Aluminium, Stopy Aluminium dla lotnictwa

Aluminium

Aluminium to krystalizujący się w układzie regularnym płaskocentrycznym A1 pierwiastek metaliczny. Jego gęstość wynosi 2,7 g/cm³, temperatura topnienia 660^oC, a wrzenia 2450^oC. Aluminium odznacza się bardzo dobrą przewodnością cieplną i elektryczną (66% przewodności miedzi), znacznym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej (23,6*10^-6/^oC) i dobrą odpornością na korozję atmosferyczną. Metal ten jest również odporny na działanie wybranych kwasów organicznych, dwutlenku siarki i wody. Cechuje go niewielka wytrzymałość oraz znaczna plastyczność.

W Polsce produkuje się aluminium rafinowane oraz hutnicze. Aluminium rafinowane wykorzystywane jest przede wszystkim do wyrobu folii kondensatorowych i aparatury chemicznej, natomiast aluminium hutnicze znajduje zastosowanie przy produkcji przewodów i kabli elektrycznych, farb oraz produkcji stopów aluminiowych.

Wśród głównych zanieczyszczeń aluminium wymienia się pierwiastki pochodzenia hutniczego: cynk, tytan, krzem, miedź i żelazo.

Stopy aluminium przerabiane plastycznie

Stopy aluminium przerabiane plastycznie wykorzystywane są przede wszystkim w technice lotniczej. Dzieli się je na stopy stosowane bez obróbki cieplnej i w stanie utwardzonym dyspersyjnie.

Stopy stosowane bez obróbki cieplnej to przede wszystkim stopy: aluminium-magnez, aluminium-mangan i aluminium-magnez-mangan. Podwójne stopy aluminium-mangan przy zawartości 1,95% Mn tworzą eutektykę składającą się z kryształów roztworu stałego granicznego manganu w aluminium i fazy międzymetalicznej Al₆Mn. Żelazo, które jest nieuniknionym zanieczyszczeniem tych stopów, powoduje powstawanie trójskładnikowej fazy Al₆(Mn, Fe), nierozpuszczalnej w aluminium.

Procentowy skład chemiczny stopów aluminium do przeróbki plastycznej

• PA41: 0,4 – 0,7 Mg.
• PA42: 0,8 – 1,2 Mg.
• PA43: 0,7 – 1,2 Mg.
• PA2N: 1,8 – 2,8 Mg.
• PA11N: 2,7 – 3,7 Mg.
• PA44: 3,8 – 4,8 Mg, 0,2 – 0,6 Mn.
• PA20N: 4,3 – 5,8 Mg, 0,2 – 0,6 Mn.
• PA1A: 0,8 – 1,2 Mn.
• PA1N: 0,8 – 1,5 Mn.
• PA38: 0,4 – 0,9 Mg, 0,3 – 0,7 Si.
• PA4N: 0,7 -1,5 Mg, 0,2 – 1 Mn, 0,3 – 0,7 Si.
• PA45: 0,1 – 0,4 Cu, 0,8 – 1,2 Mg, 0,4 – 0,8 Si, 0,15 – 0,35 Cr.
• PA10N: 0,1 – 0,5 Cu, 0,45 – 0,9 Mg, 0,15-0,35 Mn, 0,5 – 1,2 Si.
• PA6N: 3,8 – 4,8 Cu, 0,4 – 1,1 Mg, 0,4 – 1 Mn, 0,2 – 0,7 Si.
• PA21: 3,8 – 4,5 Cu, 0,4 – 0,8 Mg, 0,4 – 0,8 Mn.
• PA25: 3,9 – 4,5 Cu, 0,15 – 0,3 Mg, 0,3 – 0,5 Mn.
• PA7N: 3,8 – 4,8 Cu, 1,2 – 1,8 Mg, 0,4 – 1,1 Mn.
• PA23: 3,8 – 4,5 Cu, 1,2 – 1,65 Mg, 0,3 – 0,7 Mn.
• PA24: 2 – 3 Cu, 0,2 – 0,5 Mg.
• PA34: 2,6 – 3,2 Cu, 2 – 2,4 Mg, 0,45 – 0,7 Mn.
• PA30N: 1,9 – 2,5 Cu, 1,4 – 1,8 Mg, 0,8 – 1,3 Ni, 0,8 – 1,3 Fe, 0,02 – 0,2 Ti.
• PA29N: 1,9 – 2,5 Cu, 1,4 – 1,8 Mg, 0,5 – 1,2 Si, 0,8 – 1,3 Ni, 0,8 – 1,3 Fe.
• PA31: 1,8 – 2,6 Cu, 0,4 – 0,8 Mg, 0,4 – 0,8 Mn, 0,7 – 1,2 Si.
• PA33: 3,9 – 4,8 Cu, 0,4 – 0,8 Mg, 0,4 – 1 Mn, 0,6 – 1,2 Si.
• PA9: 1,4 – 2 Cu, 1,8 – 2,8 Mg, 0,2 – 0,6 Mn, 5 – 7 Zn, 0,1 – 0,25 Cr.
• PA46: 2,2 – 2,7 Mg, 3,2 – 3,7 Zn, 0,15 – 0,25 Ti.

Stopy aluminium-mangan i aluminium-magnez

Stopy aluminium-mangan są niewiele wytrzymalsze mechaniczne od czystego aluminium, jednak wykazują dużą plastyczność, a także znaczną odporność na korozję atmosferyczną, działanie olejów, wody morskiej i materiałów napędowych. Co więcej, są stopami spawalnymi. W lotnictwie tworzy się z nich m.in. elementy łączne instalacji olejowej i paliwowej, pływaki, zbiorniki oraz pokrycia kadłubów hydroplanów.

Rozpuszczalność magnezu w aluminium jest ograniczona i zależna od temperatury. W temperaturze 450oC wynosi ona 17,4%, a w temperaturze otoczenia 1,4%. Związane jest to z tym, że stopy magnezowe poniżej 1,4% zawartości Mg są stopami jednofazowymi, przez co nie podlegają umacnianiu przez obróbkę cieplną. Własności stopów aluminium-magnez zbliżone są do własności stopów aluminium-mangan. Ich podstawową wadą jest gorsza plastyczność i obrabialność skrawaniem, a także słabsza odporność na korozję. Dodatkowo do stopów magnezowo-aluminiowych domieszkuje się często mangan, który poprawia odporność na korozję i polepsza właściwości mechaniczne.

Niezależnie od składu chemicznego struktura stopów aluminium-mangan i aluminium-magnez w stanie zbliżonym do równowagi składa się z dość miękkich i plastycznych roztworów stałych pierwiastków stopowych oraz ewentualnie domieszek z przerobu hutniczego. Wszystkie fazy metaliczne tych stopów są kruche oraz twarde i spełniają w stopach funkcję składnika utwardzającego.

Obróbka cieplna tych stopów polega na wprowadzeniu do roztworu stałego wydzielonych faz międzymetalicznych, co pozwala uzyskać jednorodny roztwór stały składników stopowych, a także na starzeniu, czyli dyspersyjnym wydzielaniu z przesyconego roztworu stałego faz międzymetalicznych.

Do stopów aluminium przerabianych plastycznie należą również stopy aluminium-krzem, aluminium-cynk, a także durale (duraluminium). Więcej o obróbce cieplnej stopów aluminium przerabianych plastycznie przeczytasz w tym artykule.