Ролята на различните елементи в алуминиевите сплави

Мед

Когато богатата на алуминий част от алуминиево-медната сплав е 548, максималната разтворимост на медта в алуминия е 5,65%. Когато температурата падне до 302, разтворимостта на медта е 0,45%. Медта е важен елемент от сплавта и има известен ефект на укрепване на твърдия разтвор. В допълнение, CuAl2, утаен от стареенето, има очевиден ефект на укрепване на стареенето. Съдържанието на мед в алуминиевите сплави обикновено е между 2,5% и 5%, а укрепващият ефект е най-добър, когато съдържанието на мед е между 4% и 6,8%, така че съдържанието на мед в повечето дуралуминиеви сплави е в този диапазон. Алуминиево-медните сплави могат да съдържат по-малко силиций, магнезий, манган, хром, цинк, желязо и други елементи.

Силиций

Когато богатата на алуминий част от системата Al-Si сплав има евтектична температура 577, максималната разтворимост на силиций в твърдия разтвор е 1,65%. Въпреки че разтворимостта намалява с понижаване на температурата, тези сплави обикновено не могат да бъдат укрепени чрез топлинна обработка. Алуминиево-силициевата сплав има отлични свойства за леене и устойчивост на корозия. Ако магнезий и силиций се добавят към алуминия едновременно, за да се образува алуминиево-магнезиево-силиконова сплав, укрепващата фаза е MgSi. Масовото съотношение на магнезия към силиция е 1,73:1. При проектиране на състава на сплавта Al-Mg-Si, съдържанието на магнезий и силиций се конфигурира в това съотношение върху матрицата. За да се подобри здравината на някои Al-Mg-Si сплави, се добавя подходящо количество мед и се добавя подходящо количество хром, за да се компенсират неблагоприятните ефекти на медта върху устойчивостта на корозия.

Максималната разтворимост на Mg2Si в алуминий в богатата на алуминий част от равновесната фазова диаграма на системата от сплави Al-Mg2Si е 1,85%, а забавянето е малко при понижаване на температурата. В деформираните алуминиеви сплави добавянето само на силиций към алуминия е ограничено до заваръчните материали, а добавянето на силиций към алуминия също има известен укрепващ ефект.

Магнезий

Въпреки че кривата на разтворимост показва, че разтворимостта на магнезий в алуминий значително намалява с понижаване на температурата, съдържанието на магнезий в повечето промишлени деформирани алуминиеви сплави е по-малко от 6%. Съдържанието на силиций също е ниско. Този тип сплав не може да бъде подсилен чрез топлинна обработка, но има добра заваряемост, добра устойчивост на корозия и средна якост. Укрепването на алуминия от магнезий е очевидно. За всеки 1% увеличение на магнезия, якостта на опън се увеличава с приблизително 34MPa. Ако се добави по-малко от 1% манган, укрепващият ефект може да се допълни. Следователно добавянето на манган може да намали съдържанието на магнезий и склонността към горещо напукване. В допълнение, манганът може също така да утаи равномерно Mg5Al8 съединения, подобрявайки устойчивостта на корозия и ефективността на заваряване.

Манган

Когато евтектичната температура на плоската равновесна фазова диаграма на системата Al-Mn сплав е 658, максималната разтворимост на манган в твърдия разтвор е 1,82%. Якостта на сплавта се увеличава с увеличаване на разтворимостта. Когато съдържанието на манган е 0,8%, удължението достига максимална стойност. Al-Mn сплавта е сплав, която не се втвърдява със стареене, тоест не може да бъде подсилена чрез термична обработка. Манганът може да предотврати процеса на рекристализация на алуминиеви сплави, да повиши температурата на рекристализация и значително да пречисти рекристализираните зърна. Усъвършенстването на прекристализираните зърна се дължи главно на факта, че диспергираните частици на съединенията MnAl6 пречат на растежа на прекристализираните зърна. Друга функция на MnAl6 е да разтваря примесното желязо, за да образува (Fe, Mn)Al6, намалявайки вредните ефекти на желязото. Манганът е важен елемент в алуминиевите сплави. Може да се добави самостоятелно, за да се образува бинарна сплав Al-Mn. По-често се добавя заедно с други легиращи елементи. Следователно повечето алуминиеви сплави съдържат манган.

Цинк

Разтворимостта на цинка в алуминия е 31,6% при 275 в богатата на алуминий част от равновесната фазова диаграма на системата от сплави Al-Zn, докато разтворимостта му пада до 5,6% при 125. Добавянето на цинк самостоятелно към алуминия има много ограничено подобрение в якостта на алуминиевата сплав при условия на деформация. В същото време има тенденция към корозионно напукване под напрежение, което ограничава приложението му. Добавянето на цинк и магнезий към алуминия в същото време образува укрепващата фаза Mg/Zn2, която има значителен укрепващ ефект върху сплавта. Когато съдържанието на Mg/Zn2 се увеличи от 0,5% до 12%, якостта на опън и границата на провлачване могат да бъдат значително увеличени. В свръхтвърди алуминиеви сплави, където съдържанието на магнезий надвишава необходимото количество за образуване на фазата Mg/Zn2, когато съотношението на цинк към магнезий се контролира на около 2,7, устойчивостта на корозионно напукване под напрежение е най-голяма. Например, добавянето на меден елемент към Al-Zn-Mg образува сплав от серия Al-Zn-Mg-Cu. Ефектът на укрепване на основата е най-големият сред всички алуминиеви сплави. Освен това е важен материал от алуминиева сплав в космическата, авиационната индустрия и електроенергетиката.

Желязо и силиций

Желязото се добавя като легиращи елементи в серията Al-Cu-Mg-Ni-Fe ковани алуминиеви сплави, а силицийът се добавя като легиращи елементи в серията Al-Mg-Si кован алуминий и в серията Al-Si заваръчни пръти и алуминиево-силициеви отливки сплави. В базовите алуминиеви сплави силицият и желязото са общи примесни елементи, които оказват значително влияние върху свойствата на сплавта. Те съществуват главно като FeCl3 и свободен силиций. Когато силицийът е по-голям от желязото, се образува фаза β-FeSiAl3 (или Fe2Si2Al9), а когато желязото е по-голямо от силиция, се образува α-Fe2SiAl8 (или Fe3Si2Al12). Когато съотношението на желязо и силиций е неправилно, това ще причини пукнатини в отливката. Когато съдържанието на желязо в лятия алуминий е твърде високо, отливката ще стане крехка.

Титан и бор

Титанът е често използван допълнителен елемент в алуминиеви сплави, добавен под формата на основна сплав Al-Ti или Al-Ti-B. Титанът и алуминият образуват фазата TiAl2, която се превръща в неспонтанно ядро ​​по време на кристализация и играе роля в рафинирането на структурата на отливката и структурата на заваръчния шев. Когато Al-Ti сплавите претърпят пакетна реакция, критичното съдържание на титан е около 0,15%. Ако присъства бор, забавянето е само 0,01%.

хром

Хромът е често срещан допълнителен елемент в сериите Al-Mg-Si, сериите Al-Mg-Zn и сплавите от сериите Al-Mg. При 600°C разтворимостта на хром в алуминий е 0,8% и той е основно неразтворим при стайна температура. Хромът образува интерметални съединения като (CrFe)Al7 и (CrMn)Al12 в алуминия, което възпрепятства процесите на зародишаване и растеж на рекристализация и има известен укрепващ ефект върху сплавта. Може също така да подобри здравината на сплавта и да намали податливостта към корозионно напукване под напрежение.

Мястото обаче увеличава чувствителността на охлаждане, правейки анодизирания филм жълт. Количеството добавен хром към алуминиевите сплави обикновено не надвишава 0,35% и намалява с увеличаването на преходните елементи в сплавта.

Стронций

Стронций е повърхностно активен елемент, който може кристалографски да промени поведението на фазите на интерметалните съединения. Следователно, модифициращата обработка със стронциев елемент може да подобри пластичната обработваемост на сплавта и качеството на крайния продукт. Поради дългото си ефективно време за модификация, добрия ефект и възпроизводимостта, стронцият замени употребата на натрий в леярските сплави Al-Si през последните години. Добавянето на 0,015%~0,03% стронций към алуминиевата сплав за екструдиране превръща β-AlFeSi фазата в блока в α-AlFeSi фаза, намалявайки времето за хомогенизиране на блока с 60%~70%, подобрявайки механичните свойства и пластичната преработваемост на материалите; подобряване на грапавостта на повърхността на продуктите.

За деформирани алуминиеви сплави с високо съдържание на силиций (10%~13%), добавянето на 0,02%~0,07% стронциев елемент може да намали първичните кристали до минимум и механичните свойства също са значително подобрени. Якостта на опън bb се повишава от 233MPa на 236MPa, а границата на провлачване b0.2 се повишава от 204MPa на 210MPa, а удължението b5 се увеличава от 9% на 12%. Добавянето на стронций към хиперевтектичната Al-Si сплав може да намали размера на първичните силициеви частици, да подобри свойствата за пластична обработка и да позволи гладко горещо и студено валцуване.

Цирконий

Цирконият също е обичайна добавка в алуминиевите сплави. Обикновено количеството, добавено към алуминиевите сплави, е 0,1% ~ 0,3%. Цирконият и алуминият образуват ZrAl3 съединения, които могат да възпрепятстват процеса на прекристализация и да прецизират прекристализираните зърна. Цирконият също може да подобри структурата на отливката, но ефектът е по-малък от титана. Наличието на цирконий ще намали ефекта на рафиниране на зърното от титан и бор. В сплавите Al-Zn-Mg-Cu, тъй като цирконият има по-малък ефект върху чувствителността на закаляване от хрома и мангана, е подходящо да се използва цирконий вместо хром и манган за прецизиране на рекристализираната структура.

Редкоземни елементи

Редкоземните елементи се добавят към алуминиеви сплави, за да се увеличи преохлаждането на компонента по време на леене на алуминиева сплав, да се рафинират зърната, да се намали вторичното разстояние между кристалите, да се намалят газовете и включванията в сплавта и да се направи сфероидизация на включената фаза. Може също така да намали повърхностното напрежение на стопилката, да увеличи течливостта и да улесни леенето в блокове, което оказва значително влияние върху ефективността на процеса. По-добре е да добавите различни редкоземни елементи в количество от около 0,1%. Добавянето на смесени редкоземни елементи (смесени La-Ce-Pr-Nd и т.н.) намалява критичната температура за образуване на зона на стареене G?P в сплав Al-0,65%Mg-0,61%Si. Алуминиевите сплави, съдържащи магнезий, могат да стимулират метаморфизма на редкоземни елементи.

Нечистота

Ванадият образува огнеупорно съединение VAl11 в алуминиеви сплави, което играе роля в рафинирането на зърната по време на процеса на топене и леене, но неговата роля е по-малка от тази на титан и цирконий. Ванадият също има ефект на рафиниране на рекристализираната структура и повишаване на температурата на рекристализация.

Твърдата разтворимост на калций в алуминиеви сплави е изключително ниска и той образува CaAl4 съединение с алуминий. Калцият е суперпластичен елемент от алуминиевите сплави. Алуминиева сплав с приблизително 5% калций и 5% манган има свръхпластичност. Калцият и силиций образуват CaSi, който е неразтворим в алуминия. Тъй като количеството силиций в твърдия разтвор е намалено, електрическата проводимост на индустриалния чист алуминий може леко да се подобри. Калцият може да подобри ефективността на рязане на алуминиеви сплави. CaSi2 не може да укрепи алуминиевите сплави чрез топлинна обработка. Следи от калций са полезни при отстраняването на водород от разтопения алуминий.

Оловото, калайът и бисмутът са метали с ниска точка на топене. Тяхната твърда разтворимост в алуминий е малка, което леко намалява якостта на сплавта, но може да подобри ефективността на рязане. Бисмутът се разширява по време на втвърдяване, което е полезно за хранене. Добавянето на бисмут към сплави с високо съдържание на магнезий може да предотврати натриева крехкост.

Антимонът се използва главно като модификатор в лети алуминиеви сплави и рядко се използва в деформирани алуминиеви сплави. Заменете само бисмут в Al-Mg деформирана алуминиева сплав, за да предотвратите натриева крехкост. Елемент антимон се добавя към някои Al-Zn-Mg-Cu сплави за подобряване на производителността на процесите на горещо и студено пресоване.

Берилият може да подобри структурата на оксидния филм в деформирани алуминиеви сплави и да намали загубите при изгаряне и включванията по време на топене и леене. Берилият е токсичен елемент, който може да причини алергично отравяне при хората. Следователно берилий не може да се съдържа в алуминиеви сплави, които влизат в контакт с храни и напитки. Съдържанието на берилий в заваръчните материали обикновено се контролира под 8 μg/ml. Алуминиевите сплави, използвани като заваръчни субстрати, също трябва да контролират съдържанието на берилий.

Натрият е почти неразтворим в алуминий, а максималната твърда разтворимост е по-малка от 0,0025%. точката на топене на натрия е ниска (97,8 ℃), когато натрият присъства в сплавта, той се адсорбира върху повърхността на дендрита или границата на зърното по време на втвърдяване, по време на гореща обработка, натрият върху границата на зърното образува течен адсорбционен слой, което води до крехко напукване, образуване на NaAlSi съединения, не съществува свободен натрий и не се получава „крехък натрий“.

Когато съдържанието на магнезий надвишава 2%, магнезият отнема силиция и утаява свободния натрий, което води до „крехкост на натрия“. Следователно високомагнезиевата алуминиева сплав не може да използва поток от натриева сол. Методите за предотвратяване на „натриева крехкост“ включват хлориране, което кара натрия да образува NaCl и се изхвърля в шлаката, добавяйки бисмут, за да образува Na2Bi и навлиза в металната матрица; добавянето на антимон за образуване на Na3Sb или добавянето на редкоземни елементи също може да има същия ефект.

Редактирано от May Jiang от MAT Aluminium