Aluminium-kopparlegering

Aluminium-kopparlegeringar ( AlCu ) är aluminiumlegeringar - legeringar som till stor del består av aluminium (Al) - som innehåller koppar (Cu) som huvudlegeringselement . Viktiga typer innehåller fortfarande tillsatser av magnesium och kisel (AlCu (Mg, Si)) och mangan ingår ofta också för att öka styrkan (se AlMn ). Huvudområdet är flygplanbyggnad . Legeringarna har medelhöga till höga styrkor och är åldringshärdbara . De finns både som smideslegering och som gjutlegering . Nackdelarna är deras känslighet för korrosion och deras dåliga svetsbarhet . De är standardiserade i 2000-serien. Duralumin är den äldsta sorten i denna grupp och går tillbaka till Alfred Wilm , som upptäckte den 1903. Det var bara genom användning av aluminium-kopparlegeringar som aluminium kunde användas som ett utbrett konstruktionsmaterial , eftersom ren aluminium är alldeles för mjuk för detta och andra härdbara legeringar som aluminium-magnesium-kisellegeringar (AlMgSi) eller de naturligt hårda (icke-härdbara) legeringar är fortfarande inte kända.

Typer, legeringselement och innehåll

Som med nästan alla aluminiumlegeringar görs en skillnad mellan smide legeringar för valsning och smide och gjutna legeringar för gjutning .

Kopparhalten är vanligtvis mellan 3 och 6%. Mellan 0,3% och 6% anses de vara omöjliga eller mycket svåra att svetsa (med fusionssvetsning ), med högre Cu-innehåll är de svetsbara. De flesta typer innehåller fortfarande tillsatser av magnesium , mangan och kisel för att öka styrkan. Bly och vismut bildar små inneslutningar som smälter vid låga temperaturer och därmed leder till bättre flisbildning , liknar fritt skärande stål . Den värmebeständighet ökas genom tillsats av nickel och järn.

Järn, som ingår i tekniska legeringar som en förorening, förhindrar kallhärdning . Det blir möjligt igen genom att tillsätta magnesium. Större mängder magnesium upp till 1,5% ökar styrkan och brottöjningen (se AlMg ). Mangan används också för att öka styrkan (se AlMn ). Större mängder har dock negativa biverkningar så att innehållet begränsas till cirka 1% Mn. Mindre tillsatser av kisel tillsättes för att binda järn, eftersom den företrädesvis bildar den AlFeSi fasen, medan bildningen av Al ₇ Cu ₂ Fe skulle avlägsna större mängder av koppar från det material, som sedan inte längre leda till bildning av faktiskt önskade faser (esp Al ₂ Cu, koppar aluminid ) är närvarande. Större mängder kisel tillsätts för att bilda Mg ₂ Si ( magnesiumsilicid ) med magnesium , vilket liksom AlMgSi förbättrar styrka och härdbarhet.

Vissa legeringar innehåller fortfarande litium med halter mellan 1,5% och 2,5%. På grund av den mycket låga densiteten av Li (0,53 g / cm 3 jämfört med 2,7 g / cm 3 aluminium) leder detta till lättare komponenter, vilket är särskilt fördelaktigt inom luftfarten. För detaljer se aluminium-litiumlegering .

Gjutningslegeringar

Gjutlegeringar innehåller cirka 4% koppar och andra små mängder tillsatser som förbättrar gjutbarheten , inklusive titan och magnesium . Utgångsmaterialet är primärt aluminium ; Sekundärt aluminium (tillverkat av skrot), till skillnad från andra gjutlegeringar av aluminium, används inte eftersom det minskar töjning vid brott och seghet. AlCu-gjutlegeringarna tenderar att heta sprickor och används i härdningstillstånden T4 och T6.

Följande tabell visar sammansättningen av vissa kvaliteter enligt DIN EN 1706. All data i procent efter massa , resten är aluminium.

Smide legeringar

Mekaniska egenskaper

Betingelser:

• O mjuk ( mjuk glödgad , även varmformad med samma hållfasthetsgränsvärden).
• T3: lösning glödgad, släckt, torkad och artificiellt åldrad
• T4: lösning glödgad, släckt och artificiellt åldrad
• T6: lösning glödgad, släckt och artificiellt åldrad
• T8: glödgad lösning, härdad stam och åldrats artificiellt

Applikationer

Aluminium-kopparlegeringar används huvudsakligen i flygplanskonstruktion , där deras låga korrosionsbeständighet spelar en underordnad roll. Legeringarna bearbetas genom valsning , smide , extrudering och ibland genom gjutning .

Rena AlCu-smide legeringar

Utdrag ur fasdiagrammet som är relevant för tekniskt använda legeringar

Komplett fasdiagram

Alla AlCu-legeringar är baserade på systemet med rena AlCu-legeringar.

Löslighet i koppar och faser

Aluminium bildar en eutektik med koppar vid 547 ° C och 33 viktprocent koppar, vilket också motsvarar maximal löslighet. Vid lägre temperaturer sjunker lösligheten kraftigt; vid rumstemperatur är det bara 0,1%.

Med högre halter av koppar, Al ₂ Cu i fas, en intermetallisk fas, bildas . Det är i en tetragonal struktur som skiljer sig så mycket från den ansiktscentrerade kubiska strukturen av aluminium att -fasen endast existerar som en osammanhängande fas. Det finns också de delvis sammanhängande och faserna.${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle \ theta ''}$${\ displaystyle \ theta '}$

Strukturella omvandlingar

Efter gjutningen, är materialet vanligen en övermättad - fast lösning vid vilken även vid rumstemperatur längre innehåller koppar kunde anses faktiskt löses vid denna temperatur. ${\ displaystyle \ alpha}$

• Därefter, vid temperaturer under 80 ° C, bildas GP-zoner (GP (I) -zoner) i vilka ökade koncentrationer av koppar är närvarande, men som ännu inte har en struktur eller bildar sina egna faser.
• Vid något högre temperaturer upp till 250 ° C bildas fasen (även kallad GP (II) zoner), vilket ökar styrkan.${\ displaystyle \ theta ''}$
• Vid ännu högre temperaturer bildas den delvis koherenta fasen${\ displaystyle \ theta '}$
• och igen vid högre temperaturer på cirka 300 ° C bildas den osammanhängande fasen, i vilken styrkan minskar igen.${\ displaystyle \ theta}$

De enskilda temperaturområdena överlappar varandra: Även vid låga temperaturer bildas - eller - faser, men dessa bildas mycket långsammare än GP (I / II) zonerna. Var och en av faserna bildas snabbare ju högre temperaturen är.${\ displaystyle \ theta '}$${\ displaystyle \ theta}$

GP (I) zoner

Bildandet av GP (I) -zoner kallas kallhärdning och uppträder vid temperaturer upp till 80 ° C. De är små skivformade lager, bara en atom tjock och 2 till 5 nanometer i diameter. Med tiden ökar antalet zoner och kopparkoncentrationen i dem, men inte deras diameter. De är sammanhängande med aluminiumgallret och bildas på {100} planen.

GP (II) zoner

GP (II) zonerna ( faser) är i hög grad ansvariga för att öka styrkan hos AlCu-legeringarna. De är sammanhängande med aluminiumkristallen och består av alternerande lager av aluminium och koppar med skikttjocklekar på cirka 10 nanometer och dimensioner upp till 150 nanometer. Till skillnad från GP (I) -zonerna är dessa tredimensionella fällningar. Deras lager är parallella med aluminiumets {100} plan. Den fas bildar faser, men det finns överlappningar. ${\ displaystyle \ theta ''}$${\ displaystyle \ theta ''}$${\ displaystyle \ theta '}$

GP (II) -zonerna kräver lediga platser för tillväxt , varför en brist på dessa ( t.ex. på grund av magnesium) leder till försenad tillväxt.

Delvis sammanhängande faser

Den fasen bara delvis koherent med aluminiumgaller och former vid temperaturer från 150 ° C till 300 ° C. Den har formen av blodplättar och kan uppstå från GP (II) zonerna. Det kan emellertid också uppstå direkt som nederbörd från den blandade kristallen. I det första fallet reduceras den ökande gränsytanergin genom dislokationer , i det andra fallet bildas fällningarna företrädesvis vid dislokationer.${\ displaystyle \ theta '}$

Inkonsekventa faser

Den fasen inkoherent med gittret av den blandade kristallen. Det bildas vid temperaturer på 300 ° C och mer. Det bildar vanligtvis större partiklar på större avstånd än de andra faserna och leder därför inte till en ökning av styrkan eller till och med till en minskning om dess bildning sker på bekostnad av de andra faserna. Den fas uppstår även vid temperaturer mellan 150 ° C och 250 ° C såsom utfällning vid korngränserna, eftersom detta minskar gränsytenergin. ${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle \ theta}$

De fas leder till en delvis intergranulär paus ; de frakturbeteende resterna duktilt övergripande. Förändringen i sprickbeteende orsakas av fällningsfria zoner vid korngränserna. ${\ displaystyle \ theta}$

Den fasen har en större potential skillnad jämfört med den blandade kristallen, så att skiktet korrosion och intergranulär korrosion kan uppträda. Vid längre glödgningstider separeras också kornfaserna och potentialskillnaden är lägre.${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle \ theta}$

AlCuMg (Si, Mn) legerade legeringar

AlCuMg-legeringarna är den viktigaste gruppen av AlCu-legeringar. Många andra faser kan bildas i dem:

• Al ₈ Mg ₅ ( fas, se AlMg )${\ displaystyle \ beta}$
• Al ₂ CuMg, S-fasen
• Al ₆ Mg ₄ Cu, T-fasen

Magnesium-tillsatser påskyndar kallhärdningsprocessen. Vilka faser som bildas beror främst på förhållandet koppar till magnesium. Om förhållandet är under 1/1 elimineras kluster som innehåller Cu och Mg. Vid ett förhållande av mer än 1,5 / 1, vilket är fallet med de flesta tekniska legeringar, bildas fasen företrädesvis . Dessa legeringar har betydligt högre hårdheter och styrkor. ${\ displaystyle \ theta}$

litteratur

• Aluminium-Taschenbuch - Volym 1. 16: e upplagan, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, s. 101 f., 114-116, 121, 139-141.
• George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Handbook of Aluminium - Volym 1: Fysisk metallurgi och processer. Marcel Dekker, New York / Basel 2003, s. 140–152.
• Friedrich Ostermann: Applikationsteknik aluminium. 3: e upplagan, Springer, 2014, ISBN 978-3-662-43806-0 , s. 117–124.

Individuella bevis

1. ^ Friedrich Ostermann: Applikationsteknik aluminium. 3: e upplagan, Springer, 2014, s. 117 f.
2. ↑ Aluminium-Taschenbuch - Volym 1. 16: e upplagan, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, s. 439.
3. ↑ Aluminium-Taschenbuch - Volym 1. 16: e upplagan, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, s. 140 f.
4. ^ Friedrich Ostermann: Applikationsteknik aluminium. 3: e upplagan, Springer, 2014, s.185.
5. ^ Friedrich Ostermann: Applikationsteknik aluminium. 3: e upplagan, Springer, 2014, bilaga.
6. ^ Friedrich Ostermann: Applikationsteknik aluminium. 3: e upplagan, Springer, 2014, bilaga.
7. ^ Friedrich Ostermann: Applikationsteknik aluminium. 3: e upplagan, Springer, 2014, bilaga.
8. ^ Friedrich Ostermann: Applikationsteknik aluminium. 3: e upplagan, Springer, 2014, s.118.
9. ^ Friedrich Ostermann: Applikationsteknik aluminium. 3: e upplagan, Springer, 2014, s.119.
10. ^ Friedrich Ostermann: Applikationsteknik aluminium. 3: e upplagan, Springer, 2014, s.119.
11. ^ Friedrich Ostermann: Applikationsteknik aluminium. 3: e upplagan, Springer, 2014, s. 119 f.
12. ↑ George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Handbook of Aluminium - Volym 1: Fysisk metallurgi och processer. Marcel Dekker, New York / Basel 2003, s. 140 f.
13. ^ Friedrich Ostermann: Applikationsteknik aluminium. 3: e upplagan, Springer, 2014, s.120.
14. ↑ George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Handbook of Aluminium - Volym 1: Fysisk metallurgi och processer. Marcel Dekker, New York / Basel 2003, s.141.
15. ^ Friedrich Ostermann: Applikationsteknik aluminium. 3: e upplagan, Springer, 2014, s.120.
16. ^ Friedrich Ostermann: Applikationsteknik aluminium. 3: e upplagan, Springer, 2014, s.120.
17. ↑ George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Handbook of Aluminium - Volym 1: Fysisk metallurgi och processer. Marcel Dekker, New York / Basel 2003, s. 141–143.
18. ^ Friedrich Ostermann: Applikationsteknik aluminium. 3: e upplagan, Springer, 2014, s. 120 f.
19. ↑ George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Handbook of Aluminium - Volym 1: Fysisk metallurgi och processer. Marcel Dekker, New York / Basel 2003, s.143.
20. ^ Friedrich Ostermann: Applikationsteknik aluminium. 3: e upplagan, Springer, 2014, s. 121.
21. ↑ George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Handbook of Aluminium - Volym 1: Fysisk metallurgi och processer. Marcel Dekker, New York / Basel 2003, s. 146–149.
22. ^ Aluminium-Taschenbuch - Volym 1. 16: e upplagan, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, s. 114 f.