Aluminium (Al) w stalach: rys historyczny i wpływ na właściwości
Rys historyczny
Aluminium zostało odkryte w 1825 roku przez duńskiego chemika Hansa Christiana Ørsteda, który jako pierwszy wyizolował ten pierwiastek w postaci metalicznej. Wkrótce potem, w 1827 roku, Friedrich Wöhler udoskonalił metody izolacji aluminium, co umożliwiło jego wykorzystanie na skalę przemysłową. Na początku XX wieku, rozwój technologii metalurgicznych, takich jak proces Hall-Héroult, uczynił aluminium szeroko dostępnym i tańszym, co pozwoliło na jego eksperymentalne stosowanie w stalach jako dodatek stopowy.
W latach 30. XX wieku badania nad stalami żaroodpornymi i żarowytrzymałymi wykazały, że aluminium może znacząco poprawić ich odporność na utlenianie i wysokie temperatury. W połowie XX wieku aluminium zaczęło być także stosowane w stalach do azotowania dzięki wyjątkowym właściwościom azotków aluminium, które osiągają twardość przewyższającą azotki żelaza i węgliki.
Aluminium jako dodatek stopowy
Rozpuszczalność w żelazie
Aluminium wykazuje ograniczoną rozpuszczalność w żelazie:
- W żelazie γ (austenicie) rozpuszcza się do około 0,6%, z nieznacznym wzrostem w obecności węgla.
- W żelazie α (ferrycie) jego rozpuszczalność jest znacznie wyższa i wynosi od 30 do 35%.
Rozpuszczone w ferrycie aluminium znacząco zwiększa jego twardość, a w austenicie wpływa na poprawę hartowności, choć w mniejszym stopniu.
Funkcja aluminium w stalach
- Odtlenianie
Aluminium jest jednym z najsilniejszych odtleniaczy stosowanych w metalurgii stali. Wiąże tlen, tworząc tlenki glinu, które w postaci żużli usuwane są z ciekłej stali. Jednocześnie aluminium wiąże azot w postaci azotków (AlN), co eliminuje skłonność stali miękkich do starzenia, wynikającą z obecności azotu w ich strukturze. - Kontrola struktury ziarna
W ilościach od 0,02 do 0,2% aluminium przeciwdziała nadmiernemu rozrostowi ziarna austenitu podczas nagrzewania. Dzięki temu poprawia właściwości mechaniczne stali, takie jak wytrzymałość na rozciąganie i odporność na pękanie, co ma znaczenie w zastosowaniach konstrukcyjnych i przemysłowych. - Wpływ na utlenianie
Dodatek aluminium zwiększa odporność stali żaroodpornych i stali chromowych na utlenianie w wysokich temperaturach. Aluminium tworzy na powierzchni ochronną warstwę tlenku glinu (Al₂O₃), która działa jako bariera przed dalszym działaniem tlenu i zapobiega korozji w warunkach ekstremalnych, np. w piecach przemysłowych czy turbinach. - W stalach do azotowania
Aluminium jest podstawowym dodatkiem w stalach przeznaczonych do azotowania. W połączeniu z chromem i molibdenem umożliwia uzyskanie wyjątkowo twardej warstwy powierzchniowej dzięki powstawaniu azotków aluminium podczas procesu azotowania w temperaturze około 500°C. Warstwa ta jest nie tylko wyjątkowo twarda, ale również odporna na zużycie i korozję, co znajduje zastosowanie w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i maszynowym.
Wpływ aluminium na stale specjalne
- Stale żaroodporne i żarowytrzymałe
Aluminium poprawia odporność stali na działanie wysokich temperatur i utleniania, szczególnie w obecności chromu. Stale te są stosowane w kotłach, piecach przemysłowych, turbinach i innych aplikacjach, gdzie materiał jest narażony na ciągłe działanie ciepła. - Stale na magnesy trwałe
Aluminium, w połączeniu z innymi pierwiastkami, jest składnikiem stopów żelaza stosowanych na magnesy trwałe, takich jak magnesy AlNiCo (zawierające aluminium, nikiel i kobalt). Stopy te wykazują stabilne właściwości magnetyczne w szerokim zakresie temperatur, co czyni je niezastąpionymi w przemyśle elektrotechnicznym. - Grafityzacja
Jedną z mniej pożądanych cech aluminium jest jego skłonność do sprzyjania zjawisku grafityzacji w stalach. Przy wyższych zawartościach aluminium może prowadzić do wytrącania się grafitu, co negatywnie wpływa na właściwości mechaniczne stali, szczególnie w aplikacjach konstrukcyjnych.
Podsumowanie
Aluminium jako dodatek stopowy ma kluczowe znaczenie w stalach żaroodpornych, żarowytrzymałych oraz stalach do azotowania. Jego zdolność do odtleniania, wiązania azotu i tworzenia ochronnych warstw tlenkowych sprawia, że stale te są bardziej odporne na działanie wysokich temperatur, utlenianie i zużycie mechaniczne. Jednocześnie kontroluje wzrost ziarna austenitu, poprawiając właściwości mechaniczne stali. Aluminium znajduje zastosowanie w stalach konstrukcyjnych, przemysłowych i specjalistycznych, takich jak stale na magnesy trwałe czy azotowane elementy maszyn. Badania nad jego zastosowaniem trwają, a jego znaczenie w metalurgii pozostaje nieocenione.