Metale Lekkie: Aluminium, Tytan, Magnez

Blog przeniesiony na www.metalelekkie.pl. 
Metalelekkie.pl to internetowy serwis o aluminium, tytanie i magnezie. Znajdą tam Państwo zagadnienia inżynierii materiałowej, inżynierii powierzchni i podstaw korozji metali.
Serdecznie zapraszam :)

Rodzaje korozji metali

Wyróżniamy wiele odmian korozji metali: korozja równomierna, lokalna, międzykrystaliczna, selektywna, naprężeniowa, zmęczeniowa i elektrochemiczna. Spośród wymienionych metod korozji wybrano korozję naprężeniową aby przybliżyć zjawisko pęknięć korozyjnych spowodowanych zniszczeniem metalu.

(źródło zdjęcia: www.rynekfarb.pl)

Korozja naprężeniowa jest szczególnym przypadkiem korozji międzykrystalicznej, która powoduje niebezpieczne pękanie korozyjne. Aby wystąpił ten rodzaj korozji potrzeba dwóch czynników działających jednocześnie: naprężenia rozciągające pierwszego lub drugiego rodzaju oraz środowiska korozyjnego. 

Naprężenia pierwszego rodzaju, zwane inaczej makroskopowymi, to naprężenia równoważące się w obszarach, których wielkość jest porównywalna z wielkością danego ciała. Powstają między innymi podczas: obróbki plastycznej, spawania, montażu konstrukcji. Naprężenia drugiego rodzaju, zwane mikronaprężeniami, są naprężeniami równoważącymi się w obszarach rzędu wielkości ziarn i powstają gdy dochodzi do niejednorodnego chłodzenia lub nagrzewania materiału oraz podczas lokalnych przemian fazowych [1]. Powszechnie wiadomo, że występuje zależność między stanem naprężenia materiału a jego odpornością na korozję. Naprężenia rozciągające przyspieszają powstawanie korozji międzykrystalicznej a ściskające, podwyższają odporność na zużycie.

Przyczyną pękania korozyjnego pod działaniem naprężenia jest powstawanie dużego odkształcenia plastycznego w wierzchołku szczeliny. Wtedy też, ciągła warstewka tlenkowa zostaje przerwana, a środowisko korozyjne zaczyna reagować z tytanowym podłożem. Roztwór korozyjny w szczelinie zwiększa stopień agresywności poprzez zmianę pH. Rozpuszczanie anodowe cząstek metalu powoduje odtlenienie roztworu znajdującego się w szczelinie co prowadzi do zmniejszenia zdolności pasywacyjnej elektrolitu [2].

Więcej artykułów znajdą państwo na stronie: www.metalelekkie.pl

[1] D. Senczyk, Naprężenia własne – pojęcia i klasyfikacja, źródło: http://www.badania-nieniszczace.info/Badania-Nieniszczace-Nr-01-03 2007/pdf/senczyk_naprezenia_wlasne.pdf 10.04.2014, godz. 10.00

[2] A. Bylica, J. Sieniawski, Tytan i jego stopy, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1985 

Odporność korozyjna tytanu w środowisku naturalnym

(źródło zdjęcia: dodatkidoropy.pl)

W środowisku naturalnym, odporność na korozję tytanu jest największa. Rosyjscy naukowcy potwierdzili ten fakt cyklem długoterminowych badań porównawczych w wodzie morskiej oraz w zimnej i gorącej wodzie słodkiej z wodociągu. Po 5-cio letniej ekspozycji tytanu w środowisku morskim nie odnotowano żadnych produktów korozji a powierzchnia tytanu nie zmieniła nawet połysku metalicznego. Ponad to, dokonane badania tytanu w wodzie pod dużym ciśnieniem (nawet 650 MPa) przez okres 1100 h w temperaturze 20 °C wykazały całkowitą odporność korozyjną. 

Stopy o strukturze jednofazowej α i β oraz dwufazowej, tj. Ti5Al2,5Sn, Ti7Al2Nb1Ta, Ti8Mn, Ti6Al4V, Ti4Al3Mo1V I Ti13V11Cr3Al także są całkowicie odporne na korozje w wodzie morskiej Oceanu Atlantyckiego [1].

Więcej artykułów znajdą państwo na stronie: www.metalelekkie.pl

[1]  Чечулин, Б.Б., Ушков, С.С., Разуваева, И.Н., Гольдфайн, В.Н., Титановые сплавы в машиностроении. Ленингрд: Издат. Машиностроение 1977.

Odporność korozyjna stopów tytanu

(źródło zdjęcia: chrisking.com)

Tytan, jako materiał konstrukcyjny jest atrakcyjny pod względem swoich parametrów. Dobre właściwości mechaniczne, wysoki współczynnik gęstości do wytrzymałości oraz dobra odporność korozyjna w środowiskach naturalnym i chemicznym, czyni go materiałem pożądanym w przemyśle. 

Wysoka odporność korozyjna tytanu wynika ze zdolności tworzenia się warstewki tlenków na jego powierzchni, poprzez utlenianie na powietrzu (grubość samorzutnie wytworzonej warstewki wynosi od 1,8 do 10 nm) jak i w roztworach utleniających (grubość powłoki tlenkowej do  kilkuset nm) [1]. Utlenianie odbywa się poprzez obecność w roztworach czynników utleniających. Tytan znalazł zastosowanie w przemyśle medycznym, lotniczym, chemicznym oraz morskim. Jednak, jak każdy metal, tytan również ulega korozji w odpowiednich warunkach.

(źródło zdjęcia: www.scienceclarified.com)

Ważnym czynnikiem odporności stopów tytanu jest jego skład chemiczny. Analizując dwuskładnikowe stopy tytanu w 10 procentowym roztworze kwasu solnego i siarkowego można zauważyć, że w największym stopniu, pierwiastki takie jak: molibden, tantal i niob, wchodząc w skład chemiczny stopu, podwyższają odporność korozyjną [2]. Większą odporność wykazują stopy o strukturze jednofazowej. Tyczy się to nie tylko tytanu, ale również innych stopów metali. Większa zawartość aluminium (więcej niż 6%) w stopach tytanu może powodować wydzielenie się w strukturze cząstek fazy α₂, które występują jako mikroanody w stosunku do osnowy. Taki układ doprowadzi do zmian właściwości elektrochemicznych tytanu w środowiskach korozyjnych. Jednocześnie, zmianie ulega mechanizm pękania z plastycznego w kruchy poprzez tworzenie się i blokowanie dyslokacji w płaszczyznach poślizgu. W związku z tym, zawartość aluminium w stopach tytanu nie powinna przekraczać 5% a stopy Ti-Al są niekorzystne z powodu największych zniszczeń korozyjnych [3, 4]. W stopach Ti-Cr oraz Ti-Mn, gdzie w strukturze występują fazy międzymetaliczne, odporność na korozję zmniejsza się. Podobnie zachowują się stopy, które posiadają w składzie chemicznym pierwiastki stabilizujące fazę β, takie jak: żelazo czy nikiel. 

Więcej artykułów znajdą państwo na stronie: www.metalelekkie.pl

[1] T. Wierzchoń, E. Czarnowska, D. Krupa,  Inżynieria powierzchni w wytwarzaniu biomateriałów tytanowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2004

[2] Kieffer R., Binden F., Bach H. Beitrag zum physikalischen und korrosionschemischen Verhalten von IVa-Metallegierungen. “Werkstoffe und Korrosion” 1986 Bd. 19 s. 114-120

[3]  A. Bylica, J. Sieniawski, Tytan i jego stopy, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1985

[4] J.A. Feeney, M.J. Blackburn, The theory of stress corrosion cracking in alloys. Brussels 1971

Zastosowanie magnezu w elektronice i w urządzeniach codziennego użytku

Elektronika

(źródło zdjęcia: www.dpreview.com)

Magnez w przemyśle elektronicznym najczęściej wykorzystuje się na obudowy sprzętu elektronicznego ze względu na dwie bardzo istotne właściwości: niską wagę oraz zabezpieczenie przed promieniowaniem elektromagnetycznym [1]. W seryjnej produkcji, oraz w sprzedaży, stopy magnezu możemy spotkać jako: obudowy aparatów fotograficznych firmy Nikon model F-5, kamer cyfrowych Sony® Professional BVP-550 (wykorzystano stop AZ91D) oraz laptopów firmy Dell czy HP i telefonów komórkowych firmy LG Electronics [6]. Dodatkowo stopy Mg stosuje się do produkcji elektronarzędzi ze względu na właściwości tłumienia drgań [3].

Inne

(źródło zdjęcia: jcsublog.info)

Stopy magnezu znajdują także zastosowanie w urządzeniach codziennego użytku. Firma Husqvarna zastosowała stop AZ91D do produkcji elementów skrzyni korbowej w kosiarkach spalinowych do trawy. Stop AZ31B bardzo dobrze sprawdza się do produkcji poręczy autobusów miejskich, ze względu na swoją wagę oraz pochłanianie drgań i wibracji. Zastosowane poręcze znajdują się w autobusach w Pekinie. Międzynarodowa firma Oreck produkująca nowoczesne odkurzacze, także zdecydowała się na zastosowanie magnezu w swoich produktach. Materiał ten znajdziemy w konstrukcji szczotki stworzonej ze stopu AZ91D nazwanej Oreck Magnesium Vacuum Cleaner Combo [2]. 

Niektóre elementy rowerowe, w których liczy się waga i wytrzymałość, także są wykonane ze stopów magnezu. W budownictwie, stopy magnezy wykorzystuje się w konstrukcjach okien, klamkach okiennych i drzwiowych, ryglach, okuciach okiennych i wielu innych.

W ostatnim czasie stopy magnezu znajdują zastosowanie także w medycynie jako implanty, klamry do łączenia kości oraz jako nici chirurgicznych. 

(źródło zdjęcia: www.dw.de)

Innowacyjność zastosowanych stopów magnezu polega na zdolności rozpuszczenia się tych elementów w organizmie ludzkim. Zarówno magnez i wapń występują w organizmie i są całkowicie bezpieczne. Zastosowanie stopu magnezu zapobiega kolejnej operacji usunięcia implantu z ciała pacjenta. Zmniejszenie ilości ingerencji w ciało ludzie, w każdym przypadku jest korzystne.

Więcej artykułów znajdą państwo na stronie: www.metalelekkie.pl

[1] http://www.polmag.pl/

[2] http://www.intlmag.org/

Zastosowanie magnezu w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym

Lotnictwo

(źródło zdjęcia: www.lockheedmartin.com)

Najbardziej popularny stop magnezu, który wykazuje wysoka wytrzymałością i posiada względna odporność korozyjną jest stop WE43. Stop ten znalazł zastosowanie jako obudowa przekładni śmigłowca w helikopterach typu: Sikorsky S92, NH Industries NH90 oraz Eurocopter EC120 [1, 2]. Ten sam stop zastosowano w myśliwcu Lockheed F-22 Raptor jako obudowa skrzyni biegów. Wybór stopu Elektron WE43 dla myśliwca F22 i nowego F35 JSF zapewnia prawidłowy stosunek wytrzymałości do wagi, bez znaczącej utraty właściwości w wymaganych temperaturach.

Motoryzacja

(źródło zdjęcia: theworldofmbamg.wordpress.com)

Magnez jest materiałem pożądanym ze względu na niską gęstość i korzystny stosunek wytrzymałości do jego masy. Na przykład, w przemyśle motoryzacyjnym, zmniejszenie wagi pojazdu o 1.1% zmniejsza zużycie paliwa o około 0.7% [3]. Najczęściej, magnez jest wykorzystywany do produkcji elementów wewnętrznych, takich jak: szkielet siedzeń, kierownice, elementy deski rozdzielczej, elementy dekoracyjne, konstrukcja drzwi czy klapy tylnej. Ponadto, stosuje się go również na części silnika oraz osłon: osłona chłodnicy, wału, elementy skrzyni biegów, pokrycia głowicy cylindrów i wiele innych. Magnez stał się materiałem, który jest już wykorzystywany podczas produkcji niektórych samochodów osobowych. Udział tego metalu w samochodach osobowych wynosi od 7 do 20 kg. Wykorzystany jest między innymi w [4]: Audi A6 – 2.8 Multitronic, Daimler Benz SL, GM minivans-Safari&Astro, Golf & Polo, VW Passat, Audi A4 & A6, Audi TT, Alfa Romeo 156, Porsche Boxster Roadster. Powstały także motocyklowe koła magnezowe które zapewniają dobrą odporność na zmęczenie, posiadają doskonałe zdolności tłumienia i dobrą przewodność cieplną podczas hamowania. 

Więcej artykułów znajdą państwo na stronie: www.metalelekkie.pl

[1] Bartosz Janik, Zastosowanie stopów magnezu w lotnictwie, prace Instytutu Lotnictwa 221, s. 102-108, Warszawa 2011

[2] http://www.magnesium-elektron.com/

[3] Przemysłowe zastosowanie stopów tytanu, M. Karaś, IX-X 2012 Stal Metale & Nowe Technologie

[4] http://www.polmag.pl/

Magnez jako materiał konstrukcyjny

Jedną z największych zalet magnezu jako materiału konstrukcyjnego jest jego bardzo niska gęstość która wynosi jedynie 1,74 g/cm³ (dla porównania, gęstość aluminium wynosi 2,7 g/cm³ a tytanu 4,4 g/cm³) czyniąc go jednym z najlżejszych metali. Ponieważ magnez, jako czysty materiał, nie posiada wysokich właściwości wytrzymałościowych i plastycznych, niezbędne jest stopowanie go innymi pierwiastkami, takimi jak: aluminium, cynk, mangan, lit, beryl, srebro, cyna czy cyrkon. Najważniejszym dodatkiem w stopach magnezu jest aluminium, które znacznie zwiększa wytrzymałość na rozciąganie poprzez tworzenie się fazy międzymetalicznej Mg₁₇Al₁₂. Dodatek cynku i manganu zwiększa wytrzymałość, podobnie jak Al. Srebro podwyższa wytrzymałość w wyższej temperaturze, dodatek krzemu zmniejsza lejność i generuje kruchość a cyrkon tworzy tlenki które stanowią zarodki krystaliczne [1].  Jedną z największych wad magnezu jest jego niska odporność korozyjna, dlatego, niezbędne jest zabezpieczenie materiału powłoką ochronną, np. malowaniem proszkowym, powłokami galwanicznymi (niklowanie, chromowanie) lub anodowaniem.

Kody stopów magnezu pochodzą z połączenia symbolu pierwiastka zgodnego z normą ASTM oraz ilością dodatków stopowych zastosowanych w konkretnym przypadku, np. AZ91 oznacza stop magnezu z dodatkiem 9 % aluminium (A) i 1% cynku (Z). Stop WE43 to stop z zawartością 4% Itru (W) i 3% pierwiastków ziem rzadkich (E).

Stop magnezu AZ91 jest szeroko stosowanym stopem magnezu w przypadku odlewania pod wysokim ciśnieniem, kokil czy form piaskowych.

Popularnym stopem magnezu, stosowanym przy produkcji na odlewane części silników oraz elementów wyposażenia, zarówno w przemyśle motoryzacyjnym jak i lotniczym, jest stop WE43. Stop ten charakteryzuje się dobrymi właściwościami mechanicznymi jak również dobrą odpornością na korozję. Może on pracować w temperaturach do 200 °C, a w przypadku krótkotrwałych okresów nawet do 250 °C.

Ze względu na swoje właściwości, magnez znalazł zastosowanie w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i elektronicznym. 

Więcej artykułów znajdą państwo na stronie: www.metalelekkie.pl

Piśmiennictwo

[1] L. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, Warszawa 2002