Koppar
När den aluminiumrika delen av aluminium-kopparlegeringen är 548 grader Celsius är kopparns maximala löslighet i aluminium 5,65 %. När temperaturen sjunker till 302 grader Celsius är kopparns löslighet 0,45 %. Koppar är ett viktigt legeringselement och har en viss förstärkande effekt i fast lösning. Dessutom har den CuAl2 som utfälls genom åldring en tydlig förstärkande effekt. Kopparhalten i aluminiumlegeringar ligger vanligtvis mellan 2,5 % och 5 %, och förstärkningseffekten är bäst när kopparhalten är mellan 4 % och 6,8 %, så kopparhalten i de flesta duraluminiumlegeringar ligger inom detta intervall. Aluminium-kopparlegeringar kan innehålla mindre kisel, magnesium, mangan, krom, zink, järn och andra element.
Kisel
När den aluminiumrika delen av Al-Si-legeringssystemet har en eutektisk temperatur på 577°C, är den maximala lösligheten för kisel i den fasta lösningen 1,65%. Även om lösligheten minskar med minskande temperatur, kan dessa legeringar i allmänhet inte förstärkas genom värmebehandling. Aluminium-kisellegering har utmärkta gjutegenskaper och korrosionsbeständighet. Om magnesium och kisel tillsätts till aluminium samtidigt för att bilda en aluminium-magnesium-kisellegering, är förstärkningsfasen MgSi. Massförhållandet mellan magnesium och kisel är 1,73:1. Vid utformning av Al-Mg-Si-legeringens sammansättning konfigureras innehållet av magnesium och kisel i detta förhållande på matrisen. För att förbättra styrkan hos vissa Al-Mg-Si-legeringar tillsätts en lämplig mängd koppar, och en lämplig mängd krom tillsätts för att kompensera för kopparns negativa effekter på korrosionsbeständigheten.
Den maximala lösligheten av Mg2Si i aluminium i den aluminiumrika delen av jämviktsfasdiagrammet för Al-Mg2Si-legeringssystemet är 1,85 %, och retardationen är liten när temperaturen minskar. I deformerade aluminiumlegeringar är tillsatsen av enbart kisel till aluminium begränsad till svetsmaterial, och tillsatsen av kisel till aluminium har också en viss förstärkande effekt.
Magnesium
Även om löslighetskurvan visar att magnesiums löslighet i aluminium minskar kraftigt när temperaturen sjunker, är magnesiumhalten i de flesta industriellt deformerade aluminiumlegeringar mindre än 6 %. Kiselhalten är också låg. Denna typ av legering kan inte förstärkas genom värmebehandling, men har god svetsbarhet, god korrosionsbeständighet och medelhög hållfasthet. Förstärkningen av aluminium genom magnesium är uppenbar. För varje 1 % ökning av magnesium ökar draghållfastheten med cirka 34 MPa. Om mindre än 1 % mangan tillsätts kan förstärkningseffekten förstärkas. Därför kan tillsats av mangan minska magnesiumhalten och minska tendensen till varmsprickbildning. Dessutom kan mangan också jämnt utfälla Mg5Al8-föreningar, vilket förbättrar korrosionsbeständigheten och svetsprestanda.
Mangan
När den eutektiska temperaturen i det plana jämviktsfasdiagrammet för Al-Mn-legeringssystemet är 658, är den maximala lösligheten för mangan i den fasta lösningen 1,82 %. Legeringens hållfasthet ökar med ökande löslighet. När manganhalten är 0,8 % når förlängningen sitt maximala värde. Al-Mn-legering är en icke-åldringshärdande legering, det vill säga den kan inte förstärkas genom värmebehandling. Mangan kan förhindra omkristallisationsprocessen av aluminiumlegeringar, öka omkristallisationstemperaturen och avsevärt förfina de omkristalliserade kornen. Förfiningen av omkristalliserade korn beror huvudsakligen på att de dispergerade partiklarna av MnAl6-föreningar hindrar tillväxten av omkristalliserade korn. En annan funktion hos MnAl6 är att lösa upp föroreningar i järn för att bilda (Fe, Mn)Al6, vilket minskar järnets skadliga effekter. Mangan är ett viktigt element i aluminiumlegeringar. Det kan tillsättas ensamt för att bilda en binär Al-Mn-legering. Oftare tillsätts det tillsammans med andra legeringselement. Därför innehåller de flesta aluminiumlegeringar mangan.
Zink
Zinkens löslighet i aluminium är 31,6 % vid 275 °C i den aluminiumrika delen av jämviktsfasdiagrammet för Al-Zn-legeringssystemet, medan dess löslighet sjunker till 5,6 % vid 125 °C. Att tillsätta enbart zink till aluminium har en mycket begränsad förbättring av aluminiumlegeringens hållfasthet under deformationsförhållanden. Samtidigt finns det en tendens till spänningskorrosion, vilket begränsar dess tillämpning. Samtidig tillsats av zink och magnesium till aluminium bildar förstärkningsfasen Mg/Zn2, vilket har en betydande förstärkningseffekt på legeringen. När Mg/Zn2-halten ökas från 0,5 % till 12 % kan draghållfastheten och sträckgränsen ökas avsevärt. I superhårda aluminiumlegeringar där magnesiumhalten överstiger den erforderliga mängden för att bilda Mg/Zn2-fasen, när förhållandet zink till magnesium kontrolleras till cirka 2,7, är motståndskraften mot spänningskorrosion störst. Till exempel bildar tillsats av kopparelement till Al-Zn-Mg en Al-Zn-Mg-Cu-serielegering. Basförstärkande effekten är den största bland alla aluminiumlegeringar. Det är också ett viktigt aluminiumlegeringsmaterial inom flyg- och rymdindustrin, flygindustrin och elkraftindustrin.
Järn och kisel
Järn tillsätts som legeringselement i Al-Cu-Mg-Ni-Fe-serien av smidda aluminiumlegeringar, och kisel tillsätts som legeringselement i Al-Mg-Si-serien av smidda aluminiumlegeringar och i Al-Si-serien av svetstrådar och aluminium-kisel-gjutlegeringar. I basaluminiumlegeringar är kisel och järn vanliga föroreningselement, vilka har en betydande inverkan på legeringens egenskaper. De förekommer huvudsakligen som FeCl3 och fritt kisel. När kisel är större än järn bildas en β-FeSiAl3 (eller Fe2Si2Al9)-fas, och när järn är större än kisel bildas α-Fe2SiAl8 (eller Fe3Si2Al12). När förhållandet mellan järn och kisel är felaktigt kommer det att orsaka sprickor i gjutgodset. När järnhalten i gjuten aluminium är för hög blir gjutgodset sprött.
Titan och bor
Titan är ett vanligt förekommande tillsatsämne i aluminiumlegeringar, tillsatt i form av Al-Ti- eller Al-Ti-B-förlegeringar. Titan och aluminium bildar TiAl2-fasen, som blir en icke-spontan kärna under kristallisationen och spelar en roll i förfiningen av gjutstrukturen och svetsstrukturen. När Al-Ti-legeringar genomgår en paketreaktion är den kritiska titanhalten cirka 0,15 %. Om bor är närvarande är avmattningen så liten som 0,01 %.
Krom
Krom är ett vanligt tillsatsämne i Al-Mg-Si-serien, Al-Mg-Zn-serien och Al-Mg-serien. Vid 600 °C är kroms löslighet i aluminium 0,8 % och det är i princip olösligt vid rumstemperatur. Krom bildar intermetalliska föreningar såsom (CrFe)Al7 och (CrMn)Al12 i aluminium, vilket hindrar kärnbildning och tillväxtprocessen vid omkristallisation och har en viss förstärkande effekt på legeringen. Det kan också förbättra legeringens seghet och minska känsligheten för spänningskorrosion.
Platsen ökar dock kylningskänsligheten, vilket gör den anodiserade filmen gul. Mängden krom som tillsätts till aluminiumlegeringar överstiger i allmänhet inte 0,35 % och minskar med ökningen av övergångselement i legeringen.
Strontium
Strontium är ett ytaktivt element som kan förändra beteendet hos intermetalliska föreningsfaser kristallografiskt. Därför kan modifieringsbehandling med strontiumelement förbättra legeringens plastiska bearbetbarhet och slutproduktens kvalitet. Tack vare sin långa effektiva modifieringstid, goda effekt och reproducerbarhet har strontium ersatt användningen av natrium i Al-Si-gjutlegeringar de senaste åren. Genom att tillsätta 0,015 % ~ 0,03 % strontium till aluminiumlegeringen för extrudering omvandlas β-AlFeSi-fasen i götet till α-AlFeSi-fas, vilket minskar götets homogeniseringstid med 60 % ~ 70 %, vilket förbättrar materialens mekaniska egenskaper och plastiska bearbetbarhet samt förbättrar produkternas ytjämnhet.
För deformerade aluminiumlegeringar med hög kiselhalt (10 %~13 %) kan tillsats av 0,02 %~0,07 % strontium reducera primärkristallerna till ett minimum, och de mekaniska egenskaperna förbättras också avsevärt. Draghållfastheten бb ökas från 233 MPa till 236 MPa, sträckgränsen б0,2 ökas från 204 MPa till 210 MPa, och töjningen б5 ökas från 9 % till 12 %. Tillsats av strontium till hypereutektisk Al-Si-legering kan minska storleken på primärkiselpartiklar, förbättra plastens bearbetningsegenskaper och möjliggöra jämn varm- och kallvalsning.
Zirkonium
Zirkonium är också ett vanligt tillsatsmedel i aluminiumlegeringar. Generellt sett är mängden som tillsätts till aluminiumlegeringar 0,1 % ~ 0,3 %. Zirkonium och aluminium bildar ZrAl3-föreningar, vilket kan hindra omkristallisationsprocessen och förfina de omkristalliserade kornen. Zirkonium kan också förfina gjutstrukturen, men effekten är mindre än titan. Närvaron av zirkonium kommer att minska kornförfiningseffekten av titan och bor. I Al-Zn-Mg-Cu-legeringar, eftersom zirkonium har en mindre effekt på kylkänsligheten än krom och mangan, är det lämpligt att använda zirkonium istället för krom och mangan för att förfina den omkristalliserade strukturen.
Sällsynta jordartsmetaller
Sällsynta jordartsmetaller tillsätts aluminiumlegeringar för att öka underkylningen av komponenterna under gjutning av aluminiumlegeringar, förfina korn, minska avståndet mellan sekundära kristaller, minska gaser och inneslutningar i legeringen och tendera att sfäroidisera inneslutningsfasen. Det kan också minska smältans ytspänning, öka fluiditeten och underlätta gjutning till tackor, vilket har en betydande inverkan på processprestanda. Det är bättre att tillsätta olika sällsynta jordartsmetaller i en mängd av cirka 0,1 %. Tillsatsen av blandade sällsynta jordartsmetaller (blandad La-Ce-Pr-Nd, etc.) minskar den kritiska temperaturen för bildandet av åldrande G?P-zoner i Al-0,65%Mg-0,61%Si-legeringar. Aluminiumlegeringar som innehåller magnesium kan stimulera metamorfismen av sällsynta jordartsmetaller.
Förorening
Vanadin bildar den eldfasta VAl11-föreningen i aluminiumlegeringar, som spelar en roll i raffineringen av korn under smält- och gjutningsprocessen, men dess roll är mindre än för titan och zirkonium. Vanadin har också effekten att förfina den omkristalliserade strukturen och öka omkristallisationstemperaturen.
Kalciums löslighet i fast form i aluminiumlegeringar är extremt låg, och det bildar en CaAl4-förening med aluminium. Kalcium är ett superplastiskt element i aluminiumlegeringar. En aluminiumlegering med cirka 5 % kalcium och 5 % mangan har superplasticitet. Kalcium och kisel bildar CaSi, som är olösligt i aluminium. Eftersom mängden kisel i fast lösning minskar kan den elektriska ledningsförmågan hos industriellt rent aluminium förbättras något. Kalcium kan förbättra skärprestanda hos aluminiumlegeringar. CaSi2 kan inte förstärka aluminiumlegeringar genom värmebehandling. Spårmängder av kalcium är användbara för att avlägsna väte från smält aluminium.
Bly, tenn och vismut är metaller med låg smältpunkt. Deras löslighet i aluminium är liten, vilket minskar legeringens hållfasthet något, men kan förbättra skärprestandan. Vismut expanderar under stelning, vilket är fördelaktigt för matningen. Att tillsätta vismut till legeringar med hög magnesiumhalt kan förhindra natriumförsprödning.
Antimon används huvudsakligen som modifieringsmedel i gjutna aluminiumlegeringar och används sällan i deformerade aluminiumlegeringar. Ersätt endast vismut i Al-Mg-deformerad aluminiumlegering för att förhindra natriumförsprödning. Antimonelementet tillsätts i vissa Al-Zn-Mg-Cu-legeringar för att förbättra prestandan vid varmpressning och kallpressning.
Beryllium kan förbättra strukturen på oxidfilmen i deformerade aluminiumlegeringar och minska brännförluster och inneslutningar under smältning och gjutning. Beryllium är ett giftigt ämne som kan orsaka allergisk förgiftning hos människor. Beryllium får därför inte finnas i aluminiumlegeringar som kommer i kontakt med livsmedel och drycker. Berylliumhalten i svetsmaterial kontrolleras vanligtvis under 8 μg/ml. Aluminiumlegeringar som används som svetssubstrat bör också kontrollera berylliumhalten.
Natrium är nästan olösligt i aluminium, och den maximala lösligheten i fast material är mindre än 0,0025 %. Natriums smältpunkt är låg (97,8 ℃). När natrium är närvarande i legeringen adsorberas det på dendritytan eller korngränsen under stelningen. Under varm bearbetning bildar natriumet på korngränsen ett flytande adsorptionsskikt, vilket resulterar i spröd sprickbildning och bildandet av NaAlSi-föreningar. Inget fritt natrium finns och producerar inte "natriumsprödhet".
När magnesiumhalten överstiger 2 % tar magnesium bort kisel och fäller ut fritt natrium, vilket resulterar i "natriumsprödhet". Därför är det inte tillåtet att använda natriumsaltflussmedel i aluminiumlegeringar med hög magnesiumhalt. Metoder för att förhindra "natriumförsprödning" inkluderar klorering, vilket gör att natrium bildar NaCl och släpps ut i slaggen, tillsats av vismut för att bilda Na2Bi och komma in i metallmatrisen; tillsats av antimon för att bilda Na3Sb eller tillsats av sällsynta jordartsmetaller kan också ha samma effekt.
Redigerad av May Jiang från MAT Aluminum
Publiceringstid: 8 augusti 2024
