Ντουραλουμίνιο

Το ντουραλουμίνιο είναι η παλαιά εμπορική ονομασία ομάδας κραμάτων αλουμινίου–χαλκού που παρουσιάζουν αυξημένη μηχανική αντοχή μετά από βαφή και αργή κατακρήμνιση νέας φάσης (κατακρήμνιση λόγω γήρανσης). Εκτός από 3,5–5,5% κ.β. χαλκό, το ντουραλουμίνιο περιέχει επίσης περίπου 0,25–1,5% κ.β. μαγγάνιο και περίπου 0,5% κ.β. μαγνήσιο.

Γερμανικό επιβατηγό και μεταγωγικό αεροπλάνο Junkers W-33 της περιόδου του Μεσοπολέμου. Ήταν φτιαγμένο σχεδόν εξ ολοκλήρου από ντουραλουμίνιο.

Το ντουραλουμίνιο ανακαλύφθηκε από τον γερμανό χημικό και μεταλλουργό Άλφρεντ Βιλμ (Alfred Wilm: 1869–1937), που εργάζονταν από το 1902 στην παραγωγή νέων κραμάτων για λογαριασμό του Γερμανικού Στρατού. Ένα Σάββατο του Σεπτεμβρίου του 1906, ο Βιλμ ζήτησε από τον βοηθό του να κάνει μία δοκιμή σκληρότητας σε ένα κράμα Al–Cu–Mn–Mg που μόλις είχε υποβάλει σε βαφή (απότομη ψύξη από την θερμοκρασία ερυθροπύρωσης). Ο βοηθός του Βιλμ βιάζονταν να φύγει και έκανε στα γρήγορα τη δοκιμή, η οποία έδωσε μία τιμή ελαφρώς υψηλότερη από την σκληρότητα του καθαρού αλουμινίου. Την Δευτέρα, ο βοηθός του Βιλμ επανέλαβε την ίδια δοκιμή και, προς μεγάλη έκπληξη του ίδιου και του προϊσταμένου του, το υλικό έδωσε μία τιμή σκληρότητας κατά πολύ υψηλότερη από την σκληρότητα του καθαρού αλουμινίου. Το κράμα είχε σκληρύνει στις 48 ώρες περίπου που μεσολάβησαν ανάμεσα στην πρώτη και τη δεύτερη δοκιμή σκληρότητας.

Το 1910, ξεκίνησε η βιομηχανική παραγωγή του κράματος στα χυτήρια της εταιρείας Dürener Metallwerke AG στο Ντύρεν (Düren) της Ρηνανίας. Η εταιρεία αυτή ονόμασε το νέο κράμα duralumin, μιας και ήδη διέθετε στην αγορά και άλλα κράματα με την εμπορική ονομασία Durana-Metalle (επρόκειτο για κρατερώματα που περιείχαν και σίδηρο για να είναι πιο ευκατέργαστα σε χαμηλές θερμοκρασίες).

Η ανακάλυψη του νέου ελαφριού και ανθεκτικού κράματος έγινε γρήγορα γνωστή και το 1910, η βρετανική εταιρεία Βίκερς (Vickers Sons & Maxim Ltd.) άρχισε να κατασκευάζει αερόπλοια από ντουραλουμίνιο γερμανικής προέλευσης. Το ντουραλουμίνιο χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή αεροπλάνων από τον Α΄ Παγκόσμιο Πόλεμο και εφεξής.

Σύσταση και ιδιότητες

Η περιοχή του ντουραλουμινίου στο διάγραμμα φάσεων Al–Cu.

Το ντουραλουμίνιο περιέχει 3,5 έως 5,5% κ.β. χαλκό. Όταν το κράμα θερμανθεί σε θερμοκρασία 500 με 500°C, ο χαλκός διαλύεται πλήρως μέσα στο αργίλιο. Με την βαφή του κράματος στο νερό, τον αέρα ή άλλο μέσο, ο χαλκός παραμένει σε διάλυση μέσα στο πλέγμα του αργιλίου σε μια κατάσταση μετασταθούς ισορροπίας. Κατόπιν, με την γήρανση του κράματος, μέσα στους μεγάλους κόκκους (κρυστάλλους) του αργιλίου αρχίζουν να κατακρημνίζονται ομοιόμορφα πολύ μικροί κόκκοι της φάσης θ, που είναι η διαμεταλλική ένωση CuAl₂. Η φάση θ εμποδίζει την μετακίνηση των κρυσταλλικών διαταραχών και έτσι το κράμα εμφανίζει εξαιρετική σκληρότητα. Αυτό το φαινόμενο της αύξησης της αντοχής με αργή κατακρήμνιση νέας λεπτομερούς φάσης αποκαλείται σκλήρυνση ή ισχυροποίηση με κατακρήμνιση λόγω γήρανσης.

Το ντουραλουμίνιο παρουσιάζει εξαιρετική αντοχή σε σύγκριση με το καθαρό αλουμίνιο. Για παράδειγμα, το όριο θραύσης (εφελκυστική αντοχή) ενός ντουραλουμινίου με 4% κ.β. Cu και 1% κ.β. Mn, είναι περίπου 450 MPa, όσο δηλαδή και το όριο θραύσης ορισμένων κοινών χαλύβων. Το όριο θραύσης του καθαρού αλουμινίου είναι μόλις 80 MPa. Επιπλέον, με πυκνότητα περίπου 2,7 g/cm³, το ντουραλουμίνιο είναι εξίσου ελαφρύ με το καθαρό αλουμίνιο και σχεδόν τρεις φορές ελαφρύτερο από τον χάλυβα.

Σε σύγκριση με το καθαρό αλουμίνιο, το ντουραλουμίνιο υστερεί ως προς την αντοχή στην διάβρωση. Ωστόσο, η αντοχή του ντουραλουμινίου βελτιώνεται σημαντικά με επικάλυψη και θερμική επικόλληση από λεπτό φύλλο καθαρού αλουμινίου (προϊόντα alclad). Η βελτίωση της αντοχής του ντουραλουμινίου με ανοδίωση δεν ενδείκνυται, επειδή κατά την ανοδίωση δημιουργούνται κενά γύρω από τα κατακρημνίσματα θ (CuAl₂) και το κράμα χάνει την αντοχή του σε κόπωση.

Τυποποίηση

Το όνομα ντουραλουμίνιο χρησιμοποιείται πλέον μόνον για ιστορικούς λόγους. Τα σημερινά κράματα Al–Cu, εκ των οποίων ορισμένα αντιστοιχούν στο ντουραλουμίνιο των αρχών του 20ού αι., ανήκουν στην σειρά UNS A2XXX («σειρά 2000»). Τα κράματα Al–Cu, όπως το Α2014, το Α2024, το Α2218, το Α2219, κ.ά., βρίσκουν πολλές εφαρμογές στην αεροναυπηγική.

Πηγές

• O. Hardouin Duparc, « Alfred Wilm et les débuts du Duralumin », La Revue de Métallurgie, 101e année (2004), no. 5, pp. 353–360.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• R. Cornell and H. K. D. H. Bhadeshia, "Metallographic Specimen M24, Aluminium-Copper Age Hardening Alloys." Αρχειοθετήθηκε 2006-06-27 στο Wayback Machine. — Η μεταλλογραφία του ντουραλουμινίου, από το Πανεπιστήμιο του Καίμπριτζ (Αγγλικά).