TZ1 Technologičnost konstrukce Hliník a jeho slitiny Konstrukce z hliníku doc. Ing. Ivo Hlavatý, Ph.D. Ing. Tomáš Zmydlený, Ph.D. Výroba hliníku elektrolytická redukce Al 2 O 3 Hliník se nejčastěji vyrábí elektrolytickou redukcí Al 2 O 3 z tekuté soli do tekutého kovu. Energeticky náročný proces, který vyzývá k energeticky méně náročné recyklaci. Obrázek 1.1 Elektrolitická redukce oxidu hlinitého. Obrázek 1.2 Bauxit, základní hliníková ruda. 1
Struktura Al Krystalická struktura hliníku Obrázek 1.3 Kubická plošně centrovaná mřížka (kpc) krystalická struktura: (a) kuličkový model; (b) jednotková buňkal; and (c) model krystalu. Zdroj: W. G. Moffatt, et al., The Structure and Properties of Materials, Vol. 1, John Wiley & Sons, 1976. Vlastnosti Al Hmotnost Plně naložený nákladní automobil: ocel hliník Obrázek 1.4 Porovnání hmotnosti hliníku a oceli. Zdroj: W. G. Moffatt, et al., The Structure and Properties of Materials, Vol. 1, John Wiley & Sons, 1976. 2
Vlastnosti Al Tepelná vodivost Mg Austenitická ocel Ti Litina Oxid hlinitý V 7,8 16 21,9 25 30 30,7 Uhlíková ocel 45 Ni 90,7 W 174 Al slitiny 190 Al 237 Cu 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Tepelná vodivost Wm -1 K -1 Vlastnosti Al Délková roztažnost Hliník má jednu z největších délkových roztažností ze všech kovů. Příklad: Jak se změní délka tyče (z původních 1000 mm) při změně teploty o 100 C? Hliník + 2,4 mm Ocel + 1,2 mm Mg + 2,6 mm W + 0,4 mm Cu + 1,7 mm 3
Rozdělení slitin Al základní rozdělení Hliník můžeme rozdělit podle chemického složení: Technický Al (min. 99 hm % Al) Slitiny Al obsah legujících prvků je 1% Podle možnosti zvýšit mechanické vlastnosti tepelným zpracováním: Vytvrditelné Zpevněné tvářením Podle technologie zpracování: Slitiny na odlitky Slitiny k tváření Rozdělení slitin Al Slitina 1000 čistý Al 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Chemické složení ~ 4,5% Cu, (+Mn, Si, Mg) vytvrditelné ~ 1% Mn, Mg tvářitelný za studena ~ 12% Si, (+Mg, Ni, Cu) kujné, vytvrditelné ~ 5% Mg, (+Cr, Mn) tvářitelný za studena do 1% Mg-Si, vytvrditelné do 8% Zn, (+Mg, Cu, Cr) vytvrditelné Další prvky např.:do 2,5 % Li R e [MPa] 30-100 R m [MPa] 100 135 do 480 do 520 A 5 [%] do 50 5-20 do 215 do 290 5 ~ 295 ~ 325 0.5 Písty motorů, do 350 do 415 15 ~ 275 ~ 310 12 500 575 11 Poznámka Fólie, dekorace, elektrické vodiče Výkovky, protlačované profily, např.: letadla Tažené plechy ~ kamiony a přívěsy. Kontejnery na jídlo, plechovky na pití. Dobrá tvařitelnost a svařitelnost. Výborná odolnost proti korozi, Konstrukční aplikace. Za tepla tažené profily. Okenní rámy. Vysokopevné slitiny, letadla, horská kola, automobily, atp. Letecký a kosmický průmysl, letadla rakety atp... 4
Chemické složení slitin Al Legury ve slitinách Al Legury používané ve slitinách hliníku: Si, Mn, Mg, Zn, Cu, Ni, Li, Fe do 1,25% Mn nebo 3,5% Mg pro zpevnění tuhým roztokem do 4,5% Cu, 7% Zn, nebo (3% Mg +1% Si) precipitační zpevnění do 0,5% Cr zjemění struktury do 17% Si, 7% Cu, 10% Mg, pro lité slitiny Rozpustnost Cu v hliníku do 12% Zvyšuje Pevnost Tvrdost Zhoršuje Tvařitelnost Odolnost proti korozi Slitiny A - 2 Hlavní legující prvek: Cu 5
Vytvrzování slitin řady 2 Cu v tuhém roztoku obvykle 4,5 % Když provedeme ochlazení přímo na teplotu umělého stárnutí (180 200 C) spustí se precipitace, ale převážně na hranicích zrn. Nevhodné pro pevnost!!! 1. Výdrž na ~550 C Všechna Cu musí přejít do roztoku 2. Ochlazení na pokojovou teplotu Cu je v přesyceném roztoku 3. Vytvrzování při teplotě 180-200 C Cu přechází z roztoku do formy precipitátů 6
Mez kluzu Re [MPa] 500 400 300 200 100 0 1 2 Tepelné zpracování přirozené stárnutí 1. Cu je v tuhém roztoku Vytrzování tuhým roztokem 3 1 10 100 1000 Čas stárnutí [hod] 4 2. Cu vytváří shluky atomů (G-P) zóny. Každá zóna je obklopena vysokým pnutím a polem napětí 3. Cu reaguje s Al a vytváří jemné husté precipitáty (θ ). Tyto precipitáty mají komplikovanou intermetalickou krystalovou strukturu Precipitační zpevnění 4. Další reakce vytváří θ a konečně θ (CuAl 2 ) precipitáty s velmi složitou krystalovou strukturou Použití A - 2 Název Duralumin 2014 2219 Chemické složení Re [MPa] Rm [MPa] A 5 [%] 3,5 Cu 0,5 Mg, 0,5 Mn 275 425 22 4,4 Cu 0,5 Mg, 0,5 Mn 0,9 Si 6,3 Cu 0.3 Mn, 0.2 Si 0.1Ti, Zn, V, Zr 320 425 13 290 390 415 475 10 Popis a použití slitiny Původní vytvrditelná slitina, v současnosti používaná na nýty atp. (2017) Standartní Al-Cu stlitina. Části letadel, automobilů atp. Dobrá žárupevnost (vysokoteplotní aplikace) Dobrá kryogenická pevnost (nádrže tekuteho paliva pro rakety) 7
Slitiny skupiny 3 Hlavní legující prvek: Mn Rozpustnost v hliníku do 12% Zvyšuje Pevnost Tvárnost Houževnatost Odolnost proti korozi 8
Slitiny - AW 4 Ve slitinách ke tváření se používá do 1% ve slitinách na odlitky až do 25%. Zvyšuje v tuhém roztoku Pevnost Odolnost proti korozi Zhoršuje Hlavní legující prvek: Si 9
Slitiny skupiny 5 Hlavní legující prvek: Mg Rozpustnost v hliníku do 12% Zvyšuje Pevnost Tvrdost Zhoršuje Tvařitelnost Odolnost proti korozi 10
Použití A - 5 Název 5456 5005 Chemické složení 5 Mg 0,25 Zn; 0,4 Fe 0,25 Si; 0.25 Cu, Ti, Cr, 0,5 1,0 Mg 0,25 Zn; 0,7 Fe 0,3 Si; 0.2 Cu; 0,1 Cr Re [MPa] 160-280 40 190 Rm [MPa] 310-370 125 200 A 5 [%] 24 12 30 4 Popis a použití slitiny Plechy, desky, výtažky, trupy lodí, kryogenické nádoby, korby nákladních automobilů, Plechy, vysokopevné fólie, elektrické vodiče Slitiny skupiny 7 Hlavní legující prvek: Zn Ve slitinách se používá 6 8 % Zvyšuje v tuhém roztoku Pevnost Snižuje Korozní odolnost Příklady slitin: 7005, 7017, 7020, 7075, 11
Použití A - 7 Většina slitin skupiny Ax 7xxx je náchylná na korozní praskání pod napětím (SCC). Které se ale dá zmírnit: Poměrem Zn:Mg do 3:1 Přidáním Mg, a Cu Omezením Si, Fe a dalších nečistot Komplexním, výcestupňovým tepelným zpracováním Název 7075 Chemické složení 5,6 Zn 2,5 Mg 1,6 Cu 0,2 Cr Re [MPa] Rm [MPa] A 5 [%] 500 570 11 Popis a použití slitiny Vysokopevnostní slitina, kosmické konstrukční díly. Tepelné zpracování k získání svařitelnosti, dobrá obrobitelnost, odolnost proti koroznímu praskání pod napětím, Typické umělé stárnutí: 120 C (utváření GP zón) potom 170 C (formování MgZn 2 ) 7475 vysoce čistá varianta lepší SCC 12
Slitiny skupiny 8 Slitiny: Al - Li Rozpustnost Li v hliníku do 12% Zvyšuje Pevnost Tvrdost Zhoršuje Tvařitelnost Odolnost proti korozi 13
Speciální slitiny Super-slitiny hliníku Za super slitiny Al jsou v současnosti označovány slitiny Al Li. Tyto slitiny se velmi obtížně vyvíjely protože Li je náchylné k explozi v průběhu legování. Vyrábí se v kontrolované ochranné atmosféře a jsou dokončovány jako klasické slitiny. Výzkum těchto slitin byl zahájen v roce 1977 Nebyly dostupné fázové diagramy Nebyl známa precipitace Li v Al Neexistovaly data mechanických vlastností jako např.: lomová houževnatost a mez únavy. Super slitiny Al - Li Al Li slitiny 14
Super slitiny Al - Li současnost superslitin Al Li (řada 8 ) Jsou dostupné jako plechy pláty, a extrudované profily podobných rozměrů jako klasické vysokopevné hliníkové slitiny. Vlastnosti: Nízká hustota. Li vykazuje při 2,6 % hmotnosti, 16% objemu slitiny. Dobrá korozní odolnost Dobrá odolnost proti poškození Vysoká tažnost 6 10% Super slitiny Al - Li současnost superslitin Al Li (řada 8 ) Excelentní mechanické vlastnosti: E = 79 GPa R m = 556 MPa σ y = 510 MPa K IC = 33 MPa m -1/2 ρ = 2685 kg/m 3 15
Super slitiny Al - Li Obchodní názvy Weldalite (Reynolds Metals Co.) Alithalite 2090 (Alcoa) Kalite (Kaiser Aluminum & Chemical Corp.) Alloy 8090 (British Alcan) Lital A (British Alcan and Royal Aircraft, England) Vytvrzování Al slitin 16
Maximální vytvrzení Tvrdost [HV] GPZ (I) Přestárnutí, odpevnění GPZ (II) Čas vytvrzování [log t] Značení Al a jeho slitin 17
Číselné značení Základní značka dle. ČSN EN 573-1 EN Ax - XXXX Třída 1xxx až 9xxx Písmeno skupiny ČSN EN 573 1 Číselné označování Skupiny hliníku W B C M tvářené výrobky nelegované nebo slitinové ingoty pro přetavení odlitky předslitiny 18
1xxx 2xxx 3xxx 4xxx 5xxx 6xxx 7xxx 8xxx 9xxx ČSN EN 573 1 Číselné označování bez legur čistý hliník Cu Mn Si Mg Mg, Si Zn ostatní prvky (Li) neobsazená řada Příklady chemického složení Číslo slit. Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Ti min. % Al 1050 0,25 0,40 0,05 0,05 0,05 --- --- 0,05 0,03 99,50 1060 0,25 0,35 0,05 0,03 0,03 --- --- 0,05 0,03 99,60 1100 0,95 0,05 0,05 --- --- --- 0,10 --- 99,00 1188 0,00 0,06 0,01 0,01 0,01 --- --- 0,03 0,01 99,98 1200 1,00 0,05 0,05 --- --- --- 0,10 0,05 99,00 3003 0,60 0,70 0,05 1,00 --- --- --- 0,10 --- 99,50 3105 0,60 0,70 0,30 0,03 0,20 0,20 --- 0,40 0,10 zbytek 4032 11,00 1,00 0,50 --- 0,80 0,10 0,50 0,25 --- zbytek 4043 4,50 0,80 0,30 0,05 0,05 --- --- 0,10 0,20 zbytek 4145 9,30 0,80 3,30 0,15 0,15 0,15 --- 0,20 --- zbytek 5005 0,30 0,70 0,20 0,20 0,50 0,10 --- 0,25 --- zbytek 5050 0,4 0,6 --- --- 1,4 --- --- --- 0,05 zbytek 6005 0,80 --- --- --- 0,50 --- --- --- --- 98,70 6061 0,60 --- 0,28 --- 1,0 0,20 --- --- --- 97,90 6070 1,40 --- 0,28 0,70 0,80 --- --- --- --- 96,80 7005 --- --- 1,60 --- 2,50 0,23 --- 5,60 --- 90,00 7075 --- --- --- 0,45 1,40 0,13 --- 4,50 0,04 93,30 19
Rozdělení Al slitin pro svařování ČSN CR 12187 Směrnice pro rozdělení materiálů do skupin pro účely svařování Skupina 21 čistý hliník, čistý hliník s obsahem nečistot 1,5 % nebo legujících prvků řada 1000 Skupina 22.1 Tepelně nezpracované slitiny. Slitiny Al-Mg s obsahem 3,5 % Mg. řada 3000 a 5000 Skupina 22.2 Tepelně nezpracované slitiny. Slitiny Al-Mg se 4 5,6 % Mg řada 5000 (např. EN AW 5083, EN AW 5086, EN AW 5456(A) Skupina 23 Tepelně zpracovatelné slitiny. Slitiny Al-Mg-Si a tepelně zpracovatelné slitiny Al-Zn-Mg, které vyžadují řízený tepelný příkon a tepelné zpracování nebo stárnutí po svařování. řady 2000, 6000 a 7000 Všeobecné požadavky na tavné svařování kovových materiálů slitiny Al Všeobecné požadavky na tavné svařování jsou uvedeny v EN 1011-1: Stehování Dočasné spoje Zapálení oblouku Čistění a úprava během svařování Postupy svařování Značení Kontrola a zkoušení Požadavky na jakost Opravy vad Deformace Tepelné zpracování po svařování Zkratky a značky Náběhové/výběhové desky 20
Svařování Al slitin podle ČSN EN Výběr norem o svařováním Al a Al slitin ČSN EN ISO 9692-3 Svařování a příbuzné procesy příprava svarových ploch Část 3: Obloukové svařování hliníku a jeho slitin tavící se elektrodou v inertním plynu a wolframovou elektrodou v inertním plynu ČSN EN 1011-4 Svařování Doporučení pro svařování kovových materiálů Část 4: Obloukové svařování hliníku a slitin hliníku ČSN CR 12187 Svařování směrnice pro rozdělení materiálů do skupin pro účely svařování Vhodné metody a polohy svařování, pro svařování Al a jeho slitin 131 (obloukové svařování tavící se elektrodou v inertním plynu) 141 (obloukové svařování netavící se elektrodou v inertním plynu) 15 (Svařování plasmou) případně další metody (111) 21
Příprava svařování Příprava svarových ploch Očistění povrchu Mechanicky (kartáče, rotační kotouče, škrabky) Mořením (roztok NaOH) Příprava pro svařování Sestavení svařence Předehřev Zvýšení stability oblouku (150 C) Zabránění horkým trhlinám (v rozsahu 200 400 C) 22
Teorie svařování Al a jeho slitin Metalurgie svařování Přídavný materiál Ochranné atmosféry Úprava svarových ploch S podložkou Bez podložky Protlačované profily 23
Příprava svarových ploch pro svařování bez podložky CSN EN ISO 9692-3 Tloušťka Název svaru Značka Zobrazení Řez Rozměry t 4 I svar b 2 3 t 15 V svar s výrazným otupením (131, 141) 15 t 30 U svar (svarové plochy se sklonem) (131) b 2 c 2 α 50 1 b 3 15 β 20 Svařování s podložkou Materiál podložek Austenitická ocel Hliník Měď Keramika Požadavky na podložku: Formování kořene. Zamezit nalegování Cu, a dalších prvků do svarového kovu, přehřátím podložky. 24
Příprava svarových ploch pro svařování s podložkou Tloušťka Název svaru Značka Zobrazení Řez Rozměry 2 t 4 I svar s podložkou (131) b 1,5 3 t 5 V svar s dočasnou podložkou (131) 8 t 20 V svar se strmým úkosem s podložkou (131) b 4 c 2 60 α 90 3 b 10 15 β 20 Svařování tvářených profilů Z pevnostních důvodů se konstrukce ze slitin hliníku navrhují jako svařence tvářených profilů, Svary umisťujeme mimo místa maximálního namáhání 25
Protlačované profily Protlačované profily 26
Protlačované profily Příprava svarových ploch svařování tvářených profilů Tloušťka Název svaru Značka Zobrazení Řez Rozměry 2 t 20 V svar na protlačený profil (131, 141) b 3 1 c 3 20 β 40 6 t 40 V svar na protlačený profil (131, 141) 0 b 3 2 c 3 10 β 20 27
Konstrukční zásady konstrukce 21. století Audi A8 moderní konstrukce 28
Konstrukční zásady příklady návrhu konstrukcí z Al slitin Velká afinita Al k O 2 3 větší součinitel délkové roztažnosti Al než feriticko perlitické oceli 3 menší modul pružnosti v tahu než má feriticko perlitická ocel Velká rozpustnost plynů v hliníku Al slitiny nemají žádné fázové přeměny v tuhém stavu Při tavení přechází Al rychle do tekutého stavu Konstrukční zásady příklady návrhu konstrukcí z Al slitin ČSN EN ISO 15614-2: Stanovení a kvalifikace postupů svařování kovových materiálů Zkouška postupu svařování -Část 2: Obloukové svařování hliníku a jeho slitin. Přednostně tupé svarové spoje, vyhýbat se koutovým Zesílení svarových spojů příložkami je neúčinné a nesprávné Hromadění materiálu v bezprostředním okolí svaru je příčinou technologických a pevnostních vad ve svarových spojích 29
Konstrukční zásady příklady návrhu konstrukcí z Al slitin Konstrukční zásady příklady návrhu konstrukcí z Al slitin 30
Konstrukční zásady příklady návrhu konstrukcí z Al slitin Vady svarů vliv na únosnost konstrukce Nejčastěji vyskytující se vady Solidifikační trhliny ve svarovém kovu (interkrystalické) Likvační trhliny v TOO (interkrystalické) Trhliny ze studena v TOO u vysokolegovaných slitin typu Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg (transkrystalické) Tvorba pórů a bublin ve svarovém kovu Vměstky ve svarovém kovu Snížení pevnosti v TOO u slitin zpevěnných za studena nebo vytvrzováním 31
Typické vady metody 141 Nečistý povrch svaru Wolframové vměstky ve svar. kovu Neprovařený kořen Studené spoje Vruby Typické vady metody 131 Velký rozstřik Studené spoje Zápaly Vruby 32
Vady svarového kovu Pórovitost Znečistěný přídavný materiál. Vlhkost na povrchu přídavného materiálu Zlepšit čistotu přídavného materiálu. Skladovat v čistém prostředí nad rosným bodem pracoviště Nečistá plocha spoje. Vlhkost na povrchu spoje Očistit a vysušit plochu spoje před svařováním, např. předehřevem. Materiál musí mít před svařováním teplotu okolí. Likvační interkrystalické trhliny 33
Zkoušený vzorek Základní materiál: EN AW 7020 EN AW-Al Zn4,5 Mg1 Si 0,35 Fe 0,40 Cu 0,20 Mn 0,05 0,50 Mg 1,0 1,4 Cr 0,1 0,35 Zn 4,0 5,0 Trhliny v základním materiálu Výbrus A 34
Trhliny ve svarovém kovu Výbrus B 35
Trhliny ve svarovém kovu Výbrus C Friction Stir Welding 36
Friction Stir Welding Metoda uvedená v roce 1991 (TWI) Přes 500 světových patentů Aplikace letectví kosmonautika Friction Stir Welding metoda budoucnosti? 37
Friction Stir Welding Svarový kov Svarový kov Základní materiál 38
Příklady Al svařenců - loď Příklady Al svařenců - loď 39
Příklady Al svařenců - loď Závěr základní vědomosti o Al slitinách Vyšší číslo skupiny neznamená lepší slitinu Z pohledu svařování jsou 3 skupiny slitin hliníku: vytvrditelné, nevytvrditelné a čistý hliník Základní fyzikální vlastnosti jsou velmi rozdílné v porovnání s ocelí (např. teplota tání, tepelná vodivost, délková roztažnost, hmotnost) Konstrukční zásady jsou jiné než u ocelí 40
Kde najdete další informace... Odkaz na stránku najdete v tel. seznamu VŠB-TUO http://fs1.vsb.cz/~hla80 41
Odkaz na stránku najdete v tel. seznamu VŠB-TUO http://fs1.vsb.cz/~hla80 Odkaz na stránku najdete v tel. seznamu VŠB-TUO http://fs1.vsb.cz/~hla80 42
Děkuji za pozornost http://fs1.vsb.cz/~hla80 ivo.hlavaty@vsb.cz IVO HLAVATÝ 2010 43