Odlewnicze stopy aluminium Siluminy Jakub Pluta Szymon Pluta ETI EC3

Proces wytwarzania aluminium Źródłem aluminium są boksyty. Z czterech ton boksytu można uzyskać około dwóch ton korundu - tlenku glinu mającego postać białego proszku. Nie jest to proste. Technologia ta jest złożona i wymaga zaawansowanej infrastruktury. Z dwóch ton tlenku glinu możemy pozyskać tonę aluminium.

Aby przekształcić boksyt w tlenek glinu, kruszymy rude i mieszamy ja z wapnem i soda żrącą. Następnie mieszanka ta pompowana jest do wysokoprężnych zbiorników i podgrzewana. Tlenek aluminium jest rozpuszczany przez sodę żrącą, a następnie wytracany z roztworu, oczyszczany i podgrzewany w celu odparowania wody. W efekcie uzyskujemy biały proszek przypominający cukier, zwany tlenkiem glinu lub tlenkiem aluminium (Al203).

Tona aluminium wystarczy do wyprodukowania ponad 60 000 puszek do napojów. Wystarczy również, by wyprodukować kratownice przestrzenne dla siedmiu pełnowymiarowych samochodów. Można z niej również wytworzyć 40 000 dysków twardych zdolnych do przechowania wszystkich wydanych dotąd książek. A wszystko to z jednego ładunku ziemi.

ALUMINIUM I JEGO STOPY Najbardziej rozpowszechniony pierwiastek metaliczny w skorupie ziemskiej - występuje głównie w postaci licznych skaleni i skałach magmowych itp.; jednak techniczne zastosowanie znalazł boksyt{AlO(OH)}. Al otrzymuje się metodą hydrometalurgiczną, jego własności natomiast zależą od stopnia jego czystości (rafinowany elektrolitycznie Al-99.995%). Przewodność elektryczna Gęstość Temperatura Topnienia Typ sieci krystalicznej Rm Re Twardość HB Wydłużenie A [MS/m] [g/cm3] [°C] [MPa] [%] 37.74 2.7 660 A1 70-120 20-40 15-30 30-45

ZASTOSOWANIE Al STOPY ALUMINIUM przewody elektryczne do produkcji stopów (lekkich - niskie Rm/r) do produkcji urządzeń dla przemysłu chemicznego i spożywczego (odporność na działanie O2 (Al2O3),Cl2,CO2,HS) jako odtleniasz do redukcji różnych metali i stopów oraz w elektrotechnice. STOPY ALUMINIUM Techniczne stopy Al - dwuskładnikowe lub wieloskładnikowe - ze względu na sposób otrzymywania dzielimy na : odlewnicze do przeróbki plastycznej

Zalety stopów aluminium w zastosowaniu do silników spalinowych: - mała gęstość, która pozwala na powiększenie prędkości obrotowej bez obaw występowania zbyt dużych sił masowych, - duży współczynnik przewodnictwa cieplnego, - mniejszy współczynnik tarcia niż żeliwo, - łatwość odlewania i dobra obrabialność. - znaczny współczynnik rozszerzalności (2,5-krotnie większy niż dla żeliwa), - mniejsza twardość, - spadek wytrzymałości w wyższych temperaturach, - wyższa cena materiału. Wady:

STOPY ODLEWNICZE ALUMINIUM Zaliczamy stopy (dwu-lub wieloskładnikowe) o dużej zawartości dodatków stopowych - od 5 do 20% - głównie są to Si, Cu, Mg lub Ni. Siluminy Dominującą grupę odlewniczych stopów Al stanowią stopy z Si - stopy te o składzie zbliżonym do eutektycznego, nazywamy siluminami.W zależności od zawartości Si i dodatków siluminy dzielimy na: Dwuskładnikowe: Podeutektyczne, zawierające od 4 do 10% Si Eutektyczne, zawierające od 10 do 13% Si Nadeutektyczne, zawierające od 13 do 30% Si Siluminy pod- i nad- eutektyczne są zwykle wieloskładnikowe, oprócz krzemu zawierają dodatki Cu, Mg, Mn i Ni (np. AlSi21CuNi, AlSi5Cu1), co pozwala obrabiać je cieplnie (przesycanie i starzenie) zwiększając ich wytrzymałość

STRUKTURA I MODYFIKACJA SILUMINÓW Wieloskładnikowe: Siluminy, przeważnie są wieloskładnikowe - tzn.oprócz Si- zawierają dodatki Cu, Mg,Mn(Ni); dodatki te umożliwiają znaczne polepszenie ich własności mechanicznych poprzez OC-utwardzanie wydzieleniowe. STRUKTURA I MODYFIKACJA SILUMINÓW Po odlaniu struktura siluminów zawiera grubokrystaliczną fazę - b - praktycznie czysty Si (szczególnie przy wolnym chłodzeniu). Konsekwencją tego jest drastyczny spadek ich plastyczności.Celem poprawy ich własności , siluminy poddaje się procesowi modyfikacji: Siluminy podeutektyczne i eutektyczne, modyfikuje się sodem ,dodawanym w postaci mieszaniny NaF,NaCl i KCl. Dodatek Na obniża temperaturę przemiany eutekt. oraz powoduje przesunięcie punktu eutektycznego do większego stężenia ( w prawo) - do ok.13% Si. Strukturę takiego stopu stanowi drobnoziarnista eutektyka ( a + b ) z wydzieleniami drobnymi fazy- a. Siluminy nadeutektyczne, duże wydzielenia b {Si} modyfikuje się fosforem ,który tworzy dyspersyjne cząstki AlP-stające się heterogencznymi zarodkami krystalizacji cząstek fazy b{Si}- w wyniku czego otrzymuje się w temp. otoczenia drobnokrystaliczną eutektykę (a +b) oraz drobne wydzielenia cząstek fazy - b{Si}o dużej dyspersji.

AK – stopy Al z krzemem, AG – Stopy Al z magnezem, AM – stopy Al AK – stopy Al z krzemem, AG – Stopy Al z magnezem, AM – stopy Al. Z miedzią

Własności Siluminów: Dobre własności odlewnicze ( nie wykazują skłonności do pękania na gorąco) Mały skurcz Dużą rzadkopłynność ( umożliwia wykonywanie cienkich wyrobów) Jako stopy eutektyczne krzepną w stałej temperaturze nie wykazując przy tym skłonności do segregacji Dobrą odporność na korozję pod warunkiem, że nie mają nadmiernej ilości zanieczyszczeń, a zwłaszcza żelaza . Są one odporne również na działanie wody morskiej, wód mineralnych, a nawet sodu, amoniaku i kwasu azotowego, stężonego i rozcieńczonego · Całkiem niezłymi właściwościami mechanicznymi, które można jeszcze znacznie zwiększyć na drodze umacniania wydzieleniowego o ile stop zawiera dodatek Mg lub Cu.

Wadą siluminów jest gruboiglasta eutektyka, a w siluminach nadeutektycznych duże iglaste wydzielenia krzemu pierwotnego, które znakomicie obniżają plastyczność stopów. W celu rozdrobnienia eutektyki stosuje się tzw. modyfikację. Pod wpływem modyfikatora skład eutektyki ulega jak gdyby przesunięciu w prawo. Na skutek tego silumin w zasadzie nadeutektyczny staje się stopem podeutektycznym o strukturze kryształów α na tle drobnoziarnistej eutektyki (α + Si). Obok tego przeprowadza się zabieg rozdrabniania dendrytów roztworu stałego α za pośrednictwem związków Ti (TiB, TiC). Podstawowym celem modyfikacji siluminów nadeutektycznych jest zmiana kształtu wydzieleń krzemu pierwotnego, co realizuje się przez dodanie związków fosforu Rys. Fotomikrografia stopu AlSi9: a) bez modyfikacji, b) po modyfikacji; pow. 100x

Rys. Wpływ podstawowego składnika jakim jest krzem na właściwości siluminów. Siluminy oznaczane są symbolem AK, po którym znajdują się cyfry wskazujące na średnią zawartość głównych dodatków stopowych, np. AK9 - AlSi9(Mg).

Zastosowanie siluminów: EFEKTEM MODYFIKACJI SILUMINÓW JEST WZROST ICH WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH np.: SlLUMIN EUTEKTYCZNY Własność mechaniczna przed modyfikacją po modyfikacji Rm [MPa] 110 250 A10 [%] 0,1 7 Zastosowanie siluminów: siluminy eutektyczne i nadeutektyczne wykazujące wysoką żarowytrzymałość są stosowane na wysokoobciążone tłoki silników spalinowych. Z siluminów podeutektycznych wytwarza się silnie obciążone części dla przemysłu okrętowego i elektrycznego, pracującego w podwyższonej temperaturze i w wodzie morskiej. Wieloskładnikowe stopy Al z Si są stosowane m.in. na głowice silników spalinowych oraz inne odlewy w przemyśle samochodowym, gdyż mają mały współczynnik rozszerzalności cieplnej i dobrą odporność na ścieranie.

Zastosowanie siluminów na części silników spalinowych: 1. Kadłuby silników Ciężar właściwy aluminium jest około 3-krotnie mniejszy od ciężaru właściwego żeliwa, w wyniku czego można uzyskać oszczędność na ciężarze kadłuba. Jednak ze względu na mniejszą wytrzymałość stopów aluminium w kadłubach większych silników trzeba stosować grubsze ściany i obfitsze użebrowanie, co powoduje, że praktycznie można uzyskać tylko ok. 50% zmniejszenia ciężaru. Do małych silników, gdzie grubość ścianki zależy tylko od względów odlewniczych, można osiągnąć obniżenie ciężaru kadłuba o ok. 70%.  

Do zalet kadłubów ze stopów aluminium zalicza się: -          łatwiejszą i szybszą obróbkę ze względu na dopuszczalne większe szybkości skrawania, -          lepsze odprowadzanie ciepła, co zmniejsza obciążenie układu chłodzenia silnika.   Do wad należą: -          wyższa cena materiału, -          łatwość uszkodzenia powierzchni obrabianych w czasie transportu, -          małą odporność na korozję, jeśli stosuje się niewłaściwą ciecz chłodzącą. Stopami aluminium stosowanymi na kadłuby silników są głownie: Siluminy podeutektyczne EN AC-AlSi9Mg (jeżeli w kadłubie nie wykonuje się tulei) o składzie chemicznym: 8.5÷10.5% Si, 0.25÷0.5% Mn, 0.25÷0.4% Mg.

2. Głowice silników We współczesnych silnikach samochodowych głowice najczęściej są produkowane ze stopów aluminium ze względu na dobre właściwości odlewnicze, dobrą skrawalność i dobre przewodnictwo cieplne. Skład chemiczny stopów aluminium stosowanych na odlewy głowic („Elementy i materiały” Zbigniew Jaśkiewicz) Znak lub rodzaj stopu Cecha lub oznaczenie Składniki stopowe [%] Si Mn Cu Ni Mg Fe Ti AlSi7Mg AK7 6,0 – 8,0 0,1 - 0,5 - 0.25 – 0,4 AlSi9Mg AK9 8,5 – 10,5 0,25 – 0,5 AlSi5Cu1 AK51 4,5 – 5,5 0,1 – 0,4 1,0 – 1,5 0,4 – 0,6 AlSi5Cu2 AK52 4 - 6 0,2 – 0,8 1,5 – 3,5 0,3 – 0,8 AlSi6Cu2 AK62 ~6   ~2

3. Tłoki Wymagania stawiane materiałom na tłoki silników spalinowych: wysoka wytrzymałość doraźna materiału, szczególnie w wysokich temperaturach roboczych tłoków, • duża wytrzymałość zmęczeniowa, • właściwa twardość materiału w temperaturze otoczenia oraz w temperaturach podwyższonych, • dobra przewodność cieplna, • niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, • mała masa właściwa, • właściwa odporność na zużycie cierne, • odporność na korozję, • dobre właściwości technologiczne w zakresie możliwości odlewania materiału, obróbki skrawaniem , itp.,

Stosuje się przede wszystkim 2 rodzaje stopów Al.: - stopy Al-Si (eutektyczne), zawierające 11 – 14% Si oraz niewielkie dodatki Cu, Ni, Mg i ewentualnie innych pierwiastków. Stopy te spełniają wymagania dotyczące przewodności i rozszerzalności cieplnej, ścieralności oraz wytrzymałości w podwyższonych temperaturach, - stopy Al-Si (nadeutektyczne), zawierające 17 – 25% Si oraz niewielkie dodatki Cu, Ni, Mg, Co, Cr, Mn i Fe. Stopy te wykazują najmniejszą rozszerzalność ze wszystkich stopów aluminium używanych na tłoki silników spalinowych co wywiera korzystny wpływ na dobór luzów między tłokiem i gładzią cylindrową.

Skład chemiczny stopów aluminium stosowanych do wytwarzania tłoków (http://republika.pl/motor20/samochod/tlokmat.htm)   Składniki i ich procentowa wartość Nazwa stopu Si Cu Ni Mg Fe Ti Mn Zn Co Oznaczenia wytwórcze AlSi12CuNiMg 11–13 0,8-1,5 0,8 – 1,3 0,8-1,3 0,7 0,2 - AK 12 AlSi18CuNiMg 17–19 AK 18 AlSi21CuNiMg 20-22 1,4-1,5 1,4 – 1,6 0,4 – 0,6 0,4–0,6 AK 20 AlSi25CuNiMg 23–26 0,5 AK 25 AlSi10Cu2Mg1Ni1 9–10,5 2,5-3,5 0,8 – 1,2 0,7 – 1,2 0,9 0,8 AK 102 AlSi10Mg1CuNi 9–11 1,3 – 1,7 0,2–0,3 AK 10

Rodzaj materiału Stopy aluminium Żeliwo Staliwo Grupy Al-Cu Al-Cu-Ni Al-Si stop eutektyczny Al-Si stop nadeutektyczny   Własności mechaniczne i fizyczne Postać i stan Odlewy kokilowe ulepszane cieplnie Odkuwki ulepszane cieplnie Odkuwki kokilowe ulepszane cieplnie Odkucia ulepszane cieplnie Odlewy kokilowe Gęstość 2,9 2,8 2,7 2,65 2,68 7,3 7,5 Ścieralność w porównaniu z Al-Cu 1 0,9 0,8 0,65 0,7 0,4 - Twardość HB 20oC 100-120 100-130 85-110 90-130 100-140 180-200 200-250 200oC 90-100 70-90 65-85 65-90 180-220 300oC 30-32 28-30 28-35 30 32 28 150-210 Wytrzymałość na rozciąganie Rm [MPa] 70oC 230 240 390 180-240 320-340 150-190 260-290 250 580-700 100 110 160 90-120 130-150 80-100 110-130 200 Moduł sprężystości E [MPa] 68000 75000 82000 86000 80000 95000 210000 Liczba Poissona v 0,26 0,3  [JP1]Również do usunięcia?

4.Felgi Aluminiowe Felga ma za zadanie rozłożyć równomiernie opór toczenia opony oraz zapewnić dobrą sztywność podczas pokonywania zakrętów. We współczesnych samochodach ma również wentylować elementy układu hamulcowego (tarczę/bęben, przewody hamulcowe, zacisk). Na felgi aluminiowe stosuje się głownie siluminy Ak7 (AlSi7Mg), AK9 (AlSi9Mg) oraz AK11 (AlSi11Mg). Skład chemiczny stopów aluminium używanych na felgi aluminiowe.

Rys. Odlewniczy stop EN AC – AlSi11(AK11) powiększenie x500

Rys. Odlewniczy stop typu AlSi12Cu2Fe powiększenie x500

Rys. Odlewniczy stop AlSi9Cu3 powiększenie x120

Rys. Odlewniczy stop AlSi7 powiększenie x120

Rys. Odlewniczy stop Al.-Si trawiony barwnie kwasem molibdenowym, powiększenie x1000

KONIEC