Index of /rozprawy2/11741

Pełen tekst

(1)AGH AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE. WYDZIAŁ ODLEWNICTWA KATEDRA INŻYNIERII STOPÓW I KOMPOZYTÓW ODLEWANYCH. ROZPRAWA DOKTORSKA OPTYMALIZACJA ZABIEGU MODYFIKOWANIA STOPÓW TYPU AL-CU. MGR INŻ. GABRIELA SIKORA. PROMOTOR: DR HAB. INŻ. MARCIN GÓRNY, PROF. AGH. KRAKÓW 2020.

(2) Składam serdeczne podziękowania Władzom Wydziału Odlewnictwa Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie za przeprowadzenie przewodu doktorskiego oraz za wsparcie finansowe w latach 2015 i 2016 w ramach Grantów Dziekańskich nr 15.11.170. 544 i 15.11.170.571. Składam serdeczne podziękowania Panu prof. Marcinowi Górnemu za pomoc i cierpliwość podczas realizacji niniejszej pracy..

(3) Spis treści STRESZCZENIE ......................................................................................................................................V ABSTRACT ..........................................................................................................................................VIII PRZEDMOWA ...................................................................................................................................... XI 1. Wstęp – motywacja do podjęcia badań ................................................................................... - 1 -. 2. Część teoretyczna ....................................................................................................................... - 3 -. 2.1. Charakterystyka aluminium i jego stopów ...................................................................... - 3 -. 2.1.1. Właściwości fizyczne i chemiczne aluminium .............................................................. - 3 -. 2.1.2. Ogólna klasyfikacja stopów aluminium ......................................................................... - 5 -. 2.2. Przygotowanie ciekłego metalu i jego stan fizykochemiczny ..................................... - 12 -. 2.2.1. Skład chemiczny .............................................................................................................. - 12 -. 2.2.2. Zanieczyszczenia i porowatości w stopach aluminium ............................................. - 15 -. 2.2.3. Proces topienia stopów aluminium .............................................................................. - 21 -. 2.2.4. Odlewanie stopów aluminium ...................................................................................... - 22 -. 2.3. Podstawy krystalizacji stopów aluminium .................................................................... - 24 -. 2.3.1. Zarodkowanie homogeniczne ....................................................................................... - 25 -. 2.3.2. Zarodkowanie heterogeniczne ...................................................................................... - 28 -. 2.3.3. Wzrost kryształów ........................................................................................................... - 30 -. 2.4. Modyfikacja ........................................................................................................................ - 37 -. 2.4.1. Podział mechanizmów działania modyfikatorów ...................................................... - 40 -. 2.4.2. Mechanizm podkładkotwórczy rozdrobnienia ziaren pierwotnych w stopach aluminium ........................................................................................................................ - 40 2.4.2.1. Modyfikacja stopów zaprawami ........................................................................ - 46 -. 2.4.2.2. Modyfikacja stopów solami i topnikami ........................................................... - 52 -. 2.4.2.3. Modyfikacja stopów przy zastosowaniu innych związków i gazów ............ - 54 -. 2.5. Charakterystyka obróbki cieplnej i plastycznej stopów Al-Cu ................................... - 55 -. 2.6. Wnioski płynące z przeglądu literatury ......................................................................... - 61 -. 3. Teza i cele pracy........................................................................................................................ - 64 -. 4. Część doświadczalna ............................................................................................................... - 65 -. 4.1. Materiały i metodyka badawcza ...................................................................................... - 65 -. 4.1.1. Materiały wsadowe ......................................................................................................... - 65 -. 4.1.2. Topienie i odlewanie ....................................................................................................... - 65 -. 4.1.3. Analiza termiczna ............................................................................................................ - 67 -. 4.1.4. Przygotowanie próbek do badań metalograficznych ................................................. - 68 -. 4.1.5. Badania mikroskopowe LM i SEM................................................................................ - 68 -. 4.1.6. Badania ilościowe struktury stopów............................................................................. - 69 -. 4.1.7. Badania rentgenowskie XRD ......................................................................................... - 71 -. 4.1.8. Badania właściwości mechanicznych ........................................................................... - 71 -. III.

(4) Wyniki badań ............................................................................................................................ - 73 -. 5 5.1. Charakterystyka zastosowanych zapraw modyfikujących .......................................... - 73 -. 5.1.1. Zaprawa AlTi5 ................................................................................................................. - 73 -. 5.1.2. Zaprawa AlB3 .................................................................................................................. - 74 -. 5.1.3. Zaprawa AlTi5B1 ............................................................................................................. - 76 -. 5.2. Badania zaniku efektów modyfikacji stopów Al-Cu .................................................... - 78 -. 5.2.1. Wybór optymalnej zaprawy .......................................................................................... - 78 -. 5.2.2. Wpływ dodatku tytanu w stopie wyjściowym na trwałość efektów modyfikacji . - 83 -. 5.2.3. Analiza termiczna ............................................................................................................ - 90 -. 5.2.4. Badania właściwości mechanicznych dla wybranych zapraw AlTi5B1 oraz AlB3 - 94 -. 5.2.5. Podsumowanie ................................................................................................................ - 96 -. 5.3. Wpływ głównego składnika stopowego w stopach Al-Cu na strukturę pierwotną i zdolność do jej modyfikacji ............................................................................................ - 98 -. 5.3.1. Analiza termiczna ............................................................................................................ - 99 -. 5.3.2. Analiza struktury........................................................................................................... - 101 -. 5.3.3. Analiza wyników .......................................................................................................... - 103 -. 5.3.4. Podsumowanie .............................................................................................................. - 106 -. 5.4. Wpływ stanu fizykochemicznego oraz szybkości stygnięcia na strukturę i właściwości stopów typu Al-Cu .................................................................................. - 108 -. 5.4.1. Analiza termiczna .......................................................................................................... - 109 -. 5.4.2. Badania mikroskopowe ................................................................................................ - 112 -. 5.4.3. Badania mechaniczne .................................................................................................... - 117 -. 5.5. Weryfikacja modeli heterogenicznego zarodkowania ziaren pierwotnych α(Al) .. - 121 -. 5.5.1. Opis modeli zarodkowania .......................................................................................... - 121 -. 5.5.2. Porównanie wybranych modeli zarodkowania dla stopu Al-5Cu ......................... - 122 -. 5.5.3. Rozkład wielkości podkładek do zarodkowania wyznaczony za pomocą modelu Frasia ................................................................................................................ - 128 -. 6. Dyskusja wyników badań ..................................................................................................... - 130 -. 7. Wnioski i kierunki dalszych badań...................................................................................... - 135 -. Literatura ......................................................................................................................................... - 136 Spis rysunków ................................................................................................................................. - 147 Spis tabel .......................................................................................................................................... - 150 -. IV.

(5) Gabriela Sikora Optymalizacja zabiegu modyfikowania stopów typu Al-Cu. STRESZCZENIE Praca dotyczy optymalizacji zabiegu modyfikowania stopów typu Al-Cu z użyciem wybranych zapraw dostępnych komercyjnie. Optymalizację stanu fizykochemicznego ciekłego stopu wykonano z użyciem krzywych krystalizacji i stygnięcia poprzez dobór czasu przetrzymania od momentu wprowadzenia modyfikatora, a także składu chemicznego kąpieli metalowej poprzez ustalenie początkowej zawartości tytanu oraz głównego składnika stopowego – miedzi w stopie przeznaczonym do modyfikacji zwanym inaczej wyjściowym. Optymalizacja polegała na otrzymaniu ziarna pierwotnego α(Al) o wielkości mniejszej niż 220 µm. Uzyskanie znacznej liczby ziaren pierwotnych fazy α(Al) zapewnia minimalizacje porowatości skurczowych oraz minimalizuje wielkość faz międzydendrycznych, a także zapewnia ujednorodnienie mikrostruktury, co prowadzi do uzyskania poprawy właściwości mechanicznych w stanie lanym. W pracy założono stały dodatek zaprawy modyfikującej wynoszący 0,2 % w stosunku do masy materiałów wsadowych. W badaniach posługiwano się metodami mikroskopii optycznej (LM) i skaningowej (SEM), mikroanalizy rentgenowskiej (EDS), dyfraktometrii rentgenowskiej (XRD), analizy termicznej (AT), a także ilościową analizą obrazów (ROI). Badania obejmowały charakterystykę zapraw modyfikujących AlTi5, AlB3 i AlTi5B1. Wyboru optymalnej zaprawy AlTi5B1 do dalszych dokonano badając zanik efektów modyfikacji dla stopów niezawierających początkowego tytanu w namiarze wsadu. Po zastosowaniu zaprawy AlTi5B1 otrzymano najbardziej rozdrobnione ziarno pierwotne α(Al), którego wielkość osiągnęła zakładaną wartość optymalną wynosząca 220 µm. W tym przypadku za pomocą zaprawy wprowadzono odpowiednio 100 ppm tytanu oraz 20 ppm boru do stopu wyjściowego. W tej samej grupie stopów aluminium po zastosowaniu zaprawy AlB3, gdzie wprowadzono trzykrotnie więcej boru niż w przypadku zaprawy AlTi5B1, uzyskano najgorsze efekty modyfikacji ziarna pierwotnego α(Al). Wynik ten może być związany z tym, że mikrostruktura tej zaprawy zawiera borki, ale głównie w postaci fazy α(AlB12). Optymalny modyfikator typu Al-B powinien zawierać borki w postaci fazy AlB2. Opisana powyżej tendencja utrzymała się również dla stopów, które początkowo zawierały 0,16 % masowych tytanu. Na podstawie tych badań wyciągnięto wniosek, że bor nie jest dobrym modyfikatorem dla stopów Al-5Cu niezawierających tytanu w przypadku, gdy w zaprawie modyfikującej występuje w postaci fazy α(AlB12). Podczas badań zaniku efektów modyfikacji głównie dla zaprawy AlTi5B1 i w mniejszym stopniu dla AlB3 zaobserwowano, że im większy początkowy dodatek tytanu zastosowano, tym obserwowano mniejszy zanik efektów modyfikacji oraz większe było przesunięcie w czasie otrzymanie stopu superzmodyfikowanego. Zmiany te świadczą o tym, że w przypadku stopów. V.

(6) o wyższej zawartości tytanu zaprawy modyfikujące wymagają więcej czasu na osiągnięcie swojego maksymalnego potencjału zarodkowania. W przypadku zaprawy AlTi5B1 i zwiększonej początkowej zawartości tytanu obserwowano wzrost kryształów fazy Al3Ti w obrębie ziarna pierwotnego fazy α(Al) wraz ze zwiększeniem czasu przetrzymywania stopu. Efekty modyfikacji można oceniać za pomocą krzywych krystalizacji i stygnięcia. W pracy przedstawiono charakterystykę krzywych krystalizacji i stygnięcia dla stopów wyjściowych i modyfikowanych różnymi zaprawami oraz o różnej początkowej zawartości tytanu oraz miedzi. Wykazano, że równowagową temperaturę krystalizacji należy odnieść do zawartości głównego składnika stopowego – miedzi, która w aluminium działa w dwojaki sposób. Hamuje wzrost ziarna pierwotnego α(Al) poprzez segregację (pomimo modyfikacji zaprawą AlTi5B1) oraz zmienia napięcie powierzchniowe (zmniejsza napięcie powierzchniowe na granicy ciecz-zarodek, a także zwiększa je na granicy ciecz-wnęka formy). Wielkość ziarna pierwotnego α(Al) nie pozostaje bez znaczenia, ponieważ determinuje ona końcowe właściwości mechaniczne gotowego odlewu. W pracy obserwowano ziarna o różnym kształcie od kolumnowych poprzez równoosiowe o różnie rozwiniętych gałęziach drugiego rzędu, aż po globularne. Zmiana kształtu ziaren pierwotnych α(Al) może być, zatem jednym z efektów modyfikacji struktury pierwotnej. Wraz z rozdrobnieniem struktury pierwotnej obserwowano rozdrobnienie i ujednorodnienie rozmieszczenia faz pochodzenia eutektycznego poprzez zwiększenie ich udziału powierzchniowego. Jak wykazały przeprowadzone badania korzystniejsze właściwości mechaniczne otrzymuje się, gdy średnia średnica ziarna pierwotnego jest mniejsza, co w rozważanych przypadkach odpowiada rekalescencji zbliżonej do 0°C oraz maksymalnemu stopniu przechłodzenia, który wynosi mniej niż 5-7°C. Wykazano, że proces modyfikacji struktury pierwotnej jest niestabilny i wymaga ścisłej kontroli metalurgicznej, ze względu na czas przetrzymywania. Dla ustabilizowanego procesu wytopu jest możliwe otrzymanie optymalnej wielkości ziarna pierwotnego α(Al) dla stopu nie zawierającego początkowej zawartości tytanu we wsadzie. Optymalizacja stanu fizykochemicznego ciekłego metalu w połączeniu ze wzrostem szybkości stygnięcia spowodowała wzrost wytrzymałości na rozciąganie oraz wydłużenia. Szybkość stygnięcia zwiększa się eksponencjalnie w miarę zmniejszania grubości ścianki odlewu. Z przeprowadzonych badań wynika, że szybkość stygnięcia odlewów zmienia się w szerokim zakresie (23,7 – 1,2 ºC/s) przy zmianie grubości ścianki w zakresie od 3 do 25 mm nie zależnie od otrzymanego stanu fizykochemicznego ciekłego metalu. Szybkość stygnięcia reprezentuje warunki wymiany ciepła na początku procesu krystalizacji fazy α(Al), co determinuje końcową liczbę ziaren fazy pierwotnej α(Al) dla danego potencjału zarodkowania. Zabieg modyfikacji powiększa gęstość zarodków fazy α(Al) oraz ilość ciepła generowanego podczas krystalizacji i w konsekwencji zmniejsza maksymalny stopień przechłodzenia. Badania. eksperymentalne. wskazują. ponadto,. że. związek między gęstością. ziaren. pierwotnych, a maksymalnym stopniem przechłodzenia (przy zmiennej szybkości stygnięcia) dla stopów Al-Cu można opisać za pomocą modelu Frasia lub modelu Oldfielda z wysokimi współczynnikami determinacji. Oszacowano dla modelu Frasia i Logarytmiczno-normalnego jaki procent podkładek do zarodkowania staje się aktywne w zależności od maksymalnego stopnia przechłodzenia. Otrzymane wyniki osiągają wartości maksymalne na poziomie od kilku procent (2-5 %) dla stopu niemodyfikowanego do kilkunastu (13-23 %) dla stopów modyfikowanych. Rozkład wielkości podkładek do zarodkowania można przybliżyć używając modelu Frasia oparty o rozkład Weibulla z dobrą zgodnością wyznaczonych teoretycznie objętościowych gęstości VI.

(7) ziaren z tymi otrzymanymi doświadczalnie za pomocą metalografii ilościowej. Na podstawie, czego, można oszacować niepewność temperatur wyznaczanych na podstawie krzywych krystalizacji i stygnięcia, która nie przekracza 1°C. Zaproponowano schemat mechanizmu modyfikacji ziarna pierwotnego α(Al) w stopach Al-5Cu z użyciem zaprawy AlTi5B1, który wyjaśnia przesunięcie stanu superzmodyfikowanego w czasie wraz ze wzrostem początkowej zawartości tytanu we wsadzie.. VII.

(8) Gabriela Sikora Optimization of grain refinement process in Al-Cu alloys. ABSTRACT The work presents an optimization of the grain refinement process of Al-Cu alloys with the use of selected commercially available master alloys. The optimization of the physicochemical state of the liquid metal was performed with the use of crystallization and cooling curves by selecting the holding time from the moment of introducing the master alloy as well as of the chemical composition of the melt by determining the initial content of the titanium and the main alloy element (copper) in the alloy that was intended for grain refinement (otherwise known as the base alloy). The optimization target was set to obtain the primary α(Al) grain with a size that is smaller than the optimum value of 220 µm. Obtaining a high number of primary α(Al) grains ensures the minimization of the shrinkage porosity and minimizes the size of the interdendritic phases as well as the homogeneity of the microstructure, which leads to an improvement in the mechanical properties in the as-cast state. The study assumed a constant addition of grain-refining master alloys in a quantity equal to 0.2% of the metal by weight. Light microscopy (LM), scanning microscopy (SEM), X-ray microanalysis (EDS), X-ray diffraction (XRD), a thermal analysis (AT), and a quantitative image analysis in the region of interest (ROI) were the methods that were used in the research. The research concerns the characteristics of AlTi5, AlB3, and AlTi5B1 master alloys being used as grain-refining agents. The selection of the optimal AlTi5B1 master alloy for further research was made by examining the fading of the grain refinement effects for alloys that do not contain the initial titanium in the charge materials. After using the AlTi5B1 master alloy, the finest primary α(Al) grain was obtained, whose size reached the assumed optimum value of 220 µm. In this case, only 100 ppm titanium and 20 ppm boron were introduced into the base alloy by the master alloy addition. In the same group of aluminum alloys after using the AlB3 master alloy (where three times more of the boron addition was introduced to the base alloy than in the case of the AlTi5B1 master alloy), the worst effects of the grain refinement of the primary α(Al) grain were observed. This result may be related to the fact that the microstructure of this master alloy contains borides (but mainly in the form of the α(AlB12) phase). The optimal Al-B grain refiner should contain borides in the form of the AlB2 phase. The mentioned tendency also continued for the base alloys, which initially contained 0.16 wt.% of titanium. Based on these results, it was concluded that the boron is not a good grainrefinement agent for titanium-free Al-5Cu alloys when it is present in the grain-refining master alloy in the form of the α(AlB12) phase. During the research on the fading of the grain-refinement effects (mainly for the AlTi5B1 master alloy, but less for AlB3), it was observed that the higher the use of the initial titanium addition, the smaller the observed fading of the grain-refinement effects. Also, the obtaining of the superVIII.

(9) refined alloy was delayed over time. These changes indicate that, in the case of base alloys with higher levels of titanium content, the refining master alloys require more time to reach their maximum nucleation potential. In the case of the AlTi5B1 master alloy and the increased initial titanium content, the growth of crystals of the Al3Ti phase was observed along the primary α(Al) grain with increased holding times of the liquid metal. The effects of the grain refinement can be estimated based on the crystallization and cooling curves. This work presents the characteristics of the crystallization and cooling curves for base alloys and alloys with grains refined with various master alloys as well as with different initial titanium and copper contents. It has been shown that the equilibrium solidification temperature at the beginning of the solidification process should be related to the content of the main alloy component (copper), which can act in two ways in aluminum. Copper in aluminum alloys inhibits the growth of the primary α(Al) grain through the segregation process (despite the addition of an AlTi5B1 master alloy) and change in the surface tension (reduces the surface tension at the nucleus-melt interface, and increases it at the melt-mold cavity interface). The size of the primary α(Al) grain is relevant, as it determines the final mechanical properties of the casting. In this study, grains of various shapes (from columnar through equiaxial shapes with differently developed secondary arms to globular ones) were observed. Therefore, the change in the shape of the primary α(Al) grains may be one of the effects of the grain refinement of the primary structure. Along with the reduction of the size of the primary α(Al) grains, the fragmentation and homogeneity of the distribution of the eutectic phases were observed by increasing their area fraction. As the research has shown, more-favorable mechanical properties are obtained when the average diameter of the primary α(Al) grain is smaller which corresponds to a recalescence (that is close to 0°C in the considered cases) and the maximum degree of undercooling (which is less than 5°-7°C). It has been shown that the process of the grain refinement of the primary structure is unstable and requires strict metallurgical control due to the holding time of the liquid metal. For a stabilized melting process, it is possible to obtain an optimal size of the primary α(Al) grain for an alloy that does not contain the initial titanium content in the charge materials. An optimization of the physicochemical state of the liquid metal combined with an increase in the cooling rate resulted in an increase in the tensile strength as well as elongation. The cooling rate increases exponentially as the wall thickness of the casting decreases. The research shows that the cooling rate of the castings varies within a broad range (23.7°-1.2ºC/s) when the wall thickness varies from 3 to 25 mm (regardless of the physicochemical state of the liquid metal). The cooling rate represents the thermal conditions (of heat exchange) at the beginning of the crystallization process of the α(Al) phase, which determine the final number of the α(Al) phase grains for the given nucleation potential. The grain-refinement treatment significantly increases the α(Al) phase nucleus density and the amount of heat generated during the α(Al) phase formation, and it consequently reduces the maximum degree of undercooling. Moreover, the experimental studies indicate that the relationship between the primary grain density and the maximum degree of undercooling (at variable cooling rates) for Al-Cu alloys can be described using the Fras or Oldfield models with high coefficients of determination. The percentage of the nucleation sites becoming active depending on the maximum degree of undercooling was estimated for the Fras and Log-normal models. The obtained results reach maximum values ranging from a few percentage points (2-5%) for the base alloy to over a dozen (13-23%) for the grain-refined alloys.. IX.

(10) The size distribution of the nucleation sites can be approximated by using the Fras model based on the Weibull distribution with the good agreement of the theoretically determined volumetric grain densities with those obtained experimentally by using quantitative metallography. On the basis of this, it is possible to estimate the temperature uncertainty that is determined on the basis of the crystallization and cooling curves (which does not exceed 1°C). The mechanism of the grain refinement of the primary α(Al) grain in Al-5Cu alloys was proposed with the use of an AlTi5B1 master alloy, which explains the shift the super-refined state in time with the increase of the initial titanium content in the charge materials.. X.

(11) PRZEDMOWA Badania opisane w niniejszej pracy zostały przeprowadzone w latach 2013-2017. Wsparcie finansowe pracy: 1) Grant dziekański realizowany w 2015 roku; tytuł: „Wpływ miedzi na strukturę pierwotną i przemianę eutektyczną w stanie wyjściowym i modyfikowanym stopów Al-Cu”, (nr 15.11.170.544). 2) Grant dziekański realizowany w 2016 roku; tytuł: „Zanik efektu modyfikowania struktury pierwotnej w stopach typu aluminium-miedź”, (nr 15.11.170.571). Dorobek naukowy autora pracy obejmuje tematykę dotyczącą niniejszej pracy, a także pozostałe publikacje. P UBLIKACJE I ABSTRAKTY ZWIĄZANE Z TEMATYKĄ PRACY 1.. M. Górny, G. Sikora, Wpływ szybkości stygnięcia na liczbę ziaren pierwotnych stopu Al-5Cu The influence of cooling rate on the number of primary grains in Al-5Cu alloy, Archives of Foundry Engineering, 2013, vol. 13, spec. iss. 3, s. 25–30, punktacja (lista czasopism MNiSW, 2013): 9.000. 2.. M. Górny, G. Sikora, Effect of modification and cooling rate on primary grain in Al-Cu alloy, Archives of Foundry Engineering, 2014, vol. 14, iss. 3, s. 21–24, punktacja (lista czasopism MNiSW, 2014): 9.000. 3.. M. Górny, G. Sikora, Weryfikacja modeli heterogenicznego zarodkowania ziaren pierwotnych w stopie Al - 5Cu - Verification of models of heterogeneous nucleation of primary grains in Al - 5Cu alloy, Archives of Foundry Engineering, 2014, vol. 14, spec. iss. 4, s. 31–36, punktacja (lista czasopism MNiSW, 2014): 9.000. 4.. M. Górny, G. Sikora, Effect of titanium addition and cooling rate on primary α(Al) grains and tensile properties of Al-Cu alloy, Journal of Materials Engineering and Performance, 2015, vol. 24, iss. 3, s. 1150-1156, punktacja (lista czasopism MNiSW, 2015): 20.000. 5.. G. Sikora, Wpływ miedzi na strukturę pierwotną i przemianę eutektyczną w stopach Al−Cu Influence of copper on the primary structure and eutectic transformation in Al−Cu alloys, Archives of Foundry Engineering, 2015, vol. 15, spec. iss. 4, s. 113–118, punktacja (lista czasopism MNiSW, 2015): 15.000. 6.. G. Sikora, Analiza mikro i makrostruktury stopów aluminium, Zagadnienia aktualnie poruszane przez młodych naukowców, 4, T. 1–2, red. M. Kuczera, K. Piech, CREATIVETIME, Kraków 2015, s. 348–352, Publikacja zamieszczona w materiałach pokonferencyjnych w t. 2: Materiały/Budownictwo/Architektura, czasopismo recenzowane. 7.. M. Górny, G. Sikora, M. Kawalec, Effect of Titanium and Boron on the Stability of Grain Refinement of Al-Cu Alloy, Archives of Foundry Engineering, 2016, vol. 16, iss. 3, s. 35–38, punktacja (lista czasopism MNiSW, 2016): 15.000 pkt. 8.. G. Sikora, M. Górny, Fading of the grain refinement effects in Al-Cu alloys, Journal of Applied Mechanical Engineering, 2016, vol. 5, iss. 3 suppl., s. 60, International conference on Design and production engineering: July 25–26, 2016, Berlin, Germany XI.

(12) 9.. M. Górny, G. Sikora, E. Tyrała, P. Repeć, The effect of nickel on shaping the structure of Al−Cu−Mn alloys, Journal of Casting & Materials Engineering, 2017, vol. 1 no. 1, s. 20–26 REFERATY ZWIĄZANE Z TEMATYKĄ PRACY. 1.. M. Górny, G. Sikora, Wpływ szybkości stygnięcia na liczbę ziaren pierwotnych stopu Al-5Cu, XXXVII międzynarodowa konferencja naukowa z okazji Dnia Odlewnika, 28–29 listopada 2013 Kraków, Wydział Odlewnictwa. 2.. M. Górny, G. Sikora, Analiza struktury odlewów ze stopów Al−5Cu, I Konferencja doktorantów z okazji Dnia Hutnika, 08 maj 2014 Kraków, Wydział Odlewnictwa. 3.. M. Górny, G. Sikora, Wpływ modyfikacji i szybkości stygnięcia na liczbę ziaren pierwotnych stopu Al-Cu, XIV SCIENTIFIC CONFERENCE Optimization of Production Systems in Foundries, 09 – 11 czerwca 2014 Łódź, Komisja Odlewnictwa PAN, Oddział Katowice oraz Katedra Technologii Materiałowych i Systemów Produkcji Politechnika Łódzka. 4.. G. Sikora, Modyfikacja stopów Al-Cu, V SEMINARIUM Nowoczesne materiały i technologie teoretyczne i praktyczne aspekty wytwarzania i przeróbki plastycznej, 15.01 - 17.01.2014 Białka Tatrzańska, Komisja Metalurgiczno-Odlewnicza PAN O/ Kraków. 5.. G. Sikora, Analiza mikro i makrostruktury stopów aluminium, Konferencja Młodych Naukowców, 18.04.2015 Kraków, CREATIVETIME. 6.. Poster wyróżniony: G. Sikora, Badanie mikrostruktury stopu Al-5Cu za pomocą mikroskopu skaningowego, Konferencja Młodych Naukowców, 18.04.2015 Kraków, CREATIVETIME. 7.. M. Górny, G. Sikora, Weryfikacja modeli heterogenicznego zarodkowania ziaren pierwotnych w stopie Al - 5Cu, II Konferencja doktorantów Wydziału Odlewnictwa Akademii GórniczoHutniczej im. St. Staszica w Krakowie z okazji Dnia Odlewnika, 27.11.2014 Kraków, Wydział Odlewnictwa. 8.. G. Sikora, M. Górny, Wpływ wybranych zabiegów metalurgicznych na mikrostrukturę odlewniczych stopów Al-Cu, III Konferencja doktorantów Wydziału Odlewnictwa Akademii Górniczo-Hutniczej im. St. Staszica w Krakowie z okazji Dnia Hutnika, 07.05.2015 Kraków, Wydział Odlewnictwa. 9.. G. Sikora, M. Górny, Wpływ miedzi na strukturę pierwotną i przemianę eutektyczną w stopach Al - Cu, IV konferencja Naukowa Doktorantów Wydziału Odlewnictwa w ramach XXXIX Międzynarodowej Konferencji Naukowej z okazji Święta Odlewnika 2015, 19-20.11.2015 Kraków. 10. G. Sikora, M. Górny, Fading of the grain refinement effects in Al-Cu alloys, International Conference on Design and Production Engineering, July 25, 2016 Berlin, Germany. 11. G. Sikora, M. Górny, M. Kawalec, Effect of titanium and boron on the stability of grain refinement of Al-Cu alloy, XVI SCIENTIFIC CONFERENCE Optimization of Production Systems in Foundries, 13-15 czerwca 2016 Łódź, Komisja Odlewnictwa PAN, Oddział Katowice oraz Katedra Technologii Materiałowych i Systemów Produkcji Politechnika Łódzka 12. M. Górny, G. Sikora, „Trwałość zabiegu modyfikowania struktury pierwotnej dendrytów α(Al) w stopach typu aluminium-miedź”, V Konferencja doktorantów Wydziału Odlewnictwa Akademii Górniczo-Hutniczej im. St. Staszica w Krakowie z Okazji Dnia Hutnika, 09.05.2016 Kraków, Wydział Odlewnictwa. XII.

(13) 13. G. Sikora, Trwałość efektów modyfikacji stopu Al - 5Cu zaprawami AlTi5 oraz AlTi5B1, Konferencja Młodych Naukowców, 09.04.2016 Kraków, CREATIVETIME 14. G. Sikora, Badania DSC układu fazowego Al−5Cu−1Mn w zakresie dodatku niklu do 1,9% masowych, Konferencja Młodych Naukowców, 22.04.2017 Kraków, CREATIVETIME 15. G. Sikora, M. Górny, Zanik efektu modyfikowania struktury pierwotnej w stopach typu aluminium-miedź, 54 konferencja studenckich kół naukowych pionu hutniczego, 11 maja 2017 Kraków, Wydział Odlewnictwa POZOSTAŁE PUBLIKACJE, ABSTRAKTY I PATENTY 1.. E. Olejnik, T. Tokarski, B. Grabowska, G. Sikora, E. Tyrała, Composite zones produced in Ni3Al castings by in-situ synthesis of TiC carbides, European congress and exhibition on Advanced Materials and Processes: Sevilla, 8–13 September 2013. 2.. E. Olejnik, S. Sobula, T. Tokarski, G. Sikora, Strefy kompozytowe uzyskane metodą syntezy in situ w staliwie, Przegląd Odlewnictwa, 2013, t. 63, nr 3–4, s. 93–94. 3.. E. Olejnik, G. Sikora, S. Sobula, T. Tokarski, B. Grabowska, Effect of compaction pressure applied to TiC reactants on the microstructure and properties of composite zones produced in situ in steel castings, Materials Science Forum, 2014, vol. 782, s. 527–532, punktacja (lista czasopism MNiSW, 2014): 10.000. 4.. M. Górny, M. Kawalec, G. Sikora, H. Lopez, Effect of cooling rate and titanium additions on microstructure of thin-walled compacted graphite iron castings, ISIJ International, 2014, vol. 54 no. 10, s. 2288–2293, punktacja (lista czasopism MNiSW): 35.000 pkt, Impact Factor: 1.140. 5.. M. Górny, M. Kawalec, G. Sikora, Effect of cooling rate on microstructure of thin-walled vermicular graphite iron castings, Archives of Foundry Engineering, 2014 vol. 14 spec. iss. 1, s. 139–142, punktacja (lista czasopism MNiSW, 2014): 9.000. 6.. E. Wildhirt, G. Sikora, A. Kmita, Praktyczne zastosowanie stopów Pb-Sn w odlewnictwie artystycznym, materiały konferencyjne Międzynarodowej konferencji naukowej pt. „KlasterOdlewnictwo-Przyszłość”, Świlcza 09-12.09.2014, s. 83-86. 7.. E. Olejnik, G. Sikora, Ł. Szymański, Kompozyty odlewane oraz odlewy lokalnie wzmacniane, Materiały Kompozytowe: ludzie, innowacje, technologie: kwartalnik technicznoinformacyjny, 2014, nr 4, s. 30–33. 8.. M. Kawalec, M. Górny, G. Sikora, Anisotropic in situ metal matrix composite reinforced with VC carbide fibres, Archives of Foundry Engineering, 2015, vol. 15, iss. 1, s. 21–24. punktacja (lista czasopism MNiSW, 2015): 15.000. 9.. M. Górny, J. Lelito, M. Kawalec, G. Sikora, Influence of structure on the thermophysical properties of thin walled castings, Archives of Foundry Engineering, 2015, vol. 15, spec. iss. 2, s. 23–26, punktacja (lista czasopism MNiSW): 15.000. 10. M. Górny, J. Lelito, M. Kawalec, G. Sikora, Thermal conductivity of thin walled compacted graphite iron castings, ISIJ International, 2015, vol. 55, no. 9, s. 1925–1931, punktacja (lista czasopism MNiSW, 2015): 35.000, Impact Factor: 0.960. XIII.

(14) 11. M. Górny, R. Dańko, J. Lelito, M. Kawalec, G. Sikora, Effect of different molding materials on the thin-walled compacted graphite iron castings, Journal of Materials Engineering and Performance, 2016, vol. 25, iss. 10, s. 4359–4368, punktacja (lista czasopism MNiSW, 2016): 20.000, Impact Factor: 1.331 12. M. Górny, G. Sikora, M. Kawalec, Primary grains and eutectic cells in thin wall ductile and compacted graphite iron castings, Journal of Applied Mechanical Engineering, 2016, vol. 5, iss. 3 suppl., s. 29, International conference on Design and production engineering: July 25–26, 2016, Berlin, Germany 13. M. Kranc, G. Sikora, M. Górny A. Garbacz-Klempka, The influence of Mg additive on the structure and electrical conductivity of pure copper castings, Archives of Foundry Engineering, 2017, vol. 17, iss. 4, s. 85–90, punktacja (lista czasopism MNiSW, 2017): 15.000 14. M. Górny, E. Tyrała, G. Sikora, Ł. Rogal, Identification of Mg2Cu particles in Cu-alloyed austempered ductile iron, Metals and Materials International, 2018, vol. 24, no. 1, s. 95–100, punktacja (lista czasopism MNiSW, 2017): 30.000 15. M. Górny, M. Kawalec, G. Sikora, E. Olejnik, H. Lopez, Primary structure and graphite nodules in thin-walled high-nickel ductile iron castings, Metals, 2018, vol. 8, iss. 8 art. no. 649, s. 1–12, punktacja (lista czasopism MNiSW, 2017): 30.000 16. M. Górny, E. Tyrała, G. Sikora, Transformation Kinetics and Mechanical Properties of CopperAlloyed and Copper-Nickel Alloyed ADI, Materials Science Forum, 2018, vol. 925, s. 181–187, International Symposium on the Science and Processing of Cast Iron (SPCI-XI), Szwecja, 3-7.09.2017, punktacja (2017): 5.000 17. E. Olejnik, T. Tokarski, G. Sikora, S. Sobula, W. Maziarz, Ł. Szymański, B. Grabowska, The effect of Fe addition on fragmentation phenomena, macrostructure, microstructure, and hardness of TiC−Fe local reinforcements fabricated in situ in steel casting, Metallurgical and Materials Transactions. A, Physical Metallurgy and Materials, 2019, vol. 50A iss. 2, s. 975–986, punktacja dla AGH (2019): 200,00 18. Sposób modyfikowania struktury pierwotnej żeliwa z grafitem wermikularnym na odlewy cienkościenne - Method for modification of primary structure of cast iron with vermicular graphite intended for thin-walled castings, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, wynalazca: M. Górny, M. Kawalec, G. Sikora, Opis patentowy; PL 234793 B1, Zgłosz. nr P.422011 z dn. 2017-06-24, Opubl. 2020-04-30, punktacja dla AGH (2019): 75,00. Kraków 2020. Gabriela Sikora Wydział Odlewnictwa AGH. XIV.

(15) Wstęp. 1. Wstęp – motywacja do podjęcia badań. Podczas ostatnich 70 lat, aluminium przekształciło się w jeden z ważniejszych materiałów, który jest używany w wielu gałęziach przemysłu. Stopy aluminium mają bardzo szerokie zastosowanie w przemyśle transportowym ze względu na ich względnie niską gęstość, co pozwala zaoszczędzić do 50 % masy elementu w porównaniu do pozostałych, powszechnie stosowanych stopów [1]–[3]. W ostatnim czasie oszacowano, że 20 % całkowitej produkcji aluminium pierwotnego jest wykorzystywane na elementy odlewane, natomiast około 70 % tych elementów jest używanych w sektorze motoryzacyjnym [2], [4], [5]. Zmniejszenie masy pojazdu o 100 kg zmniejsza zużycie paliwa o 0,35 l na 100 km oraz emisję CO2 do atmosfery o 8 g na 100 km [5]. Odlewy ze stopów aluminium w przemyśle transportowym produkowane są głównie poprzez odlewanie ciśnieniowe. Stosowane jest również odlewanie grawitacyjne i pod niskim ciśnieniem, co umożliwia wytworzenie równie bezpiecznych komponentów odlewanych [5]. Wpływ na środowisko elementów ze stopów aluminium obejmuje nie tylko ich fazę eksploatacji, ale również wszystkie etapy ich cyklu życia [5]. Proces recyklingu aluminium wymaga 90% mniej energii i pozwala na redukcję emisji CO2 o 95 % w porównaniu do produkcji aluminium pierwotnego, dlatego zainteresowanie wcześniej wspomnianym procesem ciągle wzrasta. Zwiększenie zainteresowania stopami aluminium można także dostrzec w znacznej liczbie publikacji na ich temat, pojawiających się w ostatnich latach [5]–[7]. Na przestrzeni ostatnich dekad obserwuje się ciągłe zwiększanie produkcji aluminium, co można zaobserwować na rysunku 1.. Rys. 1. Produkcja aluminium pierwotnego i wtórnego na świecie [8]. Od początku wykorzystania aluminium na skalę przemysłową, obserwuje się ciągły, nieustanny wzrost produkcji aluminium, zarówno pierwotnego jak i wtórnego. Od 2018 roku światowa produkcja aluminium utrzymuje się na poziomie 130 mln ton rocznie. Procentowy podział rynku pomiędzy aluminium pierwotnym, a wtórnym oscyluje od końca lat 80 w okolicach 50 % z nieznacznymi fluktuacjami. Tak znaczne zwiększenie produkcji powoduje, że aluminium z powodzeniem konkuruje z innymi materiałami przy ciągłym wzroście wymagań jakościowych odlewów aluminiowych przy minimalizacji kosztów ich produkcji. Aby sprostać przyszłym, nieprzerwanie rosnącym wymaganiom proces produkcji i recyklingu aluminium musi zostać ulepszony. Proces produkcji odlewów -1-.

(16) Wstęp aluminiowych polega na stopieniu wsadu metalowego o założonym składzie chemicznym, podczas którego są przeprowadzane zabiegi uszlachetniające jak rafinacja, modyfikacja oraz usuwanie innych niepożądanych zanieczyszczeń, jeżeli są one obecne. Operacje te prowadzą do otrzymania optymalnej struktury przy zminimalizowanym niekorzystnym wpływie zanieczyszczeń, co pozwala na otrzymanie wysokiej jakości odlewów. Głównym celem niniejszej pracy będzie optymalizacja zabiegu modyfikowania wybranego stopu typu Al-Cu. Wykonane badania pozwolą na pozyskanie wiedzy w zakresie zaniku efektu modyfikacji w czasie a także określenie wpływu wybranych modyfikatorów na strukturę pierwotną, co pozwoli na optymalizację tego ważnego procesu metalurgicznego. Badania te będą miały znaczenie praktyczne, ponieważ w zasadzie wszystkie wysokojakościowe stopy odlewnicze są poddawane zabiegowi modyfikowania. Zabieg modyfikowania jest jednym z głównych zabiegów metalurgicznych wpływających na jakość końcową otrzymywanego odlewu. Poszerzenie wiedzy z zakresu optymalizacji tego procesu pozwoli na poznanie jego stabilności, towarzyszących zmian struktury i właściwości mechanicznych stopów Al-Cu. Zwiększenie powtarzalności wykonania oraz jakości wyrobów końcowych przy zachowaniu optymalnych kosztów, wpływa także na rozwój przemysłu odlewniczego stopów aluminium w Polsce.. -2-.

(17) Część teoretyczna. 2. Część teoretyczna. W tej części pracy zostanie przedstawiony obecny stan wiedzy na temat aluminium i jego stopów, ze szczególnym wyróżnieniem stopów Al-Cu, a które są przedmiotem badań w tej pracy. Zostanie także wskazane zagadnienie dotyczące procesu modyfikacji stopów aluminium. W części końcowej zostanie przedstawiona charakterystyka obróbki cieplnej i plastycznej stopów Al-Cu.. 2.1 Charakterystyka aluminium i jego stopów Aluminium i jego stopy mają unikalną kombinacje właściwości, które sprawiają, że jest jednym z najbardziej wszechstronnych, oszczędnych i atrakcyjnych materiałów o uniwersalnym zakresie zastosowania – tzn. od bardzo miękkiej i plastycznej folii do pakowania, aż do bardzo odpowiedzialnych części maszyn [9]. Aluminium zaraz po stali jest drugim najczęściej używanym materiałem konstrukcyjnym, ze względu na niską gęstość wynoszącą około 2,7 g/cm3, która stanowi około 1/3 masy stali [9]. W tym rozdziale zostaną przedstawione podstawowe właściwości fizyczne i chemiczne, a także ogólna klasyfikacja stopów aluminium. 2.1.1. Właściwości fizyczne i chemiczne aluminium. Aluminium (inaczej glin o czystości technicznej) jest metalem o bardzo dużym znaczeniu technicznym. Ma on postać srebrzystobiałego metalu, który ma bardzo dobrą kowalność i dużą plastyczność. Jest łatwy w odlewaniu i obróbce, podczas której nie tworzy „iskier”. Występuje on w przyrodzie w bardzo wielu minerałach (boksyt, ałunit czy korund), i jest trzecim, zaraz po tlenie i krzemie, pierwiastkiem pod względem udziału w skorupie ziemskiej [1], [10]. Jego główną rudą jest boksyt, będący skałą ilastą składającą się głównie z wodorotlenków glinu, z którego wytwarza się czysty tlenek Al2O3 (proces Bayera). Następnie przez elektrolizę (proces Halla-Héroulta) tlenku rozpuszczonego w stopionym kriolicie (fluoroglinian sodu), otrzymuje się aluminium hutnicze zawierające 99,0–99,8% Al, które jest poddawane dalszej rafinacji [1], [11], [12]. W przypadku zastosowania rafinacji elektrolitycznej można otrzymać aluminium o czystości 99,950–99,955% Al [10]. Aluminium otrzymane z boksytów nazywane jest pierwotnym [13], natomiast otrzymywane na drodze recyklingu nazywane jest wtórnym [11]. Wybrane właściwości1 aluminium zestawiono w tabeli 1. Czyste aluminium nie wykazuje dużych właściwości wytrzymałościowych, które kwalifikowałyby je do szerszego zastosowania w przemyśle. Z tego względu jest ono stosowane w przemyśle chemicznym i elektrochemicznym, najczęściej po przeróbce plastycznej [1], [14], która jak przedstawiono w tabeli 1 może znacząco poprawić wytrzymałość. Inną metodą uzyskania wymaganych właściwości użytkowych stopu, jest zastosowanie różnych dodatków stopowych, które mają decydujący wpływ na właściwości mechaniczne oraz plastyczne materiału - szczegółowa klasyfikacja i wpływ zostanie omówiony w następnych rozdziałach: 2.1.2, 2.2.1.. W pracy używane jest pojęcie „właściwość“, a nie „własność“, dla określenia cech materiałowych, wychodząc z założenia za „Słownikiem języka polskiego PWN“, online 2000 (red. W. Doroszewski), że obydwa wyrażenia stanowią synonimy, chociaż własność (w języku angielskim property) kojarzy się bardziej z czymś przypisanym nierozłącznie do właściciela, natomiast właściwość (characteristic) charakteryzuje przedmiot. Autor pracy opowiada się za pojęciem „właściwość“, pomimo sporadycznych przykładów używania słowa „własność“ w krajowej literaturze. 1. -3-.

(18) Część teoretyczna Tabela 1. Wybrane właściwości aluminium [1], [15], [16]2. Właściwość Moduł Younga Temperatura topnienia Liczba atomowa Z Masa atomowa A Ciepło topnienia Ciepło właściwe Przewodność elektryczna właściwa Przewodność cieplna Wytrzymałość na rozciąganie, Rm Granica plastyczności, Re Wytrzymałość na rozciąganie, Rm Granica plastyczności, Re. Wartość 70 GPa 660,32°C 13 26,98 u 10,79 kJ/mol 900 J/(kgK) 37,7 × 106 S/m 237 W/(mK) 70-120 MPa 20-40 MPa 140-230 MPa 120-180 MPa. Uwagi Temperatura wrzenia: 2519°C. 65 jednostek wg. IACS3 w temperaturze 27°C w stanie wyżarzonym w stanie wyżarzonym w stanie 60-80% zgniotu w stanie 60-80% zgniotu. Stopy aluminium wykazują gęstość z przedziału 2,6-2,8 g/cm3. Tak mała gęstość połączona ze znaczną wytrzymałością niektórych stopów aluminium, pozwala na projektowanie i konstruowanie wytrzymałych, a zarazem lekkich konstrukcji [9]. Konstrukcje takie są szczególnie korzystne dla przemysłu lotniczego i kosmicznego [17], jak również dla wszelkich innych pojazdów lądowych oraz morskich [9]. W niskiej temperaturze, stopy aluminium w porównaniu, ze stalami charakteryzują się znacznie większą udarnością [1]. Aluminium w porównaniu do stali jest odporne na stopniowe utlenianie [9]. Dzieje się tak, ponieważ odsłonięta powierzchnia aluminium natychmiast łączy się z tlenem tworząc obojętną warstwę tlenku glinu o grubości 2-3 nm i 20 nm, co blokuje dalsze utlenianie [9], [18], [19]. Proces ten nazywa się pasywacją. Tlenek glinu w porównaniu do rdzy żelaza (głównie tlenki i wodorotlenki żelaza) jest szczelny, nieprzewodzący i nie odsłania dalszych powierzchni, które mogłyby być narażone na dalsze utlenianie jak to się dzieje w przypadku żelaza [9]. Jeżeli tylko powierzchnia aluminium zostanie zarysowana to natychmiast pokrywa się ona ponownie zabezpieczającą warstwą tlenku glinu [9]. Cienka warstwa tlenku glinu ściśle przylega do metalu, jest bezbarwna – tzn. niewidoczna gołym okiem [9]. Odbarwianie się i łuszczenie się rdzy występującej na żelazie, nie występuje w przypadku aluminium [9]. Odpowiednie dodatki stopowe i obróbka cieplna aluminium mogą prowadzić do zwiększenia odporności na korozję w środowisku wody morskiej i pod wpływem innych środowiskowych czynników korozyjnych zarówno chemicznych jak i fizycznych [9]. Warto pamiętać o tym, że tlenek i wodorotlenek glinu wykazują właściwości amfoteryczne, w związku z tym aluminium jest nieodporne w środowiskach silnie kwaśnych i silnie alkalicznych, za to dzięki pasywacji aluminium, jak przedstawiono na rysunku 2, jest odporne na działanie roztworów wodnych o pH 3,9–8,6 [18], a elementy z niego wykonane uzyskują długi czas użytkowania nawet bez specjalnej ochrony [19].. 2 3. Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0°C; 1013,25 hPa) The International Annealed Copper Standard -4-.

(19) Część teoretyczna. Rys. 2. Diagram Pourbaix dla glinu [18]. Pasywacja chroni aluminium przed korozją atmosferyczną, działaniem wody, stężonego kwasu azotowego, licznych kwasów organicznych, jak również siarkowodoru. Z kolei, kwasy redukujące takie jak HCl oraz HF, woda morska, pary i jony rtęci powodują przyśpieszenie korozji aluminium [1]. Powierzchnia aluminium może być silnie odbijająca. Energia promieniowania, światło widzialne, promieniowanie cieplne oraz fale elektromagnetyczne są skutecznie odbijane, podczas gdy powierzchnia aluminium anodowana lub ciemno anodowana może być odblaskowa lub pochłaniająca [9]. Anodowanie aluminium stosuje się także w celu polepszenia odporności na korozję. Proces ten polega na elektrolitycznym wytworzeniu powłoki tlenkowej np. w roztworze 10 % kwasu siarkowego, połączonemu z barwieniem powierzchni metalu na różne kolory [1]. Współczynnik odbicia polerowanego aluminium, w bardzo szerokim spektrum fal widzialnych, przyczynia się od wyboru aluminium, jako materiału dekoracyjnego i funkcjonalnego [9]. Aluminium zazwyczaj charakteryzuje się dobrą przewodnością elektryczną i termiczną, natomiast jego stopy mogą charakteryzować się dużym stopniem oporu elektrycznego. Takie stopy są użyteczne w silnikach elektrycznych o dużym momencie obrotowym. Aluminium jest często wybierane ze względu na znaczną przewodność elektryczną, która w przeliczeniu na masę równoważną jest dwukrotnie większa niż dla miedzi. Przewodność elektryczna stopów aluminium wynosi około 50-60 % przewodności miedzi, która jest zaletą w wymiennikach ciepła, parownikach, elektrycznie podgrzewanych urządzeniach i przyrządach, a także w głowicach cylindrów samochodowych oraz radiatorach [9]. Aluminium jest nieferromagnetyczne, co ma znaczenie w przemyśle elektrycznym i elektronicznym. Jest niepirofoniczne, co jest ważne w zastosowaniach związanych z przenoszeniem lub narażeniem na ekspozycje materiałów łatwopalnych lub materiałów wybuchowych [9]. Aluminium jest zwykle stosowane w pojemnikach na żywność i napoje. Ma ponadto atrakcyjny wygląd w naturalnym wykończeniu, który może być miękki i lśniący lub jasny i błyszczący. Może to być praktycznie dowolny kolor lub faktura [9]. 2.1.2. Ogólna klasyfikacja stopów aluminium. Stopy aluminium, ze względu na skład chemiczny, można podzielić na dwie główne kategorie: kompozycje przeznaczone do przeróbki plastycznej oraz odlewane. Dalsze zróżnicowanie dla każdej kategorii jest oparte na podstawowym mechanizmie rozwoju ich właściwości. W celu polepszenia właściwości wytrzymałościowych stopy aluminium są poddawane obróbce cieplnej. Dużo stopów jest wrażliwych na obróbkę cieplną opartą o rozpuszczalność faz, które to zabiegi. -5-.

(20) Część teoretyczna cieplne obejmują utwardzanie wydzieleniowe [9]. W przypadku pozostałych stopów aluminium w celu polepszenia właściwości mechanicznych może być stosowana obróbka cieplna, polegająca na połączeniu wyżarzania wraz z odpowiednio dobranym stopniem zgniotu (przeróbka plastyczna na gorąco) [9]. Niektóre stopy odlewane ze względu na brak odpowiedniego składnika stopowego nie nadają się do utwardzania wydzieleniowego. Są one stosowane w odlewnictwie ciśnieniowym gdzie może zostać zastosowana inna obróbka cieplna (np. wyżarzanie odprężające) niezwiązana z przesycaniem i umacnianiem wydzieleniowym ani z odkształceniem [9]. Od 1970 roku najbardziej rozpoznawalnym i akceptowalnym przez większość krajów na świecie systemem oznaczania kutych stopów aluminium i ich obróbki jest IADS (ang. International Alloy Designation System), który z kolei jest oparty o system AA używany przez Stowarzyszenie Aluminium (ang. The Aluminium Association system) od 1954 r. [20]. Obecnie system AA jest bardziej rozwinięty, ponieważ obejmuje też odlewane stopy aluminium. Jest on stosowany w USA i został zatwierdzony przez Amerykański Narodowy Instytut Standardów w 1957 r. (norma ANSI H35.1) [21]. Jest on w mniejszym lub większym stopniu podstawą do rozwoju nomenklatury tych stopów w krajach europejskich. Jego oznaczanie wprowadzają różne oznaczenia dla stopów kutych oraz odlewanych, ale najważniejsze jest to, że dzieli on wszystkie te stopy w bardzo prosty do zapamiętania system oznaczeń. Stopy kute są oznaczane czterema liczbami, gdzie pierwsza (Xxxx) z nich ma następujące znaczenia [9], [20], [22]–[24]:  1xxx – aluminium o różnej czystości bez składników stopowych – używane głównie w przemyśle elektrycznym i chemicznym;  2xxx – stopy, w których miedź jest głównym składnikiem stopowym, czasem jest też dodawany magnez – seria ta jest powszechnie używana w lotnictwie, gdzie ich wysoka umowna granica plastyczności może sięgać aż 455 MPa;  3xxx – stopy, w których mangan jest głównym składnikiem stopowym. Stosowane, jako stopy ogólnego przeznaczenia do zastosowań architektonicznych i różnych produktów;  4xxx – stopy, w których głównym składnikiem stopowym jest krzem, są one używane w prętach spawalniczych i blachach lutowniczych;  5xxx – stopy, w których magnez jest głównym pierwiastkiem stopowym. Stosowane w kadłubach łodzi, zbiornikach i innych produktach narażonych na działanie wody morskiej;  6xxx – stopy, w których głównymi składnikami stopowymi są magnez i krzem. Powszechnie stosowane w wytłoczeniach architektonicznych oraz na komponenty samochodowe;  7xxx – stopy, w których głównym składnikiem stopowym jest cynk, (chociaż inne pierwiastki także mogą być określone tj. miedź, magnez, chrom i cyrkon). Używane w konstrukcyjnych komponentach samolotów oraz innych zastosowaniach charakterystycznych dla wysokiej wytrzymałości. Seria ta ma największą wytrzymałość, a ich umowna granica plastyczności może wynosić do 500 MPa;  8xxx – stopy o różnorodnej kompozycji pierwiastków chemicznych. Seria ta może zawierać znaczne ilości cyny, litu i/lub żelaza.  9xxx – jest zastrzeżona do przyszłego wykorzystania. Druga cyfra (xXxx) w powyższej nomenklaturze oznacza kolejną modyfikację składu chemicznego stopu. Jeżeli ta cyfra jest równa zeru to oznacza oryginalny skład chemiczny odpowiednio cyfry od 1 do 9 oznaczają kolejne zarejestrowane zmiany. Ostatnie dwie cyfry (xxXX) nie mają specjalnego znaczenia, ale służą one identyfikacji rożnych stopów aluminium w danej grupie od 2xxx do 8xxx. W przypadku serii 1xxx cyfry te oznaczają czystość tzn. dla serii 1060 oznacza czystość 90,60 % [22], [23]. Stopy kute z serii 2xxx, 6xxx, 7xxx oraz niektóre stopy z serii 4xxx i 8xxx mogą być utwardzane wydzieleniowo tzn. reagują na obróbkę cieplną, natomiast pozostałe 1xxx, 3xxx i 5xxx są utwardzane poprzez zgniot [9], [20], [23]. Kute stopy aluminium po odlaniu mają postać wlewka, które są następnie obrabiane plastycznie na gorąco w półprodukty poprzez walcowanie i wyciąganie na gorąco [23]. Dalsza wykańczająca przeróbka plastyczna niektórych półproduktów jest już prowadzona na zimno. Stopy kute są dostępne w różnych formach produktu końcowego w tym blachy, płytki, rury, profile konstrukcyjne, pręty, belki, druty, nity, odkuwki, folie i inne [23]. Kompozycje chemiczne stopów odlewanych są opisane przez trzycyfrowy system oraz wartość dziesiętną (xxx.x). Wartość dziesiętna definiuje postać stopu, jako odlewu lub wlewka [22]. Ta wartość równa .0 dotyczy limitów dla odlewów. Wartości .1 i .2 dotyczą składu chemicznego. -6-.

(21) Część teoretyczna wlewków, które po przetopieniu i przetworzeniu powinny odpowiadać wymogom specyfikacji dla odlewów. Pierwsza cyfra (Xxx.x) obejmuje następujący podział [9], [20]–[24]:  1xx.x – Kontrolowane kompozycje niestopowe (czyste aluminium min. 99,0 %), zwłaszcza dla produkcji wirników;  2xx.x – stopy, w których miedź jest głównym składnikiem stopowym, czasami są jeszcze określone inne pierwiastki;  3xx.x – stopy, w których głównym składnikiem stopowym jest krzem oraz mogą występować inne pierwiastki takie jak miedź oraz magnez. Z tej serii produkuje się około 90 % wszystkich odlewów;  4xx.x – stopy, w których głównym składnikiem stopowym jest krzem;  5xx.x – stopy, w których głównym składnikiem stopowym jest magnez;  6xx.x – jest to seria nieużywana;  7xx.x – stopy, w których cynk jest głównym składnikiem stopowym, który może występować w połączeniu z miedzią i magnezem;  8xx.x – stopy, w których głównym składnikiem stopowym jest cyna;  9xx.x – seria nieużywana. Pozostałe dwie cyfry (xXX.x) identyfikują poszczególne stopy w grupach poza serią 1xx.x, gdzie te cyfry oznaczają czystość aluminium pierwotnego np. seria 160.0 oznacza czystość 90,60 % [22], [23]. Niektóre oznaczenia uwzględniają literę przed numerem (Axxx.x), która oznacza dopuszczalny poziom zanieczyszczeń lub kolejną zmianę stopu. Są one używane w kolejności alfabetycznej (np. Stopy 356.0, A356.0, B356.0, F356.0) [21]–[23]. Stopy odlewnicze, w których jest możliwość utwardzania wydzieleniowego obejmują serie 2xx, 3xx, 4xx, 7xx oraz 8xx [23]. Stopy odlewnicze aluminium są ekonomiczne w wielu zastosowaniach. Są one stosowane w przemyśle samochodowym, przemyśle lotniczym, w budowie maszyn, urządzeń i konstrukcji, jako naczyń do gotowania, jako obudowy urządzeń elektrycznych, jako zbiorniki ciśnieniowe do zastosowań kriogenicznych oraz w wielu innych obszarach [9]. Jeżeli podaje się informację dotyczące właściwości mechanicznych danego stopu aluminium to powinien być także podany stan obróbki danego materiału, który ma także swój system oznaczeń. Na rysunku 3 przedstawiono podstawowe możliwe oznaczenia stopów aluminium, które mogą być obrabiane cieplnie oraz plastycznie zgodnych z normą ANSI H35.1/H35.1M-2013.. Rys. 3. System oznaczania stopów aluminium przeznaczonych do przeróbki plastycznej i cieplnej zgodny z IADS (ang. International Alloy Designation System) oraz normą ANSI H35.1/H35.1M-2013 [20], [22], [23]. -7-.

(22) Część teoretyczna Przykładowe zakresy wytrzymałości na rozciąganie, które mogą być osiągnięte w różnych seriach stopów odlewanych wraz z zastosowaniem obróbki cieplnej podano w tabeli 2. Tabela 2. Wytrzymałość na rozciąganie różnych serii stopów aluminium [9]. Warunki obróbki cieplnej i odlewania. Różne warianty obróbki cieplnej odlewów piaskowych. Nieobrabiane cieplnie odlewy ciśnieniowe Nieobrabiane cieplnie odlewy kokilowe [1], [2]:. Oznaczenie według AA. Wytrzymałość na rozciąganie, [MPa]. Al-Cu (201-206). 353-467. Al-Cu-Ni-Mg (242). 186-221. Al-Cu-Si (295). 110-221. Al-Si-Cu (319). 186-248. Al-Si-Cu-Mg (355, 5%Si; 1,25%Cu; 0,5%Mg). 159-269. Al-Si-Mg (356, 357). 159-345. Al-Si-Cu-Mg (390, 17%Si; 4,5%Cu; 0,6%Mg). 179-276. Al-Zn (712, 713). 241. Al-Si (413, 443). 228-296. Al-Mg (513, 515, 518). 276-310. Al-Sn (850, 851, 852, stan T5). 138-221. W polskiej i europejskiej nomenklaturze również stopy aluminium dzieli się na dwie grupy • •. stopy odlewnicze (EN 1706:2010), stopy przeznaczone do przeróbki plastycznej (EN 573-3:2005).. Oznaczenie Polskich odlewniczych stopów aluminium powinno być utworzone kolejno (wg. EN 1780-1 i EN 1706:2010): a) z przedrostka EN, po którym następuje spacja; b) litery A oznaczającej stop aluminium; c) litery oznaczającej postać wyrobu tzn.: − B – w przypadku gąsek przeznaczonych do przetopienia z aluminium stopowego; − C – w przypadku odlewów; − M – w przypadku stopów wstępnych; d) łącznika; e) pięciu cyfr oznaczających granice składu chemicznego stopu. W Polskiej nomenklaturze gąski i odlewy z danego stopu powinny mieć to samo oznaczenie numeryczne. Pierwsza z pięciu cyfr (Xxxxx) powinna wskazywać główny dodatek stopowy, zgodnie z następującą listą: − miedź: 2xxxx; − krzem: 4xxxx; − magnez: 5xxxx; − cynk: 7xxxx. W przypadku niestopowego aluminium, które ma ważne znaczenie w zakresie stosowania w elektronice jest ono wymienione w normie EN 1706:2010 jednak nie ma przypisanego symbolu -8-.

(23) Część teoretyczna numerycznego tylko oznaczenie nadane na podstawie symboli chemicznych wg. normy EN 576. Norma EN 1706:2010 wyróżnia tylko dwa gatunki aluminium niestopowego o oznaczeniach Al 99,6E oraz Al 99,7E. Druga z pięciu cyfr (xXxxx) systemu numerycznego powinna wskazywać daną grupę stopów. Według poniższej listy podano te grupy stosując alternatywne oznaczenia na podstawie symboli chemicznych (EN 1780-2): − 21xxx: Al Cu; − 41xxx: Al SiMgTi; − 42xxx: Al Si7Mg; − 43xxx: Al Si10Mg: − 44xxx: Al Si; − 45xxx: Al Si5Cu; − 46xxx: Al Si9Cu: − 47xxx: Al Si(Cu); − 48xxx: Al SiCuNiMg; − 51xxx: Al Mg; − 71xxx: Al ZnMg. Trzecia cyfra (xxXxx) jest dowolna, czwarta cyfra (xxxXx) jest zazwyczaj równa 0. Piątą cyfrą (xxxxX) powinno być 0, poza zastosowaniami w lotnictwie i kosmonautyce. Oznaczenia stopów aluminium oparte na symbolach chemicznych (EN 1780-2) powinny rozpoczynać się od Al, po którym następują symbole dodatków stopowych uszeregowane w kolejności malejącej ich nominalnej zawartości. W przypadku, gdy zawartości te są jednakowe, to należy je uszeregować w kolejności alfabetycznej. Liczba symboli powinna być ograniczona do maksimum czterech pierwiastków. Symbol Al powinien być oddzielony spacją od reszty oznaczenia. Dodatki stopowe powinny być wyróżniane nominalną zawartością (średnią z zakresu) zaokrągloną do najbliższej liczby całkowitej lub, w razie potrzeby, do najbliższych 0,5 albo, dla zawartości mniejszych niż 1%, do najbliższej 0,1. Główne zanieczyszczenia lub zanieczyszczenia powinny być dodatkowo wzięte w nawias. Norma EN 1706:2010 przewiduje oznaczenia stanów stopu w odniesieniu do obróbki cieplnej, które są zgodne ze stanami przedstawionymi na rysunku 3 według podział IADS i AA. Dodatkowo także przewiduje podział na różne procesy odlewania według poniższych oznaczeń: − S – odlewanie w formach piaskowych; − K – odlewanie kokilowe lub w formach trwałych; − D – odlewane pod ciśnieniem; − L – odlewanie metodą wytapianych modeli. Powyższe oznaczenia powinny być wymienione przy podawaniu właściwości mechanicznych, których przykłady są również przedstawione w normie EN 1706:2010 wraz z zakresami składu chemicznego odlewniczych stopów aluminium. W przypadku stopów przerobionych plastycznie (EN 573-1:2004) ich oznaczenie powinno być utworzone kolejno z: − przedrostka EN; − litery A oznaczającej stop aluminium; − litery W oznaczającej wyroby przerobione plastycznie; − łącznika; − międzynarodowego oznaczenia składającego się z czterech cyfr oznaczających skład chemiczny i – w razie potrzeby – litery identyfikującej odmianę krajową; oznaczenie to jest przydzielane przez Stowarzyszenie Producentów Aluminium zgodnie z procedurą rejestracji międzynarodowej. Pierwsza cyfra w przypadku stosowania czterocyfrowego systemu oznaczeń (Xxxx) stopów aluminium przerobionych plastycznie wskazuje na grupę stopu według poniższych serii: − 1xxx (seria 1 000) – Aluminium o czystości 99,0 % i więcej; Stopy aluminium pogrupowane według głównego dodatku stopowego:. -9-.

(24) Część teoretyczna − − − − − − − −. 2xxx (seria 2 000) – miedź; 3xxx (seria 3 000) – mangan; 4xxx (seria 4 000) – krzem; 5xxx (seria 5 000) – magnez; 6xxx (seria 6 000) – magnez i krzem; 7xxx (seria 7 000) – cynk; 8xxx (seria 8 000) – inne pierwiastki; 9xxx (seria 9 000) – seria niestosowana.. W przypadku tego podziału przez dodatek stopowy jest rozumiany każdy pierwiastek, który jest dodawany celowo (tzn. w każdym innym celu niż rozdrobnienie ziarna pierwotnego α(Al)), dla którego określono graniczne zawartości, tzn. minimalną i maksymalną. W serii 1xXX dwie ostatnie cyfry wskazują minimalną zawartość procentową aluminium. Cyfry te odpowiadają dwu miejscom dziesiętnym, które określają minimalną zawartość procentową aluminium wyrażoną z dokładnością do 0,01 %. Druga cyfra (xXxx) oznaczenia stopu wskazuje kolejną zmianę stopu w zakresie zanieczyszczeń lub dodatków stopowych. Jeżeli druga cyfra jest zerem, to wskazuje ona aluminium niestopowe z naturalnymi granicznymi zawartościami zanieczyszczeń, natomiast liczby całkowite od 1 do 9, przydzielane kolejno w miarę potrzeb wskazują szczególną kontrolę jednego lub więcej, pojedynczych zanieczyszczeń lub dodatków stopowych. Oznaczenia stopów w seriach od 2xxx do 8xxx jest determinowane dodatkiem stopowym o największej średniej zwartości procentowej (w stopach 6xxx – Mg2Si). Jeżeli największa średnia zawartość procentowa jest wspólna dla więcej niż jednego dodatku stopowego, to wybór grupy będzie określony kolejnością grupy: Cu, Mn, Si, Mg, Mg2Si, Zn lub inne. W seriach stopów od 2xxx do 8xxx, dwie ostatnie cyfry (xxXX) nie mają specjalnego znaczenia i służą wyłącznie do identyfikacji różnych stopów aluminium w danej grupie. Druga cyfra w oznaczeniu (xXxx) wskazuje stop oryginalny lub wariant stopu. Jeżeli druga cyfra w oznaczeniu jest zerem, to wskazuje ona stop oryginalny; liczby całkowite od 1 do 9 włącznie, przydzielane kolejno, wskazują kolejne warianty stopu. W normie rosyjskiej GOST 1583-93 jest zachowany podział ze względu na główny dodatek stopowy do odlewanych stopów aluminium. Rosyjski system oznaczeń składa się litery A oraz innej litery oznaczającej główny dodatek stopowy, po której występuje liczba określająca zawartość tego dodatku zaokrąglona do liczby całkowitej. W przypadku, gdy występuje drugi dodatek stopowy w ilościach określonych przez liczbę całkowitą to również jest w zapisywany w oznaczeniu stopów wg. następującego podziału: I grupa – AKx – stopy aluminium – krzem – magnez; II grupa – AKxMx – stopy aluminium – krzem – miedź; III grupa – AMx – stopy aluminium – miedź; IV grupa – AMгx – Stopy aluminium – magnez; V grupa – Są to stopy aluminium z innymi dodatkami stopowymi; W normie rosyjskiej podobnie jak w europejskiej, są przedstawione oznaczenia sposobu odlewania danego stopu aluminium oraz są podane przykładowe wytrzymałości, jakie powinien uzyskać dany stop. Jest przedstawiony sposób pobierania prób wytrzymałościowych. Sposób oznaczania obróbki cieplnej odlewanych stopów aluminium jest zgodny z oznaczeniami od T1 do T9, opisanymi na rysunku 3. Zaletą normy GOST 1583-93 jest to, że jest podanych bardzo dużo informacji odnośnie sposobu prowadzenia takiej obróbki cieplnej wraz z dokładnymi wartościami temperatury i czasami w kilku wariantach dla wszystkich wymienionych w niej gatunków stopów, które nie występują w żadnym innym systemie oznaczeń. Ponadto ta norma podaje skalę porowatości stopów aluminium. W tabeli 3 przedstawiono porównanie oznaczeń wg. AA, EN, ISO oraz GOST kilku wybranych odlewniczych stopów aluminium.. - 10 -.

(25) Część teoretyczna Tabela 3. Porównanie oznaczeń AA, EN, ISO oraz GOST dla kilku wybranych odlewniczych stopów aluminium. Oznaczenie numeryczne wg. EN EN AC-21000. Oznaczenie na podstawie symboli chemicznych wg. EN EN AC-Al Cu4MgTi. Oznaczenie wg. standardu ISO. Oznaczenie wg. standardu AA. Al Cu4MgTi. 204.0. Oznaczenie wg. normy GOST 1583-93 -. EN AC-21100. EN AC-Al Cu4Ti. Al Cu4Ti. -. AM54 lub AM4,55. EN AC-21200. EN AC-Al Cu4MnMg. -. 206.0. -. EN AC-42000. EN AC-Al Si7Mg. Al Si7Mg. 356.0. AK7. EN AC-42100. EN AC-Al Si7Mg0,3. Al Si7Mg0,3. A356.0. AK7пч. EN AC-42200. EN AC-Al Si7Mg0,6. Al Si7Mg0,6. 357.0. AK8л. EN AC-45000. EN AC-Al Si6Cu4. Al Si6Cu4. -. -. EN AC-45100. EN AC-Al Si6Cu3Mg. Al Si6Cu3Mg. 363.0. AK5M4. EN AC-45300. EN AC-Al Si6Cu1Mg. Al Si6Cu1Mg. 355.0. AK5Mч. EN AC-46200. EN AC-Al Si8Cu3. Al Si8Cu3. 380.0. -. EN AC-46300. EN AC-Al Si7Cu3Mg. Al Si7Cu3Mg. 320.0. -. EN AC-46600. EN AC-Al Si7Cu2. Al Si7Cu2. -. -. EN AC-48100. EN AC-Al Si17Cu4Mg. Al Si17Cu4Mg. B390.0. -. Nie wszystkie europejskie odlewnicze stopy aluminium posiadają swoje amerykańskie odpowiedniki, co wynika z różnic w ich systemach oznaczeń, które z kolei wymagają jeszcze rozwinięcia i ujednolicenia oraz z różnych wymagań stawianych stopom w różnych częściach świata. Niestety najmniej europejskich odpowiedników znajdziemy w normie GOST 1583-93, która pomimo swojej szczegółowości pochodzi jednak z 1993 roku, co może być przyczyną nieaktualnych danych o odlewniczych stopach aluminium, które jednak na przestrzeni ostatnich lat w Europie są rozwijane, wprowadzane i uaktualniane.. 4 W przypadku tego stopu norma EN dopuszcza zawartość Mn na poziomie max. 0,55% natomiast norma GOST wymaga jego zawartości na poziomie od 0,6 do 1,0 %, zawartości pozostałych pierwiastków się pokrywają. 5 Stop AM4,5 jest przeznaczony do odlewania kokilowego i dopuszczalna zawartość manganu jest na poziomie 0,35-0,8 %.. - 11 -.

(26) Część teoretyczna. 2.2 Przygotowanie ciekłego metalu i jego stan fizykochemiczny Oprócz warunków wymiany ciepła metal-forma istotnym czynnikiem, który decyduje o sposobie krystalizacji, jest fizykochemiczny stan ciekłego metalu charakteryzowany głównie składem chemicznym, rodzajem i wymiarami różnego rodzaju cząstek znajdujących się w ciekłym metalu. Od składu chemicznego zależy w dużym stopniu rodzaj i liczba wykrystalizowanych faz stałych oraz to, czy krystalizacja przebiega w sposób komórkowy, dendrytyczny, eutektyczny, perytektyczny. Natomiast od rodzaju i wymiarów cząstek znajdujących się w ciekłym metalu oraz jego składu chemicznego zależy głównie liczba powstających kryształów. Ich liczba zależy również od sposobu oddziaływania różnego rodzaju pól fizycznych (np. magnetycznego, elektromagnetycznego czy ultradźwiękowego) na ciekły metal [25]–[33]. Proces topienia i inne zabiegi mają znaczący wpływ na skład chemiczny oraz obecność zanieczyszczeń w odlewie. Proces krystalizacji następuje po odlaniu metalu do różnego rodzaju naczyń (form odlewniczych lub za pomocą specjalnych urządzeń do krystalizacji (krystalizatorów) podczas odlewania ciągłego), przy czym metal może krystalizować kierunkowo, lub też objętościowo [26], [34], [35]. 2.2.1. Skład chemiczny. Na fizykochemiczny stan ciekłego metalu ma duży wpływ skład chemiczny materiałów wsadowych (aluminium pierwotnego oraz zapraw wprowadzających dodatki stopowe). Jak już wcześniej wspomniano są rożne gatunki aluminium pierwotnego, które różnią się czystością. Podczas doboru materiałów wsadowych należy także nie zapominać o tym, że pozostałe zaprawy wprowadzające dodatki stopowe także wykazują swój poziom zanieczyszczeń i szczególnie ich poziom decyduje o końcowej zawartości zanieczyszczeń w stopie docelowym i odlewie. Zanieczyszczenia, najczęściej w postaci rozpuszczonych śladowych zawartości innych metali w aluminium, także mogą wpływać znacząco na właściwości odlewu. Akceptowalne stężenie innych metali zależy od końcowego zastosowania produktu oraz od jego specyfikacji. W zależności od wymagań stawianych końcowemu produktowi dodatek innego metalu może być pożądany lub traktowany, jako zanieczyszczenie. W tabeli 4 przedstawiono przykładowe zakresy stężeń zanieczyszczeń występujących w aluminium pierwotnym. Tabela 4. Stężenia zanieczyszczeń w aluminium pierwotnym [36]–[39]. Pierwiastek Fe Si Cu Mg Zn Ni Ti V Na B Ca Li O N C H Ba Bi. Stężenie masowe, [ppm] min max 400 3000 200 1500 5 100 5 60 10 200 1 80 10 100 10 200 <1 500 <2 60 (w postaci borków) <1 50 1 10 1 100 (w postaci tlenków) 1 60 (w postaci azotków) <1 100 (w postaci węglików) 0,3 0,6 <1 10 0 10. - 12 -.

(27) Część teoretyczna. Pierwiastek Cr La Pb Mn P S Sn Zr. Stężenie masowe, [ppm] min max 2 50 <1 10 1 50 5 50 1 30 <1 20 <1 30 10 40. Zanieczyszczenia obecne w aluminium pierwotnym są następstwem jego procesu produkcyjnego i mogą pochodzić z rudy jak i z używanego oprzyrządowania, czy odpowiednich wyłożeń ogniotrwałych [36]. Zanieczyszczenia wpływają z kolei na skład chemiczny kąpieli metalowej stopu docelowego. Nawet niewielkie zmiany składu chemicznego i jakości metalu mogą spowodować występowanie wad powstających w odlewach, nawet przy zachowanych normalnych warunkach procesu topienia i odlewania [39]. W układzie podwójnym Al–Cu przedstawionym na rysunku 4 od strony aluminium, występuje roztwór graniczny stały Cu w Al zwany dalej roztworem α(Al) o ograniczonej rozpuszczalności Cu do 5,65%, w temperaturze eutektycznej 548°C. Rozpuszczalność miedzi zmniejsza się do wartości poniżej 0,1% masowych wraz z obniżeniem temperatury do 20°C. Eutektyka występuje przy stężeniu 33,2 % Cu i jest złożona z roztworu α(Al) oraz fazy międzymetalicznej Al2Cu (Θ). Jak widać na wykresie 4 charakter linii solvus – o zmiennej rozpuszczalności Cu w roztworze α(Al) – umożliwia zastosowanie obróbki cieplnej stopów Al–Cu polegającej na przesycaniu i starzeniu [1], [40], [41].. Rys. 4. Fragment układu równowagi fazowej Al-Cu [40], [41]. W związku z tym, że stopy Al-Cu krystalizują nierównowagowo, to ich głównym składnikiem mikrostruktury jest roztwór stały α(Al) zwierający do 5 % masowych rozpuszczonej w nim miedzi [42], [43]. Dodatkowo, w wyniku segregacji na froncie krystalizacji dendrytów, w ich mikrostrukturze tj. w przestrzeniach międzydendrytycznych występują fazy pochodzenia eutektycznego składające się. - 13 -.