Aluminii in aluminijeve zlitine

A|umin.r jspadavskupinot. i . |ahkihneZe|eznih(barvnih)kovinskupajzmagnezi jemin

titanom. Gostota aluminija ie 2,7 gcm-3, tali5ee pa 660"C' Aluminij ima veliko

elektricnointop|otnoprevodnostterdobroodpornostprotikorozij i.pribliZno 200/o atuminija se porabi za livarske zlitine, ki imajo relativno nizko talisde in

ve| ikskrdekpr istr jevanju(3,5do8,5%).Najbo| jznanel ivarskezl i t inesozl i t ine

aruminija in siricija, ki tvorita preprost ravnotezni fazni diagram z evtekticno reakcijo

pri priblizn o 12o/o silicija in temperaturi 577'C- Pri poeasnem strjevanju nastanejo

velike siricijeve proscice in derci, ki so krhki. zato imajo evtekticne zlitine majhne

raztezke. Mehanske rastnosti in duktilnost se rahko bistveno izboljiajo s hitrim

ohlajanjem ali t.i. modificiranjem zritin z dodajanjem natrijeve soli ali natrija v zlitino

pred litjem. ce je silicija v zlitini manj kot 8% , modificiranje ni potrebno, ker je v zlitini

dovoljaluminijeve faze,ki poskrbiza ustrezno duktilnost. Mehanske lastnostizlitin Al-

Si se pove6ajo z dodajanjem bakra in magnez'rja ali celifniklja, kar tako poveca

mehanske lastnosti, da so zlitine primerne tudi za dele motorjev z notranjim

izgorevanjem (npr. zlitina AlsiScu3MgNi). Zlitina z dodatkom magnez'rja se lahko

zero utrdi s toprotno obderavo (Arsi1oMg) in se uporabrja v retarski in avtomobilski

industriji.

Zritine aruminija in bakra so srabse za ritje kot zritine Ar-si, vendar se dajo toplotno

utrjevatitako, da so uporabne za sestavne dele dizelskih motorjev (Alcu4'5)'

Zlitine aluminija in magnezija (4-10%) odlikuje velika odpomost proti koroziji- Zlitine

aluminija, silicija in magnezija se dobro toplotno utrjujejo in spajajo'

Tabela 1, Mehanske lastnosti nekaterih livnih aluminijevih zlitin'

AlloyCondi-

tionDerwityFIS *-t

Young'stlodulus

GPa

Froofstressl'lFa

UTSMFa

Elonga-tion

({o in 50mrnl

At-r l .5si(LM6)

Sand cast 2..65 7t 65 r70 I

Al-5Mg-0.SMn (Lras) Sand cast 2.65 7l ]00 r60 6

Af-6SL4Cu-0.2Mg lZn(LMzr)

Sand cast - .7.7 1l 130 i80

okoli 80% a|uminija se preoblikuje z va|janjem, ekstrudiranjem, v|ecenjem itd. Zlitine

za preoblikovanje se dele v dve- skupini: v skupino' ki se lahko toplotno utrjuje in

skupino, ki se na tak nacin ne more utrjevati'

Toplotno se utrjujejo zlitine aluminija z manganom (do 1,25o/o) ali magnezijem (do

5%). Zlitine z manganom se rabijo v preoblikovalni industriji, ztitine z magnezijem pa

za gradnjo colnov in ladij za morje. obe vrsti zlitin se dobro utrjujeta s hladno

deformacijo.

Med zlitinami, ki se toplotno utflujejo, so najbolj znane zlitine aluminija in bakra (do

5,65% cu) v obliki plodevin, plosc in profilov, odkovkov in tudi ararjenih konstrukcij'

Dodatek magnezija v te zlitine 5e poveda mehanske lastnosti tako, da so bile to

osnovne zlitine za letala (duraluminij). Baker poslabsa korozijsko odpornost aluminija,

zato se pogosto prodevine iz zritin z bakrom pratirajo s eistim aruminijem ari zritino

AlZn1.

Zlitine aluminija s silicijem in magnezijem (okoli 0,57o Mg, 0,5% Si) so srednje trdne

(R.-250 MNm-2) aluminijeve zlitine, katerih se v obliki profilov najved porabi v

gradbeni5fuu (okna, vrata,...)' Zlitina se toplotno utrjuje'

Zlitine aluminija, cinka in magnelja imajo med aluminijevimi zlitinami najvecje

trdnosti. Lahko se vare in uporabrjajo v gradbeniitvu. Zritine z dodatkom bakra so

odpome proti napetostni koroziji in se lahko rabijo tudiv letalstvu'

Nova skupina aluminijevih zlitin so zlitine z litijem, ki jih odlikuje manjsa gostota in

vedji modul erastidnosti. Zlitine se dajo toplotno obderovati in so sodobne zritine za

letala.

Tabela 2. Mehanske lastnosti nekaterih gnetnih aluminijevih zlitin.

Alloy ConditionDensitlMg m-"

Young'sHodulus

cPa

Proofgtress

MPa

UTSMFa

Elongation

{90 in 5Omml

Al-4.5Cu- *.5Mg-0.6Mn (2024)

Peak aged 2.77 73 395 475 r0

At- l .25Mn (3 103)AnnealedWorkhardened

2.74 &9A\

f8si l0200

407

A[-ZMg€.3Mn (5251)AnnealedWorkhardened

7.69 70 602r5

t80t70

20

Al-0.5Mg-0.55. (6063) Feak aged 7.70 7l 2t0 245 20

Al-5.6Zn-2.5M9"f .6Cu-O.25Cr {7075)

Peak aged 2-80 72 500 570 t l

AI-2,51-i- | .3Cu-G.e5F'ts-O.lZr {8S90)

Feak aged 2.5s 77 436 50]

Magnezijeve zlitine

Magnezij ima gostoto okoli 1,7gcm-3, tali5de pa 650"C. Odlikuje ga korozijska

obstojnost. Najvec se ga uporabi v zlitinah, v veliko zlitin pa se magnezij tudi legira.

Blizu ggyo magnezijevih zlitin se uporabiv livarstuu. Najbolj znane so zlitine z-8...9o/o

Al in z do 2o/o Zn ter do 0,3% Mn, ki 5e zbolj5a odpornost proti koroziji. Dobre

mehanske lastnosti imajo tudi zlitine s cinkom in cirkonijem, ki se dajo toplotno

utrjevati.

V obliki pbeevine se najvec rabi zlitina MgAl3Zn1Mn0,3, ki se zelo utrdi z

deformacijo. Najvedjo trdnost ima zlitina MgZnGZrO,7, ki se da toplotno utrditi.

Tabela 3. Mehanske lastnosti nekaterih magnezfevih zlitin

Atloy ConditionDensiql"lg

--'

Young'rHodtrlus

6Fa

Proofstf€ssl.fPa

uTsMFa

Elo*gation{% in 50

nrrn)

l"'19-6Al-3Zn-0.3Mn{A263}

Sand c*stPeak aged

* f .8 -4575It0

t80230

4

l

Mg9.5Al-0.SZn-CI.3Mn {AZ9l}

C:rst andpeak aged -183 --45 t27 239 L

I'16-6.5A1 lZn4.3Hn

iAZ6r)Extruded - f -8 -45 tg0 260 -l

Titanove zlitine

Najved titana, pribliZno g0o/o porabi letalska industrija, vecina preostalega uporabi

kemidna in procesna industrija, ker je titan zaradi titanovega oksida, ki nastane na

povrsini kemicno relativno inerten. Titan je izredno odporen napram tekodinam

elove$kega telesa, mnogo boli od nerjavnih jekel, kar ga uvr$fla med bisfuene

materiale za implantante. Titan ima majhno gostoto (4,5 gcm-3) in visoko tali5ce

(167g"c), kar je podlaga za uporabo titanovih zlitinza vitalne dele plinskih motorjev.

Pri temperaturi okolice ima titan heksagonalno kristalno zgradbo (Ti-o)' ki pa se pri

temperaturi,gg2"C spremeniv kubieno prostorsko centrirano kristalno mrezo (Ti-B)' ki

je obstojna do talisea. Titanove zlitine delimo po mikrostrukturi v zlitine z q, B terr o in

B mikrostrukturo, Zlitine z mikrostrukturo o se dele v tri skupine'

1. enofazne z mikrostrukturo q, katerih trdnost je posledica utrjevanja z

raztoPljenimi atomi v titanu;

2. ulitke, ki imajo do 2o/o elementa, ki stabilizira mikrostrukturo Ti-B in se lahko

kujejo ali toPlotno obdelujejo;

3. zlitine, ki se toplotno utrjujejo podobno kot aluminijeve zlitine'

Ad 1. Najbolj pogosta in znadilna zlitina te skupine je komercialno cist titan, ki ima

primesi kisika in je v bistvu zlitina titana in kisika, katerega lastnosti se kontrolirajo s

koncentracijo kisika, ki je v titanu raztopljen intersticijsko. Znacilna zlitina te skupine

je TiAl5Sn2.

Ad 2. V to skupino spadajo zlitine, ki so zelo odpome proti lezenju nad 400"C in se

uporabljajo v plinskih turbinah (TiAl6Zr5Mo0, 5Si0, 25)'

Ad 3. Zlitine te skupine se toplotno utrjujejo (TiCu2,S). Mehanske lastnosti se jim

poveeajo Se z deformacijo pred toplotno obdelavo. Uporabnost teh zlitin je povecana

5e zar.adi dobre varivosti.

Zlitine z mikrostrukturo faze B morajo imeti zadostno koncentr:acijo elementov, ki

stabilizirajo to fazo, med katerimije posebej pogost vanadij. Te zlitine se bolj pogosto

preoblikujejo v hladnem od zlitin z mikrostrukturo q. Znadilen predstavnik teh zlitin je

zlitina TiV13Cr11Al3, ki se toplotno utrjuje skupaj z utdevanjem s trdno raztopino in

doseZe trdnost 1300 MNm-2-

Zlitine z mikrostrukturo o + B imajo najvecji komercialni pomen z zlitino TiAl6V4' ki

predstavlja priblizno polovico prodaje vseh titanovih zlitin."velika trdnost pavezana z

dobro preoblikovalnostjo jo favorizira za izdelavo lopatic reaktivnih motorjev.

Lastnosti zlitin o + B se lahko spreminjajo s toplotno obdelavo ' pri cemer se lahko

doseZe tudi martenzitna transformacija. Kaljenje omogoea velik porast trdnosti. ee se

kaljene zlitine 5e podvrZejo nadaljnjim toplotnim obdelavam (staranju), se jim

mehanske lastnosti 5e Povedajo'

Tabela 4. Mehanske lastnosti nekaterih titanovih zlitin

Atloy ConditionDensityMg m-'

Young'sModulus

GPa

FroofstressMFa

UTSMPa

Elongation(ofo in 50

rn'ml

CommerciallY Pure Ti(o) (lMll s5)

Annealed 4.5 | t05 540 640 74

Ti-6A]-4V {*i.i)(rM13 r8)

Annealed 4.46 - 106 925 990 t4

Ti- t 3F'lo-i ier-}Al (i?i Aged 4.87 - 106 I 200 r 280 I

Bakrove zlitine

Baker in bakrove zlitine se uporabljajo v velikih kolieinah, ker imajo veliko elektricno

in toplotno prevodnost in korozijsko obstojnost. Baker se klasificira glede na vsebnost

kisika in ne6istoc. Najbolj poznane so naslednje vrste bakra: elektrolitski, brezkisieni

(OFHC) in baker dezoksldiran s fosforjem'

Bakrove zlitine so malolegigane, medi, broni in zlitine z nikljem. Malolegiran zlitina je

azen-baker (do 0,5% As), ki zmanjsuje tuorbo Skaje (oksida), ko se zlitina segreje'

Bakrove zlitine za obdelavo na avtomatih vsebujejo okoli 0,5% Te ali S, ki v obliki

vkljudkov bakrovega telurida ali oz. sulfida omogoeata lomeljenje ostruZkov, mazanje

orodja in kvalitetno povr5ino obdelovancev'

Beril.rjevi broni so zlitine bakra z berilijem (do 2oh\ z dodatkom se drugih elementov

(do 0,5% Co ali Ni), ki se dajo s toplotno obdelavo in deformacijo utrditi tako, da

doseZejo trdnosti do 1400 MNm-2.

Medi so bakrove ztitine, v katerih je glavni legirni element cink (do 40o/o Zn). Trdnost

zlitin se povecuje z vsebnostjo cinka' Medi, ki imajo enofazno mikrostrukturo so

posebej primerne zaizdelavo Zice, plodevine, in cevis hladnim preoblikovanjem'

Mehanske]astnost imedisepovecajo,cejecinkaoko| i40%,koimajomedidvofazno

mikrostrukturo (o + F); mehanske lastnosti pa se 5e poveiajo pri t'l'

vedkomponentnih medeh, ki se jim poleg cinka legira 5e aluminij, 1elezo' mangan'

kositer ari nikerj. Te medi se rahko preobrikujejo ali rijejo . V to skupino zritin spadajo

t.i. zlitine novo srebro, ki so zlitine bakra, niklja in cinka (okoli 2oo/o Nl in okoli 20%

zn).Broni so zritine, v katerih cink ni glavni regimi erement. Najborj znani so kositrovi broni

(5...2}o/osn). Kositer modno utrjuje baker. Najved se rab'rjo za drsne le2aje' Kositrovi

broni, ki vsebujejo 0,3...1% fosforja so fosforjevi broni. Broni so tudi zlitine, v katerih

so glavni legimi elementi aluminij (5."11% Al), mangan' sil ic't j ' antimon'"'

obdelova|nostmedial ibronovsepovecazdodatkomsvinca.

Tabela 5. Mehanske lastnosti nekaterih bakrovih zlitin.

Allloy ConditionDensitlMg *-'

Young'sModulus

GPa

Proof$tressHPa

UTSHFa

El,ongation(% in 5O

nrrnl

C*.t .85tse-0.25Co Peak aged 82s 159 t 065 t 20s

Cu-302n a:-brass Annealed 8.55 100.6 l l5 324 67

Cu'4OZn tr/,f-brass H,ot rolfed 8.40 t02 130 371 4.0

Cu-3tNl- tFe' lMn Hot roiled 8.94 r52 l t4 369 50

Cu- tOS*-2Zn Sand cast * 8-8 - l l l t39 286 18

Cu-8Al Hot rolled 7.8 r23 t70 417 45

Svinec in svindeve zlitine

Svinec ima kubicno ploskovno centrirano kristalno resetko. Gostota je 11,3gcm-3 in

se tali pri327"C. Je korozijsko odporna kovina'

Najbolj pomembna uporaba svindevi zlitin je za eleKridne akumulatorje (1,5' "3% Sb

ali 0,1 0/o ca) kot tudi za dusenje zvoka ali vibracij. pomembne so tudi zlitine za

spajanje in za drsne leZaje (Pb-Sn-Sb-Cu)

Cinlove zlitine

Cink ima heksagonalno gosto zloZeno kristalno mreZo, gostoto 7,14 gcm-3 in se tali

pri 41g'C. Najved cinka se porabi za legirni element in za korozijsko zaSdito

Zelezovih zlitin. Veliko cinkovih zlitin se uporablja za izdelavo ulitkov (zamak),

Tabela 6. Mehanske lastnosti nekaterih svin6evi, cinkovih in nikljevih zlitin.

Afi'oy GonditfonDensitlMg m-"

Young'srriodufus

GPe

YietdstressMPa

UTSF{pa

Elongation(dh in,50

rnrrr)

t-ead > 99.99qa 1t 68 16. t t68

Z.n-8"5AI-lCu fZAS) Die cast 6.3 86 290 375 6- [0

Ni-30eu-f .SFe-tMn Hor rofled 8.83 r80 ]1n 560 45

Ni-ZOCr-2Ti-l.5AlN,irnonic 804

Ftttly aged 8. r9 274 780 I 220 30

Nikljeve zlitine

Nikelj ima kubidno ploskovno centrirano kristalno mrezo, gostoto 8,9 gcm-3 in talisde

1455'C.

Tehnicno 6ist nikelj ima zelo dobro korozijsko obstojnost, zato se ga uporablja v

kemicni in procesni ter prehrambeni industriji. Veliko se ga porabi za galvansko

za5dito in kot legimi element. Zlitine niklja in bakra imajo zelo dobro korozijsko

odpornost, tudi v morskivodi. Zlitina Monel (pribliZno 30% Cu) se uporablja za dele,

ki so odporni proti utrujenosti v morski vodi. Zlitine niklja in kroma so osnovne zlitine

za izdelavo reaktivnih motorjev (superzlitine Nimonic imajo potrebne trdnosti tudi pri

temperaturah 1000"C)