)), a często dodawany jest także mangan w celu zwiększenia wytrzymałości (patrz AlMn ). Głównym obszarem zastosowań jest budowa samolotów . Stopy mają średnią do wysokiej wytrzymałości i są utwardzalne wydzieleniowo . Są dostępne zarówno jako stopy do obróbki plastycznej, jak i odlewane . Wadą jest ich podatność na korozję i słaba spawalność . Są znormalizowane w serii 2000. Duraluminium jest najstarszą odmianą z tej grupy i pochodzi od Alfreda Wilma , który odkrył ją w 1903 roku. Tylko dzięki zastosowaniu stopów aluminiowo-miedzianych aluminium mogło być użyte jako szeroko rozpowszechniony materiał konstrukcyjny , ponieważ czyste aluminium jest dla niego o wiele za miękkie, a inne utwardzalne stopy, takie jak stopy aluminiowo-magnezowo-krzemowe (AlMgSi) lub stopy naturalnie twarde (nieutwardzalne) są nadal nie były znane.

Rodzaje, pierwiastki stopowe i zawartość

Podobnie jak w przypadku prawie wszystkich stopów aluminium, rozróżnia się stopy do obróbki plastycznej do walcowania i kucia oraz stopy odlewnicze do odlewania .

Zawartość miedzi wynosi zwykle od 3 do 6%. Od 0,3% do 6% uważa się je za niemożliwe lub bardzo trudne do spawania (metodą spawania ), przy wyższych zawartościach Cu są one spawalne. Większość typów nadal zawiera dodatki magnezu , manganu i krzemu w celu zwiększenia wytrzymałości. Ołów i bizmut tworzą małe wtrącenia, które topią się w niskich temperaturach i tym samym prowadzą do lepszego tworzenia wiórów , podobnie jak w przypadku stali automatowej . Dodatek niklu i żelaza zwiększa odporność na ciepło .

Żelazo zawarte w stopach technicznych jako zanieczyszczenie zapobiega utwardzaniu na zimno . Ponownie staje się to możliwe dzięki dodaniu magnezu. Większe ilości magnezu do 1,5% zwiększają wytrzymałość i wydłużenie przy zerwaniu (patrz AlMg ). Mangan jest również używany w celu zwiększenia wytrzymałości (patrz AlMn ). Jednak większe ilości mają negatywne skutki uboczne, więc zawartość jest ograniczona do około 1% Mn. Mniejsze dodatki krzemu są dodawane w celu związania żelaza, ponieważ tworzy on preferencyjnie fazę AlFeSi, podczas gdy tworzenie Al ₇ Cu ₂ Fe usuwałoby z materiału większe ilości miedzi, które nie prowadzą już do powstania faktycznie pożądanych faz (zwł. Al ₂ Cu, glinek miedzi ). Większe ilości krzemu dodawane są w celu utworzenia Mg ₂ Si ( krzemku magnezu ) z magnezem , który podobnie jak AlMgSi poprawia wytrzymałość i hartowność.

Niektóre stopy nadal zawierają lit o zawartości od 1,5% do 2,5%. Ze względu na bardzo niską gęstość Li (0,53 g / cm³ w porównaniu z 2,7 g / cm³ aluminium) prowadzi to do lżejszych komponentów, co jest szczególnie korzystne w lotnictwie. Aby uzyskać szczegółowe informacje, patrz stop aluminiowo-litowy .

Stopy odlewnicze

Stopy odlewnicze zawierają około 4% miedzi i innych dodatków w niewielkich ilościach, które poprawiają lejność , w tym tytanu i magnezu . Materiałem wyjściowym jest aluminium pierwotne ; Aluminium wtórne (wykonane ze złomu), w przeciwieństwie do innych stopów odlewniczych aluminium, nie jest używane, ponieważ zmniejsza wydłużenie przy zerwaniu i wytrzymałość. Stopy odlewnicze AlCu mają tendencję do pękania na gorąco i są stosowane w stanach utwardzania T4 i T6.

Poniższa tabela przedstawia skład niektórych gatunków zgodnie z normą DIN EN 1706. Wszystkie dane w procentach masowych , reszta to aluminium.

Stopy kute

Właściwości mechaniczne

Warunki:

• O miękkie ( wyżarzane na miękko , również formowane na gorąco przy tych samych wartościach granicznych wytrzymałości).
• T3: wyżarzone w roztworze, hartowane, umocnione i sztucznie starzone
• T4: wyżarzone w roztworze, hartowane i sztucznie starzone
• T6: wyżarzone w roztworze, hartowane i sztucznie postarzane
• T8: wyżarzone w roztworze, umocnione i sztucznie postarzane

Aplikacje

Stopy aluminiowo-miedziowe są stosowane głównie w konstrukcjach lotniczych , gdzie ich niska odporność na korozję odgrywa podrzędną rolę. Stopy są przetwarzane przez walcowanie , kucie , wytłaczanie, a czasami przez odlewanie .

Stopy do przeróbki plastycznej Pure AlCu

Wyciąg z diagramu fazowego odpowiedniego dla stopów stosowanych technicznie

Pełny schemat faz

Wszystkie stopy AlCu oparte są na systemie czystych stopów AlCu.

Rozpuszczalność miedzi i faz

Aluminium tworzy eutektykę z miedzią w temperaturze 547 ° C i 33 procentami masowymi miedzi, co również odpowiada maksymalnej rozpuszczalności. W niższych temperaturach rozpuszczalność gwałtownie spada; w temperaturze pokojowej tylko 0,1%.

Przy wyższych zawartościach miedzi, Al ₂ Cu , tworzy się faza, faza międzymetaliczna . Jest to struktura tetragonalna , która jest tak różna od sześciennej struktury glinu centrowanej na powierzchni, że faza- istnieje tylko jako faza niespójna . Istnieją również częściowo spójne i fazy.${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle \ theta ''}$${\ displaystyle \ theta '}$

Przemiany strukturalne

Po odlaniu materiał jest zwykle przesycony - stały roztwór, przed którym nawet w temperaturze pokojowej dłużej zawiera miedź, można uznać, że w tej temperaturze faktycznie rozpuszczono. ${\ displaystyle \ alpha}$

• Następnie w temperaturach poniżej 80 ° C powstają strefy GP ( strefy GP (I)), w których występują zwiększone stężenia miedzi, ale które nie mają jeszcze struktury lub tworzą własne fazy.
• W nieco wyższych temperaturach do 250 ° C tworzy się faza (zwana również strefami GP (II)), która zwiększa wytrzymałość.${\ displaystyle \ theta ''}$
• W jeszcze wyższych temperaturach tworzy się częściowo spójna faza${\ displaystyle \ theta '}$
• aw wyższych temperaturach około 300 ° C tworzy się niespójna faza, w której wytrzymałość ponownie spada.${\ displaystyle \ theta}$

Poszczególne zakresy temperatur zachodzą na siebie: nawet w niskich temperaturach tworzą się - lub - fazy, ale tworzą się one znacznie wolniej niż strefy GP (I / II). Każda z faz tworzy się szybciej, im wyższa jest temperatura.${\ displaystyle \ theta '}$${\ displaystyle \ theta}$

Strefy GP (I)

Tworzenie stref GP (I) nazywane jest hartowaniem na zimno i zachodzi w temperaturach do 80 ° C. Są to maleńkie warstwy w kształcie dysku o grubości zaledwie jednego atomu i średnicy od 2 do 5 nanometrów. Z biegiem czasu rośnie liczba stref i stężenie w nich miedzi, ale nie ich średnica. Są spójne z kratą z aluminium i kształtują się na {100} płaszczyznach.

Strefy GP (II)

Strefy ( fazy) GP (II) są w dużej mierze odpowiedzialne za zwiększenie wytrzymałości stopów AlCu. Są spójne z kryształem aluminium i składają się z naprzemiennych warstw aluminium i miedzi o grubości około 10 nanometrów i wymiarach do 150 nanometrów. W przeciwieństwie do stref GP (I) są to trójwymiarowe osady. Ich warstwy są równoległe do płaszczyzny {100} aluminium. Faza jest tworzona z fazy , ale zachodzą na siebie. ${\ displaystyle \ theta ''}$${\ displaystyle \ theta ''}$${\ displaystyle \ theta '}$

Strefy GP (II) wymagają wolnych miejsc do wzrostu , dlatego ich brak ( np. Z powodu magnezu) prowadzi do opóźnionego wzrostu.

Częściowo spójne fazy

Faza jest tylko częściowo spójne z siatki aluminiowej i formy, w temperaturze od 150 ° C do 300 ° C, Ma kształt płytek krwi i może pochodzić ze stref GP (II). Jednak może również powstać bezpośrednio jako wytrącenie z mieszanego kryształu. W pierwszym przypadku narastająca energia międzyfazowa jest redukowana przez dyslokacje , w drugim przypadku wytrącenia tworzą się preferencyjnie na dyslokacjach.${\ displaystyle \ theta '}$

Niespójne fazy

Fazy niespójne z sieci krystalicznej kryształu mieszanego. Tworzy się w temperaturze 300 ° C i wyższej. Zwykle tworzy większe cząstki w większej odległości niż inne fazy, a zatem nie prowadzi do wzrostu wytrzymałości lub nawet do zmniejszenia, jeśli jego tworzenie odbywa się kosztem innych faz. Faza pojawia się również w temperaturze pomiędzy 150 ° C a 250 ° C, jak wytrącanie na granicach ziaren, co zmniejsza energię na granicy faz. ${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle \ theta}$

Te przewody fazowe do częściowo międzykrystaliczną przerwy ; zachowanie podczas pękania pozostaje ogólnie plastyczne. Zmiana zachowania przy pękaniu jest spowodowana strefami wolnymi od opadów na granicach ziaren. ${\ displaystyle \ theta}$

Faza ma większą potencjalną różnicę w porównaniu do mieszanego kryształu, tak że warstwa antykorozyjna i korozja międzykrystaliczna wystąpić. Przy dłuższych czasach wyżarzania oddzielają się również fazy ziarna , a różnica potencjałów jest mniejsza.${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle \ theta}$

Stopy do przeróbki plastycznej AlCuMg (Si, Mn)

Stopy AlCuMg to najważniejsza grupa stopów AlCu, w których może tworzyć się wiele innych faz:

• Al ₈ Mg ₅ ( faza, patrz AlMg )${\ displaystyle \ beta}$
• Al ₂ CuMg, faza S.
• Al ₆ Mg ₄ Cu, faza T.

Dodatki magnezu przyspieszają proces utwardzania na zimno. To, które fazy powstają, zależy głównie od stosunku miedzi do magnezu. Jeśli stosunek ten jest poniżej 1/1, klastry zawierające Cu i Mg są eliminowane. Przy stosunku większym niż 1,5 / 1, co ma miejsce w przypadku większości stopów technicznych, faza jest formowana preferencyjnie . Stopy te mają znacznie wyższą twardość i wytrzymałość. ${\ displaystyle \ theta}$

literatura

• Aluminium-Taschenbuch - Tom 1. Wydanie 16, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, str. 101 f., 114-116, 121, 139-141.
• George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Handbook of Aluminium - Tom 1: Physical Metallurgy and Processes. Marcel Dekker, Nowy Jork / Bazylea 2003, s. 140–152.
• Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. Wydanie trzecie, Springer, 2014, ISBN 978-3-662-43806-0 , s. 117–124.

Indywidualne dowody

1. ^ Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. 3. wydanie, Springer, 2014, s. 117 i nast.
2. ↑ Aluminium-Taschenbuch - Tom 1. Wydanie 16, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, str. 439.
3. ↑ Aluminium-Taschenbuch - Tom 1. Wydanie 16, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, str. 140 i nast.
4. ^ Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. Wydanie trzecie, Springer, 2014, s. 185.
5. ^ Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. Wydanie trzecie, Springer, 2014, załącznik.
6. ^ Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. Wydanie trzecie, Springer, 2014, załącznik.
7. ^ Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. Wydanie trzecie, Springer, 2014, załącznik.
8. ^ Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. Wydanie trzecie, Springer, 2014, s. 118.
9. ^ Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. Wydanie trzecie, Springer, 2014, s. 119.
10. ^ Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. Wydanie trzecie, Springer, 2014, s. 119.
11. ^ Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. 3. wydanie, Springer, 2014, s. 119 i nast.
12. ↑ George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Podręcznik aluminium - Tom 1: Metalurgia fizyczna i procesy. Marcel Dekker, Nowy Jork / Bazylea 2003, s. 140 i nast.
13. ^ Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. Wydanie trzecie, Springer, 2014, s. 120.
14. ↑ George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Podręcznik aluminium - Tom 1: Metalurgia fizyczna i procesy. Marcel Dekker, Nowy Jork / Bazylea 2003, s. 141.
15. ^ Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. Wydanie trzecie, Springer, 2014, s. 120.
16. ^ Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. Wydanie trzecie, Springer, 2014, s. 120.
17. ↑ George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Podręcznik aluminium - Tom 1: Metalurgia fizyczna i procesy. Marcel Dekker, Nowy Jork / Bazylea 2003, s. 141–143.
18. ^ Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. Wydanie trzecie, Springer, 2014, s. 120 i nast.
19. ↑ George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Podręcznik aluminium - Tom 1: Metalurgia fizyczna i procesy. Marcel Dekker, Nowy Jork / Bazylea 2003, s. 143.
20. ^ Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. Wydanie trzecie, Springer, 2014, s. 121.
21. ↑ George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Podręcznik aluminium - Tom 1: Metalurgia fizyczna i procesy. Marcel Dekker, Nowy Jork / Bazylea 2003, s. 146–149.
22. ^ Aluminium-Taschenbuch - Tom 1. Wydanie 16, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, str. 114 i nast.