Aluminium i jego stopy

Aluminium (glin Al), metal lekki, gęstość ~2,70 g/cm3. – jeden z najczęściej występujących pierwiastków na ziemi
Aluminium – nazwa stosowana najczęściej w przemyśle, zazwyczaj stosowany w postaci stopów z innymi pierwiastkami.
Formatka to blacha, płaskownik lub płyta o określonych wymiarach w postaci zgrubnie dociętej na żądany wymiar z większego arkusza.
Materiały w postaci formatek pozwalają na:
– skrócenie czasu produkcji,
– obniżenie kosztów dalszej obróbki,
– minimalizacja odpadów poprodukcyjnych,
– zmniejszenie kosztów magazynowania.

Względnie niskie właściwości mechaniczne czystego aluminium powodują ograniczone jego stosowanie jako materiału konstrukcyjnego. Zastosowanie domieszek w postaci dodatków stopowych oraz proces obróbki cieplnej tj. przesycanie, starzenie (przy określonych parametrach i sekwencji procesów dla niektórych stopów można np. poprawić odporność na korozję kosztem wytrzymałości i odwrotnie) powoduje znaczną poprawę parametrów mechanicznych, a najtwardsze stopy aluminium właściwościami wytrzymałościowymi dorównują stalom konstrukcyjnym co pozwala na znaczne ograniczenie wagi konstrukcji.

Stopy aluminium są stosowane w przemyśle lotniczym, kosmicznym, energetycznym, elektronicznym, chemicznym, spożywczym, stoczniowym, samochodowym w budownictwie, sporcie itp.
Stopy te zostały rozdzielone na szereg grup, bazując na zasadniczej charakterystyce materiału uwzględniając ich zdolności do obróbki cieplnej, obróbki skrawaniem, twardości, wytrzymałości oraz pierwiastki będące głównymi dodatkami stopowymi.

Aluminium ENAW – stopy do obróbki plastycznej

Stopy do obróbki plastycznej (kute ENAW) – EN oznacza kodowanie na podstawie symboli chemicznych, A – aluminium, W – wyroby oraz wlewki do prze-róbki plastycznej, głównymi dodatkami stopowymi są tutaj: Cu, Mg, Mn, Si, Ni, Fe, Zn, Cr, Ti jednak w przeciwieństwie do stopów odlewniczych, zawartość poszczególnych dodatków stopowych jest niższa od ich granicznej rozpuszczalności w aluminium (w temperaturze eutektycznej).
Popularne stopy i stany umocnienia : 1050A-H24, 6082-T6/T651, 2017A-T4/T451, 7075-O/T6/T651/T73, 5005A, 5083-O/H111/H116/H321, 5754-H111/H22/H24/H32, 6061-O/T4/T6/T451/T651
(2014-T4, 2014-T6, 2024-T3, 2024-T4, 2024-T6, 2024-T8, 2219-T3, 2219-T4, 2219-T6, 2219-T8, 2618-T6, 2618-T61, 6061-T4, 6061-T6, 7050-T74, 7075-T6, 7075-T73, 7075-T74, 7075-T76, 7175-T74)
utwardzalne wydzieleniowo – są podatne na obróbkę cieplną umacniającą tj. przesycanie i naturalne lub sztuczne starzenie. Umożliwia to ograniczona, jak i w określonych przypadkach zmienna wraz z temperaturą rozpuszczalność dodatków stopowych w aluminium. Zaliczyć do nich możemy stopy z grup: stopy kute ( 2XXX (Al-Cu), 6XXX (Al-Mg-Si), 7XXX (Al-Zn-Mg-Cr) i 8XXX (Al-Li) ) oraz stopy odlewnicze : (2XX (Al-Cu), 3XX (Al-Mg-Si-Cu) i 7XX (Al-Zn).)
nieutwardzalne wydzieleniowo – wzrost ich wytrzymałości może nastąpić jedynie przez odkształcenie plastyczne czyli zgniot na zimno. Dłuższe utrzymywanie produktów w temp. pow. 150 °C będzie prowadzić do pogorszenia właściwości wytrzymałościowych.
Oznaczenia stanów umocnienia stopów aluminium:
F – Surowy produkt bez specjalnej kontroli warunków cieplnych i umocnienia
O – Wyżarzony celem zmiany własności mechanicznych
H – Umocniony zgniotem (określony poziom własności mechanicznych)
W – przesycony
T – poddany obróbce cieplnej celem uzyskania stabilnych stanów innych niż F, O, H

Miedzynarodowy System Oznaczania Aluminium (The International Aluminium Designation System) w skrócie IADS został wprowadzony w 1970r. przez Aluminium Association w celu zunifikowania (ujednolicenia) oznaczeń stopów przeznaczonych do obróbki plastycznej.
Jest on uznawany i wykorzystywany przez firmy na całym świecie.

Zgodnie z IADS w Polsce stopy do obróbki plastycznej opisuje norma: PN-EN 573 „Aluminium i stopy aluminium – skład chemiczny i rodzaje wyrobów przerobionych plastycznie”.

Stopy kute wg. IADS i PN-EN 573
Każdy stop aluminium do obróbki plastycznej jest oznaczony czterocyfrową liczbą (IADS), dla PN-EN 573 dodatkowo pojawia się EN-AW przed oznaczeniem liczbowym (AW – produkt kuty).
Pierwsza cyfra wskazuje grupę stopu zgodnie z głównym pierwiastkiem stopowym:
1xxx Al;
2xxx Cu;
3xxx Mn;
4xxx Si;
5xxx Mg;
6xxx MgSi;
7xxx ZnMg, ZnMgCu;
8xxx Fe, FeNi, LiCuMg
Druga cyfra oznacza modyfikację stopu lub limit zanieczyszczeń:
Podstawowy stop jest oznaczony jako „0”. Liczby 1… 9 wskazują różne modyfikacje z niewielkimi różnicami w składzie stopu.
Dla stopu 1xxx druga cyfra oznacza zmiany limitów zanieczyszczeń:
0 oznacza granicę zanieczyszczenia naturalnego,
1… 9 oznacza szczególną kontrolę jednego lub więcej zanieczyszczeń bądź pierwiastka stopowego.
Trzecia i czwarta cyfra identyfikują/rozróżniają stop aluminium w danej grupie (w przypadku 2xxx do 8xxx) lub wskazują jego czystość (dla 1xxx).
Np. dla serii 1xxx stop o oznaczeniu 1070 lub 1170 oznacza minimum 99,70% aluminium w stopie.

Wytyczne przy wyborze aluminium do obróbki plastycznej/odlewania:
Wybór zależy od właściwości wymaganych dla elementu, a więc rodzaju elementu, pełnionej przez niego funkcji, długości okresu użytkowania, łatwości wytwarzania/odlewania (zależne od procesu), kosztów produkcji. Ponadto niezbędne jest także uwzględnienie parametrów takich jak wytrzymałość mechaniczna, odporność na korozję, skrawalność, podatność do spawania, zgrzewania, anodowania itp.
Ilość czynników jakie trzeba wziąć pod uwagę oraz różnorodność stopów aluminium powoduje że wybór odpowiedniego nie jest prostym zadaniem.
Z tego też powodu zamieszczone propozycje produktów zostały opisane w przejrzysty i rzeczowy sposób, co zostało zobrazowane na infografikach.

Ciekawostki

Barwienie elementów wykonanych z aluminium jest przeprowadzane po procesie anodowania – w wyniku anodowania (eloksalacji) powstaje tlenek aluminium, który umożliwia nałożenie koloru.
Elementy z aluminium o minimalnych ilościach dodatków stopowych łatwiej pokryć intensywnymi kolorami, niż w przypadku aluminium z dużymi domieszkami krzemu, miedzi lub manganu, które pokrywają się kolorem mniej intensywnym o matowym odcieniu.

Specyficznym stopem aluminium, jest stop z serii 8xxx, dokładnie Al-Li, który posiada dość niską gęstość (czyste aluminium ma gęstość 2,7 g/cm3). Każdy 1% litu (gęstość litu wynosi 0,53 g/cm3) dodanego do stopu aluminium obniża gęstość tego stopu Al-Li o 3% i jednocześnie podwyższa moduł sprężystości (Younga) o około 6%. Maksymalny dodatek litu do stopu AL-Li może wynieść do 4%.

Matryca oznaczeń/norm stopów do obróbki plastycznej

POPULARNE STOPY ALUMINIUM:

z serii 1xxx: 1050A, 1070A, 1080A, 1200
z serii 2xxx: 2007, 2011, 2014, 2017A, 2024, 2030
z serii 3xxx: 3003, 3004, 3005, 3103, 3105
z serii 4xxx (tzw siluminy): , 4043
z serii 5xxx: 5754, 5757, 5083, 5005A, 5082, 5086, 5251, 5019, 5049, 5050, 5052, 5182
z serii 6xxx: 6060, 6063, 6082, 6061, 6005A
z serii 7xxx: 7020, 7022, 7025, 7075
z serii 8xxx: 8006, 8011A, 8079

Aluminium ENAC – stopy aluminium do odlewania

Stopy odlewnicze – zazwyczaj wieloskładnikowe stopy o zawartości pierwiastków stopowych 5-25% głównie Si, Mg, Cu gdzie zawartość składników przekracza ich graniczną rozpuszczalność w aluminium co wpływa na heterogeniczną strukturę odlewów.
Popularne stopy i stany umocnienia : A201-T7, A206-T7, C355-T6, A356-T6, A357-T6
Odznaczają się świetnymi parametrami odlewniczymi, są używane do sand cast, shell molds, metal molds, die casting i wiele innych form odlewnictwa.
Produkty odlewane w stosunku do kutych mogą jednak odznaczać się względnie niższymi parametrami tj. wydłużenie czy wytrzymałość, zwłaszcza zmęczeniowa. Do ich zalet zdecydowanie można zaliczyć brak naprężeń wewnętrznych.
Stopy odlewnicze opisuje Norma PN-EN 1706 „Aluminium i stopy aluminium – odlewy – skład chemiczny i własności mechaniczne”.

Stopy odlewnicze wg. AAUS
Każdy stop odlewniczy (wg. AAUS) jest oznaczony czterocyfrową liczbą jednak z kropką rozdzielającą trzecią i czwartą cyfrę.
Pierwsza cyfra wskazuje grupę stopu zgodnie z głównym składnikiem stopowym (podobnie jak dla stopów kutych):
1XX.X min. 99,000% Al
2XX.X Cu
3XX.X AlSiMg, AlSiCu, AlSiCuMg
4XX.X Si
5XX.X Mg
6XX.X Nieużywana seria
7XX.X Zn
8XX.X Sn
9XX.X Pozostałe stopy
Druga i trzecia cyfra identyfikują stop w danej serii (dla serii 2xx.x do 9xx.x) lub wskazują poziom czystości stopu (dla serii 1xx.x).
np. stop serii 150,0 oznacza minimum 99,50% aluminium w stopie, 120,1 to min. 99,20% aluminium w stopie.
Czwarta cyfra wskazuje formę produktu:
odlew (oznaczony „0”),
wlewki (oznaczony „1” lub „2” w zależności od limitów składu chemicznego).
Duża litera przed oznaczeniem numerycznym oznacza modyfikację pierwotnego stopu lub limit zanieczyszczenia. Litery są przypisywane w kolejności alfabetycznej, od A (poza I, O, Q i X-stopy eksperymentalne).

Stopy odlewnicze aluminium wg. PN-EN 1706 oznaczane są w 5-cyfrowej formie numerycznej EN AC-XXXX0 (przy czym w oznaczeniach pojawia się prefix, np. AB – wlewki do przetopienia tzw. gąska, AC – odlew, AM – wstępny odlew stopowy), występująca dodatkowa litera na końcu oznacza rodzaj obróbki cieplnej i/lub sposób odlewania (S- do form piaskowych, K- kokilowym, D- pod ciśnieniem, L- metodą wytapianych modeli)
1XXXX min. 99,0% Al
2XXXX Cu
3XXXX AlSiMg, AlSiCu, AlSiCuMg
4XXXX Si
5XXXX Mg
6XXXX Nieużywana seria
7XXXX Zn
8XXXX Sn
9XXXX Pozostałe stopy