problemy i perspektywy stopów aluminium w zastosowaniu na

of 18 /18
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK LI NR 4 (183) 2010 89 Wojciech Jurczak Akademia Marynarki Wojennej PROBLEMY I PERSPEKTYWY STOPÓW ALUMINIUM W ZASTOSOWANIU NA KONSTRUKCJE MORSKIE STRESZCZENIE Stopy aluminium mają coraz szersze zastosowanie w światowym budownictwie okręto- wym. W artykule zaprezentowano problemy eksploatacyjne morskich konstrukcji wykonanych ze stopów aluminium oraz wyniki badań ich modyfikacji. Materiał rodzimy i złącza spawane stopów grupy 5XXX i 7XXX (bez Cu) wykazują podatność na korozję w środowisku morskim, powodując zagrożenie eksploatacyjne (awarie, zagrożenia dla ludzi i środowiska) i wzrost nakładów na eks- ploatację. Efekty pracy ośrodków badawczo-naukowych w postaci nowych stopów aluminium jako modyfikacji powszechnie stosowanych stopów zapewniają konstruktorom okrętowym szersze możliwości ich stosowania w konstrukcjach morskich. Słowa kluczowe: okrętowe stopy aluminium, korozja, właściwości, eksploatacja. WSTĘP Powszechność stosowania stali, nie tylko w budownictwie okrętowym, ale także w każdej dziedzinie gospodarki, wywodzi się z jej stosunkowo wysokich wła- ściwości mechanicznych i niskich kosztów wytwarzania oraz dużej dostępności. Jednym z wielu zadań konstruktorów okrętowych jest obniżanie ciężaru finalnego jednostki pływającej. Ma to wpływ na zdolności eksploatacyjne, a mianowicie prędkości pływania, zwrotność, warunki stateczności itp. Stosując na konstrukcje okrętowe stopy aluminium, redukujemy ciężar o ponad 50% w stosunku do stali i zapewniamy zwięk- szenie autonomiczności jednostki przez zwiększenie ilości paliwa, wody lub zwiększe- nie prędkości pływania przy stałej mocy siłowni [9, 22].

Author: phungkien

Post on 11-Jan-2017

218 views

Category:

Documents


1 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK LI NR 4 (183) 2010

    89

    W o j c i e c h J u r c z a k A k a d e m i a M a r y n a r k i W o j e n n e j

    P R O B L E M Y I P E R S P E K T Y W Y S T O P W A L U M I N I U M W Z A S T O S O W A N I U

    N A K O N S T R U K C J E M O R S K I E

    STRESZCZENIE

    Stopy aluminium maj coraz szersze zastosowanie w wiatowym budownictwie okrto-wym. W artykule zaprezentowano problemy eksploatacyjne morskich konstrukcji wykonanych ze stopw aluminium oraz wyniki bada ich modyfikacji. Materia rodzimy i zcza spawane stopw grupy 5XXX i 7XXX (bez Cu) wykazuj podatno na korozj w rodowisku morskim, powodujc zagroenie eksploatacyjne (awarie, zagroenia dla ludzi i rodowiska) i wzrost nakadw na eks-ploatacj. Efekty pracy orodkw badawczo-naukowych w postaci nowych stopw aluminium jako modyfikacji powszechnie stosowanych stopw zapewniaj konstruktorom okrtowym szersze moliwoci ich stosowania w konstrukcjach morskich.

    Sowa kluczowe: okrtowe stopy aluminium, korozja, waciwoci, eksploatacja.

    WSTP

    Powszechno stosowania stali, nie tylko w budownictwie okrtowym, ale take w kadej dziedzinie gospodarki, wywodzi si z jej stosunkowo wysokich wa-ciwoci mechanicznych i niskich kosztw wytwarzania oraz duej dostpnoci. Jednym z wielu zada konstruktorw okrtowych jest obnianie ciaru finalnego jednostki pywajcej. Ma to wpyw na zdolnoci eksploatacyjne, a mianowicie prdkoci pywania, zwrotno, warunki statecznoci itp. Stosujc na konstrukcje okrtowe stopy aluminium, redukujemy ciar o ponad 50% w stosunku do stali i zapewniamy zwik-szenie autonomicznoci jednostki przez zwikszenie iloci paliwa, wody lub zwiksze-nie prdkoci pywania przy staej mocy siowni [9, 22].

  • Wojciech Jurczak

    90 Zeszyty Naukowe AMW

    Koszt budowy podobnych gabarytowo jednostek jest piciokrotnie wyszy dla stopw aluminium ni dla stali, jednak na przykadzie masowcw mona wyka-za, e w eksploatacji nastpuje szybki zwrot tych kosztw. Nie tylko wspomniana adowno, ale lepsza odporno na korozj (sto razy wolnej koroduje aluminium ni stal) zmniejsza koszty zabezpiecze powokami antykorozyjnymi. Dodatkowo amagnetyczno (~0,00002) jako czynnik inicjacji min gbinowych i naprowa-dzania w dobie piractwa morskiego ma znaczenia nie tylko dla okrtw, ale take dla statkw. Ekonomia morskiego transportu pasaerskiego te wymaga szybkoci i bezpieczestwa pywania. Rozwj transportu morskiego cywilnego i wojskowego wprowadza do budownictwa okrtowego wiele nowych rozwiza, technologii i mate-riaw, midzy innymi nowych spawalnych i wysokowytrzymaych stopw aluminium.

    W niniejszym artykule przedstawiono problemy eksploatacyjne konstrukcji aluminiowych, ktre pojawiy si podczas pracy w rodowisku morskim i problemy, jakie towarzysz hutniczemu wytwarzaniu tych stopw, odnoszc waciwoci do ich struktur. Wyniki bada stopw grupy 5XXX (tych powszechnie stosowanych, zwanych hydronaliami ozn. Al-Mg) i 7XXX (zwanych konstruktalami Al-Zn-Mg) oraz ich modyfikacji s czci eksperymentaln tego artykuu. Adaptacja stopu 7020M do budowy konstrukcji okrtowych i wykorzystanie cech tego nowego mate-riau do pracy w rodowisku morskim zostaa w publikacji oceniona w kontekcie modyfikacji struktury odpowiedni obrbk ciepln.

    WYMOGI DLA OKRTOWYCH MATERIAW I KRTKI RYS HISTORYCZNY

    Jednym z podstawowych wymaga doboru materiau na konstrukcje okr-towe jest odporno korozyjna. Jednak nie tylko odporno na korozj, ale czynnik ekonomiczny (koszt) decyduje o tym, jaki rodzaj materiau konstruktorzy okrtowi zaproponuj na wykonanie okrelonego typu jednostki pywajcej (rys. 1.). Dzia-ania konstruktora s optymalizowane, by materia konstrukcyjny spenia wik-szo przedstawionych dalej kryteriw. Gwnym kryterium doboru materiau na konstrukcje morskie s jednak wymogi wytrzymaociowe, ktre w budownictwie okrtowym speniaj stale kadubowe zwykej, podwyszonej i wysokiej wytrzyma-oci oraz stopy aluminium grupy 5XXX (zwane hydronaliami) i 7XXX (zwane konstruktalami).

  • Problemy i perspektywy stopw aluminium w zastosowaniu na konstrukcje morskie

    4 (183) 2010 91

    Rys. 1. Kryteria doboru materiau inynierskiego na konstrukcje okrtowe [9]

    Stal konstrukcyjna jest tradycyjnym materiaem uywanym od 150 lat w prze-

    myle stoczniowym ze wzgldu na doskonae waciwoci mechaniczne i niskie koszty wytwarzania. Badania powodoway ewolucj stali i obecne stale, zwane kadubo-wymi, to szeroki zakres wytrzymaociowy w szerokim zakresie temperaturowym pracy pod wzgldem kruchego pkania. Dobr materiau na konstrukcje morskie pracujce w niskich temperaturach musi by zdefiniowany podatnoci do kruchego pkania. To wanie stal, w tym kadubowa, wykazuje obnienie waciwoci wy-trzymaociowych, gdy nastpuje obnienie temperatury. Ta negatywna cecha stali dzieli jej waciwoci na kategorie (od A do H), co nie dotyczy stopw aluminium.

    Rys. 2. Zapotrzebowanie budownictwa okrtowego na materiay konstrukcyjne [22]

  • Wojciech Jurczak

    92 Zeszyty Naukowe AMW

    Stopu aluminium jako materiau alternatywnego zaczto uywa w 1930 roku [19]. Pierwszymi odziami ze stopw aluminium byy odzie policyjne i patrolowe czy szybkie statki pasaerskie, takie jak katamarany (do 400 osb). Rozwj wikszych stat-kw na bazie stopw aluminium by zwizany z pojawieniem si w Niemczech [1] pierwszych statkw o dugoci do 60 m i wypornoci 1000 ton, a kilka lat pniej (1967 r.) w USA zosta skonstruowany statek o dugoci 70 m [18].

    STAL OKRTOWA A OKRTOWE STOPY ALUMINIUM

    Ze wzgldu na rosnce zapotrzebowanie na budow coraz wikszych i szyb-szych jednostek pywajcych poszukiwano, i dalej poszukuje si, nowych, alterna-tywnych materiaw inynierskich, ktre zadowoliyby konstruktorw okrtowych. Stopy aluminium od szedziesiciu lat byy alternatyw dla stali okrtowej. Ze wzgldu na wysok odporno na korozj i znaczne zmniejszenie ciaru ich g-sto jest prawie trzykrotnie nisza ni gsto stali ( = 2,73 g/cm3 stopy alumi-nium, = 7,85 g/cm3 stal) [3].

    Pewnymi ograniczeniami w stosowaniu stopw aluminium byy problemy ze spawaniem, stad pierwsze aluminiowe konstrukcje nitowano. Zcza spawane stopw 5XXX wykazuj stosunkowo niskie waciwoci wytrzymaociowe, a sto-sowanie gazw obojtnych (metoda TIG, MIG) podnosi koszt wytwarzania kon-strukcji morskich. Jednak postp technologiczny pozwoli stopom aluminium do osignicia przez obrbk ciepln i modyfikacj struktury wymaganych w przemy-le stoczniowym waciwoci mechanicznych zarwno dla materiau rodzimego, jak i zczy spawanych. Te argumenty zdecydoway o wytwarzaniu stopw aluminium do zastosowa morskich.

    Pocztkowo stopy aluminium wykorzystywano do wytwarzania galanterii okrtowej (relingi, zejciwki itp.), poszerzajc zakres stosowania do budowy du-ych pokadwek, nadbudwek [4], a nawet caych jednostek pywajcych. Redukcja ciaru to polepszenie statecznoci, nonoci i warunkw pywania przy oszczdno-ci paliwa lub redukcji mocy siowni [6].

    Stal kadubowa to zazwyczaj stal o duej wytrzymaoci (HSLA). Minimalne wymagania wytrzymaociowe dla stali zostay jednoznacznie ujednolicone w 1980 roku przez IACS i wprowadzone przez morskie towarzystwa klasyfikacyjne [23].Oprcz tych poziomw waciwoci rodziny stali HSLA typu HY 80, HY-100 lub HY-130 o wytrzymaoci 550 MPa, 690 MPa i 900 MPa stosuje si do budowy kadubw i nad-budwek pancernikw, lotniskowcw, okrtw podwodnych itp. Najpopularniejsz

  • Problemy i perspektywy stopw aluminium w zastosowaniu na konstrukcje morskie

    4 (183) 2010 93

    i najczciej stosowan stal konstrukcyjn w przemyle stoczniowym jest stal A36 (w zalenoci od nazwy ASTM), z typow granic plastycznoci do 250 MPa, w Pol-sce opisana jako stal kadubowa zwykej wytrzymaoci. Kaduby duych amerykaskich okrtw s obecnie budowane ze stali o pod-wyszonej wytrzymaoci HSS (R0,2 > 345 MPa) i stali HSLA-80 stosowanej do bu-dowy wysoko obcionych elementw. Na przykad do budowy kadubw krownikw typu Triconderoga uyto 1200 t stali HSLA-80 na kady kadub, co stanowi okoo 50% jego masy. W Niemczech produkuje si i stosuje stale HY-80, XABO-90, a w Japonii WELTEN-80, HT-80 i inne. Stale te znajduj zastosowanie w budowie kadubw okrtw. W Akademii Marynarki Wojennej w Gdyni prowadzone byy prace nad zastosowaniem stali 14HNMBCuA i 10GHMBA do budowy okrtw. Otrzymay one certyfikaty PRS. Stal 14HNMBCuA, o podobnym skadzie chemicznym do T1, po hartowaniu w wodzie w temperaturze 910940 C i odpuszczaniu w temperaturze 620650 C uzyskuje bardzo dobre wasnoci wytrzymaociowe i korzystne wa-ciwoci plastyczne. Stal 10GHMBA wykazuje rwnie bardzo dobre wasnoci wytrzymaociowe, a zwaszcza bardzo dobre waciwoci plastyczne [9, 28]. Po-mimo tego zasadnicze elementy konstrukcyjne, gwnie kaduba duych jednostek pywajcych, wykonuje si ze stali o podwyszonej i wysokiej wytrzymaoci.

    Stopy aluminium grupy 7XXX, szczeglnie 7020M, osigaj waciwoci wytrzymaociowe porwnywalne z waciwociami stali kadubowej zwykej wy-trzymaoci. Perspektywicznie jest to czynnik skaniajcy do zamian stali na stopy aluminium, ktre daj znacznie wicej pozytywnych cech eksploatacyjnych.

    DOBR STOPW ALUMINIUM NA KONSTRUKCJE MORSKIE

    Obecnie w budownictwie okrtowym najczciej uywanym stopem alumi-nium jest stop 5083 stosowany w formie blach (do przerbki plastycznej), a na od-lewane elementy stop 6082 [24]. Uzyskay one zatwierdzenie przez IASC w budowie konstrukcji morskich. Wzrost zawartoci Mg powyej 3% podnoni waciwoci wytrzymaociowe, ale musi by poddany obrbce cieplnej opisanej przez normy jako H116 (umocniony przez zgniot walcowany) i H321 (umocniony i stabilizo-wany wier twardy) [26]. Odpowiednie waciwoci wymagane do zastosowa morskich wprowadza si ju na etapie wytwarzania W obu zastosowanych obrb-kach cieplnych osignito dany poziom waciwoci mechanicznych, zachowujc dobr odporno na korozj, ktr oceniano w przyspieszonych badaniach korozji

  • Wojciech Jurczak

    94 Zeszyty Naukowe AMW

    (wg NAMLT i ASSET). Ten rodzaj obrbki cieplnej zapewnia take dobr odpor-no na korozj w podwyszonych temperaturach do 60 C.

    Powszechnie stosowany w okrtownictwie jest stop 6082, po obrbce HXXX, ktra zapewnia wymagane waciwoci. Parametry obrbki cieplnej opisane jako H116 lub H321 nadaj si do nieprzerwanej pracy w temperaturach < 66 C.

    ODPORNO NA KOROZJ

    Modyfikacja stali niskostopowej chromem, wanadem, molibdenem podwy-sza jej odporno na korozj w agresywnym rodowisku morskim. Jest ona jednak znacznie nisza od stopw aluminium, pomimo stosowania powok antykorozyj-nych. Stopy aluminium, w ktrych naturalnie tworzy si pasywna warstewka tlenkw (due powinowactwo chemiczne z tlenem), s chronione przed dalszym utlenianiem. Doskonaa odporno na korozj aluminium pochodzi gwnie od Al2O3, ktry two-rzy si na powierzchni stopw, zarwno w atmosferze, jak i wodzie morskiej. Do-datkowe zabezpieczenie farbami antykorozyjnymi lub stosowanie protektorw (Zn lub Mg) zaley od skadu chemicznego stopu aluminium.

    Najpopularniejsze stopy aluminium do zastosowania w warunkach morskich nieobrabialne termicznie to stopy grupy 5XXX, a obrabiane cieplnie to stopy 6XXX, ze wzgldu na optymalne waciwoci mechaniczne i eksploatacyjne. Stopy typu 6XXX maj lepsze waciwoci wytrzymaociowe, ale dwa, trzy razy mniejsz odporno na korozj ni grupy 5XXX. Stopy aluminium rzadziej s malowane lub pokrywane innymi powokami antykorozyjnymi, co stanowi istotne oszczdnoci podczas uytkowania elementw aluminiowych [25].

    W latach osiemdziesitych w polskim budownictwie okrtowym po raz pierwszy zastosowano stop grupy 7XXX, konstruujc ze stopu 7020 du nadbu-dwk okrtu projektu 620. Stop ten wykaza wytrzymao na poziomie stali ka-dubowej zwykej wytrzymaoci, jednak dodatek 5% Zn spowodowa jednoczenie du podatno na korozj, ktr minimalizowano, stosujc obrbk ciepln T651. Trzydziestoletnia eksploatacja okrtu wykazaa wiele trudnoci i problemw zwi-zanych z pkniciem korozyjnym i zmczeniowym tej ponad czterdziestometrowej nadbudwki [15]. Ju na etapie budowy popeniono bdy, stosujc poczenia nito-wane do mocowania aluminiowej nadbudwki do zrbnicy stalowego kaduba. Ist-niaa wwczas moliwo zastosowania poczenia wybuchowego, ale rozwizanie to byo kosztowne. Technologi t zastosowano dopiero podczas pierwszego gw-nego remontu okrtu z powodu intensywnej korozji pasa poczenia nitowanego po

  • Problemy i perspektywy stopw aluminium w zastosowaniu na konstrukcje morskie

    4 (183) 2010 95

    zniszczeniu przekadki izolacyjnej. Poczenia spawane, w szczeglnoci ich strefa wpywu ciepa (SWC), podlegay intensywnej korozji napreniowej, a ich bieca naprawa koczya si gorcymi pkniciami pospawalniczymi [21]. To zdecydowao, e w latach dziewidziesitych wprowadzono modyfikacj stopu 7020 poprzez zmia-n skadu chemicznego. Ograniczenie sumarycznej zawartoci Zn + Mg oraz doda-tek Cr i Zr ma podwyszy odporno na korozj tego stopu opisanego jak 7020M.

    ANALIZA KOSZTW

    Na etapie projektowania kadej konstrukcji, take morskiej, konstruktor wrd wielu aspektw musi uwzgldni czynnik ekonomiczny (rys. 3.).

    Rys. 3. Orientacyjne koszty ronych grup materiaw odniesione do 1 kg materiau [2]

    Aluminium ze wzgldu na mniejsze zasoby naturalne i kosztown technolo-

    gi wytwrstwa hutniczego jest znacznie drosze od stali. Szacuje si, e koszt bu-dowy tych samych konstrukcji okrtowych ze stali jest od 3 do 5 razy niszy ni dla stopw aluminium. Ze wzgldu na wysokie koszty wydaje si zatem, e aluminium nie zawsze jest oszczdne, jednak redukcja ciaru jednostki pywajcej, wysoka odporno na korozj i poziomy wytrzymaoci daj podstaw do zastpienia stali

  • Wojciech Jurczak

    96 Zeszyty Naukowe AMW

    okrtowej zwykej wytrzymaoci stopami aluminium grupy 5XXX, a stli wysoko-wytrzymaych stopami 7XXX [1, 12]. Ta koncepcja sprawdza si na przykadzie masowcw, ktrych trzykrotnie mniejszy ciar wasny daje moliwo przewozu trzy razy wicej surowcw podczas jednego rejsu przy zachowaniu tych samych warunkw statecznoci i szybkoci pywania. W innym aspekcie, gdy ekonomia transportu wymusza terminowo dostarczenia towaru lub przewozu ludzi, wyko-rzystanie jednostek szybkich (katamaranw czy poduszkowcw) wymaga stosowa-nia na konstrukcje tych jednostek stopw aluminium [20].

    PROBLEMY I PERSPEKTYWA STOSOWANIA STOPW 5XXX I 7XXX

    Materia rodzimy stopw 5XXX mona zaliczy do materiaw inynier-skich o dobrej odpornoci korozyjnej, ale rednich waciwociach mechanicznych (rys. 4.). W poszukiwaniu nowych materiaw w polskim budownictwie okrtowym rozpoczto wic stosowanie wysokowytrzymaego stopu grupy 7XXX bez Cu, ktre-go waciwoci wytrzymaociowe zestawiono ze stopami 5XXX powszechnie sto-sowanymi w budowie jednostek pywajcych.

    Rm, R0,2 [MPa]

    050

    100150200250300350400

    5086

    H116

    5083

    H116

    /H32

    1

    S508

    3

    5383

    H116

    /H32

    1

    S538

    3

    5383

    NGH1

    16/H

    321

    S538

    3NG

    5059

    H116

    /H32

    1

    S505

    9

    7020

    T651

    S702

    0

    RmR0,2

    Rys. 4. Zestawienie waciwoci wytrzymaociowych okrtowych stopw aluminium dla

    materiau rodzimego 5XXX i zczy spawanych (ozn. S) oraz stopu 7020 [badania wasne i 10]

    Stopy ukadu 5XXX nie podlegaj obrbce cielnej, to znaczy ich waciwo-ci mechaniczne nie ulegaj zmianie pod wpywem dodatkowej obrbki cieplnej. Jedynie zgniot na zimno (ozn. H) i wygrzewanie moe je w maym zakresie zmieni.

  • Problemy i perspektywy stopw aluminium w zastosowaniu na konstrukcje morskie

    4 (183) 2010 97

    Jednak waciwoci wytrzymaociowe zczy spawanych s niskie ze wzgldu na uzy-skanie w SWC waciwoci materiau mikkiego. Znacznie korzystniejsze waciwoci wytrzymaociowe uzyskuj stopy 7XXX. Lepsze s waciwoci wytrzymaociowe stopu 7020, ktre zale od parametrw obrbki cieplnej. Przesycanie i sztuczne dwu-stopniowe starzenie moe spowodowa, e Rm wyniesie ponad 400 MPa [7]. Dodat-kowo zcza spawane po zakoczeniu procesu spawania ulegaj samorzutnemu umocnieniu wydzieleniowemu, co powoduje, e po siedmiu dniach osigaj wysokie waciwoci wytrzymaociowe, ktre s znacznie wysze ni stopw 5XXX.

    W budowie konstrukcji morskich obecnie wykorzystuje si poczenia spa-wane tych stopw, ktre maj jeszcze wysze waciwoci wytrzymaociowe ni spawany materia rodzimy (rys. 5.). Technologia spawania, obejmujca przygotowa-nie blach (oczyszczanie z tlenkw, krawdziowanie blach) i samo spawanie z wyko-rzystaniem metody TIG i MIG w osonie gazw obojtnych, musi warunkowa waciwy dobr spoiwa do spawanego materiau nie tylko pod wzgldem wytrzyma-ociowym, ale take korozyjnym. Nigdy potencja elektrochemiczny stacjonarny spoiwa nie moe by niszy od spawanego materiau [11]. Jako wykonania po-cze spawanych stanowi podstaw wytrzymaoci konstrukcji, std wszystkie po-czenia konstrukcji nonych musz mie pierwsz lub drug klas dokadnoci wykonania (ocena metodami nieniszczcymi, np. Rtg). Dla stopw 5XXX najbar-dziej atrakcyjn popraw waciwoci w 1995 roku osign Pechiney Marine Group po niewielkiej modyfikacji chemicznej stopu 5083, oznaczonego jako 5383. W tym stopie ograniczono zawarto Si i Fe, ktre s znacznie nisze od maksymalnej do-puszczalnej zawartoci [24]. Wzrost zawartoci w stopach 5383 Mg i Mn, a obnienie Cr i Cu z maksymalnego poziomu oraz dodatek Zr powoduje powstanie nowych wa-ciwoci stopu 5383 oznaczonego jako NG [13].Ta modyfikacja struktury powoduje wzrost waciwoci wytrzymaociowych (najwyraniej umown granic plastycznoci R0,2) zczy spawanych tego stopu, co umoliwia szersze zastosowanie w spawanych konstrukcjach morskich. Porwnanie minimalnej wytrzymaoci zczy spawanych stopu 5083 i jego modyfikacji (5383 5383NG) pokazuje, e ten parametr zosta pocztko-wo zwikszony ze 125 do 145 MPa dla 5383, a nastpnie podwyszony do 160 MPa dla NG (rys. 4.).

    Podobne zabiegi poczyniono w Polsce, dokonujc modyfikacji stopw grupy 7XXX. Pierwsze objawy duej podatnoci na korozj napreniow stopu 7020 spowo-doway poszukiwanie modyfikatorw w postaci Zr i Cr oraz doboru parametrw obrb-ki cieplnej. Stop AlZn5Mg2CrZr (7020M) o podwyszonej zawartoci Zn + Mg = 7,01 oraz dodatku Zr i Cr uzyska Rm okoo 500 MPa (rys. 5.). Modyfikacji dokonano w dwch wytopach ozn. 507 i 635 rnicych si skadem chemicznym (tabela 1.).

  • Wojciech Jurczak

    98 Zeszyty Naukowe AMW

    0100200300400500

    7020Mwytop 507

    S7020M507

    7020Mwytop 635

    S7020M635

    7020melt485/4

    Rm;R0,2[MPa]

    RmR0,2

    Rys. 5. Waciwoci wytrzymaociowe modyfikowanego stopu 7020M dla dwch wytopw

    i jego zczy spawanych ozn. S [badania wasne] Tabela 1. Skady chemiczne stopw stosowanych na konstrukcje morskie i ich modyfikacje

    5XXX Ozn. stopu % Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr Al

    min 0.2 3.50 0.05 5086 max 0.40 0.5 0.10 0.7 4.5 0.25 0.25 0.15 reszta

    min 0.40 4.0 0.05 5083 max 0.40 0.40 0.10 1.0 4.9 0.25 0.25 0.15 reszta

    min 0.7 4.0 5383 max 0.25 0.25 0.20 1.0 5.2 0.25 0.4 0.15 0.2 reszta

    min 0.8 4.3 0.05 5383NG max 0.25 0.25 0.1 1.1 5.2 0.15 0.4 0.15 0.20 reszta

    min 1.6 5.0 0.40 0.05 max 0.45 0.5 0.25 1.2 6.0 0.25 0.9 0.20 0.25 max 0.40 0.50 0.10 0.7 4.5 0.25 0.25 0.15 max 0.40 0.50 0.10 0.5 3.6 0.3 0.20 0.15

    5059 Alustar

    max 0.25 0.4 0.1 1.0 5.5 0.2 0.25 0.2

    reszta

    7XXX Skad chemiczny [%] 7020

    Mg Mn Ti Zn Cr Si Fe Cu Zr Al Nr atestu

    hutniczego1.25 0.18 0.034 5.3 0.14 0.16 0.32 0.05 0.04 reszta 2945/485/4

    Skad chemiczny [%] 7020M No. of melt Zn Mg Cr Zr Ti Fe Si Cu Mn Ni Al

    Nr atestu hutniczego

    507 5.13 1.9 0.16 0.15 0.071 0.27 0.15 0.08 0.057 0.006 reszta 1086 635 4.81 1.9 0.17 0.12 0.016 0.31 0.21 0.09 0.06 0.006 reszta 1085

    Konstrukcja jednostki pywajcej podczas eksploatacji poddawana jest cy-klicznie powtarzajcemu si obcieniu zmczeniowemu, ktre jest porwnywalne do obustronnego zginania. Jego parametry zale od warunkw pywania. Czsto-tliwo i amplituda zmian obustronnego obcienia oznaczona jest w tabeli 2. przez liczb cykli napre (c.n.) wymaganych dla danego materiau.

  • Problemy i perspektywy stopw aluminium w zastosowaniu na konstrukcje morskie

    4 (183) 2010 99

    Modyfikacja struktury stopu 5059 zwikszon zawartoci Cu nie jest ko-rzystna pod wzgldem korozyjnym, jednak dla stopu 5059 Alustar uzyskano wysz odporno zmczeniow od stopu 5083 [14]. Modyfikacja stopu 5083H116 take daa dobre wyniki wytrzymaoci zmczeniowej jego zczy spawanych. Wytrzyma-o zmczeniowa przeprowadzona w warunkach korozyjnych dla obustronnego zginania Zgok przy N 106 bya wysza o 20 MPa dla tego samego spoiwa i wyniosa 167 MPa (rys. 4.). Ta modyfikacja stopu 5083 przyniosa [17] redukcj ciaru ga-zowca o 5% bez podnoszenia kosztw produkcji. Modyfikacja stopu 7020 spowo-dowaa wzrost wielu cech uytkowych i eksploatacyjnych stopu 7020M, midzy innymi wytrzymaoci zmczeniowej. W tabeli 2. zestawiono wyniki bada zm-czeniowych tego stopu dla dwch orodkw rodowiska morskiego.

    Tabela 2. Zestawienie wynikw bada wytrzymaoci zmczeniowej i zmczeniowo-korozyjnej

    stopu 7020 i jego modyfikacji 7020M dla rnych parametrw obrbki cieplnej T6XX [badania wasne]

    Odporno na korozj zmczeniow f = 50 Hz

    powietrze 3% r.w. NaCl

    Zmniejszenie wytrzymaoci zmczeniowej

    wskutek korozji Stop w stanie T6XX

    N = 105 Zgo

    MPa

    N = 106 Zgo

    MPa

    N = 105 Zgok MPa

    N = 106 Zgok MPa

    N = 106 c.n.

    %

    100go

    gokgo

    ZZZ

    7020M tb21 210 170 139 90 47,1 7020M tb22 203 168 170 130 21,6 7020M tb23 230 173 215 165 4,6 7020 tb21 232 179 202 127 29 7020 tb22 233 177 226 156 11 7020 tb23 228 171 220 160 7 Porwnujc ograniczon wytrzymao zmczeniow badanych stopw 7020

    w rodowisku obojtnym, stwierdzono, e najwiksz wykaza stop 7020M dla tb23, na-stpnie w kolejnoci: stop 7020 tb23, tb22 i tb21, przy czym dla N = 106 c.n. Wytrzy-mao zmczeniowo-korozyjna stopu 7XXX po obrbce T6XX bya w zasadzie bardzo zbliona .

    Badane stopy wykazay przy N = 106 c.n. (tabela 2.) nastpujce zmniejsze-nia wytrzymaoci zmczeniowej w rodowisku korozyjnym w porwnaniu do ro-dowiska obojtnego: stop 7020M min. dla tb23 4,6% i maks. dla ta 58%, stop 7020 min. dla tb23 7% i maks dla ta 58%.

  • Wojciech Jurczak

    100 Zeszyty Naukowe AMW

    Wytrzymao zmczeniowa i zmczeniowo-korozyjna sztucznie starzonych stopw 7XXX zaley od szybkoci chodzenia po przesyceniu. Wzrost szybkoci chodzenia (tb21) zwiksza wytrzymao zmczeniow, ale obnia radykalnie wy-trzymao zmczeniowo-korozyjn. Zmniejszenie szybkoci chodzenia po przesy-ceniu (tb23) zwiksza wytrzymao zmczeniowo-korozyjn. Zastosowanie dla stopw ukadu 7XXX przesycania i chodzenia w gorcej wodzie (tb22) i dwustop-niowe sztuczne starzenie umoliwia otrzymanie znacznej wytrzymaoci statycznej Rm > 460 MPa, R0,2 > 410 MPa i odpowiedniej wytrzymaoci zmczeniowej oraz zmczeniowo-korozyjnej. Wytrzymao zmczeniowa (Zgo) stopu 7020M i 7020 jest natomiast zbliona do wytrzymaoci zmczeniowo-korozyjnej (Zgok) po obrbce tb23 dla stopu 7020M i jest wysza ni dla stopu 7020 pomimo znacznie wyszej suma-rycznej zawartoci (Zn + Mg > 7%), co moe by spowodowane zwikszon zawar-toci Zr i Cr, a take zwikszon temperatur i czasem przesycania. Po pozostaych obrbkach cieplnych lepsz odporno zmczeniow wykaza stop 7020. Dodatkowo stopy 7XXX wykazuj rzadko spotykana cech samorzutnego naturalnego umocnie-nia wydzieleniowego zczy spawanych po zakoczeniu procesu spawania [16].

    ODPORNO NA KOROZJE W RODOWISKU MORSKIM A STRUKTURA

    Pena kontrola procesu hutniczego wytwarzania jest pierwszym etapem uzy-skania waciwej struktury stopw aluminium przeznaczonych do pracy w rodowi-sku morskim. W przypadku stopw 5XXX, szczeglnie tych o Mg > 3%, wane s warunki wylewania wlewka, a pniej walcowania na zimno i kolejno nastpujce wyarzanie. Proces wytwarzania morskich typw stopw 5XXX wymaga starannej kontroli, a podstawowym zaoeniem jest kontrola fazy , ktra warunkuje podat-no na korozj w wodzie morskiej. Rne temperatury obrbki cieplnej opisane jako H116 i H321 stopw 5XXX stosowanych dla konstrukcji morskich powoduj, e w mikrostrukturze stopw o zawartoci Mg > 3% minimalizuje si rozwj fazy i kontroluje jej rozkad, aby nie by skoncentrowany na granicach ziaren, tylko rozo-ony rwnomiernie na obszarze fazy . Dodatek do nowych stopw, takich jak 5383, 5383NG i 5059, domieszki Zn najlepiej eliminuje istnienie fazy w postaci cigych acuchw na granicach ziarna, a to zwiksza odporno na korozj w wodzie morskiej.

    Wyniki bada stopu 5383 (zawierajcego do 0,4% Zn) wykazay dobr od-porno na korozj w wodzie morskiej w porwnaniu do przemysowego stopu 5083, natomiast stop 5383NG ma lepsze waciwoci korozyjne w stosunku do stopw 5083 i 5383. Dla wszystkich stopw (5083, 5383, 5383NG i 5059) badania korozji

  • Problemy i perspektywy stopw aluminium w zastosowaniu na konstrukcje morskie

    4 (183) 2010 101

    zostay przeprowadzone dla materiau rodzimego i zczy spawanych. Wzrost za-wartoci Mg od 4% do 6% powoduje wzrost waciwoci wytrzymaociowych sto-pw 5XXX ponad te, ktre uzyskano dla nowych stopw 5383 i 5093 stosowanych w okrtownictwie [13, 17]. To jednak obnia odporno na korozj w wyniku po-wstawania w strukturze tych stopw fazy (Mg5Al8) o bardzo wysokim anodowym (1,24 V) potencjale w stosunku do roztworu staego (0,87 V). Optymalizacja skadu chemicznego stopw 5XXX ma zapewni stosunkowo wysokie waciwoci mecha-niczne przy co najmniej dobrej odpornoci na korozj w wodzie morskiej. Rozpad roztworu staego odbywa si w temperaturze pokojowej, a w temperaturze powyej 65 C zostaje znacznie przyspieszony. Jego przebieg odbywa si wedug schematu: roztwr stay/sterfa GP/faza '/faza (Mg5Al8). Przyspieszony proces korozji elektrochemicznej w wyniku duej rnicy potencjau powoduje intensywn koro-zj. Inne wydzielane fazy, jak MnAl6, nie maj wpywu na zachowanie korozyjne stopw 5XXX, poniewa ich potencja korozji (0.85V) jest zbliony do potencjau roztworu staego [27].

    Podatno stopw 5XXX na rne formy korozji (midzykrystaliczn, napre-niow) zaley nie tylko od obecnoci fazy , ale przede wszystkim od jej rozkadu i formy wystpowania w strukturze. Na rysunku 6.1. i 6.2 przedstawiono rne mikro-struktury -fazowe wytrcone jako ciga warstwa wzdu granic ziaren w stopie 5356 (rys. 6.1 b, c) lub w pasmach cinania w zdeformowanym stopie 5083 (rys. 6.2) oraz losowe dystrybucje -fazowe wytrcone w postaci kulistej w strukturze (rys. 6.1 a, d).

    1) 2)

    Rys. 6. 1) mikrostruktury stopu 5356-H12 z rnym stopniem wraliwoci na napreniowe pkanie korozyjne (SCC): (a), (b) bardzo odporne, (c) nieznacznie wraliwe, (d) bardzo

    podatne; 2) mikrostruktura stopu 5083H116 (zgniot i wygrzewanie w temp. 120 C/24 h, bardzo podatne na SCC [8])

  • Wojciech Jurczak

    102 Zeszyty Naukowe AMW

    W stopach 5XXX przy wzrocie zawartoci Mg > 3%, gdzie zawarto Mg jest wysza ni 1,9%, wystpuje rwnowaga rozpuszczalnoci Mg w -roztworze staym w temperaturze pokojowej i tendencja do wytrcania si -fazy (Mg5Al8) wzdu granic, a ziarna s losowo rozoone w strukturze.

    Blachy grupy 7XXX wykazuj obecno silnie wyduonych ziaren rwno-legych do kierunku walcowania. W wyniku szczegowej obserwacji na powierzch-niach rwnolegych i prostopadych do kierunku walcowania mona zauway pojedyncze zrekrystalizowane ziarna szczeglnie widoczne na powierzchniach rw-nolegych do kierunku walcowania. W stopach 7XXX, po zabiegach przesycania i starzenia, wystpuj dwa rodzaje wydziele: due wydzielenia rozmieszczone przypadkowo w osnowie oraz strefy GP. Obok stref GP wystpuj strefy roztworu staego (SWW) przylegajce do granicy ziaren i podziaren (substruktura). Rwnie na granicach ziaren wystpuj wiksze wydzielenia zwizku MgZn2. Na podstawie przeprowadzonych bada stwierdzono wyran zaleno struktury i wasnoci wytrzymaociowych stopu 7020M od stanu obrbki cieplnej. Stop 7020M w stanie tb21 ma wysze wasnoci wytrzymaociowe anieli w stanie tb22 czy tb23. W AlZn5Mg2CrZr przy zastosowaniu trzech rodzajw chodzenia po przesyceniu (zimna woda 20 C, gorca woda 80 C, powietrze) wraz ze wzrostem szybkoci chodzenia po przesyceniu maleje szeroko SWW i rosn wasnoci wy-trzymaociowe (Rm, R0,2).

    Rys. 7. Zwizek midzy szerokoci strefy wolnej od wydziele (SWW) i wasnociami

    wytrzymaociowymi stopu 7020M, ktre po przesyceniu poddane s: 1 studzeniu w zimnej wodzie (T = 20 C/tb21), 2 chodzeniu w gorcej wodzie (T = 80 C/tb22,), 3 chodzeniu w powietrzu tb23, a nastpnie dwuetapowemu starzeniu: 90 C/8 h + 145 C/16 h [badania wasne]

    Badania struktur przeprowadzone w IMN pozwoliy na wyznaczenie szeroko-

    ci stref wolnych od wydziele (SWW) dla poszczeglnych rodzajw obrbki cieplnej.

  • Problemy i perspektywy stopw aluminium w zastosowaniu na konstrukcje morskie

    4 (183) 2010 103

    Chodzenie w zimnej wodzie (20 C) po przesyceniu i dwustopniowe sztuczne starzenie spowodowao, e SWW miecia si w przedziale 5080 nm. Na granicach ziaren wystpoway wiksze wydzielenia fazy MgZn2. Z kolei w prbkach chodzo-nych po przesyceniu w powietrzu (stan tb23) rozpad roztworu staego by bardziej zaawansowany, a SWW miaa szeroko 380420 nm [5].

    PODSUMOWANIE

    Zastosowanie wysoko wytrzymaociowych spawalnych stopw aluminium w przemyle okrtowym wci ronie. S wykorzystywane do budowy coraz wik-szych konstrukcji okrtowych. Zastosowanie ich jest zasadne ekonomicznie. Trzykrot-nie mniejsza gsto redukuje ciar gabarytowo podobnych jednostek pywajcych w stosunku do stali okrtowej o ponad 50%, dajc jednoczenie wiele innych korzy-ci, jak chociaby amagnetyczno. Stosunkowa dobra odporno korozyjna na dzia-anie rodowiska morskiego wydua czas midzydokowa, a bieca eksploatacja nie wymaga duych nakadw finansowych.

    Nowe stopy aluminium grup 5XXX (5383, 5383NG, 5059) i 7XXX (7020M) to przykad wci rosncych waciwoci mechanicznych, wikszej odpornoci na korozj i rozszerzenia zakresu zastosowania w okrtownictwie. Zcza spawane sto-pw 7XXX (bez Cu), w szczeglnoci stopu 7020M, wykazuj najlepsze waciwoci wytrzymaociowe spord wszystkich stopw aluminium stosowanych w budownic-twie okrtowym. Wykonane z nich konstrukcje okrtowe s drosze od stopw 5XXX, ale daj znacznie wysz wytrzymao, a tym samym bezpieczestwo eksploatacyjne. Waciwoci i ekonomia stosowania stopw aluminium w budowie jednostek py-wajcych, zwaszcza tych szybkich, daje podstaw do zastpienia stali stopami 5XXX i 7XXX.

    BIBLIOGRAFIA

    [1] Allan R. G., Applications for Aluminum Alloys in the Marine Industry a Current Perspective, Proceedings of Alumitech 97, Atlanta, 2023 May, 1997, p. 292.

    [2] Ashby M. F., Engineering materials, 1998.

    [3] ASM: Aluminum, 2004.

    [4] ASM: Corrosion, 2004.

  • Wojciech Jurczak

    104 Zeszyty Naukowe AMW

    [5] Badania strukturalne stopw AlZn5Mg2CrZr, praca zlecona, Instytut Metali Nieelaznych Oddzia Metali Lekkich, 2001.

    [6] Brown S., Feasibility of Replacing Structural Steel with Aluminum Alloys in the Shipbuilding Industry, University of Wisconsin-Madison, 29 April, 1999.

    [7] Bugacki H., Wpyw obrbki cieplnej oraz skadu chemicznego spoiw na wa-snoci mechaniczne i korozj napreniow stopu AlZn5Mg1 w spawanych konstrukcjach okrtowych, rozprawa doktorska, Politechnika Gdaska, Gdask 1981.

    [8] Corrosion of Aluminum and Aluminum Alloys, ed. by J. R. Davis & Associates, ASM Intl., Metals Park OH, USA, 1999.

    [9] Cudny K., Puchaczewski N., Stale i stopy aluminium stosowane na kaduby okrtowe, Wydawnictwo MARPRESS, Gdask 1996.

    [10] Cudny K., Technologia konstrukcji okrtowych ze stopw aluminium, Wy-dawnictwo Politechniki Gdaskiej, Gdask 1996.

    [11] Darowicki K., Orlikowski J., Arutunow A., Jurczak W., Passive Layer Cracking Studies Performed on A95056 Aluminum Alloy by DEIS and Acoustic Emission, Electrochemical and Solid-State, 2005, Vol. 8, pp. 5559.

    [12] Das S. K., Hayden H. W., Barthold G. B., Development of Non-Heat-Treatable Automotive Aluminum Sheet Alloys, Materials Science Forum-Trans Tech Publications, 2000 (913), pp. 331337.

    [13] Duran A., Bennet A., Advantages of High Strength Marine Grade Aluminium Alloys for Marine Structures, Ausmarine Pechiney and NGA, Paper. doc, 2003, pp. 124.

    [14] Duran A., Dif R., New Alloy Development at Pechiney, a New Generation of 5383, Conf. Proc. FAST 2001, ed. by P. A. Wilson, G. E. Hearn, Southampton, Southampton University, September 2001.

    [15] Ekspertyza nadbudwki okrtu 620, wykonana przez IMNo ML, Krakw 1992.

    [16] Galanty A., Golian A., Wojciechowski A., Waciwoci ksztatownikw i blach stopu AlZn5Mg1, Gliwice 1972.

    [17] Haszler A., Latest Aluminium Alloy Developments for Plate Applications in High Speed Ferry and Aircraft Structures, Conference Proceedings of Alu-minum 97, Aluminum Technology and Markets for the New Century, Messe Essen, Germany, 2425 September, 1997.

    [18] Holtyn C. H. at all, The Construction and Service Record of a 306 Ft Alumi-num Trailership, Transactions, Society of Naval Architects and Marine En-gineers, 1972.

  • Problemy i perspektywy stopw aluminium w zastosowaniu na konstrukcje morskie

    4 (183) 2010 105

    [19] Holtyn C. H., The Age of Ships, Transactions Society of Naval Architects and Engineers, 1966.

    [20] Jurczak W., Nowe stopy aluminium dla budownictwa okrtowego, VII Sym-pozjum Wojskowej Techniki Morskiej SWTM 99, 2021.10.1999, Gdynia.

    [21] Jurczak W., Problemy eksploatacji konstrukcji okrtowych wykonanych ze stopw Al-Zn-Mg, II Midzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Explo-Ship 2002 Problemy eksploatacji obiektw pywajcych i urzdze portowych, 2124.05.2002 Szczecin, Zeszyty Naukowe WSM, s. 173185.

    [22] Pawow A. I., Sudowyje konstukcjeiz aluminijowych spawow w sudostrojenii, Leningrad 1973.

    [23] Radulovi B., Perovi B., Miovi M., Metalic Materials I, University of Montenegro, 2001, Vol. 90.

    [24] Raynaud G. M., Gomiero Ph., The Potential of 5383 Alloy in Marine Applica-tion, Proceedings of Alumitech 97, Atlanta, 2023 May, 1997, p. 353.

    [25] Siegrist M., Aluminum Extrusions for Shipbuilding, Proceedings of Alumitech 97, Atlanta, 2023 May, 1997, p. 367.

    [26] Skillingberg M., Making aluminum alloy selection easier, Marine Log, October 2004.

    [27] Wei R. P., Liao C. M., Gao M., Magnetic Fields Induced by Electrochemical Reactions: Aluminum Alloy Corrosion Sensing by SQUID Magnetometry on a Macroscopic Scale, Metall. Mat. Trans. A, 1998, 29A, p. 11531160.

    [28] Wiewirski S., Wituszyski K., Konstrukcja stalowego kaduba okrtowego, Wydawnictwo Morskie, Gdask 1977.

    P R O B L E M S A N D P E R S P E C T I V E S F O R A L U M I N U M A L L O Y S I N M A R I N E S T R U C T U R E S

    ABSTRACT

    Aluminum alloys gain increasingly wide application in shipbuilding. The paper presents operation problems related to the marine structures made of aluminum alloys and the results of tests on their modifications. The mother material and welded joints belonging to groups 5XXX and 7XXX

  • Wojciech Jurczak

    106 Zeszyty Naukowe AMW

    (without Cu) are susceptible to corrosion in marine environment which causes operation hazards (failures, hazards to people and environment) and leads to rise in cost of maintenance. New alu-minum alloys being modifications of conventional aluminum materials, developed in research and development centers offer wider possibilities for application of aluminum in marine structures.

    Keywords: marine aluminum alloys, corrosion, properties, operation.

    Recenzent prof. dr hab. in. Witold Precht