Мідь
Коли багата на алюміній частина алюмінієво-мідного сплаву становить 548, максимальна розчинність міді в алюмінії становить 5,65%. Коли температура падає до 302°F (302°F), розчинність міді становить 0,45%. Мідь є важливим елементом сплаву та має певний ефект зміцнення твердого розчину. Крім того, CuAl2, що осідає внаслідок старіння, має очевидний ефект зміцнення внаслідок старіння. Вміст міді в алюмінієвих сплавах зазвичай становить від 2,5% до 5%, а ефект зміцнення найкращий, коли вміст міді становить від 4% до 6,8%, тому вміст міді в більшості дюралюмінієвих сплавів знаходиться в цьому діапазоні. Алюмінієво-мідні сплави можуть містити менше кремнію, магнію, марганцю, хрому, цинку, заліза та інших елементів.
Кремній
Коли багата на алюміній частина системи сплаву Al-Si має евтектичну температуру 577, максимальна розчинність кремнію у твердому розчині становить 1,65%. Хоча розчинність зменшується зі зниженням температури, ці сплави, як правило, не можна зміцнити термічною обробкою. Алюмінієво-кремнієвий сплав має чудові ливарні властивості та корозійну стійкість. Якщо магній і кремній додають до алюмінію одночасно для утворення сплаву алюміній-магній-кремній, зміцнювальною фазою є MgSi. Масове співвідношення магнію до кремнію становить 1,73:1. Під час проектування складу сплаву Al-Mg-Si вміст магнію та кремнію на матриці конфігурується в цьому співвідношенні. Для підвищення міцності деяких сплавів Al-Mg-Si додають відповідну кількість міді, а також відповідну кількість хрому, щоб компенсувати негативний вплив міді на корозійну стійкість.
Максимальна розчинність Mg2Si в алюмінії в збагаченій алюмінієм частині рівноважної фазової діаграми системи сплавів Al-Mg2Si становить 1,85%, а уповільнення невелике зі зниженням температури. У деформованих алюмінієвих сплавах додавання лише кремнію до алюмінію обмежується зварювальними матеріалами, а додавання кремнію до алюмінію також має певний зміцнювальний ефект.
Магній
Хоча крива розчинності показує, що розчинність магнію в алюмінії значно зменшується зі зниженням температури, вміст магнію в більшості промислових деформованих алюмінієвих сплавів становить менше 6%. Вміст кремнію також низький. Цей тип сплаву не можна зміцнити термічною обробкою, але він має добру зварюваність, добру корозійну стійкість та середню міцність. Зміцнення алюмінію магнієм очевидне. На кожне збільшення вмісту магнію на 1% міцність на розтяг збільшується приблизно на 34 МПа. Якщо додати менше 1% марганцю, ефект зміцнення можна посилити. Отже, додавання марганцю може зменшити вміст магнію та зменшити схильність до гарячого розтріскування. Крім того, марганець також може рівномірно осаджувати сполуки Mg5Al8, покращуючи корозійну стійкість та зварювальні характеристики.
Марганець
Коли евтектична температура плоскої рівноважної фазової діаграми системи сплаву Al-Mn становить 658°F (658°F), максимальна розчинність марганцю у твердому розчині становить 1,82%. Міцність сплаву зростає зі збільшенням розчинності. Коли вміст марганцю становить 0,8%, видовження досягає максимального значення. Сплав Al-Mn не зміцнюється старінням, тобто його не можна зміцнити термічною обробкою. Марганець може запобігати процесу рекристалізації алюмінієвих сплавів, підвищувати температуру рекристалізації та значно подрібнювати рекристалізовані зерна. Подрібнення рекристалізованих зерен головним чином пов'язане з тим, що дисперсні частинки сполук MnAl6 перешкоджають росту рекристалізованих зерен. Ще однією функцією MnAl6 є розчинення домішкового заліза з утворенням (Fe, Mn)Al6, зменшуючи шкідливий вплив заліза. Марганець є важливим елементом в алюмінієвих сплавах. Його можна додавати окремо для утворення бінарного сплаву Al-Mn. Найчастіше його додають разом з іншими легуючими елементами. Тому більшість алюмінієвих сплавів містять марганець.
Цинк
Розчинність цинку в алюмінії становить 31,6% при 275°C у збагаченій алюмінієм частині рівноважної фазової діаграми системи сплаву Al-Zn, тоді як його розчинність падає до 5,6% при 125°C. Додавання лише цинку до алюмінію має дуже обмежене покращення міцності алюмінієвого сплаву в умовах деформації. Водночас існує тенденція до корозійного розтріскування під напругою, що обмежує його застосування. Одночасне додавання цинку та магнію до алюмінію утворює зміцнювальну фазу Mg/Zn2, яка має значний зміцнювальний вплив на сплав. Коли вміст Mg/Zn2 збільшується з 0,5% до 12%, міцність на розрив та межа текучості можуть бути значно підвищені. У надтвердих алюмінієвих сплавах, де вміст магнію перевищує необхідну кількість для утворення фази Mg/Zn2, коли співвідношення цинку до магнію контролюється на рівні близько 2,7, стійкість до корозійного розтріскування під напругою є найбільшою. Наприклад, додавання мідного елемента до Al-Zn-Mg утворює сплав серії Al-Zn-Mg-Cu. Ефект зміцнення основи є найбільшим серед усіх алюмінієвих сплавів. Він також є важливим алюмінієвим сплавом в аерокосмічній, авіаційній промисловості та електроенергетиці.
Залізо та кремній
Залізо додають як легуючий елемент у кованих алюмінієвих сплавах серії Al-Cu-Mg-Ni-Fe, а кремній – як легуючий елемент у кованих алюмінієвих сплавах серії Al-Mg-Si, зварювальних стрижнях серії Al-Si та ливарних сплавах алюмінію з кремнієм. У базових алюмінієвих сплавах кремній та залізо є поширеними домішковими елементами, які суттєво впливають на властивості сплаву. Вони переважно існують у вигляді FeCl3 та вільного кремнію. Коли кремній перевищує залізо, утворюється фаза β-FeSiAl3 (або Fe2Si2Al9), а коли залізо перевищує кремній, утворюється α-Fe2SiAl8 (або Fe3Si2Al12). Неправильне співвідношення заліза та кремнію призводить до тріщин у литві. Коли вміст заліза в литому алюмінії занадто високий, виливок стає крихким.
Титан і бор
Титан – це поширений адитивний елемент в алюмінієвих сплавах, який додають у вигляді лігатури Al-Ti або Al-Ti-B. Титан та алюміній утворюють фазу TiAl2, яка під час кристалізації стає неспонтанним ядром і відіграє певну роль у покращенні структури литва та структури зварного шва. Коли сплави Al-Ti проходять реакцію упаковки, критичний вміст титану становить близько 0,15%. Якщо присутній бор, уповільнення становить лише 0,01%.
Хром
Хром є поширеним добавкою в сплавах серії Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn та Al-Mg. При 600°C розчинність хрому в алюмінії становить 0,8%, і він практично нерозчинний за кімнатної температури. Хром утворює інтерметаліди, такі як (CrFe)Al7 та (CrMn)Al12, в алюмінії, що перешкоджає процесу нуклеації та росту перекристалізації та має певний зміцнювальний ефект на сплав. Він також може покращити в'язкість сплаву та зменшити схильність до корозійного розтріскування під напругою.
Однак, ця ділянка збільшує чутливість до гартування, роблячи анодовану плівку жовтою. Кількість хрому, що додається до алюмінієвих сплавів, зазвичай не перевищує 0,35% і зменшується зі збільшенням вмісту перехідних елементів у сплаві.
Стронцій
Стронцій – це поверхнево-активний елемент, який може кристалографічно змінювати поведінку інтерметалевих сполук. Тому модифікаційна обробка стронцієм може покращити пластичну оброблюваність сплаву та якість кінцевого продукту. Завдяки тривалому ефективному часу модифікації, гарному ефекту та відтворюваності, стронцій в останні роки замінив натрій у ливарних сплавах Al-Si. Додавання 0,015%~0,03% стронцію до алюмінієвого сплаву для екструзії перетворює фазу β-AlFeSi у злитці на фазу α-AlFeSi, скорочуючи час гомогенізації злитків на 60%~70%, покращуючи механічні властивості та пластичну оброблюваність матеріалів; покращуючи шорсткість поверхні виробів.
Для деформованих алюмінієвих сплавів з високим вмістом кремнію (10%~13%) додавання 0,02%~0,07% стронцію може зменшити кількість первинних кристалів до мінімуму, а також значно покращити механічні властивості. Міцність на розрив бb збільшується з 233 МПа до 236 МПа, межа текучості б0,2 збільшується з 204 МПа до 210 МПа, а видовження б5 збільшується з 9% до 12%. Додавання стронцію до заевтектичного сплаву Al-Si може зменшити розмір частинок первинного кремнію, покращити пластичні властивості та забезпечити плавну гарячу та холодну прокатку.
Цирконій
Цирконій також є поширеною добавкою в алюмінієвих сплавах. Зазвичай, його кількість додається до алюмінієвих сплавів у кількості 0,1%~0,3%. Цирконій та алюміній утворюють сполуки ZrAl3, які можуть перешкоджати процесу рекристалізації та подрібнювати рекристалізовані зерна. Цирконій також може подрібнювати структуру литва, але цей ефект менший, ніж у титану. Присутність цирконію зменшить ефект подрібнення зерна титану та бору. У сплавах Al-Zn-Mg-Cu, оскільки цирконій має менший вплив на чутливість до гартування, ніж хром та марганець, доцільно використовувати цирконій замість хрому та марганцю для подрібнення рекристалізованої структури.
Рідкоземельні елементи
Рідкісноземельні елементи додають до алюмінієвих сплавів для збільшення переохолодження компонентів під час лиття алюмінієвих сплавів, подрібнення зерен, зменшення відстаней між вторинними кристалами, зменшення кількості газів та включень у сплаві, а також для сфероїдізації фази включень. Це також може зменшити поверхневий натяг розплаву, збільшити текучість та полегшити лиття у злитки, що суттєво впливає на продуктивність процесу. Краще додавати різні рідкісноземельні елементи в кількості близько 0,1%. Додавання змішаних рідкісноземельних елементів (змішаних La-Ce-Pr-Nd тощо) знижує критичну температуру для утворення зони старіння G⁻P у сплаві Al-0,65%Mg-0,61%Si. Алюмінієві сплави, що містять магній, можуть стимулювати метаморфізм рідкісноземельних елементів.
Домішка
Ванадій утворює тугоплавку сполуку VAl11 в алюмінієвих сплавах, яка відіграє певну роль у подрібненні зерен під час процесу плавлення та лиття, але її роль менша, ніж у титану та цирконію. Ванадій також впливає на подрібнення рекристалізованої структури та підвищення температури рекристалізації.
Розчинність кальцію в твердому стані в алюмінієвих сплавах надзвичайно низька, і він утворює з алюмінієм сполуку CaAl4. Кальцій є надпластичним елементом алюмінієвих сплавів. Алюмінієвий сплав з приблизно 5% кальцію та 5% марганцю має надпластичність. Кальцій і кремній утворюють CaSi, який нерозчинний в алюмінії. Оскільки кількість кремнію в твердому розчині зменшується, електропровідність промислового чистого алюмінію може бути дещо покращена. Кальцій може покращити ріжучі властивості алюмінієвих сплавів. CaSi2 не може зміцнювати алюмінієві сплави шляхом термічної обробки. Слідові кількості кальцію допомагають видалити водень з розплавленого алюмінію.
Свинець, олово та вісмут – це метали з низькою температурою плавлення. Їхня розчинність у твердому стані в алюмінії невелика, що дещо знижує міцність сплаву, але може покращити ріжучі властивості. Вісмут розширюється під час затвердіння, що корисно для подачі. Додавання вісмуту до високомагнієвих сплавів може запобігти натрієвому окрихченню.
Сурма в основному використовується як модифікатор у литих алюмінієвих сплавах і рідко використовується в деформованих алюмінієвих сплавах. У деформованих алюмінієвих сплавах Al-Mg вона замінює вісмут лише для запобігання натрієвому окрихченню. Елемент сурми додають до деяких сплавів Al-Zn-Mg-Cu для покращення характеристик гарячого та холодного пресування.
Берилій може покращити структуру оксидної плівки в деформованих алюмінієвих сплавах та зменшити втрати при горінні та включення під час плавлення та лиття. Берилій є токсичним елементом, який може викликати алергічне отруєння у людей. Тому берилій не може міститися в алюмінієвих сплавах, що контактують з їжею та напоями. Вміст берилію в зварювальних матеріалах зазвичай контролюється нижче 8 мкг/мл. Алюмінієві сплави, що використовуються як зварювальні основи, також повинні контролювати вміст берилію.
Натрій майже нерозчинний в алюмінії, а максимальна розчинність у твердому стані становить менше 0,0025%. Температура плавлення натрію низька (97,8 ℃). Коли натрій присутній у сплаві, він адсорбується на поверхні дендритів або межі зерен під час затвердіння. Під час гарячої обробки натрій на межі зерен утворює рідкий адсорбційний шар, що призводить до крихкого розтріскування та утворення сполук NaAlSi. Вільного натрію немає, тому він не утворює «натрієвої крихкості».
Коли вміст магнію перевищує 2%, магній забирає кремній і осаджує вільний натрій, що призводить до «натрієвої крихкості». Тому для алюмінієвих сплавів з високим вмістом магнію не дозволяється використовувати флюс натрієвої солі. Методи запобігання «натрієвій крихкості» включають хлорування, яке призводить до утворення натрію NaCl, який потрапляє в шлак, додавання вісмуту з утворенням Na2Bi та його потрапляння в металеву матрицю; додавання сурми з утворенням Na3Sb або додавання рідкісноземельних елементів також може мати такий самий ефект.
Під редакцією Мей Цзян з MAT Aluminum
Час публікації: 08 серпня 2024 р.
