Index of /rozprawy2/10230

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej. ROZPRAWA DOKTORSKA „Mikrostruktura i własności połączeń stopów aluminium wykonanych metodą zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału spoiny”. mgr inż. IZABELA KALEMBA. Promotor: dr hab. inż. Stanisław Dymek, prof. AGH. Praca finansowana przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach grantu promotorskiego nr N N507 458 134.. Kraków, 2010.

(2) Podziękowania Szczególne wyrazy wdzięczności kieruję do mojego promotora dr. hab. inż. Stanisława Dymka, prof. AGH za naukową opiekę, życzliwość, wyrozumiałość, czas poświęcony na dyskusje oraz cenne wskazówki udzielane mi podczas badań i opracowywania wyników. Pragnę podziękować również: dr. Carterowi Hamiltonowi (Miami University) - za dostarczenie materiału do badań; dr. inż. Markowi Paćko (AGH) - za pomoc w wykonaniu próby rozciągania; dr. inż. Krzysztofowi Muszce (AGH) - za pomoc w wykonaniu analizy EBSD; dr. inż. Mirosławowi Wróblowi (AGH) - za pomoc w interpretacji wyników badań tekstury; mgr. inż. Wiesławowi Brzegowemu (AGH) – za wskazówki udzielane mi podczas przygotowywania próbek do badań oraz Mojej Rodzinie i Przyjaciołom za wsparcie..

(3) Moim Rodzicom.

(4) Spis treści _____________________________________________________________________________ 1.. WSTĘP.............................................................................................................................................. 3. 2.. STOPY ALUMINIUM..................................................................................................................... 5 2.1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA........................................................................................................... 5 2.2. UMOCNIENIE STOPÓW ALUMINIUM ................................................................................................... 8 2.2.1. Umocnienie roztworowe........................................................................................................... 9 2.2.2. Umocnienie odkształceniowe.................................................................................................... 9 2.2.3. Umocnienie cząstkami innych faz........................................................................................... 11 2.3. OBRÓBKA CIEPLNA STOPÓW ALUMINIUM ........................................................................................ 12 2.4. STOPY ALUMINIUM Z SERII 7xxx (Al−Zn−Mg, Al−Zn−Mg−Cu) .................................................... 19. 3.. SPAJANIE STOPÓW ALUMINIUM .......................................................................................... 27 3.1. MOŻLIWOŚCI ŁĄCZENIA STOPÓW ALUMINIUM ................................................................................ 27 3.2. PROBLEMY PRZY SPAWANIU STOPÓW ALUMINIUM .......................................................................... 31. 4.. ZGRZEWANIE TARCIOWE Z MIESZANIEM MATERIAŁU SPOINY.............................. 36 4.1. WPROWADZENIE ............................................................................................................................. 36 4.2. ZASADA PROCESU ........................................................................................................................... 37 4.3. BUDOWA ZŁĄCZA............................................................................................................................ 38 4.4. PARAMETRY PROCESU..................................................................................................................... 40 4.4.1. Rodzaj narzędzia .................................................................................................................... 40 4.4.2. Parametry zgrzewania............................................................................................................ 46 4.5. MOŻLIWOŚCI FSW.......................................................................................................................... 49 4.5.1. Zalety i ograniczenia procesu ................................................................................................ 49 4.5.2. Zastosowanie.......................................................................................................................... 51. 5.. TEZA I CEL BADAŃ .................................................................................................................... 54. 6.. PRZEDMIOT I METODYKA BADAŃ....................................................................................... 55 6.1. PRZEDMIOT BADAŃ ......................................................................................................................... 55 6.2. BADANIA WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH......................................................................................... 57 6.2.1. Pomiar twardości ................................................................................................................... 57 6.2.2. Próba rozciągania.................................................................................................................. 58 6.3. BADANIA MIKROSTRUKTURALNE .................................................................................................... 59 6.3.1. Mikroskopia świetlna ............................................................................................................. 60 6.3.2. Skaningowa mikroskopia elektronowa ................................................................................... 60 6.3.3. Transmisyjna mikroskopia elektronowa................................................................................. 60 6.3.4. Badania rentgenowskie .......................................................................................................... 61 6.3.4.1. Dyfrakcyjna rentgenowska analiza fazowa........................................................................... 61 6.3.4.2. Rentgenowska dyfrakcyjna analiza tekstury......................................................................... 61. 6.4. BADANIE WŁASNOŚCI KOROZYJNYCH ............................................................................................. 62 6.4.1. Próba odporności na korozję warstwową – test EXCO ......................................................... 62 6.4.2. Pomiar chropowatości ........................................................................................................... 63 6.4.3. Badania elektrochemiczne...................................................................................................... 64 7.. WYNIKI BADAŃ........................................................................................................................... 66 7.1. MIKROSTRUKTURA ZŁĄCZA ........................................................................................................... 66 7.2. BADANIA TWARDOŚCI ZŁĄCZ .......................................................................................................... 68 7.3. PRÓBA ROZCIĄGANIA ...................................................................................................................... 72 7.4. MIKROSTRUKTURA POSZCZEGÓLNYCH STREF ZŁĄCZA.................................................................... 73 7.4.1. Materiał rodzimy − MR .......................................................................................................... 73 7.4.2. Zgrzeina (Strefa zmieszania − SZ).......................................................................................... 76 7.4.3. Strefa cieplno-plastyczna - SCP ............................................................................................. 78 7.4.4. Strefa wpływu ciepła – SWC .................................................................................................. 79 7.5. TEKSTURA ZŁĄCZA ........................................................................................................................ 83 7.6. ANALIZA EBSD .............................................................................................................................. 85 7.7. WŁASNOŚCI MECHANICZNE ZŁĄCZ FSW PO OBRÓBCE CIEPLNEJ ..................................................... 92 7.7.1. Badania twardości złącz......................................................................................................... 92 7.7.2. Próba rozciągania.................................................................................................................. 94. 1.

(5) Spis treści _____________________________________________________________________________ 7.7.3. Badania fraktograficzne - analiza przełomów pęknięcia ....................................................... 96 7.8. BADANIA KOROZYJNE ................................................................................................................... 100 7.8.1. Test EXCO złącza................................................................................................................ 100 7.8.2. Pomiar chropowatości próbki po teście EXCO.................................................................... 103 7.8.3. Badania elektrochemiczne.................................................................................................... 104 7.8.4. Zestawienie wyników testów korozyjnych zgrzeiny w stanie „dostawy”.............................. 107 7.8.5. Test EXCO złącza po obróbce cieplnej ................................................................................ 108 8.. DYSKUSJA WYNIKÓW ............................................................................................................ 110 8.1. WPŁYW PROCESU ZGRZEWANIA TARCIOWEGO Z MIESZANIEM MATERIAŁU ZGRZEINY NA JAKOŚĆ ZŁĄCZA ................................................................................................................................................ 110 8.2. KORELACJA WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH Z MIKROSTRUKTURĄ ZŁĄCZA FSW ........................... 111 8.3. ODPORNOŚĆ KOROZYJNA ZŁĄCZA FSW A JEGO MIKROSTRUKTURA .............................................. 116. 9.. PODSUMOWANIE I WNIOSKI KOŃCOWE ......................................................................... 118. 10.. LITERATURA ............................................................................................................................. 120. 2.

(6) Wstęp _____________________________________________________________________________. 1. Wstęp Obecnie dysponuje się ogromną ilością materiałów konstrukcyjnych, lecz wymagania im stawiane ciągle rosną. Dlatego cały czas prowadzone są intensywne badania, mające na celu opracowanie nowych lepszych materiałów i technologii. W konstrukcjach lotniczych (samoloty pasażerskie i transportowe) dominują stopy aluminium. Ze względu na swoje własności są one atrakcyjnym materiałem dla zastosowań, gdzie głównym wymaganiem jest wysoki stosunek wytrzymałości do gęstości. Dzięki temu możliwe jest projektowanie wytrzymałych lekkich konstrukcji. Jednak potrzeby konstruktorów zwiększają się, stąd ważnym zagadnieniem jest wprowadzanie stopów o udoskonalonych własnościach użytkowych. Przewiduje się, że zastosowanie stopów aluminium będzie wzrastać, mimo ogromnej konkurencji materiałów polimerowych i kompozytów na osnowie polimerów, które oferują podobne właściwości dla wielu zastosowań. Konkurencja innych materiałów wymusiła na producentach aluminium opracowanie nowych stopów oraz nowych technologii, które z powodzeniem rywalizują ze stalami oraz materiałami polimerowymi. Następuje więc rozwój zaawansowanych stopów o wyższej wytrzymałości, lepszych własnościach korozyjnych, mniejszej gęstości itd. Do takich materiałów należy stop aluminium 7136 wyprodukowany przez Universal Alloy Corporation. Stop ten po standardowej obróbce T76 posiada lepsze własności mechaniczne w porównaniu ze zwykle stosowanymi stopami z serii 7xxx, takimi jak np. 7075-T6. Dodatkowym atutem stopów aluminium jest ich stosunkowo łatwy recykling, co w dobie wzmożonej ochrony środowiska naturalnego człowieka czyni je niezwykle konkurencyjnym materiałem, gwarantującym tym stopom niezagrożoną pozycję wśród materiałów konstrukcyjnych. Za największą wadę stopów aluminium uznaje się słabość ich połączeń, która sprawia, że stopy Al, szczególnie te umacniane wydzieleniowo, uznawane są za trudno, lub w ogóle, niespawalne [01Wil, 06Liu]. Możliwość wdrażania nowych stopów wiąże się z optymalizacją kosztów produkcyjnych komponentów i ich montażu. W przypadku stopów 7xxx z powodu niemożności ich spawania przy użyciu konwencjonalnych technik, ze względu na nieodpowiednią mikrostrukturę krzepnięcia oraz dużą porowatość w strefie złącza, szczególnie ważny jest rozwój metod łączenia. Jedną z takich technologii jest metoda zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału spoiny (z ang. Friction Stir Welding – FSW) [91Tho, 95Daw, 05Mis]. W pracy przyjęto stosowanie nazwy procesu skrótowo jako FSW. W odróżnieniu od metod tradycyjnych, metoda FSW przebiega bez udziału fazy ciekłej.. 3.

(7) Wstęp _____________________________________________________________________________. Proces wykonywany jest w dużo niższej temperaturze niż metody konwencjonalne, nie występuje topnienie materiału, a dodatkowo proces jest przyjazny dla środowiska. W porównaniu z klasycznymi metodami spawania z przetopem, FSW jest techniką ekologiczną, tzn. nie powoduje emisji gazów spawalniczych, hałasu, czy też powstawania żużla i pól magnetycznych. W przypadku zgrzewania stopów aluminium kolejną zaletą jest brak konieczności usuwania pasywnej warstwy tlenków, co jest konieczne przy spawaniu z przetopem. Ponadto nie jest wymagana osłona gazów obojętnych, ponieważ nie występuje ryzyko powstania pęcherzy gazowych spowodowanych nadmierną ilością wodoru rozpuszczonego w aluminium [05Mis, 07Mis, 09Thr]. FSW jest technologią konkurencyjną w porównaniu z innymi metodami. Zasada procesu polega na wprowadzeniu obracającego się narzędzia ze specjalnie zaprojektowaną końcówką pomiędzy stykające się krawędzie łączonych płyt i przemieszczaniu go wzdłuż linii styku. Powstające podczas procesu ciepło zmiękcza materiał, a przemieszczające i obracające się narzędzie wymusza wymieszanie materiału z łączonych płyt. Towarzyszące temu znaczne odkształcenie plastyczne powoduje zmianę mikrostruktury złącza. Ze względu na mikrostrukturę w połączeniu wyróżnia się: zgrzeinę, otaczającą ją strefę cieplno-plastyczną (SCP) oraz strefę wpływu ciepła (SWC) [05Mis, 09Thr]. Zgrzeina posiada bardzo dobre właściwości mechaniczne w porównaniu z konwencjonalnymi spoinami [04Sut, 07Ham]. Ciągle prowadzone są badania w celu określenia optymalnych warunków łączenia. W zależności od rodzaju łączonego stopu, zmiany mikrostruktury i własności złącz FSW są różne. Zmiany te są szczególnie widoczne w stopach aluminium umacnianych wydzieleniowo, gdzie duże odkształcenie plastyczne pojawiające się podczas mieszania materiału, tak jak i cykle nagrzewania i chłodzenia w znaczącym stopniu modyfikują mikrostrukturę (a zatem i własności).. 4.

(8) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. 2. Stopy aluminium 2.1. Ogólna charakterystyka Aluminium jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków w skorupie ziemskiej (trzecie miejsce (8%), za tlenem (50%) i krzemem (26%)). Ze względu na swoją małą masę właściwą (2,70 g/cm3) zalicza się do grupy metali lekkich. Aluminium krystalizuje w strukturze regularnej ściennie centrowanej cF4 (A1), nie posiada odmian alotropowych, a jego temperatura topnienia wynosi 660°C. Oprócz małej masy właściwej aluminium posiada wiele użytkowych własności decydujących o jego zastosowaniu. Wśród nich można wyróżnić: dobre przewodnictwo elektryczne (40 MS/m) i cieplne (230 W/mK), łatwą obrabialność, utrzymanie własności mechanicznych i fizycznych w niskiej temperaturze oraz atrakcyjny wygląd. Aluminium charakteryzuje się ogólnie dobrą odpornością na różnego typu korozję. Odporność korozyjna związana jest z tworzeniem się na powierzchni aluminium cienkiej i ściśle przylegającej warstwy tlenku Al2O3 o temperaturze topnienia 2037oC. Aluminium odporne jest na korozję atmosferyczną oraz działanie wodoru, tlenu, siarki, chloru, bromu i fluoru. Nie jest odporne jednak na działanie kwasów, za wyjątkiem kwasu azotowego. Pomimo wielu bardzo dobrych własności użytkowych, własności wytrzymałościowe aluminium są stosunkowo małe (granica plastyczności czystego aluminium wynosi ok. 7 − 11 MPa), co ogranicza jego zastosowanie jako materiału konstrukcyjnego. W celu poprawy własności wytrzymałościowych aluminium wzbogaca się o różne dodatki stopowe, poddaje obróbce cieplnej i umacnia. Dzięki temu można otrzymać znacznie większą wytrzymałość (nawet kilkadziesiąt razy) [96Prz, 02Bli, 03Bli, 03Pil, 06Pol]. Najpowszechniej stosowanymi dodatkami stopowymi aluminium są: miedź, krzem, magnez, mangan i cynk. Rzadziej stosuje się srebro, lit i german. Niektóre pierwiastki (np. chrom, cyrkon czy skand) stosuje się jako dodatki stopowe, ponieważ tworzą z aluminium dyspersyjne, trudnorozpuszczalne fazy międzymetaliczne, zapobiegające rozrostowi ziarna podczas rekrystalizacji [06Pol]. Obecnie opracowanych jest ponad 300 stopów aluminium różniących się składem i własnościami, a ok. 50 z nich jest powszechnie stosowanych w przemyśle. Ze względu na technologię dalszego przerabiania stopów na bazie aluminium można je podzielić na: stopy odlewnicze i stopy do przeróbki plastycznej [03Bli]. Międzynarodowy system oznaczania stopów aluminium składa się z 4 cyfr (tab. 2.1). Pierwsza cyfra wskazuje na rodzaj głównego pierwiastka stopowego, określa serię. 5.

(9) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. stopów; druga wskazuje na modyfikację stopu lub ograniczenia domieszki, a dwie ostatnie cyfry identyfikują stop aluminium lub wskazują na czystość aluminium [96Pol]. Tablica 2.1. System oznaczania stopów aluminium do przeróbki plastycznej [96Pol]. Główny pierwiastek stopowy. Oznaczenie. Brak – 99% aluminium. 1xxx. Miedź. 2xxx. Mangan. 3xxx. Krzem. 4xxx. Magnez. 5xxx. Magnez i krzem. 6xxx. Cynk. 7xxx. Inne, np. Li. 8xxx. Odpowiednio dobrany skład chemiczny pozwala na uzyskanie jak najlepszej kombinacji własności tj. wytrzymałości i ciągliwości [96Pol]. Podstawowym aspektem odpowiedzialnym za własności danego stopu jest jego produkcja, czyli zastosowana technologia. Około 85% aluminium używane jest jako produkt po przeróbce plastycznej, w postaci np. blachy walcowanej (grubość powyżej 6 mm), blachy cienkiej (o grubości 0,15 – 6 mm), folii (grubość poniżej 0,15 mm), produktów wyciskanych, rur, prętów czy drutów. Poprzez procesy przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej zmieniana jest struktura, a jednocześnie własności stopu. Do każdej klasy stopów zgodnie z jego składem chemicznym odpowiednio dobrane są charakterystyki procesów w celu uzyskania jak najbardziej optymalnych własności. Niektóre stopy aluminium poddawane są obróbce cieplnej (stopy 2xxx, 6xxx i 7xxx) w celu uzyskania lepszych własności wytrzymałościowych. W tab. 2.2 przedstawiono system oznaczania stopów aluminium w zależności od stanu, w jakim się znajdują. Najważniejszą własnością stopów aluminium jest wysoki stosunek wytrzymałości do gęstości, tzw. wytrzymałość właściwa, która jest korzystnym parametrem konstrukcyjnym. Wytrzymałość właściwa dla aluminium jest większa niż dla stali, dlatego stopy aluminium stosowane są wszędzie tam, gdzie wymagana jest określona wytrzymałość konstrukcji przy możliwie małej masie. Stąd ich zastosowanie głównie w przemyśle. 6.

(10) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. lotniczym, samochodowym oraz kolejowym. Dodatkowo ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki czemu w niskiej temperaturze mają większą udarność niż stal. Jednak stopy aluminium posiadają niską temperaturę topnienia, co w rezultacie powoduje szybkie pogorszenie własności mechanicznych przy wzroście temperatury. Mają także małą wytrzymałość zmęczeniową [96Pol, 96Prz, 96Sta]. Tablica 2.2. Nomenklatura stopów aluminium w zależności od stanu w jakim się znajdują [96Pol, 06Pol, 10Sub].. Aluminium jest obecnie drugim (po żelazie) pierwiastkiem metalicznym najczęściej stosowanym na szeroką skalę. Aluminium i jego stopy znajdują zastosowanie między innymi w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, elektrycznym, w produkcji urzą-. 7.

(11) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. dzeń gospodarstwa domowego oraz opakowań (np. folia aluminiowa, puszki). Od około 1930 stopy aluminium są podstawowym materiałem wybieranym dla komponentów konstrukcyjnych samolotu. Mimo, że kompozyty o osnowie polimerowej są rozlegle stosowane w wysoko zadaniowym lotnictwie wojskowym i są wyspecjalizowane dla niektórych zastosowań w komercyjnym nowoczesnym przemyśle lotniczym, stopy aluminium są najczęściej wybierane do konstrukcji kadłubów, skrzydeł i innych dodatkowych elementów w komercyjnym i militarnym lotnictwie – towarowym i transportowym. Dobrze znane charakterystyki materiałowe stopów, znane koszty produkcyjne, doświadczenia projektowe, ustalone metody produkcyjne i urządzenia są kilkoma przyczynami kontynuowanego zaufania do stopów aluminium, zapewniających ich stosowanie [96Sta, 06Liu, 06Zen, 09Met]. Stopy aluminium są niezwykle konkurencyjnym materiałem ze względu na ich stosunkowo łatwy recykling. Ten atut gwarantuje stopom aluminium niezagrożoną pozycję wśród materiałów konstrukcyjnych.. 2.2. Umocnienie stopów aluminium Aluminium nie można umocnić za pomocą przemian fazowych (tak jak stali), ponieważ w całym zakresie temperatury ma jednakową strukturę krystaliczną – regularną ściennie centrowaną (cF4). Podstawowymi mechanizmami prowadzącymi do jego umocnienia, podobnie jak większości metali technicznych, są: • umocnienie roztworowe; • umocnienie dyslokacyjne (odkształceniowe); • umocnienie przez rozdrobnienie ziarna; • umocnienie cząstkami innych faz: • umocnienie wydzieleniowe • umocnienie dyspersyjne. Kryterium tego podziału mechanizmów umocnienia jest wymiar bariery stawianej przemieszczającym się dyslokacjom w odkształconych kryształach metalicznych. Każdy z mechanizmów może działać osobno, ale także równocześnie z innymi. Wtedy działanie mechanizmów jest sumowane. Do zastosowań inżynierskich aluminium musi być umacniane, a najważniejszymi mechanizmami umacniania stopów Al są: umocnienie wydzieleniowe, odkształceniowe i roztworowe. W stopach aluminium, z praktycznego punktu widzenia, najważniejsze mechanizmy umocnienia to umocnienie odkształce-. 8.

(12) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. niowe i wydzieleniowe. Umocnienie granicami ziaren, tak skuteczne w stalach, nie jest wykorzystywane z uwagi na trudności w otrzymaniu tak drobnego ziarna. 2.2.1. Umocnienie roztworowe Umocnienie roztworowe jest jedynym skutecznym mechanizmem umocnienia jeśli trzeba zastosować materiał w stanie wyżarzonym. Rozpuszczony pierwiastek będzie skutecznie umacniał roztworowo stop, kiedy będzie w znacznym stopniu rozpuszczał się w osnowie, po wolnym chłodzeniu pozostanie w roztworze oraz nie będzie tworzył związków z innymi pierwiastkami obecnymi w stopie.. Rys.2.1. Zależność granicy plastyczności od pierwiastka stopowego w podwójnych stopach aluminium w stanie wyżarzonym [86San]. Na rysunku 2.1 pokazano wpływ na granicę plastyczności stopu wybranych pierwiastków (tj. Mg, Mn, Cu, Zn, Si). Wszystkie stopy były obrobione w ten sposób, aby w roztworze pozostawała maksymalna zawartość pierwiastków rozpuszczonych. Mangan i miedź są najefektywniejszymi pierwiastkami przy zawartości ok. 0,5%, lecz mają tendencję do tworzenia niekorzystnych faz np. Al6Mn oraz Al7Cu2Fe. Magnez jest bardzo efektywny (wysoka rozpuszczalność i mały ciężar właściwy), jednak zmniejsza moduł Younga. Stopy umacniane magnezem osiągają granicę plastyczności do 175 MPa. Cynk ma bardzo dużą rozpuszczalność w aluminium, lecz w niewielkim stopniu przyczynia się do jego umocnienia [96Pol, 06Pol]. 2.2.2. Umocnienie odkształceniowe Podczas odkształcania materiału krystalicznego wraz ze wzrostem odkształcenia rosną naprężenia konieczne do kontynuowania odkształcenia. Takie zjawisko nazywane jest umocnieniem odkształceniowym. Przyrost granicy plastyczności ∆σd spowodowany odkształceniem jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego z gęstości dyslokacji ̺: (wzór 2.1). 9.

(13) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. gdzie β – stała, G – moduł sprężystości postaciowej, b – wektor Burgera dyslokacji. Umocnienie odkształceniowe zachodzi podczas procesów przeróbki plastycznej na zimno lub podczas formowania gotowych wyrobów. Jest to podstawowy mechanizm umocnienia w stopach aluminium, które nie są poddawane obróbce cieplnej. W stopach umacnianych poprzez obróbkę cieplną, umocnienie odkształceniowe może stanowić dodatkowy czynnik wpływający na całkowite umocnienie. Podczas odkształcenia plastycznego gęstość dyslokacji wzrasta, co objawia się zwiększeniem twardości i wytrzymałości. Aluminium i jego stopy należą do metali o bardzo dużej energii błędów ułożenia (~ 170 mJ/m2) i dlatego odkształcenie plastyczne zachodzi tylko mechanizmem poślizgu dyslokacji na płaszczyznach {111} i w kierunkach <110>. Podatność stopów aluminium na umocnienie odkształceniowe wykazuje silną zależność od temperatury. W podwyższonej temperaturze umocnienie zależy zarówno od temperatury jak i szybkości odkształcenia. Umocnienie stopniowo maleje wraz z podwyższeniem temperatury do pewnej wartości, przy której umocnienie zupełnie zanika (odkształcenie na gorąco). Temperatura ta to temperatura rekrystalizacji. Ma ona szczególne znaczenie praktyczne przy określeniu zależności pomiędzy żądaną wytrzymałością stopu oraz temperaturą i czasem odkształcenia na gorąco, czyli optymalizacji procesu przeróbki plastycznej. Wyżarzanie materiału odkształconego prowadzi do usunięcia skutków umocnienia odkształceniowego, czyli przywrócenia większości właściwości, jakie posiadał materiał przed odkształceniem. Gęstość dyslokacji w stanie odkształconym wynosi ok. 1012 cm/cm3. Zdrowienie powoduje zmniejszenie gęstości dyslokacji do ok. 1010 cm/cm3, a rekrystalizacja do 107 – 108 cm/cm3 [06Pol]. Wytrzymałość obniża się stopniowo podczas zdrowienia i następnie gwałtownie spada z postępem rekrystalizacji, natomiast ciągliwość wykazuje odwrotną zależność. Rekrystalizacja rozpoczyna się z chwilą osiągnięcia temperatury rekrystalizacji, która nie jest wielkością stałą, lecz zależy od składu chemicznego stopu, czasu wyżarzania i wielkości zadanego odkształcenia plastycznego. Wszystkie komercyjne stopy aluminium są zwykle rekrystalizowane w zakresie temperatury 300 – 420oC. Dalsze nieznaczne zmiękczenie materiału może nastąpić, jeśli po rekrystalizacji nastąpi rozrost ziarna. Podczas odkształcania plastycznego na gorąco występują więc dwa przeciwstawne procesy:. 10.

(14) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. • wzrost gęstości defektów struktury krystalicznej w wyniku tworzenia i przemieszczania się dyslokacji (niezbędne do realizacji odkształcania plastycznego), • zmniejszanie gęstości defektów w wyniku zdrowienia, a w wyższej temperaturze, także w wyniku rekrystalizacji [96Pol, 02Bli, 06Pol]. 2.2.3. Umocnienie cząstkami innych faz W umocnieniu stopów cząstkami drugiej fazy wyróżnia się umocnienie wydzieleniowe i dyspersyjne. Z umocnieniem wydzieleniowym (zwanym także utwardzeniem wydzieleniowym lub umocnieniem przez starzenie) mamy do czynienia wówczas, jeżeli cząstki umacniające tworzą się dzięki wydzielaniu z roztworu przesyconego lub w wyniku uporządkowania dalekiego zasięgu. W stopach umocnionych dyspersyjnie w miękkiej osnowie metalicznej znajdują się twarde nierozpuszczalne cząstki, najczęściej tlenków. Stopy aluminium mogą być w ten sposób umacniane dyspersyjnymi tlenkami Al2O3. Materiały takie uzyskuje się najczęściej metalurgią proszków w trakcie tzw. mechanicznego wytwarzania stopów (z ang. mechanical alloying). Ze względu na dużą stabilność stopy utwardzane dyspersyjnie zachowują dużą wytrzymałość w podwyższonej temperaturze. Umocnienie wydzieleniowe jest najważniejszym mechanizmem umocnienia w stopach Al, gdyż tylko w ten sposób można kilkunastokrotnie (do ok. 700 MPa) zwiększyć granicę plastyczności tych stopów. Występująca w stopie faza ciągła, stanowiąca znaczną jego objętość, jest nazywana osnową. Tworzące się w osnowie cząstki innej fazy są nazywane wydzieleniami. Osnowa i wydzielenia umacniające powinny spełniać następujące warunki: –. osnowa powinna być miękka i ciągliwa, natomiast wydzielenia – twarde;. –. twarde wydzielenia nie powinny tworzyć ciągłej błonki po granicach ziaren. osnowy, gdyż powstające w takich wydzieleniach pęknięcia mogą szybko rozprzestrzeniać się przez materiał, powodując jego zniszczenie; –. cząstki wydzieleń powinny być drobne, o dużej gęstości, równomiernie roz-. mieszczone w objętości stopu i przynajmniej częściowo koherentne; –. cząstki wydzieleń nie powinny mieć ostrych krawędzi, gdyż wówczas sprzy-. jają zarodkowaniu pęknięć. Umacniać wydzieleniowo można tylko takie stopy, które w stanie stałym wykazują zmniejszającą się rozpuszczalność jednego lub więcej pierwiastków stopowych wraz z obniżaniem temperatury. W takich stopach można rozpuścić, całkowicie lub częścio-. 11.

(15) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. wo, niektóre pierwiastki stopowe podgrzewając stop do wysokiej temperatury i następnie uzyskać roztwór przesycony poprzez szybkie chłodzenie stopu [02Bli, 03Bli, 06Pol]. W kolejnym rozdziale 2.3 omówiono obróbkę cieplną stopów aluminium prowadzącą do umocnienia wydzieleniowego oraz szczegółowo scharakteryzowano sam mechanizm umocnienia.. 2.3. Obróbka cieplna stopów aluminium Głównym celem obróbki cieplnej stopów aluminium jest podwyższenie własności wytrzymałościowych. Do stopów aluminium obrabialnych cieplnie należą stopy z serii 2xxx (Al–Cu, Al–Cu–Mg) , 6xxx (Al–Mg–Si), 7xxx (Al–Zn–Mg, Al–Zn–Mg–Cu) oraz niektóre stopy 8xxx (Al–Li). Obróbka cieplna składa się z trzech etapów (rys. 2.2): 1. Wytworzenie roztworu poprzez nagrzanie stopu do zakresu temperatury istnienia pojedynczej fazy (roztworu stałego), powyżej linii solvus, ale poniżej temperatury przemiany eutektycznej lub eutektoidalnej. Zbyt wysoka temperatura może doprowadzić do przegrzania stopu, powodując likwację związków i nadtopienia granic ziaren (np. często spotykane w stopach Al–Cu–Mg), co niekorzystnie wpłynęłoby później na plastyczność i inne własności mechaniczne stopu.. Rys. 2.2. Schemat umocnienia wydzieleniowego dla stopów Al–Cu [03Bli]. 2. Szybkie chłodzenie (przesycanie) – Szybkość chłodzenia musi zapewnić zatrzymanie atomów domieszek w roztworze i tym samym powstanie roztworu przesyconego (stąd nazwa procesu). Oziębianie często prowadzi się w powietrzu w temperaturze otoczenia, 12.

(16) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. ale chłodzenie w zimnej wodzie jest efektywniejsze. Jeżeli stop nie będzie dostatecznie szybko schłodzony, niektóre rozpuszczone pierwiastki mogą wydzielić się w formie dużych cząstek. Zmniejsza to poziom przesycenia i obniża efekt późniejszego procesu starzenia. Na rysunku 2.3 przedstawiono wykres zależności szybkości chłodzenia na efekt umocnienia w zależności od składu stopu zbliżonego do stopu 7075 [82Spa]. Wynika z niego, iż faza zawierająca chrom (Al12Mg2Cr) jest bardzo wrażliwa na szybkość chłodzenia − im szybciej chłodzimy stop, tym efekt wytrzymałości stopu spada. Natomiast wpływ szybkości chłodzenia na fazę zawierającą cyrkon (Al3Zr) jest niewielki.. Rys. 2.3. Wpływ szybkości chłodzenia na efekt umocnienia na przykładzie stopu Al–6,7Zn–2,5Mg–1,2Cu (0,07% Fe, 0,04% Si) w zależności od jego składu chemicznego[82Spa]. Konsekwencją wolnego chłodzenia mogą być także mikrostrukturalne zmiany w obszarze granic ziaren. W szczególności segregacja do granic ziaren rozpuszczonych pierwiastków stopowych, może powodować zmniejszenie ciągliwości i wyższą wrażliwość na korozję międzykrystaliczną stopu. Najwyższą wrażliwość na szybkość chłodzenia wykazują stopy oziębiane z zakresu temperatur 290 − 400oC. W takim przypadku często używa się chłodzenia w kąpieli solnej (np. dla niektórych wysokowytrzymałych stopów Al–Zn–Mg–Cu, stosuje się chłodzenie w stopionej kąpieli solnej w 180oC i wytrzymanie aż do czasu, kiedy schłodzi się do temperatury pokojowej) lub w płynach organicznych. Podczas zanurzenia gorącego elementu w zimnej wodzie, generowana jest trwała warstwa pary wodnej wokół niego. Skutkiem tego zmniejszony jest stopień chłodzenia w krytycznym zakresie temperatur. Przy stosowaniu płynów organicznych nie ma takiego problemu. Początkowo stopień chłodzenia jest zmniejszony przez lokalne wydzielanie się substancji rozpuszczonej w medium chłodzącym, po czym wzrasta. 13.

(17) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. w krytycznym zakresie temperatur, gdy wydzielenia ponownie rozpuszczą się. Całkowity stopień chłodzenia jest względnie stały. 3. Starzenie − kontrolowane wydzielanie cząstek faz międzymetalicznych z przesyconego roztworu stałego. Rozróżnia się starzenie naturalne – odbywające się w temperaturze pokojowej oraz starzenie sztuczne – w podwyższonej temperaturze, która zazwyczaj mieści się w zakresie od 100 – 190oC. Dobór temperatury i czasu starzenia zależy od rodzaju stopu. W starzeniu jednostopniowym temperatura jest tak dobierana, żeby w określonym dogodnym czasie uzyskać maksymalnie wysokie własności wytrzymałościowe. Można sterować zarówno czasem, jak i temperaturą. Niektóre stopy poddaje się wielostopniowemu starzeniu, dzięki któremu można poprawić nie tylko własności wytrzymałościowe, ale również takie własności jak odporność na korozję naprężeniową. Często najpierw stop poddaje się starzeniu naturalnemu, a potem w podwyższonej temperaturze. W przypadku gdy stopy były wolno chłodzone, inkubacja w temperaturze pokojowej może odgrywać dużą rolę, ponieważ mniejsze przesycenie wakacji zmienia kinetykę wydzielania [03Bli, 96Pol, 06Pol]. Zmiany zachodzące w stopie podczas starzenia, które prowadzą do wydzielenia się z przesyconego roztworu fazy międzymetalicznej, przebiegają poprzez szereg procesów pośrednich. Sekwencja wydzielenia zależy od składu roztworu przesyconego oraz od temperatury starzenia. Przykładowe rodzaje wydzieleń w zależności od stopu pokazano w tab. 2.3. Tablica 2.3. Przykładowe sekwencje wydzieleń umacniających podczas starzenia stopów aluminium[98Mar]. Stop Sekwencja wydzieleń Wydzielenie równowagowe Strefy GP (kuliste) → γ’ (płytki) → γ (Ag2Al) Al− −Ag Al− −Cu. Strefy GP (dyski)→ θ” (dyski)→ θ’ (płytki). → θ (CuAl2). Al− −Zn− −Mg Strefy GP (kuliste) → η’ (płytki). → η (MgZn2). Al− −Cu− −Mg Strefy GP (igły) → S’ (listwy). → S (Al2CuMg). Al− −Mg− −Si. → β (Mg2Si) (płytki). Strefy GP (igły) → β’ (igły). Kolejno powstają strefy Guiniera-Prestona (strefy GP), następnie zarodkują i rozrastają się fazy przejściowe (metastabilne), a na końcu formuje się faza równowagowa (rys. 2.4). Pojawienie się tej fazy jest niekorzystne podczas procesu starzenia, ponieważ prowadzi do zmniejszenia wytrzymałości materiału. Umocnienie uzyskuje się dzięki wydzieleniu faz przejściowych [96Pol, 98Mar, 03Bli]. 14.

(18) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. Rys. 2.4. Fazy metastabilne i faza stabilna powstające podczas procesu starzenia w stopach Al–Cu [03Bli]. Strefy GP to skupiska atomów rozpuszczonych w przesyconym roztworze, całkowicie koherentne z osnową. Zwykle podczas starzenia tworzą się jako pierwsze, w czasie niskotemperaturowego starzenia do ok. 180oC. Mogą mieć różny kształt (kulisty, dysków lub igieł) w zależności od energii odkształcenia wynikającej głównie z różnic pomiędzy średnicami atomów osnowy i domieszki. Aby powstały strefy GP wystarcza przemieszczenie atomów na względnie niewielkie odległości. Ich grubość nie przekracza kilku odległości międzyatomowych (ok. 10 nm średnicy). Z tego względu gęstość stref GP jest względnie duża (rzędu 1017 − 1018 na cm3), znacznie większa niż gęstość dyslokacji. To potwierdza fakt, że zarodkują bez udziału dyslokacji, ale przy ich tworzeniu ważną rolę odgrywają wakancje [96Pol, 98Mar, 02Bli, 03Bli]. Dłuższe wygrzewanie powoduje powstawanie kolejnych faz (rys. 2.5). Wydzielenie faz w procesie starzenia następuje w kolejności wzrostu ich stabilności. Z wydłużeniem czasu starzenia strefy GP ulegają rozpuszczeniu, a wydzielają się metastabilne cząstki fazy przejściowej, w stopach Al–Cu jest to faza θ”. Cząstki nowej fazy,. 15.

(19) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. podobnie jak strefy GP są koherentne z osnową i powodują umocnienie stopu. Cząstki tych wydzieleń posiadają bardzo duży moduł sprężystości i dużą twardość. Kolejna faza przejściowa (dla Al–Cu faza θ’) tworzy się na dyslokacjach i nie jest już w pełni koherentna z osnową. Po odpowiednio długim czasie starzenia tworzy się faza równowagowa. Zarodkuje ona na granicach ziaren osnowy i na granicach międzyfazowych osnowa/wydzielenia fazy przejściowej. Faza równowagowa jest niekoherentna z osnową, a jej powstawanie powoduje spadek umocnienia [96Pol, 98Mar, 02Bli,0 3Bli].. Rys. 2.5. Wszystkie możliwe wydzielenia pojawiające się podczas starzenia w stopie Al–Cu w zależności od czasu procesu [98Mar]. Jak wynika z rysunku 2.5 z obniżeniem temperatury starzenia wzrasta czas potrzebny do wydzielenia fazy θ”. Starzenie w niskiej temperaturze jest jednak korzystniejsze z powodu większej ilości atomów pierwiastków stopowych w roztworze. Uzyskana wytrzymałość jest większa, a jej maksimum rozciąga się na większy przedział czasowy, dzięki czemu realizacja procesu starzenia w praktyce jest łatwiejsza. Natomiast jeżeli temperatura starzenia jest zbyt wysoka, powoduje ominięcie w procesie wydzielania kolejnych faz pośrednich. Przy zbyt wysokiej temperaturze starzenia z roztworu przesyconego może bezpośrednio powstać faza równowagowa. Spadek umocnienia, czyli tzw. efekt przestrzenia, związany jest z utratą koherentności przez cząstki oraz zmianą mechanizmu oddziaływania cząstek z dyslokacjami. Efekt umocnienia związany jest z oddziaływaniem poruszających się dyslokacji z wydzieleniami. Przemieszczające się dyslokacje mogą oddziaływać na cząstki wydzieleń na drodze różnych mechanizmów. Najważniejsze mechanizmy to: przecinanie cząstek 16.

(20) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. przez dyslokacje – mechanizm Fridela i omijanie cząstek − mechanizm Orowana (rys. 2.6). Cząstki koherentne mogą być przecinane przez dyslokacje, a cząstki niekoherentne są zawsze omijane.. Rys. 2.6. Mechanizmy przechodzenia dyslokacji przez cząstki; a) mechanizm Fridela (przecinanie cząstek) [95Ash]; b) mechanizm Orowana (tworzenie pętli) [98Mar].. Rys. 2.7. Wpływ rozmiaru cząstek koherentnych na mechanizm oddziaływania (przy założeniu, że objętość względna wydzieleń jest stała)[98Mar]. W zależności od rozmiaru i twardości cząstek oraz odległości między cząstkami występuje odpowiedni mechanizm (rys. 2.7). Mechanizm przez przecinanie występuje tylko w przypadku cząstek koherentnych. Cząstki małe koherentne są przecinane przez dyslokacje (np. w stopie Al–Cu strefy GP i faza θ”). Jeśli wydzielenia są zbyt twarde, pomimo tego, że są koherentne, zostają opasywane przez dyslokacje. Dyslokacja otacza cząstki tworząc tzw. pętle dyslokacyjne i przechodzi dalej. Cząstka z utworzoną na niej pętlą dyslokacyjną stanowi efektywniejszą przeszkodę w ruchu kolejnych dyslokacji, przyczyniając się do umocnienia stopu [96Pol, 98Mar, 02Bli,0 3Bli]. Przeszkodami w ruchu dyslokacji w umacnianych wydzieleniowo stopach są wewnętrzne naprężenia wokół wydzieleń. Aby dyslokacja mogła się przemieszczać, na17.

(21) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. prężenie τ działające w płaszczyźnie i kierunku poślizgu musi być wystarczająco duże do przepchnięcia dyslokacji między cząstkami (rys. 2.8) [02Bli, 03Bli].. Rys. 2.8. Etapy wyginania dyslokacji pomiędzy twardymi cząstkami: a) zbliżanie się dyslokacji; b)stadium początkowe; c)stadium krytyczne; d)tworzenie pętli dyslokacyjnych [02Bli].. Rys. 2.9. Zależność naprężenia stycznego od odległości między cząstkami[02Bli]. Krytyczna sytuacja występuje, gdy dyslokacja wygina się w łuk o promieniu równym połowie odległości między cząstkami (rys. 2.9). Promień krzywizny dyslokacji jest wtedy najmniejszy. W tym przypadku siła τbL działająca na jeden segment równoważona jest przez siłę 2T – napięcia dyslokacji, która działa na końcach wygięcia. Dla takiej sytuacji stosując równanie τ = αGb/ρ oraz warunek, że ρ = L/2, otrzymano wzór na naprężenie τ: τ = 2αGb/L,. (wzór 2.2). gdzie: b – długość wektora Burgersa dyslokacji, L – odległość między cząstkami w płaszczyźnie poślizgu dyslokacji, T – napięcie dyslokacji [T=αGb2], G – moduł sprężystości postaciowej. Po uwzględnieniu wielkości cząstek oraz objętości względnej cząstek f otrzymujemy równanie: τ = C (Gb/r) f1/2,. (wzór 2.3). gdzie C jest stałą. Z zależności tej wynika, że wzrost granicy plastyczności stopu zależy od objętości względnej zajmowanej przez cząstki oraz od ich rozmiaru. Maksymalne umocnienie. 18.

(22) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. można osiągnąć, kiedy objętość względna cząstek jest duża, a promień cząstki mały [96Pol, 98Mar, 02Bli, 03Bli]. Podsumowując, na umocnienie wydzieleniowe wpływ ma kilka czynników [98Mar]: 1. Naprężenia koherencji – różnice w parametrach struktury pomiędzy cząstką i osnową wywołują naprężenia sprężyste wokół cząstek. 2. Umocnienie chemiczne – podczas przecinania cząstki przez dyslokację powstaje dodatkowa powierzchnia międzyfazowa, czyli musi być dostarczona dodatkowa energia (rys. 2.10a).. Rys. 2.10. Schemat przecinania cząstek przez dyslokacje: a) powstawanie dodatkowej powierzchni międzyfazowej; b) tworzenie granicy antyfrazowej. 3. Uporządkowanie struktury – przecinanie przez dyslokację cząstki uporządkowanej wiąże się z tworzeniem granicy antyfazowej (rys. 2.10b). 4. Różnice w energiach błędów ułożenia pomiędzy cząstką i osnową – różna separacja dyslokacji częściowych. 5. Różnice w modułach sprężystości – energia dyslokacji zależy silnie od modułu sprężystości. 2.4. Stopy aluminium z serii 7xxx (Al− −Zn− −Mg, Al− −Zn− −Mg− −Cu) Stopy z serii 7xxx to stopy aluminium z cynkiem i magnezem, a także bardzo często z dodatkiem miedzi, która zwiększa wytrzymałość oraz odporność na korozję naprężeniową. Na własności tych stopów ma wpływ zarówno sumaryczna zawartość Zn i Mg, jak również ich wzajemny stosunek Zn:Mg [96Pol]. Z powodu swoich atrakcyjnych własności mechanicznych stopy aluminium z serii 7xxx są rozlegle używane w lotnictwie, np. skrzydła, kadłuby samolotów i innych zastosowaniach konstrukcyjnych od lat 40-tych XX wieku. Mimo, że maksymalna wytrzymałość osiągana jest często kosztem zarówno odporności na kruche pękanie oraz odporności na pękanie korozyjno naprężeniowe, stopy z serii 7xxx charakteryzują się wysoką wytrzymałością przy jednoczesnej dobrej odporności na pękanie i dobrej odporności na korozję. Liczne ba-. 19.

(23) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. dania mają na celu udoskonalanie własności tych stopów. Rozwój stopów nowej generacji ciągle trwa. W latach 70-tych XX w. zamiast stopu 7075 zaczęto używać stopów 7050 czy 7150, później Alcoa wprowadziła stop 7085 (Al–7,5Zn–1,5Mg–1,7Cu– 0,12Zr) o dużo wyższej wytrzymałości i odporności na pękanie. Obecnie do najczęściej stosowanych w lotnictwie stopów z serii 7xxx należą 7249, 7150, 7449, a także wprowadzany teraz stop 7136 [96Sta, 06Bur, 06Cli, 06Liu, 07Lee, 07Now]. Stopy 7xxx najczęściej stosowane są w postaci blach i produktów wyciskanych. Wlewki do wyciskania produkowane są w procesie odlewania kokilowego (z ang. direct chill casting – DC-casting). Schemat procesu pokazano na rysunku 2.11. Najpierw pierwotne aluminium, złom i dodatki stopowe (często w formie stężonych pierwiastków utwardzających lub stopów przejściowych) topione są w odpowiednim piecu. Główną istotą poprawy jakości wlewka jest dokładne mieszanie składników wraz z efektywnym odżużlaniem, odgazowywaniem i filtrowaniem wytopu przed odlewaniem w celu usunięcia popiołów, tlenków, gazów i innych niemetalicznych domieszek [96Pol, 03Tot].. Rys. 2.11. Schemat odlewanie kokilowego – odlewania DC [03Tot]. Otrzymane wlewki poddawane są następnie procesowi wyciskania. Najpowszechniejszą metodą produkcji profili aluminiowych jest bezpośrednie wyciskanie (rys. 2.12a). Proces produkcji profili aluminiowych polega na poddaniu materiału wyjściowego, czyli wlewków ze stopu aluminium, przeróbce plastycznej na gorąco. Temperatura procesu mieści się w zakresie od 450oC do 600oC. Podgrzany materiał zostaje przeciśnięty przez stalową matrycę, która nadaje profilom pożądany kształt. Duże odkształcenie towarzyszące procesowi wyciskania jest korzystne, ponieważ wytwarza jednorodną mikrostrukturę na całym przekroju profilu. Długość uzyskiwanego pasma waha się 20.

(24) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. w granicach od 20 do 60 metrów. Stosowane jest również wyciskanie pośrednie (rys. 2.12b). Kolejnym etapem produkcji profili aluminiowych jest ich obróbka cieplna [96Pol, 03Tot].. Rys. 2.12. Schemat procesu wyciskania a) bezpośrednie b) pośredniego [09Roy]. Stopy 7xxx należą do stopów umacnianych wydzieleniowo. Stanowią one grupę najbardziej wytrzymałych stopów wśród dostępnych stopów aluminium. Ich wysoka wytrzymałość (umowna granica plastyczności sięgająca do 700 MPa) spowodowana jest obecnością takich pierwiastków jak cynk, miedź, magnez i chrom [96Pol, 06Liu, 07Now]. Pierwiastki te tworzą wydzielenia różnych trój- lub czteroskładnikowych związków w wyniku procesu przesycania i następnie starzenia. Dzięki nim uzyskuje się efekt umocnienia, który zależy od rozmiaru i rozmieszczenia cząstek. W stopach tych do wzrostu wytrzymałości przyczyniają się także w ograniczonym stopniu umocnienie przez rozdrobnienie ziarna, umocnienie roztworowe i umocnienie odkształceniowe [08Dix]. W stopach aluminium stosowane są mikrododatki. Do niektórych stopów z serii 7xxx dodaje się srebro. Mikrododatek srebra ułatwia proces starzenia poprzez podniesienie zakresu temperatury, w którym strefy GP są stabilne. Mikrododatki stosuje się nie tylko do stymulowania procesów wydzielania, ale także do regulowania procesów zdrowienia i rekrystalizacji. W tym celu dodaje się przede wszystkim cyrkon, także chrom, a ostatnio również skand. Mimo niezwykle wysokiej ceny dodatek skandu staje się coraz powszechniejszy. Skand łączy się z aluminium tworząc dyspersyjne, koherentne cząstki Al3Sc, które zarodkują niezależnie od innych faz obecnych w stopie. Wydzielenia Al3Sc powstają w stosunkowo wysokiej temperaturze, ok. 350oC, i są bardzo mało podatne na koagulację. Przyczyniają się do opóźniania rekrystalizacji stopów aluminium do temperatury ok. 600oC, która dla stopów Al jest temperaturą niezwykle wysoką. Dodatkowym działaniem cząstek Al3Sc jest efekt umocnienia wydzieleniowego. Faza Al3Sc jest izomorficzna z metastabilną fazą tworzoną w stopach aluminium 21.

(25) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. przez cyrkon, Al3Zr, dodawanego najczęściej razem ze skandem. Powstaje wtedy faza międzymetaliczna Al3(ScxZr1-x). Faza ta zarodkuje znacznie łatwiej, jej dyspersja w osnowie jest większa i bardziej równomierna niż faz Al3Zr i Al3Sc. Równomierny rozkład cząstek tej fazy sprzyja tworzeniu się struktury podziarnowej podczas odkształcenia, dzięki czemu zwiększa się efekt umocnienia stopu. Wydzielenia fazy Al3(Sc, Zr) zwiększają wytrzymałość i jednocześnie polepszają odporność na pękanie stopów Al. Ponieważ równowagowe rozpuszczalności Zr i Sc w stopach 7xxx są bardzo małe w pobliżu linii solidus, tworzenie się roztworu stałego tych pierwiastków w aluminium, niezbędnego do uzyskania nanometrycznych rozmiarów cząstek Al3(Sc, Zr) odbywa się już w początkowym etapie wytwarzania stopów, czyli podczas krystalizacji i homogenizacji. Jest to możliwe tylko w procesie odlewania DC (omówionym wcześniej), gdzie szybkość chłodzenia odlewów jest wystarczająco duża [05Roy, 06Pol, 08Sen]. Mikrostruktura wysokowytrzymałych stopów aluminium zawiera trzy rodzaje cząstek drugiej fazy: cząstki duże, dyspersoidy i wydzielenia umacniające. Cząstki duże są wynikiem obecności domieszek Fe i Si lub nadmiernej ilości głównych pierwiastków stopowych. Końcowy rozmiar cząstek elementarnych zależy od procedury wyrobu i wynosi zwykle od 5 do 30 µm. Dyspersoidy są cząstkami międzymetalicznymi utworzonymi z takich pierwiastków jak Cr czy Zr, które posiadają małą rozpuszczalność w aluminium w całym zakresie temperatury. Homogenizacja w wysokiej temperaturze (~ 350 – 500oC) przez długi czas (6 – 24 h) pomaga w wydzieleniu się dyspersyjnych cząstek Al3Zr. Te dyspersoidy są rozmiaru 20 – 50 nm. Zapobiegają one rozrostowi ziarna podczas przesycania i procesów termomechanicznych poprzez unieruchomienie granic ziaren. Umożliwia to poprawną utrzymanie drobnego ziarna w celu osiągnięcia pożądanej kombinacji wytrzymałości na rozciąganie, wytrzymałości zmęczeniowej oraz własności korozyjnych [08Dix]. Powszechnie dla przemysłowej serii stopów 7xxx obróbka cieplna oparta jest na przesycaniu i dwuetapowym starzeniu; początkowo w niskiej temperaturze (T1), następnie w podniesionej temperaturze (T2). Zastosowanie takiej obróbki pozwala uniknąć wydzielania wtórnego, które obserwowane jest w stopach Al−Zn−Mg i Al−Zn−Mg−Cu. Przez długi czas uważano, że własności mechaniczne stopu starzonego w podwyższonej temperaturze nie zmieniają się podczas stosowania go w temperaturze znacząco niższej, np. w temperaturze pokojowej. Zauważono jednak, że stopy 7xxx po starzeniu w 180oC i schłodzeniu do temperatury pokojowej, nadal podlegają starzeniu naturalnemu. Zjawisko to nazwano wydzielaniem wtórnym. Wydzielanie wtórne prowadzi do wzrostu 22.

(26) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. twardości i wytrzymałości, ale jednocześnie pogarsza ciągliwość, odporność na pękanie oraz odporność na pękanie korozyjno-naprężeniowe. Pogorszenie tych własności zachodzi w sposób nieprzewidywalny i niekontrolowany. Z tego powodu wydzielanie wtórne uznawane jest za zjawisko niepożądane. Przyczyną tego wydzielania jest znaczne większe stężenie atomów pierwiastka rozpuszczonego w roztworze stałym, po starzeniu na pik twardości (T6), niż wynika to z układu równowagi fazowej [96Pol]. Na rys. 2.13 zilustrowano zjawisko wydzielania wtórnego na podstawie krzywych twardości względem czasu dla trzech różnych wariantów obróbki cieplnej stopu 7075.. Rys. 2.13. Profile twardości stopu aluminium 7075 po starzeniu przez 0,5 h w temp. 130oC i następnie: 1) dalszym starzeniu w tej temp. przez 24 h; 2) starzeniu naturalnym oraz 3) starzeniu w temp. 65oC [05Lum]. Po konwencjonalnym starzeniu w temperaturze 130oC przez 24 godziny (obróbka T6) stop osiągnął pik twardości 195 HV. Po starzeniu w tej samej temperaturze, ale tylko przez pół godziny, pik twardości wyniósł 150 HV, ale po dłuższym czasie wytrzymania stopu w temperaturze pokojowej, jego twardość wzrosła do podobnej wartości. Natomiast długotrwałe, ok. 10000 h przetrzymywanie stopu (po obróbce T6) w temperaturze 65oC spowodowało wzrost twardości do 225 HV. Obserwacje te spowodowały, że niektóre stopy, szczególnie z serii 7xxx, poddaje się dwustopniowemu starzeniu. Zastosowanie takiej obróbki pozwala na zoptymalizowanie wielu własności stopów. Podczas starzenia poprzedzonego przesycaniem ma miejsce szereg procesów wydzielania. Typowa kolejność wydzielania cząstek umacniających z przesyconego roztworu stałego w stopach serii 7xxx jest następująca [98Mar, 06Cli, 06Fan, 08Dix]: SSSS (z ang. super saturated solid solution – roztwór przesycony)→ strefy GP → faza η’ → faza η. Pierwsze powstające wydzielenia to strefy Guinera-Prestona, które są metastabilne. Pełnią one funkcję miejsc heterogenicznego zarodkowania dla bardziej termodynamicznie stałych wydzieleń fazy η’ prowadząc do rozpuszczenia się stref GP. W stopach 23.

(27) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. z serii 7xxx rozróżniamy dwa typy stref GP, które różnią się strukturą – strefy GPI i GPII. Tworzą się w różnych uprzywilejowanych płaszczyznach osnowy aluminium i w różnych temperaturach starzenia i chłodzenia. W stopach z serii 7xxx główny wpływ na kinetykę starzenia ma stosunek Zn:Mg. Strefy GPI tworzą się tylko kiedy stosunek Zn:Mg jest bliski 1:1. W stopach z wyższym stosunkiem Zn:Mg częściej zarodkują bogate w cynk strefy GPII niż GPI. Strefy GPI tworzą się na płaszczyznach {011} w szerokim zakresie temperatury, od temperatury pokojowej do 140 – 150oC. Strefy GPII formują się na płaszczyznach {111} po chłodzeniu z temperatury powyżej 450oC, podczas starzenia w temperaturze powyżej 70oC [01Ber, 06Cli, 06Fan, 08Dix]. Strefy GP są koherentne z osnową, podczas gdy faza η’ jest półkoherentna, a faza η – niekoherentna. Kontrola rozmiaru i udziału objętościowego stref GP i fazy η’ w początkowym stadium jest ważna dla uzyskania optymalnych własności stopów 7xxx. Maksimum wytrzymałości zostaje osiągnięte, kiedy mikrostruktura składa się głównie z wydzieleń η’. Morfologia, skład chemiczny, rozmiar i kształt fazy η’ została szeroko przebadana. Utworzone fazy η’ i η posiadają skład zbliżony do MgZn2. Fazy te mają heksagonalną strukturę krystaliczną. Wydzielenia tej fazy rozrastają się uprzywilejowanie na płaszczyźnie {111} osnowy Al. Fazy η’ i η mogą także powstawać bezpośrednio podczas szybkiego chłodzenia i starzenia. Jeśli stop wytrzymany jest wystarczająco długo w temperaturze starzenia, to ustala się równowaga wydzieleń η’ i η, których rozmiar wynosi kilka nanometrów [06Tan]. Na kolejność powstających wydzieleń w procesie umocnienia wydzieleniowego mogą mieć wpływ warunki starzenia, a także skład chemiczny stopu. Według Starinka i Li [03Sta], oprócz pierwszej typowej sekwencji procesu umocnienia w stopach 7xxx, możliwe są jeszcze dwie następujące: SSSS → faza Τ lub SSSS → faza S. Wszystkie prawdopodobne wydzielenia mogące powstać w stopach z serii 7xxx podano w tablicy 2.4.. 24.

(28) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. Tablica 2.4. Prawdopodobne wydzielenia powstające w stopach aluminium Al–Zn–Mg−Cu [96Pol, 01Ber, 03Sta, 06Pol]. Wydzielenia Uwagi strefy GP: dwa rodzaje GP – sferyczne, 1−1,5 nm, uporządkowane. GP − cienkie dyski Zn, grubość 1−2 atomy, tworzy się na {111}α; częściowo uporządkowane η' (lub M’) heksagonalna a= 0,496 nm c= 1,405 nm. Mogą się tworzyć ze stref GP w stopach ze stosunkiem Zn : Mg > 3 : 1. η (lub M) heksagonalna MgZn2 a = 0,521 nm (0.5221) c = 0,860 nm (0.8567). Tworzą się na lub z fazy η’; mogą mieć jedną z dziewięciu zależności orientacji z osnową. ____. (0001)η’//(111)α; [1120]η’//[112]α; półkoherentne; w kształcie dysku. a//<112>α, c//<111>α. Skład zbliżony do MgZn.. ____. (1010)η//(001)α; (0001)η//(110)α; i (0001)η//(111)α; (1010)η//(110)α. Może mieć kształt listew lub płytek. Faza półkoherentna. Może tworzyć się zamiast fazy η w stopach o wysokim stosunku Mg:Zn. ____ ____. Τ’ heksagonalna prawdopodobnie Mg32(Al, Zn)49 a = 1,388 nm c = 2,752 nm. ____. ____. ____. (0001) Τ’//(111)α; (1011)Τ’ //(112)α. Τ regularna Mg32(Al, Zn)49 a = 1,416 nm. Może tworzyć się z η, jeśli temperatura starzenia jest wyższa niż 190oC, lub z Τ’ w stopach w wysokim stosunkiem Mg:Zn (100)Τ //(112)α; [001]Τ //[100]α. S’ rombowa Al2CuMg a = 0,404 nm b = 0,925 nm c = 0,718 nm. Faza półkoherentna. Zarodkuje na dyslokacjach. Tworzy się jako listwy w {210}α wzdłuż <001>α.. S rombowa Al2CuMg a = 0,400 nm b = 0,923 nm c = 0,714 nm. Niekoherentna faza równowagowa, prawdopodobnie tworzy się z S’.. W mikrostrukturze stopów 7xxx po umocnieniu wydzieleniowym, podobnie jak w innych stopach umacnianych wydzieleniowo, obecne są również strefy wolne od wydzieleń (z ang. precipitate free zones − PFZ) przy granicach ziaren. Pierwiastki z tego regionu podczas szybkiego chłodzenia tworzą grube wydzielenia w granicach ziaren. Strefy wolne od wydzieleń są miękkie i stanowią miejsca uprzywilejowane koncentracji naprężeń prowadzących do pękania, szczególnie groźnego rozprzestrzeniania się pękania korozyjno-naprężeniowego [03Tot, 08Dix].. 25.

(29) Stopy aluminium _____________________________________________________________________________. Pękanie korozyjno-naprężeniowe oraz korozja naprężeniowa to najczęściej spotykane typy korozji w stopach z serii 7xxx. Ich podatność na korozję zależy między innymi od zawartość cynku i magnezu. Najlepszą odporność na pękanie korozyjnonaprężeniowe posiadają stopy ze stosunkiem Zn : Mg z zakresu 2,7 – 2,9. W stopach 7xxx fazy międzymetaliczne np. Mg[Zn2,Al,Cu], MgAlCu lub Al2Mg3Zn3 wydzielone na granicach ziaren są anodą. Dzięki procesowi przesycenia można zmniejszyć potencjał ziarna, czyli zmniejszyć również różnicę potencjałów pomiędzy obszarem przy granicy ziarna i samym ziarnem. Całkowite przesycenie, które prowadzi do wydzielenia faz międzymetalicznych w całej objętości ziarna, daje strukturę najbardziej odporną na korozję naprężeniową. Zmniejszyć różnicę potencjałów między anodą – wydzieleniami na granicach ziaren a samym ziarnem można również poprzez odkształcenie na zimno powodujące przesunięcie potencjału elektrodowego ziarna w kierunku bardziej ujemnym. Oznacza to, że w stanie odkształconym stopy typu 7xxx mają dobrą odporność korozyjną. Przez rekrystalizację odporność tych stopów na korozję pogarsza się. Każdy dodatek stopowy, który utrudnia rekrystalizację tych stopów, polepsza ich odporność na korozję (np. chrom) [63Orm, 08Pag].. 26.

(30) Spajanie stopów aluminium. ______________________________________________________________________. 3. Spajanie stopów aluminium 3.1. Możliwości łączenia stopów aluminium Aluminium i jego stopy mogą być łączone poprzez spawanie, zgrzewanie oporowe, zgrzewanie w stanie stałym, lutowanie i klejenie. Spajanie aluminium i jego stopów związane jest z własnościami łączonego materiału, konfiguracją złącza, niezawodnością i solidnością projektu oraz możliwościami produkcyjnymi i warunkami procesu [93Lan, 94Eaa, 03Pil, 05Sac]. Czyste aluminium oraz stopy Al−Mn (3xxx) są bardzo dobrze spawalne. Stopy z magnezem posiadają dobre własności spawalnicze, jednak wykazują zwiększoną skłonność do pęknięć. Zwiększenie zawartości magnezu w stopach Al−Mg (5xxx) powoduje tendencję do utleniania utrudniające spawanie. Stopy obrabialne cieplnie posiadają gorszą spawalność w porównaniu ze stopami nieobrabialnymi cieplnie. Stopy Al−Mg−Si (6xxx) zalicza się do grupy stopów o ograniczonej spawalności. Obecność miedzi w stopie powyżej 0,25% zmniejsza spawalność, stąd stopy Al−Cu i Al−Cu−Mg (2xxx) uważane są za niespawalne ze względu na dużą skłonność do powstawania pęknięć. Również stopy z serii 7xxx wykazują dużą skłonność do pękania w procesie spawania i z tego względu są trudno spawalne. Stopy te można podzielić na dwie grupy: Al−Zn−Mg oraz Al−Zn−Mg−Cu. Stopy Al−Zn−Mg można spawać. Najczęściej stosuje się spoiwo ze stopów aluminium z magnezem, np. 5356. Natomiast stopy z serii 7xxx zawierające miedź uznawane są jako w ogóle niespawalne [03Pil, 04Sob, 10Twi]. Do spawania aluminium i jego stopów stosuje się następujące metody: spawanie gazowe, spawanie łukowe elektrodami otulonymi oraz spawanie łukowe w osłonie gazów ochronnych elektrodą topliwą (z ang. metal inert gas welding − MIG) i elektrodą nietopliwą (z ang. tungsten inert gas welding − TIG). Jednak najczęściej używane są dwie ostatnie metody. Metoda MIG jest wydajniejsza i tańsza niż TIG, a także powoduje mniejsze nagrzewanie i dzięki temu mniejsze odkształcenie elementów spawanych. Jednak zastosowanie MIG w połączeniach doczołowych w pozycji podolnej lub pułapowej wymaga zastosowania podkładek formujących grań spoiny, co nie jest konieczne w przypadku metody TIG. Szeroko stosowane jest spawanie łukowe elektrodą nietopliwą w osłonie gazów ochronnych (TIG) prądem przemiennym. Podczas tego procesu elektroda wolframowa, co pół okresu zmienia biegunowość. W półokresie dodatnim elektroda punktowa wolframowa będąca anodą emituje mniejszą ilość elektronów niż elektroda punktowa w półokresie ujemnym i następuje czyszczenie katodowe. Czysz-. 27.

(31) Spajanie stopów aluminium. ______________________________________________________________________ czenie katodowe, czyli usuwanie warstewek trudnotopliwych tlenków z powierzchni jeziorka, jest bardzo korzystne przy spawaniu aluminium i jego stopów. W związku z wystąpieniem nierównych wartości prądu w poszczególnych półokresach zasilania łuku powstaje w obwodzie spawania składowa stała prądu, która niekorzystnie wpływa na proces spawania i eksploatację urządzeń zasilających. Spawanie prądem stałym elektrodą ujemną może być użyte z osłoną argonu lub helu. Ochrona helowa jest skuteczna, ale wskazana dla zastosowań, gdzie wymagana jest duża głębokość penetracji i wysokie ciepło wchodzące. W spawaniu łukowym elektrodą topliwą w osłonie gazów ochronnych (MIG) przy użyciu anody pod prądem stałym, katoda daje ten sam efekt czyszczenia powierzchni jak spawanie łukowe elektrodą nietopliwą w osłonie gazów ochronnych. Metoda MIG jest korzystniejsza w przypadku spajania konstrukcji o większych rozmiarach i przy łączeniu elementów o grubości powyżej 5 mm. Natomiast TIG stosuje się do cieńszych elementów (do 6 mm) [93Lan, 94Eaa, 03Pil, 04Sob, 06Ada, 08Tas]. Ostatnio zastosowanie znajduje również spawanie plazmowe, które przy użyciu prądu przemiennego może być prowadzone z dwukrotnie większą szybkością niż spawanie TIG. Takie połączenie cechuje się wysokimi walorami estetycznymi, jednak posiada gorsze własności mechaniczne wynikające z porowatości spoiny [07Pfe]. Korzystnymi metodami spajania elementów konstrukcyjnych wykonanych ze stopów aluminium są również nowoczesne metody spawania wysokoenergetycznego skupioną energią: spawanie laserem oraz wiązką elektronów. Bardzo duża koncentracja energii minimalizuje wielkość strefy wpływu ciepła, czyli materiału rodzimego o zmienionej strukturze. Spawanie laserowe pomimo potencjalnie ogromnej wydajności, jest stosunkowo trudne. Ograniczeniem związanym ze spawaniem laserem jest bardzo niska absorpcyjność promieniowania laserowego przez aluminium. Stąd wymagane jest stosowanie laserów o dużej mocy, rzędu kilku kW oraz wykonywanie spoin na odosobnionych, ekranowanych stanowiskach [94Eaa, 05Ahm, 06Ada, 07Pfe]. W przypadku spawania wiązką elektronów ograniczeniem jest konieczność stosowania próżni. Spawanie używane jest głównie do łączenia czystego aluminium, nie obrabialnych cieplnie stopów Al−Mn oraz Al−Mg i niektórych obrabialnych cieplnie stopów Al−Zn−Mg. Wysokowytrzymałe stopy Al−Cu−Mg i Al−Zn−Mg−Cu, stosowane głównie w konstrukcjach lotniczych, są trudne do efektywnego spawania, stąd łączy się je przeważnie za pomocą nitowania lub zgrzewania punktowego [93Lan]. Zgrzewanie oporowe punktowe jest używane do łączenia blach aluminium np. karoserie w przemyśle motoryzacyjnym. Aluminium jest jednakże trudnym materiałem do zgrzewania 28.

(32) Spajanie stopów aluminium. ______________________________________________________________________ punktowego. Obecność warstwy trudnotopliwych tlenków na powierzchni metalu może spowodować niekontrolowane wahania rezystancji powierzchni i stąd konieczne jest czyszczenie powierzchni przed łączeniem. Ze względu na wysoką przewodność elektryczną i cieplną, konieczne są transformatory wysokoprądowe do zgrzewania. Zmiany objętości podczas krzepnięcia i chłodzenia wymagają ostrożności i szybkiej kontroli obciążenia elektrody. Wszystkie stopy aluminium mogą być łączone tą metodą [93Lan]. Zgrzewanie zgniotowe jest stosowane do łączenia aluminium w specjalnych zastosowaniach szczególnie łączeniu pancerza cięgna skrzyni biegów. Stopy nieobrabialne cieplnie łatwo się zgrzewa tą metodą. Do łączenia aluminium i jego stopów wykorzystuje się także zgrzewanie ultradźwiękowe, zgrzewanie tarciowe, zgrzewanie wybuchowe czy zgrzewanie elektronowe. Wszystkie stopy aluminium można także zgrzewać iskrowo, uzyskują złącza o wytrzymałości na rozciąganie równej ok. 80 % wytrzymałości materiału rodzimego. Metoda ta używana jest również do łączenia aluminium z miedzią [93Lan]. W ostatnich latach bardzo dużą popularnością wśród metod spajania stopów aluminium cieszy się metoda zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału zgrzeiny FSW. Technika ta została wynaleziona przede wszystkim do spajania trudno lub w ogóle niespawalnych stopów aluminium. Jest ona bardzo efektywna i z powodzeniem można ją zastosować wszędzie tam gdzie stosowane są konwencjonalne metody spawania (tab. 3.1) [03Kou, 03Pie1, 05Mis, 07Mis]. Tablica 3.1. Porównanie metod spawalniczych stosowanych do spajania stopów aluminium (T – możliwe, N – niemożliwe, W – połączenie wielowarstwowe) [03Pie1, 98Sam]. Konfiguracja złącza Grubość [mm] Metoda. FSW MIG TIG/Plazma Laser Wiązka elektronów Zgrzewanie punktowe/liniowe. Doczołowe. Zakładkowe. 1–5. 5 − 12. 12 − 25. > 25. 1–5. 5 − 12. 12 − 25. > 25. T T T T. T T W T. T W W T. T W W T. T N T T. T N W T. T W W N. N W W N. T. T. T. T. T. T. T. T. T. N. N. N. T. N. N. N. 29.

(33) Spajanie stopów aluminium. ______________________________________________________________________ W wielu zastosowaniach konieczne jest połączenie aluminium, czy też jego stopu, z innymi materiałami (np. stalami węglowymi czy stalami austenitycznymi Cr−Ni). Dotyczy to kriogenicznego sprzętu, szyn zbiorczych, naczyń. W tych zastosowaniach spawanie nie jest praktyczne z powodu tworzenia się kruchych międzymetalicznych związków. Dlatego do uzyskania takich złącz stosuje się lutowanie, klejenie, zgrzewanie wybuchowe i zgrzewanie tarciowe. Dla elementu o okrągłym przekroju, zgrzewanie tarciowe jest najlepszą metodą; mocne złącze można uzyskać mimo obecności kruchych związków w punkcie styku. Zgrzewanie ultradźwiękowe może być używane do łączenia przewodów do powierzchni pokrytych aluminium na urządzeniach półprzewodnikowych. Jest to typ mikrozgrzewania. Szczególne zainteresowanie tą metodą istnieje w przemyśle elektronicznym [93Lan]. W przypadku złożonych konstrukcji, np. chłodnica samochodowa, płytowe wymienniki ciepła, do łączenia poszczególnych elementów stosuje się lutowanie. W zależności od temperatury topnienia lutu rozróżnia się: lutowanie twarde (powyżej 450oC, ale poniżej temperatury solidus) i lutowanie miękkie (poniżej 450oC). Najczęściej lutowanie twarde stosuje się do aluminium (1xxx), stopy Al−Mn (3xxx), stopy 5xxx o niskiej zawartości magnezu (np. stop 5005), przy czym stopy z tej serii zawierające mangan są trudne do lutowania ze względu na gorszą zwilżalność powierzchni. Zakres temperatury topnienia lutów twardych przeważnie wynosi 560 – 610oC. Wśród stopów obrabialnych cieplnie do lutowania twardego nadają się tylko stopy z serii 6xxx. Natomiast stopy 2xxx i 7xxx nie nadają się do lutowania, ponieważ pomiędzy ich temperaturą topnienia a temperaturą topnienia lutów jest zbyt mała różnica. Temperatura solidus większości stopów z tych serii jest niższa niż 560oC. Jako luty twarde stosuje się stopy Al-Si (o zawartości krzemu 7 – 12%), Al−Cu−Si, Al−Cu−Si−Zn, Al−Zn, Al−Cu−Si−Cd−Sn. Luty mogą być w postaci drutu, prętów, folii lub proszku, a w niektórych przypadkach używa się lutów w postaci plateru naniesionego na podłoże aluminiowe, które może być różnie kształtowalne. Te luty są stosowane przy lutowaniu piecowym lub kąpielowym elementów o złożonym kształcie (np. przy wymiennikach ciepła). Do lutowania stosuje się topniki nieorganiczne na bazie chlorków i fluorków. Ich pozostałości po lutowaniu wymagają usunięcia z powierzchni złączy (przez spłukanie gorącą wodą lub poprzez czyszczenie chemiczne), gdyż wykazują silne własności korozyjne. W przypadku lutowania miękkiego nie używa się lutów na bazie aluminium. Stosuje się luty zawierające cynk, cynę, kadm oraz ołów, np. Zn−10Cd (zakres temperatury. 30.

(34) Spajanie stopów aluminium. ______________________________________________________________________ topnienia 265 – 400oC), Sn−30Zn (199 – 311oC) lub Pb−34Sn−3Zn (195 – 256oC). Luty cynkowe i cynkowo-kadmowe są używane z topnikiem chlorku cynku dając połączenie względnie odporne na korozję. Luty o niższej temperaturze topnienia ogólnie mają niską wytrzymałość i słabą odporność na korozję. Aluminium może być lutowane z sobą i z stalami węglowymi, nierdzewnymi, stopami niklu i miedzi. [93Lan, 96Pol, 03Pil, 04Sob].. 3.2. Problemy przy spawaniu stopów aluminium Bez względu na metodę spajania, otrzymane połączenie powinno charakteryzować się bardzo dobrą jakością oraz odpowiednimi własnościami w zależności od jego zastosowania. Dobra jakość złącza gwarantuje dużą trwałość i niezawodność wyrobów i konstrukcji spajanych. Stąd dobór metody jest bardzo ważny. Stopy aluminium są najczęściej spawanymi stopami wśród stopów metali nieżelaznych. Ich spawalność zależy głównie od składu chemicznego stopu, technologii spawania i kształtu połączenia. Większość stopów aluminium jest spawalnych, jednak stopy wysokowytrzymałe (niektóre stopy z serii 2xxx lub 7xxx) uznawane są za trudno lub w ogóle niespawalne [93Lan, 10Twi]. Spawalność stopów aluminium jest ograniczona wrażliwością na pękanie w procesie krzepnięcia i przez pogorszenie własności mechanicznych w strefie wpływu ciepła. Częstym problemem w spawaniu łukowym w osłonie gazów ochronnych jest również porowatość spoin. Ogólnie, wysokowytrzymałe stopy aluminium są bardziej wrażliwe na pękanie na gorąco w strefie stopienia i strefie częściowo przetopionej oraz spadek własności mechanicznych w strefie wpływu ciepła. Natomiast stopy Al-Li i stopy uzyskiwane metodami metalurgii proszków są wrażliwe na porowatość w strefie złącza [03Kou, 10Twi]. Najczęściej pojawiającym się problemem jest pękanie podczas krzepnięcia. Związane jest ono z dodatkiem pierwiastków stopowych a nie jak w przypadku stali z obecnością niskotopliwych domieszek. Pęknięcia mogą mieć charakter krystalizacyjny w osi spoiny (rys. 3.1) lub segregacyjny w strefie wpływu ciepła (rys. 3.2).. 31.