Aluminijum

Fakultet tehničkih nauka Novi Sad Departman za mašinstvo

Savremeni materijali

Uvod

Aluminijum je najrasprostranjeniji element u Zemljinoj kori posle kiseonika, sa zastupljenošću od oko 8 %. Nakon gvožđa drugi je po redu metal koji se koristi u savremenoj mašinskoj tehnici; a najviše u vidu različitih višekomponentnih legura, dok se kao čist metal koristi u elektrotehnici, metaloprerađivačkoj, hemijskoj i prehrambenoj industriji.

Boksit Aluminijum spada u grupu lakih metala. U prirodi se ne sreće u čistom obliku, već u vidu različitih minerala. Osnovna ruda za dobijanje je boksit, koji sadrži oko 50% Al, mada se koriste i druge rude kao što su apatit, alunit i kianit. Boksit se prerađuje u glinicu ( Al2O3), iz koje se aluminijum izdvaja elektrolizom, pri čemu se troši puno električne energije (16kWh za 1kg Al). Boksit se sastoji od mešavine hidroksida aluminijuma (Al2O3, H2O ili 3H2O) sa primesama silicijum-dioksida, oksida gvožđa, titan- oksida itd. U tehničkoj praksi obično se razlikuju crveni boksit sa malo silicijum-dioksida i beli boksit sa mnogo silicijum-dioksida. Tehnička vrednost boksita je veća što manje silicijum i titan-oksida sadrži. Za dobijanje 1t aluminijuma potrebno je 2t glinice, odnosno 5t boksita, pri potrošnji struje 15.000 – 20.000 kWh, što izuzetno poskupljuje proces.

Osobine aluminijuma

Aluminijum je element koji pripada trećoj grupi Periodnog sistema. Laki je metal, gustine ρ=2,7kg/cm3, oko 2,9 puta lakši od čelika. Kristališe po površinski centriranoj kubnoj rešetki. Srebrnasto - bele boje je. Ima visoku plastičnost, što omogućava valjanje aluminijuma do veoma malih debljina (folija). Dobro se kuje u hladnom stanju. Odlikuje ga velika električna provodljivost, koja je 57% provodljivosti bakra, koja se u tehnici koristi kao etalon. Ima visoku toplotnu provodljivost, a temperatura topljenja čistog aluminijuma je 658°C. Pod dejstvom kiseonika u vazduhu aluminijum obrazuje tanak 2 Marko Čović 16073


sloj oksida po površini koji ga štiti od korozije (Al2O3). Nije magnetičan. Otporan je na dejstvo kiselina osim solne, ali je slabo otporan na dejstvo baza. U morskoj vodi aluminijum se vrlo brzo razara. Modul elastičnosti mu je 71.900 MPa. Prekidna čvrstoća je maksimalno do 700 MPa, uz dobru istezljivost. Dobro se obrađuje na razne načine. Za poboljšanje mehaničkih osobina legira se sa Cu, Mg, Mn, Zn.

Tipične osobine aluminijuma Legure aluminijuma Aluminijum je vrlo podesan za plastično oblikovanje (jer ima dobru istezljivost), ali ima slaba mehanička svojstva, koja se mogu značajno povećati legirajućim elementima pri čemu nastaju legure aluminijuma. Obuhvataju vrste sa najmanje 87% aluminijuma i dodatkom lakih i teških metala. Odlikuju se malom masom, znatnom čvrstoćom i tvrdoćom, a pojedine vrste znatnom otpornošću prema koroziji. Osnovni legirajući elementi su bakar (4,4%), magnezijum (1,5%) , mangan (0,6%), silicijum (4-22%). Dodavanjem bakra aluminijumu se naglo povećava zatezna čvrstoća, a smanjuje električna provodljivost. Magnezijum i mangan deluju povoljno na povećanje zatezne čvrstoće, mada ne jednako kao bakar, i znatno povećavaju korozivnu otpornost. Silicijum mu znatno povećava istegljivost i livkost.

3 Marko Čović 16073


Grafik 1 – Uticaj legirajućih elemenata na tvrdoću aluminijumovih legura

Označavanje legura aluminijuma

Prema bivšem jugoslovenskom standard legure aluminijuma se označavaju slovnim i brojčanim simbolima u osnovnoj oznaci i brojčanim simbolima koji slede osnovnu oznaku i od nje su odvojeni tačkom. Prva slovna oznaka u osnovnoj oznaci pripada hemijskom simbolu aluminijuma (Al), kao osnovnom metal, posle koje se u nizu navode hemijski simboli legirajućih elemenata po uticajnosti, i brojčane oznake koje pokazuju njihov procentualni sadržaj. Brojčani simboli koji se nalaze iza osnovne oznake su dvocifreni i označavaju stanje legura aluminijuma ( 20-23 proizvodno stanje, 30-39 stanje meko, meko žareno i rekristalizovano, 40 proizvodno stanje, 42-48 stanje hladne plastične deformacije, 60-89 termički obrađeno stanje, 90-98 druga stanja).

Označavanje aluminijuma Al Prema tehnološkoj nameni legure možemo podeliti na: legure za obradu deformacijom (gnječenjem) i legure za livenje. Legure za obradu deformacijom se dalje dele na: legure 4 M Marko Čović 16073


ojačane termičkom obradom (kaljive) i legure koje se termički ne obrađuju (nekaljive).

Grafik 2 - Odnos između legura za livenje i legura za gnječenje Aluminijumove legure za obradu deformacijom (gnječenjem) Legure za gnječenje su dvo ili više komponentne legure aluminijuma, dobijene pretapanjem aluminijuma sa odgovarajućim elementima koji treba da obezbede sposobnost materijala da se dobro plastično obrađuje. Legure namenjene plastičnoj obradi na toplo ili hladno su najčešće višekomponentne legure, a legirajući elementi su mangan, magnezijum, bakar, silicijum i cink, ali i drugi elementi u zavisnosti od potrebe.

Legure ojačane termičkom obradom (kaljive) U ovu grupu spadaju legure aluminijuma sa bakrom, magnezijumom, silicijumom, cinkom i litijumom. Postižu visok nivo mehaničkih svojstava tek posle odgovarajućih termičkih obrada. Duraluminijum (dural) Nemački naučnik Alfred Vilm pripremio je leguru sa 95,5% Al, 4% Cu, 0,5%Mg, pa je tu leguru zakalio. Posle kaljenja više puta je izmjerio tvdoću legure i dobio različite rezultate, pa je posumnjao u ispravnost aparature, ali kasnija istraživanja pokazala su da se čvrstoća i tvrdoća legure u toku vremena povećava. Tako je otkriven fenomen "starenja" i mada Alfred Vilm nije teoretski objasno ovu pojavu, on je eksperimentalnim putem odabrao optimalni sastav legure i režim termičke obrade i svoj patent prodao pod nazivom: duraluminijum.

Postupak dobijanja legure duraluminijuma 5 Marko Čović 16073


Zona minimalne otpornosti dobija se zagrevanjem na temperaturu od 350 °C, što predstavlja praktični interes za tehnološku obradu, jer tada materijal postaje pogodan za obradu za plastičnom deformacijom. Nakon završetka obrade sa ovako omekšalim materijalom gotovi delovi podvrgavaju se kaljenju. Čvstoća i tvrdoća durala ne povećava se odmah posle kaljenja, kao što je slučaj kod čelika, već postepeno, sa vremenom od nekoliko dana. Kaljenje se izvodi na taj način što se legura potapa u kadu sa zagrejanim rastvorom soli natrijuma i kalijuma na temperaturi oko 500 °C, pa se zatim brzo hladi u vodi. Hlađenje pri kaljenju se vrši u vodi na sobnoj temperaturi, a zatim se predmet pere u toploj vodi radi uklanjanja soli koje su jako korozivne, potom se odlaže u skladište gde na vazduhu otpočinje proces "prirodnog starenja". Proces starenja se može ubrzati ukoliko se predmet posle zagrevanja hladi u vodi, a zatim suši u struji toplog vazduha veštačko starenje. Ukoliko seodmah nakon kaljenja delovi čuvaju na niskim temperaturama, proces starenja se naglo produžava ili se čak uopšte i ne pojavljuje, što se koristi za čuvanje legura namenjenih plastičnoj obradi. Do danas je razvijeno više legura koje se donekle razlikuju po sastavu, načinu termičke obrade i oznakama, ali se svi zovu istim imenom - durali. Legure duraluminijuma dele se u dva osnovna tipa: Prvi tip legure sadrži: Al; 3,8-4,8 % Cu; 0,5% Mg; 0,5%Mn; 7% Si; Drugi tip legure sadrži: Al; 3,8-4,5% Cu; 1,2-1,8% Mg; 0,5% Mn; 5% Si. Legure durala koriste se za izradu konstrukcionih delova srednje i povišene čvrstoće, kada se traže dobre zamorne karakteristike i zadovoljavajuća otpornost prema koroziji. Dural od 93,5% Al, 4,4% Cu, 1,5% Mn i 0,6% Mg je jedan od najviše primenjivanih materijala za izradu aviona. Legura koja se koristi za izradu spoljnje oplate aviona, za izradu krila aviona za završni deo trupa jeste AlCu4Mg. Kada se aluminijumu dodaje cink u kombinaciji sa magnezijumom, dobija se veoma čvrsta legura koja ima formulu AlZn5Mg3 koja se koristi za jako napregnute konstrukcije u avijaciji.

Duraluminijim u korodirajućoj slanoj sredini vrlo brzo korodira i propadne pa je bilo 6 Marko Čović 16073


neophodno pronaći tehniku da se zaštiti od korozije. Tako je stvoren materijal koji se naziva Al-klad (Al-clad). Dobija se postupkom koji se na engleskom jeziku naziva cladding. Ideja je bila da se po površini duraluminijuma nanese tanak sloj čistog aluminijuma koji vrlo brzo oksiduje i stvara zaštitni sloj oksida (Al2O3) koji štiti od dalje korozije, što je prikazano na slici 3. Al 2O3 Al Dural slika 3

Debljina sloja sa svake strane materijala ne sme biti tanja od 0,4% debljine lista. Kaljenje duraluminijuma sastoji se u zagrevanju do 500±10 °C sa halđenjem u vodi sobne temperature. Određene temperature kaljenja treba se pridržavati zbog uspešnog zakaljivanja jer zagrevanje niže od 490 ºC dovodi do nepotpunog kaljenja, a zagrevanje više od 510 ºC izaziva forsirani porast zrna što dovodi do povećanja krtosti. Specifičnost duraluminijuma je ta što se nakon kaljenja ne postiže odmah čvrstoća i tvrdoća, kao kod čelika već tek u toku 5 – 6 dana, a najveći prirast čvrstoće i tvrdoće je u toku prvih 12 sati. Ovaj proces postepenog očvrščavanja naziva se starenje. Starenje pri sobnoj temperaturi u vremenu od 5-6 dana naziva se prirodnim starenjem. Starenje nakon kaljenja može biti ubrzano zagrevanjem do 100 – 150 ºC i traje 3 – 4 sata. Ovakvo starenje naziva se veštačko starenje. Promena čvrstoće duraluminijuma u toku starenja na različitim temperaturama vidi se iz dijagrama na grafiku 3.

Grafik 3 7 Marko Čović 16073


Žarenje se primenjuje pre obrade duralumnijuma savijanjem, presovanjem, razvrtanjem, itd. Bezopasna obrada na hladnom moguća je tek nakon prethodnog žarenja duraluminijuma. Žarenje duraluminijuma sastoji se u zagrevanju na 350±10 °C i neznatnom držanju na toj temperaturi i hlađenjem. Žarenjem se smanjuje tvrdoća i čvrstoća duraluminijuma.

Avijali Kod ovog tipa legure, sadržaj Cu u odnosu na dural je znatno snižen, dok je sadržaj Si relativno visok, takođe sadrži i Mg. Imaju niže karakteristike čvrstoće, ali bolje duktilne osobine u odnosu na dural. Zavarivi su i otporni na korozivnost. Njihova prednost je i dobra otpornost prema lomu usled zamora. Ojačanje u avijalima je rezultat delovanja intermetalne faze Mg2Si.

Na grafiku 4 je uticaj dodatka Mg2Si na čvrstoću kod legure Al-Mg-Si.

Grafik 4 Legura avijal se kali na temperaturi 515 – 525 ºC u vodi, a ojačavanje bilo prirodnim, bilo veštačkim starenjem na temperaturi 160 ºC traje 12 sati. Veštačko starenje treba realizovati odmah nakon kaljenja, u protivnom se dostiže niži novo čvrstoće. Iz legura tipa avijal izrađuju se limovi, profili, cevi i sl. Ova legura se obično koristi za konstrukcione delove koji nisu izloženi naročitim opterećenjima, ali 8 Marko Čović 16073


uglavnom gde temperaturama.

se

traži

visoka

plastičnost

na

normalnim

i povišenim

“Visokočvrste” legure aluminijuma Samostalnu grupu termički obrađenih legura čine tvz. visokočvrste legure. Nivo čvrstoće im je 500 do 600 MPa, uz nižu plastičnost u odnosu na durale. Ove legure su pored bakra i magnezijuma obično legirane i sa cinkom (5 – 8 %). U svojstvu ojačavajućih intermetalnih faza javljaju se: MgZn2; Al2Mg3 (T faza) Al2CuMg (S faza) Sa povišenim sadržajem cinka i magnezijuma povećava se čvrstoća navedenih legura ali se i delom snižava nivo duktilnih osobina, kao i korozione otpornosti. Dodatkom hroma i mangana dolazi do povišenja korozione otpornosti. Visokočvrste legure aluminijuma se obično kale sa temperature od 456 do 480 ºC hlađenjem u hladnoj ili zagrijanoj vodi a zatim se podvrgavaju starenju na temperaturama od 120 do 145ºC u trajanju od 8 do 16 sati.

Legure aluminijuma namenje kovanju i presovanju Legure aluminijuma namjenjene preradi kovanjem i presovanjem karakteristične su po izuzetnim osobinama plastičnosti na temperaturi obrade od 380 do 470ºC. Navedeni tipovi legura se obično legiraju sa bakrom i magnezijumom, te dodatno sa manganom. Radi se o legurama sledećeg sastava: (1,8-12,6)%Cu; (0,4-0,8)%Mg; (0,4-0,8)%Mn; (0,7-1,2)%Si (3,9-4,2)%Cu; (0,4-1)% Mg; (0,4-1) %Mn; (0,5-1)%Si Ova posljednja legura svojim sastavom je veoma slična duralu. Dostiže se čvrstoća od 430 do 480 MPa uz izduženje od 10 do 13%, pri čemu se ovaj drugi tip legure (sa više bakra) koristi za jače opterećene kovane elemente. Kaljenje ovih legura se vrši sa temperature od 490 do 515 ºC zatim se hlade u vodi, zatim se podvrgavaju starenju na temperaturi 150 do 165ºC u trajanju od 6 do 15 sati.

Legure aluminijuma koje se termički ne obrađuju Osnovni tip ovih legura su legure sa dodacima magnezijuma i mangana. Kod legure 9 Marko Čović 16073


aluminijum – magnezijum sadržaj magnezijuma ne ide preko 5,5% jer pri većem sadržaju dolazi do jače interkristalne korozije. Odlikuju se velikom otpornošću na koroziju, naročito prema morskoj vodi. Glavni izvor ojačanja je povišena čvrstoća osnovnog čvrstog rastvora, dok nataložene faze samo minorno doprinose ukupnom nivou dostignute čvrstoće. Legure Al-Mg se dodatno legiraju manganom, što omogućava taloženje čestica Al6Mn koje imaju dvojako dejstvo (ojačavaju matricu i profinjuju zrno). Ove legure se primjenjuju u žarenom stanju ili u stanju nakon plastične deformacije. Žarenje se obično vrši na temperaturama 310 do 410 ºC sa naknadnim hlađenjem na vazduhu. Navedene legure se dobro oblikuju, zavaruju i dostižu dobar nivo otpornosti na koroziju. Obrada rezanjem, naročito u žarenom stanju, prilično je otežana. Ove legure se mogu uspešno koristiti za delove konstrukcija od kojih se traži visoka otpornost na koroziju kod nižih nivoa mehaničkih opterećenja. Uopšteno se može reći da se ove legure odlikuju velikom plastičnošću, korozionom otpornošću i sposobnošću zavarivanja, ali im čvrstoća nije naročito velika.



U tabelama 1 i 2 dat je pregled nekih odabranih legura aluminijuma sa mehaničkim osobinama I smernice za upotrebu legura za gnječenje

Tabela 1 - mehaničke osobine odabranih aluminijumovih legura

11 M Marko Čović 16073


Tabela 2 - Smernice za upotrebu legura za gnječenje

12 M Čović 16073 Marko


Legure aluminijuma za livenje

Ove legure su brojne i mogu da se podele u pet osnovnih grupa: silumini (legure aluminijuma sa silicijumom); legure aluminijuma sa silicijumom i bakrom; legure aluminijuma sa bakrom; legure aluminijuma sa magnezijumom; legure aluminijuma sa drugim komponentama u koje spadaju nikl, cink i titanijum. Aluminijum-silicijum (silumini) Najpoznatije legure aluminijuma za livenje su silumini, koje su našle veliku primenu u automobilskoj i avio industriji. Odlikuju se dobrom tečljivošću, otporne su na dejstvo korozije, imaju zadovoljavajuće mehaničke osobine i dobro se zavaruju. U cilju dobijanja odlivaka dobre gustine i mehaničkih karakteristika mogu da se koriste samo silumini sa uskim intervalom kristalizacije. Običan silumin sadrži 12–13% silicijuma, a prema strukturi predstavlja nadeutektičku leguru koja se sastoji od igličastog grubog eutektikuma (Al + Si) I kristala čistog silicijuma. U procesu livenja se leguri dodaje mala količina natrijuma, što se naziva modificiranjem, zbog čega se struktura i osobine menjaju. Legura postaje podeutektička i sastoji se od zrna aluminijuma i sitnozrnastog eutektikuma. Ova legura služi za izradu odlivaka složenih oblika od kojih se ne zahtevaju visoka mehanička svojstva. Pored običnih, postoje I specijalni silumini, kod kojih se dodatkom bakra, magnezijuma i mangana, uz 4-10% silicijuma osobine značajno povećavaju.

Tabela 3 - Rastvorljivost Si u Al

Ove legure se odlikuju izvanrednim livačkim osobinama,one ne propustaju tečnosti niti gasove.Dobro se autogeno zavaruju i imaju zadovoljavajuća mehanička svojstva .Ova legura ima poboljšanu otpornost prema koroziji od čistog aluminija jer se stvara zaštitni sloj SiO2x H2O. Aluminijum-bakar Al – Cu Aluminijum gradi sa intermetalnim jedinjenjem Al2Cu eutektički sistem. Eutektička koncentracija iznosi 33% Cu,a temperature 548 °C. Rastvorljivost bakra u aluminiju data je u tabeli 4.



Tabela 4 – Rastvaranje Cu u Al

U strukturi livene legure aluminijuma sa 5% Cu javljaju se nehomogeni dendritni kristali čvrstog rastvora eutektikuma. U podeutektičkim legurama sa 5,7-33% Cu primarne dendrite nalaze se u eutektikumu. Pri većim sadržajima Cu izdvajaju se primarni i tvrdi Al2Cu kristali. Dodatkom od 1%Cu,zatezna čvrstoća se poveća na 210 N/mm2. Legure sa većim sadržajem Cu se mogu posle kaljenja na 550 °C ojačavati termičkim taloženjem. Ove legure posle silumina imaju najveću livkost, ali su slabo otporne na koroziju. Dodavanjem manjih količina drugih legirajućih elemenata, kao što su magnezijum Mg, mangan Mn, cink Zn , nikl Ni, titan Ti mogu se znatno poboljšati mehanička svojstva.



Zaključak U mašinstvu aluminijum kao i njegove legure imaju veoma veliku primjenu, a sve to zahvaljujući svojim karakteristikama. Ovo je materijal koji je doveo do revolucije u metalurgiji, ali i u drugim oblastima. Danas je nemoguće zamisliti automobilsku industriju, kao i avio industriju bez ovog metala i njegovih legura. .Aluminijum je dosta lakši od konvencionalnog čelika, a omogućava smanjenje težine proizvoda i poboljšanje njihove ekonomičnosti. Jedini problem jeste cena ovog metala.

Aluminijum se može koristiti za proizvodnju brojnih komponenti automobila, uključujući delove motora, karoserije, pa čak i enterijera. Automobili poput Jaguara XJ intenzivno koriste aluminijum za konstrukciju karoserije, omogućavajući smanjenje težine u odnosu na automobile sličnih dimenzija. Sa snižavanjem troškova proizvodnje aluminijuma sigurno je da će njegova primena u konstrukciji automobila biti sve češća .



Literatura 1) “Metalni materijali”, Vladislav Đukić, Beograd 1989. g.. 2)

“Savremeni metalni materijali”, dr Mirsada Oruč, mr Raza Sunulahpašić,

Zenica 2005.g. 3)

Internet


Aluminijum

Recommend Documents