Hliník a jeho slitiny

Transkript

1 Hliník a jeho slitiny příprava (tavení, lití, prášková metalurgie, legování), tepelné zpracování, tepelně-mechanické zpracování svařitelnost, obrobitelnost fyzikálně-mechanické a strukturní vlastnosti označování tříd podle norem aplikace Perspektivy Využití hliníku v automobilovém průmyslu hraje stále větší úlohu především z důvodu hledání odlehčených materiálů a snahy snížit emise CO 2. S rostoucím požadavkem na zastoupení Al slitin v automobilovém průmyslu roste v posledních letech i zájem vědy a výzkumu o tyto slitiny. Důvody v roce 2005 bylo do automobilů zakomponováno 2milióny tun součástí z hliníku: Síly odporu Snížení hmotnosti osobních aut v průměru o 100 kg vede k úspoře: 0,35 litrů paliva na 100 km 9 gramů CO 2 na km na výfuku 1

2 Příznivý dopad snížení hmotnosti Okamžitý Brždění Zrychlení Ovládání vozidla Sekundární Zmenšení součástí vozidla (brzdný systém, nádrž na palivo, ). Základní fyzikální vlastnosti Al Relativní atomová hmotnost 26,98 Struktura KPC Mřížková konstanta 0,40412 nm Hustota 2, kg/m 3 Teplota tavení 660 C Skupenské teplo tání 396,1 kj/kg Elektrický odpor 0,027-0,029 Wmm 2 /m Smrštění lineární, objemové 1,75 ; 6 % Nemagnetický Srovnání vlastností Al s ocelí, Cu a Mg Veličina Prvek Hliník Ocel Měď Hořčík Relativní atomová hmotnost 26,98-63,55 24,31 Struktura KPC KSC,KPC KPC HTU Hustota x 10 3 (kg/m 3 ) 2,7 7,85 8,96 1,74 Teplota tavení ( C) 660 cca Rezistivita (W/m) ,5 47 Smrštění (%) lineární objemové 1, ,2-2, ,5-1,5 5-7 Měrná tepelná kapacita (J/(kg.K) ) Tepelná vodivost ( W/(m.K) )

3 Náhrada za oceli Hustota Al - 1/3 hustoty oceli snížení hmotnosti avšak musí být zachovány požadované vlastnosti součásti nutné zvýšit tloušťku Ocelové konstrukční aplikace 0,8 mm nahrazeny díly s tloušťkou 1,2 mm (vypočtený poměr pro náhradu: ρ(oceli) 1,5 ρ(al) přesto 50% redukce hmotnosti!! Úspora hmotnosti při použití vysoce pevných ocelí s vysokým poměrem k Požadavky na plechy karosérií 3

4 Metody výroby hliníku Výchozí surovina - oxid hlinitý Al 2 O 3 (hlavním meziprodukt při výrobě Al) 2 hlavní stádia výroby kovového hliníku: extrakce, čištění a dehydratace bauxitu a výroba Al 2 O 3 amfoterní charakter Al 2 O 3 způsob výroby zásaditý kyselý elektrolýza Al 2 O 3 rozpuštěného v roztaveném kryolitu Na 3 [AlF 6 ] nebo karbotermická redukce Al 2 O 3 další etapa: rafinace hliníku vyrobeného elektrolýzou Elektrolyzér: a) schéma součástí pece b) řazení anod v peci 4

5 Elektrolýza Katodová reakce: -přenos náboje na rozhraní katody a hexafluorohlinitanového iontu za vzniku Al a F, který neutralizuje náboj přicházejícího Na + : 6Na + + AlF e 6 NaF + Al zjednodušeně: Al e Al Anodová reakce: - zjednodušeně představuje dále reaguje C+2O 2 CO 2(g) + 4e CO 2 (g) + C 2CO avšak primárním produktem na anodě pouze CO 2 protože : kyslík se elektrochemicky redukuje rychleji než odpovídá tvorbě CO, připojení 2 O na C - + energii nadpětí Kyslík je ale přítomen ve formě komplexních aniontů Al-O-F a procesy jsou tedy složitější, lze je psát např. ve tvaru: Al 2 OF C C x O abs + 2e Po této reakce proběhne desorpce: Al 2 O 2 F C x O abs CO 2 + Al 2 OF 4 + 2e 3 Al 2 OF 4 AlF 3 + Al 2 O 3 Karbotermická redukce 5

6 Technologie zpracování hliníku vysvětlivky casting- odlévání, scalping- odstranění kůry ingotu, preheating- ohřev, hot rolling-válcování za tepla, cold rolling- válcování za studena, continuous heat treatment-kontinuální tepelné zpracování, cut to length-řezání na délku 6

7 Cena Al a slitin Al na světových trzích Al LME Cash Prices, 28/2/2008 Aluminum Prices Chart : Stř.h.: 3046 $/t = 3,046 $/kg Aluminium alloy Prices : Stř.h.: 2710 $/t = 2,710 $/kg 11/2/2013 Aluminum Prices Chart : Stř.h.: 2068 $/t = 2,068 $/kg Aluminium alloy Prices : Stř.h.: 1830 $/t = 1,830 $/kg Losertová Monika VŠB-TUO, sylaby přednášek Slitiny nž kovů pro automobilový průmysl

8 Aplikace Al plechy a pásy, flexibilní obaly na bázi Al, fólie pro izolace a jiné technické aplikace, fólie pro čokoládovny, alobal, mechanický finstock aj. slitiny Vliv jednotlivých přísad na vlastnosti hliníku Cu - zvyšuje pevnost a tvrdost slitiny, zhoršuje tvárnost, působí nepříznivě na korozivzdornost slitiny ke tváření max.6 % Cu, slévarenské slit.- max. 12 % Cu Mg - zlepšuje většinou podmínky pro TZ, zlepšuje odolnost proti korozi, slitiny pro tváření max.8 % Mg, slévarenské slit.- max. 11 % Mg Mn - zlepšuje pevnost, tvárnost a korozivzdornost, u slitin určených k vytvrzení-zjemňuje zrno a brání jeho hrubnutí při ohřevu při větší koncentraci-zvyšuje křehkost a zhoršuje slévatelnost (více smršťují) Zn - výborná pevnost, menší houževnatost, menší korozivzdornost, malá tvárnost za pokojové teploty se zvyšuje při vyšších teplotách Li - zvyšuje modul elasticity, snižuje hustotu (výhoda pro aplikace v letectví, nevýhoda- obtíže při výrobě, vysoká cena) Pb,Bi zlepšují obrobitelnost Fe - stálá příměs hliníku, slitiny ke tváření do 0,5 % Fe (1,6 % ve zvláštních případech); slévarenské slitiny - přidává se do 1% Fe zlepšuje slévatelnost Si - stálá příměs hliníku, zvyšuje otěruvzdornost, slévárenské slitiny - přidává se do % Si, zvyšuje slévatelnost a zabíhavost, úprava taveniny očkováním. Ni - zvyšuje mechanické vlastnosti za normální i vyšší teploty, zlepšuje korozivzdornost u některých slitin Fe, Ni, Ti, Mn, Cr : - vznik intermetalických fází a zvýšení pevnosti a tvrdosti - zpevnění sekundární fází - vylučuje se většinou po hranicích zrn a v mezidendritickém prostoru během solidifikace Cr, Co, W, Ti, V, Ce, : - působí na zjemnění krystalizace 8

9 Vliv vybraných přísad na vlastnosti hliníku Legování: zpevnění tuhým roztokem do 1,25% Mn nebo 3,5% Mg, precipitační zpevnění do 4,5% Cu, 7% Zn nebo (3% Mg + 1% Si), zjemnění zrna do 0,5% Cr, Sc slévárenské slitiny do 17% Si, 7% Cu, 10% Mg. Rozdělení slitin podle mikrostruktury a zpracování Slitiny určené ke tváření : za vyšších teplot - tvořeny homogenním tuhým roztokem (substituční tuhý roztok a), který je pevnější a tvrdší než čistý Al, za nižších teplot - následkem změny rozpustnosti precipitace další fáze Slitiny určené ke slévání větší obsah přísad Þ heterogenita Þ eutektikum s rostoucím množstvím eutektika klesá jejich tvárnost, ale roste zabíhavost; kromě slitin eutektických mají jen obj.% eutektika Slitiny vyrobené práškovou metalurgií (SAP) struktura tvořena Al nebo Al slitinou a Al 2 O 3 (6-22%), zvýšená pevnost, vysoká korozivzdornost, žárupevnost (do 500 C) Kompozity struktura tvořena Al nebo Al slitinou a Al 2 O 3, SiC částicemi, způsoby přípravy P/M, tlakové lití, 9

10 Rozdělení slitin podle mikrostruktury a zpracování Rozdělení hliníkových slitin 1 slévárenské slitiny 2 slitiny určené k tváření 3 precipitačně vytvrditelné slitiny 4 precipitačně nevytvrditelné slitiny Rozdělení slitin podle složení a obsahu legur v praxi : slitiny hliníku = slitiny komplexní odlišnost a komplikovanost struktur jednotlivých slitin - lze je však odvodit z několika základních binárních nebo ternárních slitin : Al-Cu, Al-Mg, Al-Mn, Al-Si, Al-Zn; Al-Cu-Mg, Al-Cu-Si, Al-Cu-Ni, Al-Cu-Zn, Al-Mg-Si, Al-Mg-Mn, Al-Zn-Mg, 10

11 Rozdělení slitin podle složení a obsahu legur 1. s vysoce rozpustnými příměsemi ( > 10 at.%): Zn, Ag, Mg, Li 2. se středně rozpustnými příměsemi (>1 a < 10 at. %): Mn, Ga, Ge, Cu, Si 3. s nízko rozpustnými příměsemi (< 1 at.%): Fe, Sc, aj 11

12 Rozdělení slitin podle složení a obsahu legur Rozpustnost legujícího prvku v matrici s poklesem teploty klesá 1. příměsi podporující eutektickou reakci: Au, Ba, Be, Ca, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, Mn, Ni, Sb, Si, Sn, Zn 2. příměsi podporující peritektickou reakci : Cr, Hf, Mo, Nb, Ta, Ti, V, W, Zr 3. příměsi podporující monotektickou reakci : Bi, Cd, In, Na, Pb, Tl 12

13 Částice v mikrostruktuře Al slitin obecná charakteristika Intermetalické sloučeniny, které vznikají při solidifikaci a zůstávají prakticky nerozpustné během TMZ: Intermetalické sloučeniny, které vznikají při solidifikaci a mohou být rozpuštěny během TMZ: Intermetalické sloučeniny, které vznikají při prvním TZ nebo TMZ z přesyceného t.r. vzniklého po solidifikaci. Disperzoidy po vzniku jsou nerozpustné: Precipitáty vzniklé během precip. vytvrzení při nízkých T - mohou být snadno rozpuštěny a precipitovány při TZ: Nežádoucí nekovové inkluze: A různé Guinier Prestonovy zóny a metastabilní precipitáty 13

14 2009/10 Losertová Monika VŠB-TUO, sylaby přednášek Slitiny neželezných kovů v automobilovém průmyslu 14

15 Částice v mikrostruktuře Al slitin - problematické Částice v mikrostruktuře Al slitin žádoucí - v tomto případě TZ působí na zpevnění 15

16 Tvařitelnost Al slitin!! legury a přítomnost částic ovlivňují tvařitelnost lisování, kování 16

17 Slitiny pro plechy v AP - použití v minulosti, dosud a v budoucnosti Slitiny pro plechy v AP - chemické složení pro plechy karosérií Slitiny pro plechy v AP - tahové vlastnosti a tvařitelnost plechy karosérií 17