Oprócz klasycznych wyrobów wytwarzanych w procesach przeróbki plastycznej oraz odlewania do form, w przemyśle aluminium funkcjonuje także szeroka grupa wyrobów specjalnego przeznaczenia pełniących istotną rolę w procesach przetwarzania aluminium. Obejmują one zarówno materiały wsadowe (gąski stopowe EN AB, przedstopy EN AM), półwyroby hutnicze wytwarzane metodami odlewania ciągłego i półciągłego (wlewki, pręty i rury odlewane w sposób ciągły), a także materiały stosowane w technologiach specjalnych takich jak metalurgia proszków, procesy przyrostowe metali czy struktury komórkowe i piany aluminiowe.
Wyroby te nie są projektowane przede wszystkim jako elementy użytkowe, lecz jako produkty pośrednie przeznaczone do dalszego przetwarzania: przetopienia, rafinacji, modyfikacji składu chemicznego, dalszej obróbki plastycznej lub zaawansowanych operacji technologicznych. W wielu gałęziach przemysłu stanowią one podstawowy wsad, wpływając bezpośrednio na stabilność procesów oraz jakość i powtarzalność późniejszych wyrobów.
W niniejszym tekście omówiono cztery zasadnicze grupy tych produktów: gąski stopowe (EN AB) stosowane jako materiał do przetopienia, przedstopy (EN AM) służące do kształtowania składu chemicznego ciekłego aluminium, odlewy ciągłe i półciągłe stanowiące podstawowy wsad do przeróbki plastycznej oraz materiały wykorzystywane w technologiach specjalnych. Choć często pozostają niewidoczne dla użytkownika końcowego, mają zasadnicze znaczenie dla przebiegu procesów technologicznych w przemyśle aluminium.
- Gąski do ponownego przetopienia
Gąski z aluminium i stopów aluminium stanowią materiał wsadowy do procesów odlewniczych i są dostarczane w postaci znormalizowanych wlewków o określonej masie i geometrii, przystosowanych do transportu, składowania i kontrolowanego dozowania do pieców topielnych (Rys. 1). W odróżnieniu od stopów EN AC, opisujących właściwości gotowych odlewów, stopy EN AB dotyczą materiału w stanie wlewka, przed rafinacją i modyfikacją prowadzoną w odlewni. Służą jako surowiec do odlewania kokilowego, piaskowego, ciśnieniowego i precyzyjnego.
Typowe gatunki to: EN AB-43000 (AlSi10Mg), EN AB-44400 (AlSi12) oraz EN AB-46500 (AlSi9Cu3), stosowane odpowiednio do odlewów konstrukcyjnych, cienkościennych i o podwyższonej wytrzymałości. Skład chemiczny gąsek stopowych, dopuszczalne poziomy zanieczyszczeń oraz wymagania jakościowe określono m.in. w normach EN 1676, EN 576.
- Stopy wstępne
Stopy wstępne, oznaczane zgodnie z normą symbolem EN AM, stanowią dodatki metalurgiczne stosowane do korygowania składu chemicznego oraz modyfikacji struktury krystalicznej aluminium w procesie krzepnięcia. W przeciwieństwie do gąsek (EN AB), które stanowią zasadniczy wsad do przetopu, przedstopy wykorzystywane są w niewielkich ilościach i pełnią funkcję precyzyjnych dodatków technologicznych.
Przedstopy zawierają podwyższone stężenie wybranego pierwiastka stopowego, najczęściej w zakresie kilku-kilkunastu procent, co umożliwia dokładne dozowanie składników takich jak Ti, B, Sr, Zr czy Mn do kąpieli ciekłego metalu. Dzięki temu możliwe jest kształtowanie struktury krystalicznej, rafinacja ziarna oraz modyfikacja eutektyki w stopach Al-Si.
Do najczęściej stosowanych przedstopów należą m.in. AlTi5B1 oraz AlTi3 (rozdrobnienie ziarna), AlSr10 (modyfikacja krzemu w stopach Al-Si) oraz stopy zawierające Zr lub Mn stosowane w celu poprawy stabilności struktury w podwyższonej temperaturze. Ich skład chemiczny oraz wymagania jakościowe określono w normie EN 575.
Przedstopy dostarczane są w różnych postaciach, dostosowanych do sposobu ich wprowadzania do ciekłego metalu. Występują w formie prętów i drutów podawanych automatycznie do kąpieli metalowej, a także w postaci pastylek, tabletek, granulatu lub niewielkich gąsek. Dobór formy zależy od rodzaju dodatku stopowego, wymaganej dokładności dozowania oraz organizacji procesu w odlewni. W zakładach o wysokim stopniu automatyzacji powszechnie stosuje się systemy ciągłego podawania drutu, zapewniające precyzyjne dozowanie i powtarzalność składu chemicznego.
- Odlewy ciągłe i półciągłe jako wsad do przeróbki plastycznej
Odlewanie półciągłe i ciągłe stanowią podstawowe metody wytwarzania półwyrobów przeznaczonych do procesów przeróbki plastycznej, takich jak wyciskanie, walcowanie czy kucie. W przeciwieństwie do odlewów wykonywanych do form jednostkowych, produkty te nie są wyrobami gotowymi, lecz materiałem wsadowym o ściśle kontrolowanej geometrii i strukturze wewnętrznej.
Najpowszechniej stosowaną technologią jest odlewanie półciągłe metodą Direct Chill (DC) (Rys. 2a), w której wytwarza się cylindryczne wlewki o średnicach typowo od około 150 do ponad 500 mm, przeznaczone głównie do wyciskania profili, a w przypadku mniejszych średnic również jako wsad do wytwarzania odkuwek. W procesie tym ciekły metal rozpoczyna krzepnięcie w krystalizatorze, a następnie wlewek jest intensywnie chłodzony poprzez bezpośredni natrysk wody na jego powierzchnię.
Odlewanie ciągłe stosowane jest natomiast do wytwarzania prętów i rur o mniejszych średnicach (Rys. 2b) (zwykle w zakresie kilkunastu do kilkudziesięciu milimetrów), które mogą stanowić materiał do dalszej obróbki mechanicznej lub wsad do procesu ciągnienia.
W produkcji wyrobów płaskich stosowane są również technologie ciągłego odlewania taśm, w których ciekły metal krzepnie bezpośrednio w postaci pasma o niewielkiej grubości. Do najważniejszych należą proces Hazelett, polegający na odlewaniu metalu między dwiema chłodzonymi taśmami stalowymi oraz metoda Twin Roll Casting (TRC), w której krzepnięcie zachodzi między dwoma chłodzonymi walcami. Otrzymana taśma stanowi bezpośredni wsad do dalszego walcowania.
W każdym z wymienionych przypadków odlew nie stanowi wyrobu finalnego, lecz półprodukt, którego jakość strukturalna, jednorodność chemiczna oraz stan powierzchni decydują o przebiegu i efektywności kolejnych etapów przeróbki plastycznej.
- Techniki specjalne
Odrębną grupę wyrobów aluminiowych stanowią materiały wytwarzane z wykorzystaniem technik specjalnych, obejmujących procesy bazujące na metalurgii proszków oraz technologiach addytywnych. Metody te umożliwiają wytwarzanie elementów o geometrii trudnej lub niemożliwej do uzyskania w klasycznych procesach odlewania i przeróbki plastycznej.
Jednym z najszybciej rozwijających się obszarów jest addytywne wytwarzanie detali aluminiowych, określane potocznie jako druk 3D metali. Procesy te, oparte najczęściej na selektywnym przetapianiu warstw proszku metalicznego wiązką laserową, umożliwiają bezpośrednie wytwarzanie elementów o wysokiej złożoności geometrycznej. Do najczęściej stosowanych materiałów należą stopy AlSi10Mg oraz AlSi7Mg, charakteryzujące się dobrą podatnością na przetapianie w procesie addytywnym i korzystnymi właściwościami mechanicznymi. Technologie addytywne znajdują zastosowanie przede wszystkim w przemyśle lotniczym i kosmicznym, w konstrukcjach bezzałogowych statków powietrznych, a także w produkcji lekkich elementów dla motoryzacji i sprzętu sportowego.
Do technik specjalnych zalicza się również wytwarzanie materiałów o strukturze komórkowej, takich jak piany aluminiowe oraz kontrolowane struktury kratowe (Rys. 3). Materiały te otrzymywane są m.in. poprzez spienianie ciekłego metalu, procesy metalurgii proszków lub infiltrację porowatych struktur polimerowych ciekłym aluminium. Dzięki bardzo małej gęstości oraz zdolności do pochłaniania energii odkształcenia znajdują one zastosowanie m.in. jako absorbery energii, lekkie panele konstrukcyjne oraz elementy tłumiące drgania.
