Chapter 4 Nonferrous Light Alloys

1. Chapter 4Nonferrous Light Alloys 1302 310 Engineering Metallurgy Lecturer: Dr.Sukangkana Lee

2. Outline 1. Aluminum and its alloys • Wrought • Cast 2. Temper designation

3. 1. Aluminium and alloys • Aluminium เป็นโลหะที่มีความสำคัญเป็นอันดับสองรองจากเหล็ก • มีความหนาแน่นน้อย น้ำหนักเบา และมีกำลังวัสดุต่อน้ำหนักสูง • ธาตุส่วนใหญ่สามารถละลายได้ในอลูมิเนียม แต่จะมีบางธาตุที่สามารถละลายได้ในปริมาณที่จำกัดและมีประสิทธิภาพในการเพิ่มความแข็งแรง

5. อิทธิพลของธาตุผสมต่อคุณสมบัติของอลูมิเนียมอิทธิพลของธาตุผสมต่อคุณสมบัติของอลูมิเนียม

10. 3. Designation of alloys อลูมิเนียมผสมสามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภทหลัก คือ • อลูมิเนียมรีด (Wrought Aluminium alloys)เช่น foil, sheet, plate, bar, rod, wire, tubing, powder metals and structural shapes • อลูมิเนียมหล่อ (Casting Aluminium alloys)เช่น permanent mould, die casting and sand casting

13. อะลูมิเนียมผสมรีดกลุ่มที่สามารถเพิ่มความแข็งแรงได้ด้วยกระบวนการทางความร้อนจะเรียกว่า ‘Heat treatable alloy’ ได้แก่ อลูมิเนียมกลุ่ม 2XXX , 5XXXบางตัว, 6XXXและ 7XXX. • กลุ่มที่ไม่สามารถเพิ่มความแข็งแรงด้วยกระบวนการทางความร้อน จะเรียกว่า ‘Non-heat treatable alloy’ ได้แก่ อลูมิเนียมกลุ่มที่เหลือ คือ 1XXX , 3XXX , 4XXXบางตัว และ 5XXXบางตัว แต่สามารถทำให้แข็งแรง โดยการทำแปรรูปเย็น (Strain hardening)

14. 2xxx Aluminium-Copper alloys • Cu จัดเป็นโลหะที่มีความสำคัญต่ออลูมิเนียมมากที่สุด • สามารถเพิ่มความแข็งแรงให้กับอลูมิเนียมโดย Solid solution strengthening • คุณสมบัติ • มีความแข็งแรง กลึงไสได้ดี • สามารถเชื่อมได้ • ทนทานต่อการกัดกร่อนจากแรงกล • ทนความร้อนได้สูง

15. Cu จะละลายใน Al ได้มากที่สุด 5.65% ที่ 548 C

16. ตัวอย่างของการอบชุบ และบ่มแข็งของ Al-4%Cu alloy • Solution heat treatment: First the alloys be heated to about 515 C a uniform solid solution . • Quenching: After the solution treatment, the alloy is quenched to room temperature in water. This quenching produces ‘a supersaturated solid solution of Cu in  phase’. This SSS is not stable.

17. Ageing: The precipitation of a metastable phase CuAl2 produced at ageing temperature of 130-190 C. โดยมีลำดับการเกิดดังนี้ SSSGP1 Zones (CuAl2) (GP Zone คือ กลุ่มอะตอมของ Cu and Al มีลักษณะเป็นแผ่น หนา 4-6 Å และกว้าง 80-100 Å)

18. 6xxx Aluminium-Magnesium-Silicon alloys • การผสมกันระหว่าง Mg 0.6-1.2% และ Si 0.4-1.3% ในอลูมิเนียม ทำให้ได้อลูมิเนียมผสมรีดที่สามารถอบชุบเพื่อเพิ่มความแข็งแรงได้โดย Precipitation harndening • เฟส -Mg2Si ซึ่งเป็น intermetallic compound รูปร่างผลึกคล้ายเข็ม (ดังรูป). • ขั้นตอนการเกิดเฟสในการอบชุบได้แก่ SSSGP Zones (Mg2Si) (GP Zones จะมีรูปร่างคล้ายเข็ม)

19. 7xxx Aluminium-Zinc-Magnesium-Copper alloys • 7000 Series Al alloys are the high strength and heat treatable aluminium alloys containing 4-8wt%Zn and 1-3wt%Mg. Zn and Mg both have high solid solubilities in aluminium (ตารางที่ 3). • เมื่อเราเติมทองแดงประมาณ 1-2wt% จะช่วยเพิ่มความแข็งแรงให้สูงขึ้น และสามารถใช้ในงานอากาศยานได้ • การเติม Cr, Mn, Zr and Ti ลงใน Al-Mg-Zn-Cu alloy จะเป็นการเพิ่มความแข็งแรงด้วยกระบวนการ precipitation hardening และ เป็นตัวควบคุมขนาดเกรน

20. ขั้นตอนการเกิดเฟสในการอบชุบได้แก่ขั้นตอนการเกิดเฟสในการอบชุบได้แก่ SSSGP Zones (MgZn2) (GP Zones จะมีรูปร่างทรงกลม)

21. 5. Heat treatment of aluminium alloys • กรรมวิธีทางความร้อน(การอบชุบ) ของอะลูมิเนียมที่สำคัญ ได้แก่ • Age Hardening (SSSPrecipitate phase) • Stress relieving  • Annealing 

22. ช่วงของอุณหภูมิและเวลาของการอบชุบช่วงของอุณหภูมิและเวลาของการอบชุบ เย็นตัวในอากาศ หรือในเตา เย็นตัวในน้ำ เย็นตัวในอากาศ หรือในเตาอย่างช้าๆ เย็นตัวในอากาศ เย็นตัวในอากาศ A-Annealing to remove cold work B-Anneal to soften heat-treated alloys C-Solution treatment D-Stress relieve E Artificial age hardening

24. 1. Al-Cu casting alloy • อลูมิเนียมหล่อเกรดนี้จะผสมทองแดงประมาณ 4-5% และมักมีการเติม Mg เล็กน้อยเพื่อเพิ่มความแข็ง • Al-Cu เป็นอลูมิเนียมที่ไม่ค่อยนิยมใช้มากนัก เนื่องจาก มีคุณสมบัติด้านการหล่อที่ไม่ดีเท่าที่ควร มีความต้านทานการกัดกร่อนต่ำ • เฟสไดอะแกรมของ โลหะผสม 222-10%Cu0.2%Mg เป็นโลหะผสมชนิดแรกในกลุ่มที่ถูกพัฒนาขึ้นพื่อผลิตลูกสูบ แต่ถูกแทนที่ด้วยเกรด 242- 4%Cu2%Ni1.5%Mg เพราะทนอุณหภูมิได้สูงกว่าเกรด 222

25. Cu3NiAl6 Mg2Si NiAl3 CuAl2

26. 2. Al-Si casting alloys เป็นอลูมิเนียมหล่อที่มีความสำคัญที่สุด มีคุณสมบัติดังนี้ • มีคุณสมบัติในการหล่อที่ดี สามารถไหลเพื่อเติมแบบหล่อได้ดีเยี่ยม • ไม่แข็งตัวเร็วเกินไป • หลังจากเย็นตัวแล้วจะมีการหดตัวน้อย • Si มีส่วนช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนให้อลูมิเนียมเล็กน้อย ปริมาณของ Si ที่เติมจะไม่เกิน 12wt%

27. A microstructure of a hypereutectic Al-Si alloy in sand mould Al-Si eutectic Si

29. Sodium modification • การลดขนาดการผสม Sodium (Na) ลงไปประมาณ 0.025 wt% สามารถทำให้เกรนเล็กลง Microstructure of sand cast Al-7%Si (a) without Na modification and (b) with Na modification giving finer eutectic phase.

30. 3) Al-Si-Mg casting alloys • เมื่อเราเติม Mg ประมาณ 0.35wt% ลงใน Al-Si alloys จะทำให้สามารถอบชุบเพื่อเพิ่มความแข็งแรงให้สูงขึ้นได้ • อลูมิเนียมเกรดที่มีความสำคัญที่สุด คือ 356 casting alloy ที่มีส่วนผสม 7%Si and 0.35%Mg และ Mg2Si (Magnesium Silicide) ประมาณ 0.5-0.6 wt% • ถ้าเราเติม 0.025%Na ลงใน 356 จะทำให้โครงสร้าง eutectic เล็กลงและมีรูปทรงที่กลมขึ้น

32. Permanent-mould cast Sand cast 356 casting alloy Die cast

33. 4) Al-Mg alloys • อลูมิเนียม-แมกนีเซียม ซึ่งในความเป็นจริงจะเป็น Al-Mg-Si ทั้งนี้เพื่อให้เกิด Mg2Si ในการเพิ่มความแข็งแรงให้กับโลหะ • ตัวอย่างของโลหะเกรดนี้ เช่น 512(AlSi1.8Mg4) ใช้สำหรับทำภาชนะทั่วไป มีความแข็งแรงปานกลาง และทนการกัดกร่อนปานกลาง

34. โครงสร้างจุลภาคของ 512 sand mold

35. 5) Aluminium-Zinc alloys

36. 713.1 (AlZn7.5Cu0.7Mg(Fe)) with cooling rate of 5°C/s

37. 6) Al-Sn alloys • จะผสมดีบุกประมาณ 6% และจะเติมทองแดง และ นิกเกิล เล็กน้อยเพื่อเพิ่มความแข็งแรง • การใช้งาน: ส่วนใหญ่ใช้ในงาน Bearings เนื่องจากจะมีคุณสมบัติหล่อลื่นที่ดีเพราะมีดีบุก มีความต้านทานการกัดกร่อนต่อน้ำมันหลื่อลื่น

38. ตัวอย่างโลหะกลุ่มนี้ เช่น • 850.0(Al-6.3Sn-1Cu-1Ni) และ 852.0(Al-6.3Sn-2Cu-1.2Ni-0.8Mg)Permanent-mold cast เพื่อผลิต bearing และชิ้นส่วนในเครื่องยนต์ดีเซล • 851.0(Al-6.3Sn-2.5Si-1Cu-0.5Ni) นิยมหล่อแบบทรายหล่อ เช่น rolling mill bearing