Stopy aluminium

Aluminium w swojej pierwotnej postaci – jako technicznie czysty metal otrzymywany w formie odlewów – wykazuje stosunkowo niskie własności wytrzymałościowe, co ogranicza jego bezpośrednie zastosowanie konstrukcyjne. Dlatego też w praktyce przemysłowej najczęściej stosuje się stopy aluminium, uzyskiwane poprzez dodatki pierwiastków innych metali, które znacząco poprawiają jego właściwości mechaniczne i użytkowe.

Niektóre pierwiastki stopowe umożliwiają dodatkowe umocnienie stopów aluminiowych poprzez odpowiednio dobraną obróbkę cieplną. Z kolei dzięki procesom przeróbki plastycznej nie tylko nadaje się wyrobom pożądany kształt i wymiary, ale również uzyskuje efekt umocnienia aluminium i stopów aluminium w wyniku ich odkształcenia.

Wpływ poszczególnych pierwiastków na stop aluminium

Podstawowym celem stosowania dodatków stopowych w aluminium jest zwiększenie własności wytrzymałościowych stopu, ale niektóre pierwiastki mają istotny wpływ na różne inne specyficzne własności materiału takie jak: odporność zmęczeniowa, zużycie cierne, odporność korozyjna, odporność na pełzanie i inne. Najważniejsze pierwiastki stopowe i ich charakterystyczny wpływ na właściwości aluminium zestawiono na rys. 1.

Podział gatunków aluminium

Stopy aluminium dzieli się ze względu na sposób przetwarzania, na dwie główne grupy (rys. 2):

• stopy odlewnicze do formowania poprzez krzepnięcie ciekłego metalu w formie;
• stopy do przeróbki plastycznej w procesach: wyciskania, kucia swobodnego/matrycowego, walcowania, tłoczenia i ciągnienia.

Stopy odlewnicze

Są to stopy aluminium przeznaczone do wytwarzania wyrobów poprzez odlewanie ciekłego metalu do form – piaskowych, kokilowych, ciśnieniowych itp., oznaczane w europejskiej normie symbolem EN AC, oraz do wytwarzania gąsek do dalszego przetopienia, oznaczane jako EN AB oraz do wytwarzania tzw. stopów wstępnych, oznaczanych jako EN AM. O właściwościach stopów odlewniczych decydują przede wszystkim: skład chemiczny, mikrostruktura powstała podczas krzepnięcia, a w przypadku niektórych gatunków – także obróbka cieplna.

Klasyfikacja stopów odlewniczych według serii norm europejskich serii PN-EN 1780 opiera się na dwóch systemach oznaczeń:

• numerycznym systemie serii pięciocyfrowych (np. EN AC-43000), który służy do jednoznacznej identyfikacji gatunków w dokumentacji technicznej [2],
• symbolicznym, w którym główne pierwiastki stopowe podawane są w kolejności malejącej zawartości (np. AlSi10Mg) [3].

Aluminiowe stopy odlewnicze można podzielić na dwie główne grupy: nieobrabialne cieplnie oraz obrabialnie cieplnie, które można umacniać poprzez tzw. umocnienie wydzieleniowe. Na rys. 3 zestawiono główne składniki poszczególnych serii odlewniczych stopów aluminiowych oraz ich podatność do obróbki cieplnej.

Stopy odlewnicze nieobrabialne cieplnie

• Stopy serii 10000 na bazie czystego aluminium – o zawartości Al powyżej 99%, wykazują dobrą odporność chemiczną i plastyczność, ale bardzo niską wytrzymałość.
• Stopy serii 40000 (Al-Si) – zawierają zwykle 5–13% krzemu. Krzem poprawia lejność i odporność na pękanie na gorąco;
• Stopy serii 50000 (Al-Mg) – zawierają zwykle 4–10% magnezu. Cechują się dobrą odpornością na korozję i niską gęstością;

Stopy odlewnicze obrabialne cieplnie

• Stopy serii 20000 (Al-Cu) – zawierają zwykle 3–6% Cu. Charakteryzują się bardzo dobrą wytrzymałością mechaniczną po przesycaniu i starzeniu, ale wykazują niższą odporność na korozję.
• Stopy serii 40000 (Al-Si-Mg) – zawierają zwykle 0,3–0,6% Mg. Dobrze reagują na obróbkę cieplną, łączą dobrą lejność z wysoką wytrzymałością;
• Stopy serii 40000 (Al-Si-Cu) – zapewniają wysoką wytrzymałość i stabilność własności w podwyższonej temperaturze;
• Stopy serii 70000 (Al-Zn-Mg) – stosunkowo rzadkie w odlewnictwie, ale pozwalają na osiągnięcie bardzo wysokich parametrów wytrzymałościowych przy odpowiednio prowadzonej obróbce cieplnej.

Stopy do przeróbki plastycznej

Są to stopy aluminium, przeznaczone do przeróbki plastycznej na zimno lub gorąco, w której materiał, zachowując swoją ciągłość w stanie stałym, ulega trwałemu odkształceniu pod wpływem siły mechanicznej. W ten sposób nadaje mu się pożądany kształt i wymiary i jednocześnie podnosząc właściwości mechaniczne stopu.

Klasyfikacja stopów aluminium do przeróbki plastycznej wg norm europejskich opiera się na dwóch systemach oznaczeń:

• numerycznym systemie serii czterocyfrowych (np. EN AW-5251) [4]
• na podstawie symboli chemicznych (np. EN AW-AlMg2) [5].

Stopy aluminium do przeróbki plastycznej dzielimy na stopy, których własności mechaniczne są kształtowane przez umocnienie odkształceniowe w procesach przeróbki plastycznej oraz stopy, których własności są kształtowane przez połączenie przeróbki plastycznej i specjalnej obróbki cieplnej, która prowadzi do tzw. umocnienia wydzieleniowego. Na rys. 4 zestawiono główne składniki poszczególnych serii stopów aluminiowych do przeróbki plastycznej oraz ich podatność do obróbki cieplnej.

Stopy aluminium umacnianie odkształceniowo wyłącznie przez przeróbkę plastyczną

• Stopy serii 1000 – są to niemal czyste technicznie gatunki aluminium, zawierające co najmniej 99,0 % wag. Al. Wyróżniają się one znakomitą przewodnością elektryczną i cieplną, a także wysoką odpornością na korozję.
• Stopy serii 3000 – Stopy z tej grupy to stopy aluminium z dodatkiem manganu (Mn), zwykle w ilości od 0,05 do 1,5 % wag., co znacząco poprawia ich właściwości mechaniczne i odporność na korozję w porównaniu z czystym aluminium.
• Stopy serii 4000 – Stopy tej serii to stopy z dodatkiem krzemu (Si), w ilości od 0,5 do 13,5 % wag. Stopy tej serii wykazują dobrą spawalność, lecz gorszą podatność na anodowanie.
• Stopy serii 5000 – Stopy tej serii zawierają magnez (Mg), jako główny pierwiastek stopowy, w ilości od 0,2 do 6,2 % wag., co zapewnia im dobrą wytrzymałość mechaniczną, wyższą niż w przypadku serii 1000 i 3000, przy zachowaniu dobrej podatności do przeróbki plastycznej.

Stopy aluminium umacniane przez przeróbkę plastyczną i wydzieleniowo przez obróbkę cieplną

• Stopy serii 2000 – stopy aluminium, w których głównym dodatkiem stopowym jest miedź (Cu), w ilości od 0,7 do 6,8% wag. Cechują się wysoką wytrzymałością mechaniczną, ale stosunkowo niską odpornością na korozję.
• Stopy serii 6000 – stopy, w których głównymi składnikami stopowymi są magnez (Mg) i krzem (Si), w ilościach odpowiednio 0,2–1,5 % wag. Mg i 0,2–1,5 % wag. Si. Charakteryzują się dobrą wytrzymałością mechaniczną, odpornością na korozję, dobrą spawalnością oraz podatnością do przeróbki plastycznej.
• Stopy serii 7000 – stopy, w których głównymi składnikami stopowymi są cynk (Zn) oraz magnez (Mg), często z dodatkiem miedzi (Cu). Zawartość cynku mieści się w zakresie 0,8–12 % wag., a magnezu 0,5–3,7 % wag. Cechują się bardzo wysoką wytrzymałością mechaniczną, natomiast ich odporność na korozję i spawalność są ograniczone.

Materiał został przygotowany przez Wydział Metali Nieżelaznych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie na zlecenie Polskiego Stowarzyszenia Aluminium.

Literatura

[1] ASM Handbook, Volume 2A: Aluminum Science and Technology, rozdział “Effects of Specific Alloying Elements and Impurities”, ASM International, 2018

[2] PN-EN 1780-1:2004 Aluminium i stopy aluminium — Oznaczenia gąsek do przetopienia z aluminium stopowego, stopów wstępnych i odlewów — Część 1: System oznaczeń numerycznych

[3] PN-EN 1780-2:2004 Aluminium i stopy aluminium — Oznaczenia gąsek do przetopienia z aluminium stopowego, stopów wstępnych i odlewów — Część 2: System oznaczeń na podstawie symboli chemicznych

[4] PN-EN 573-1:2006 Aluminium i stopy aluminium — Skład chemiczny i rodzaje wyrobów przerobionych plastycznie — Część 1: System oznaczeń numerycznych

[5] PN-EN 573-2:1997 Aluminium i stopy aluminium — Skład chemiczny i rodzaje wyrobów przerobionych plastycznie — System oznaczeń na podstawie symboli chemicznych

Źródło: Polskie Stowarzyszenie Aluminium