Роль різних елементів в алюмінієвих сплавах

Мідь

Коли багата алюмінієм частина алюмінієво-мідного сплаву становить 548, максимальна розчинність міді в алюмінії становить 5,65%. При зниженні температури до 302 розчинність міді становить 0,45%. Мідь є важливим елементом сплаву і має певний ефект зміцнення твердого розчину. Крім того, CuAl2, що виділяється під час старіння, має очевидний ефект посилення 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 межах цього діапазону. Алюмінієво-мідні сплави можуть містити менше кремнію, магнію, марганцю, хрому, цинку, заліза та інших елементів.

Кремній

Коли збагачена алюмінієм частина системи сплаву Al-Si має евтектичну температуру 577, максимальна розчинність кремнію в твердому розчині становить 1,65%. Хоча розчинність зменшується зі зниженням температури, ці сплави зазвичай не можна зміцнити термічною обробкою. Алюмінієво-кремнієвий сплав має чудові ливарні властивості та стійкість до корозії. Якщо до алюмінію одночасно додавати магній і кремній для утворення алюмінієво-магнієво-кремнієвого сплаву, фазою зміцнення є MgSi. Масове співвідношення магнію і кремнію становить 1,73:1. При проектуванні складу сплаву Al-Mg-Si вміст магнію і кремнію налаштовано в цьому співвідношенні на матриці. Щоб підвищити міцність деяких сплавів Al-Mg-Si, додають відповідну кількість міді, а також додають відповідну кількість хрому, щоб компенсувати негативний вплив міді на корозійну стійкість.

Максимальна розчинність Mg2Si в алюмінії в багатій на алюміній частині рівноважної фазової діаграми системи сплаву Al-Mg2Si становить 1,85%, а уповільнення невелике при зниженні температури. У деформованих алюмінієвих сплавах додавання лише кремнію до алюмінію обмежується зварювальними матеріалами, а додавання кремнію до алюмінію також має певний зміцнюючий ефект.

магній

Хоча крива розчинності показує, що розчинність магнію в алюмінії сильно зменшується при зниженні температури, вміст магнію в більшості промислових деформованих алюмінієвих сплавів становить менше 6%. Вміст кремнію також низький. Цей тип сплаву не піддається зміцненню термічною обробкою, але має хорошу зварюваність, хорошу стійкість до корозії та середню міцність. Зміцнення алюмінію магнієм очевидно. З кожним збільшенням вмісту магнію на 1% міцність на розрив збільшується приблизно на 34 МПа. Якщо додано менше 1% марганцю, зміцнюючий ефект можна доповнити. Таким чином, додавання марганцю може зменшити вміст магнію та зменшити тенденцію до гарячого розтріскування. Крім того, марганець може також рівномірно осаджувати сполуки Mg5Al8, покращуючи стійкість до корозії та якість зварювання.

Марганець

Коли евтектична температура плоскої фазової діаграми рівноваги системи сплаву Al-Mn становить 658, максимальна розчинність марганцю в твердому розчині становить 1,82%. Міцність сплаву зростає зі збільшенням розчинності. При вмісті марганцю 0,8% подовження досягає максимального значення. Сплав Al-Mn є сплавом, що не зміцнюється старінням, тобто його неможливо зміцнити термічною обробкою. Марганець може запобігти процесу рекристалізації алюмінієвих сплавів, підвищити температуру рекристалізації та значно подрібнити рекристалізовані зерна. Подрібнення рекристалізованих зерен відбувається головним чином за рахунок того, що дисперсні частинки сполук MnAl6 перешкоджають росту рекристалізованих зерен. Іншою функцією MnAl6 є розчинення домішок заліза з утворенням (Fe, Mn)Al6, що зменшує шкідливий вплив заліза. Марганець є важливим елементом алюмінієвих сплавів. 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 у багатій на алюміній частині рівноважної фазової діаграми системи сплаву Al-Zn, тоді як його розчинність падає до 5,6% при 125. Додавання лише цинку до алюмінію має дуже обмежене покращення міцність алюмінієвого сплаву в умовах деформації. У той же час існує тенденція до корозійного розтріскування під напругою, що обмежує його застосування. Одночасне додавання до алюмінію цинку і магнію утворює зміцнюючу фазу Mg/Zn2, яка має значний зміцнюючий ефект на сплав. Коли вміст Mg/Zn2 збільшується з 0,5% до 12%, міцність на розрив і межа текучості можуть бути значно збільшені. У надтвердих алюмінієвих сплавах, де вміст магнію перевищує кількість, необхідну для утворення фази Mg/Zn2, коли співвідношення цинку до магнію контролюється приблизно на рівні 2,7, стійкість до корозійного розтріскування під напругою є найбільшою. Наприклад, додавання елемента міді до Al-Zn-Mg утворює сплав серії Al-Zn-Mg-Cu. Ефект зміцнення основи є найбільшим серед усіх алюмінієвих сплавів. Це також важливий матеріал алюмінієвого сплаву в аерокосмічній, авіаційній промисловості та електроенергетиці.

Залізо і кремній

Залізо додається як легуючий елемент у ковані алюмінієві сплави серії Al-Cu-Mg-Ni-Fe, а кремній додається як легуючий елемент у кований алюміній серії Al-Mg-Si та в зварювальні стрижні серії Al-Si та алюмінієво-кремнієве лиття сплавів. У алюмінієвих сплавах на основі кремнію і заліза є звичайними домішками, які істотно впливають на властивості сплаву. Вони в основному існують у вигляді FeCl3 і вільного кремнію. Коли кремній більший за залізо, утворюється фаза β-FeSiAl3 (або Fe2Si2Al9), а коли залізо більше кремнію, утворюється α-Fe2SiAl8 (або Fe3Si2Al12). Якщо співвідношення заліза та кремнію є неправильним, це спричинить тріщини у відливці. Коли вміст заліза в литому алюмінії занадто високий, лиття стане крихким.

Титан і бор

Титан є поширеним додатковим елементом в алюмінієвих сплавах, доданим у формі основного сплаву Al-Ti або Al-Ti-B. Титан і алюміній утворюють фазу TiAl2, яка стає неспонтанним ядром під час кристалізації та відіграє важливу роль у покращенні структури виливка та структури зварного шва. Коли сплави Al-Ti проходять пакетну реакцію, критичний вміст титану становить близько 0,15%. Якщо присутній бор, уповільнення становить лише 0,01%.

Хром

Хром є звичайним додатковим елементом у сплавах серії Al-Mg-Si, серії Al-Mg-Zn і серії Al-Mg. При 600°C розчинність хрому в алюмінії становить 0,8%, і він практично нерозчинний при кімнатній температурі. Хром утворює інтерметалічні сполуки, такі як (CrFe)Al7 та (CrMn)Al12 в алюмінії, що перешкоджає зародженню та зростанню процесу рекристалізації та має певну зміцнювальну дію на сплав. Це також може підвищити міцність сплаву та зменшити схильність до корозійного розтріскування під напругою.

Однак це місце підвищує чутливість до гасіння, роблячи анодовану плівку жовтою. Кількість хрому, що додається до алюмінієвих сплавів, як правило, не перевищує 0,35% і зменшується зі збільшенням перехідних елементів у сплаві.

Стронцій

Стронцій є поверхнево-активним елементом, який може кристалографічно змінювати поведінку фаз інтерметалічних сполук. Тому модифікаційна обробка елементом стронцію може покращити пластичну оброблюваність сплаву та якість кінцевого продукту. Завдяки тривалому часу ефективної модифікації, хорошому ефекту та відтворюваності стронцій замінив використання натрію в ливарних сплавах Al-Si в останні роки. Додавання 0,015%~0,03% стронцію до алюмінієвого сплаву для екструзії перетворює фазу β-AlFeSi в злитку на фазу α-AlFeSi, скорочуючи час гомогенізації зливка на 60%~70%, покращуючи механічні властивості та пластичну оброблюваність матеріалів; поліпшення шорсткості поверхні виробів.

Для деформованих алюмінієвих сплавів з високим вмістом кремнію (10%~13%) додавання 0,02%~0,07% елемента стронцію може зменшити первинні кристали до мінімуму, а механічні властивості також значно покращуються. Межа міцності при розтягуванні бb зросла з 233МПа до 236МПа, а межа текучості б0,2 зросла з 204МПа до 210МПа, а відносне подовження б5 збільшилося з 9% до 12%. Додавання стронцію до заевтектичного сплаву Al-Si може зменшити розмір частинок первинного кремнію, покращити властивості пластичної обробки та забезпечити гладку гарячу та холодну прокатку.

Цирконій

Цирконій також є поширеною добавкою в алюмінієві сплави. Як правило, кількість, додана до алюмінієвих сплавів, становить 0,1% ~ 0,3%. Цирконій і алюміній утворюють сполуки ZrAl3, які можуть перешкоджати процесу рекристалізації та подрібнювати рекристалізовані зерна. Цирконій також може покращити структуру лиття, але ефект менший, ніж титан. Наявність цирконію зменшить ефект очищення зерна від титану та бору. У сплавах Al-Zn-Mg-Cu, оскільки цирконій має менший вплив на чутливість до гарту, ніж хром і марганець, доречно використовувати цирконій замість хрому та марганцю для покращення рекристалізованої структури.

Рідкоземельні елементи

Рідкоземельні елементи додають до алюмінієвих сплавів, щоб збільшити переохолодження компонентів під час лиття алюмінієвого сплаву, подрібнити зерна, зменшити відстань між вторинними кристалами, зменшити кількість газів і включень у сплаві та, як правило, сфероїдизувати фазу включень. Це також може зменшити поверхневий натяг розплаву, збільшити текучість і полегшити лиття в злитки, що має значний вплив на продуктивність процесу. Краще додавати різні рідкоземельні елементи в кількості близько 0,1%. Додавання змішаних рідкоземельних елементів (змішаних La-Ce-Pr-Nd тощо) знижує критичну температуру для формування зони старіння G?P у сплаві Al-0,65%Mg-0,61%Si. Алюмінієві сплави, що містять магній, можуть стимулювати метаморфізм рідкоземельних елементів.

Домішки

Ванадій утворює тугоплавку сполуку VAl11 в алюмінієвих сплавах, яка відіграє роль у рафінуванні зерен під час процесу плавлення та лиття, але його роль менша, ніж у титану та цирконію. Ванадій також має ефект рафінування рекристалізованої структури та підвищення температури рекристалізації.

Тверда розчинність кальцію в алюмінієвих сплавах надзвичайно низька, і він утворює з'єднання CaAl4 з алюмінієм. Кальцій — надпластичний елемент алюмінієвих сплавів. Надпластичністю володіє алюмінієвий сплав з приблизно 5% кальцію і 5% марганцю. Кальцій і кремній утворюють CaSi, який нерозчинний в алюмінії. Оскільки кількість кремнію в твердому розчині зменшується, електропровідність промислового чистого алюмінію може бути трохи покращена. Кальцій може покращити продуктивність різання алюмінієвих сплавів. CaSi2 не може зміцнити алюмінієві сплави термічною обробкою. Слідові кількості кальцію допомагають видалити водень із розплавленого алюмінію.

Свинець, олово, вісмут — метали з низькою температурою плавлення. Їх тверда розчинність в алюмінії невелика, що трохи знижує міцність сплаву, але може покращити продуктивність різання. Під час застигання вісмут розширюється, що корисно для годування. Додавання вісмуту до сплавів з високим вмістом магнію може запобігти натрієвій крихкості.

Сурма в основному використовується як модифікатор у литих алюмінієвих сплавах і рідко використовується в деформованих алюмінієвих сплавах. Замінюйте вісмут лише в деформованому алюмінієвому сплаві Al-Mg, щоб запобігти натрієвій крихкості. Елемент сурма додається до деяких сплавів Al-Zn-Mg-Cu для покращення продуктивності процесів гарячого та холодного пресування.

Берилій може покращити структуру оксидної плівки в деформованих алюмінієвих сплавах і зменшити втрати при горінні та включення під час плавлення та лиття. Берилій є токсичним елементом, здатним викликати у людини алергічне отруєння. Тому берилій не може міститися в алюмінієвих сплавах, які контактують з харчовими продуктами та напоями. Вміст берилію в зварювальних матеріалах зазвичай контролюється нижче 8 мкг/мл. Алюмінієві сплави, що використовуються як зварювальні підкладки, також повинні контролювати вміст берилію.

Натрій майже нерозчинний в алюмінії, а максимальна розчинність твердої речовини становить менше 0,0025%. температура плавлення натрію низька (97,8 ℃), коли натрій присутній у сплаві, він адсорбується на дендритній поверхні або межі зерен під час затвердіння, під час гарячої обробки натрій на межі зерен утворює рідкий адсорбційний шар, що призводить до крихкого розтріскування, утворення сполук NaAlSi, не існує вільного натрію та не створює «крихкого натрію».

Коли вміст магнію перевищує 2%, магній забирає кремній і осаджує вільний натрій, що призводить до «натрієвої крихкості». Таким чином, алюмінієвий сплав з високим вмістом магнію не дозволяється використовувати флюс натрієвої солі. Методи запобігання «крихкості натрію» включають хлорування, яке змушує натрій утворювати NaCl і скидається в шлак, додаючи вісмут з ​​утворенням Na2Bi і потрапляючи в металеву матрицю; додавання сурми з утворенням Na3Sb або додавання рідкоземельних елементів також може мати той самий ефект.

Під редакцією May Jiang з MAT Aluminium