Мед
Когато богатата на алуминий част от алуминиево-медната сплав е 548, максималната разтворимост на медта в алуминий е 5,65%. Когато температурата падне до 302°F (302°F), разтворимостта на медта е 0,45%. Медта е важен елемент от сплавта и има известен ефект на укрепване на твърдия разтвор. Освен това, утаеният от стареенето CuAl2 има очевиден ефект на укрепване от стареене. Съдържанието на мед в алуминиевите сплави обикновено е между 2,5% и 5%, а ефектът на укрепване 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 от сплави Al-Si има евтектична температура от 577, максималната разтворимост на силиция в твърдия разтвор е 1,65%. Въпреки че разтворимостта намалява с понижаване на температурата, тези сплави обикновено не могат да бъдат укрепени чрез термична обработка. Алуминиево-силициевата сплав има отлични леярски свойства и устойчивост на корозия. Ако магнезий и силиций се добавят едновременно към алуминия, за да се образува алуминиево-магнезиево-силициева сплав, укрепващата фаза е MgSi. Масовото съотношение на магнезий към силиций е 1,73:1. При проектирането на състава на сплавта Al-Mg-Si, съдържанието на магнезий и силиций се конфигурира в това съотношение върху матрицата. За да се подобри якостта на някои Al-Mg-Si сплави, се добавя подходящо количество мед и подходящо количество хром, за да се компенсират неблагоприятните ефекти на медта върху корозионната устойчивост.
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 с понижаване на температурата. При деформирани алуминиеви сплави добавянето само на силиций към алуминий е ограничено до заваръчни материали, а добавянето на силиций към алуминий също има известен укрепващ ефект.
Магнезий
Въпреки че кривата на разтворимост показва, че разтворимостта на магнезий в алуминий намалява значително с понижаване на температурата, съдържанието на магнезий в повечето индустриално деформирани алуминиеви сплави е по-малко от 6%. Съдържанието на силиций също е ниско. Този тип сплав не може да се укрепи чрез термична обработка, но има добра заваряемост, добра устойчивост на корозия и средна якост. Укрепването на алуминия от магнезий е очевидно. За всяко увеличение на магнезий с 1%, якостта на опън се увеличава с приблизително 34MPa. Ако се добави по-малко от 1% манган, ефектът на укрепване може да бъде допълнен. Следователно, добавянето на манган може да намали съдържанието на магнезий и да намали склонността към горещи пукнатини. Освен това, манганът може също така равномерно да утаява съединения Mg5Al8, подобрявайки устойчивостта на корозия и заваръчните характеристики.
Манган
Когато евтектичната температура на фазова диаграма с плоска равновесна структура на системата от сплави Al-Mn е 658°F (658°F), 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. Сплавта Al-Mn е сплав, която не се втвърдява чрез стареене, т.е. не може да се укрепи чрез термична обработка. Манганът може да предотврати процеса на рекристализация на алуминиевите сплави, да повиши температурата на рекристализация и значително да пречисти рекристализираните зърна. Пречистването на рекристализираните зърна се дължи главно на факта, че диспергираните частици на съединенията MnAl6 възпрепятстват растежа на рекристализираните зърна. Друга функция на MnAl6 е да разтваря примесите от желязо, за да образува (Fe, Mn)Al6, намалявайки вредното въздействие на желязото. Манганът е важен елемент в алуминиевите сплави. Може да се добавя 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°C в богатата на алуминий част от равновесната фазова диаграма на системата сплав Al-Zn, докато разтворимостта му пада до 5,6% при 125°C. Добавянето само на цинк към алуминий 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 алуминий едновременно образува укрепващата фаза Mg/Zn2, която има значителен укрепващ ефект върху сплавта. Когато съдържанието на Mg/Zn2 се увеличи от 0,5% на 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 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 серията Al-Zn-Mg-Cu. Ефектът на укрепване на основата е най-големият сред всички алуминиеви сплави. Той е и важен алуминиев сплавен материал в аерокосмическата, авиационната и електроенергийната промишленост.
Желязо и силиций
Желязото се добавя като легиращ елемент в кованите алуминиеви сплави от серията Al-Cu-Mg-Ni-Fe, а силицийът се добавя като легиращ елемент в кования алуминий от серията Al-Mg-Si, както и в заваръчните пръти от серията Al-Si и алуминиево-силициевите леярски сплави. В основните алуминиеви сплави силицийът и желязото са често срещани 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 между желязо и силиций е неправилно, това ще причини пукнатини в отливката. Когато съдържанието на желязо в отливката на алуминий е твърде високо, отливката ще стане крехка.
Титан и бор
Титанът е често използван добавъчен елемент в алуминиевите сплави, добавен под формата на Al-Ti или Al-Ti-B мастер сплав. 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 реакция на пакетиране, критичното съдържание на титан е около 0,15%. Ако присъства бор, забавянето е едва 0,01%.
Хром
Хромът е често срещан добавъчен елемент в сплавите от серията Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn и Al-Mg. При 600°C разтворимостта на хрома в алуминия е 0,8% и е практически неразтворим при стайна температура. Хромът образува интерметални съединения като (CrFe)Al7 и (CrMn)Al12 в алуминия, което възпрепятства процеса на нуклеация и растеж при рекристализация и има известен укрепващ ефект върху сплавта. Той може също така да подобри жилавостта на сплавта и да намали податливостта на напукване от корозия под напрежение.
Въпреки това, мястото увеличава чувствителността към закаляване, което прави анодизирания филм жълт. Количеството хром, добавено към алуминиевите сплави, обикновено не надвишава 0,35% и намалява с увеличаване на преходните елементи в сплавта.
Стронций
Стронцийът е повърхностноактивен елемент, който може да промени кристалографски поведението 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, стронцийът замени употребата на натрий в Al-Si леярските сплави през последните години. Добавянето на 0,015%~0,03% стронций към алуминиевата сплав за екструдиране превръща β-AlFeSi фазата в слитъка в α-AlFeSi фаза, намалявайки времето за хомогенизиране на слитъка с 60%~70%, подобрявайки механичните свойства и пластичната обработваемост на материалите; подобрявайки грапавостта на повърхността на продуктите.
За деформирани алуминиеви сплави с високо съдържание на силиций (10%~13%), добавянето на 0,02%~0,07% стронций може да намали първичните кристали до минимум, а механичните свойства също са значително подобрени. Якостта на опън bb се увеличава от 233 MPa до 236 MPa, границата на провлачване b0,2 се увеличава от 204 MPa до 210 MPa, а удължението b5 се увеличава от 9% до 12%. Добавянето на стронций към хиперевтектичната Al-Si сплав може да намали размера на първичните силициеви частици, да подобри свойствата за обработка на пластмаси и да осигури гладко горещо и студено валцуване.
Цирконий
Цирконият също е често срещана добавка в алуминиевите сплави. Обикновено количеството, добавено към алуминиевите сплави, е 0,1%~0,3%. Цирконият и алуминият образуват съединения ZrAl3, които могат да възпрепятстват процеса на рекристализация и да рафинират рекристализираните зърна. Цирконият може също да рафинира структурата на отливката, но ефектът е по-малък от този на титана. Наличието на цирконий ще намали ефекта на рафиниране на зърната от титана и бора. В Al-Zn-Mg-Cu сплавите, тъй като цирконият има по-малък ефект върху чувствителността към закаляване от хрома и мангана, е подходящо да се използва цирконий вместо хром и манган за рафиниране на рекристализираната структура.
Редкоземни елементи
Редкоземните елементи се добавят към алуминиевите сплави, за да увеличат преохлаждането на компонентите по време на леенето на алуминиева сплав, да рафинират зърната, да намалят разстоянието между вторичните кристали, да намалят газовете и включванията в сплавта и да сфероидизират фазата на включване. Това може също да намали повърхностното напрежение на стопилката, да увеличи течливостта и да улесни леенето в блокове, което има значително влияние върху производителността на процеса. По-добре е да се добавят различни редкоземни елементи в количество от около 0,1%. Добавянето на смесени редкоземни елементи (смесени La-Ce-Pr-Nd и др.) 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 редкоземните елементи.
Примес
Ванадийът образува огнеупорно съединение VA11 в алуминиевите сплави, което играе роля в рафинирането на зърната по време на процеса на топене и леене, но ролята му е по-малка от тази на титана и циркония. Ванадийът също така има ефект на рафиниране на рекристализираната структура и повишаване на температурата на рекристализация.
Разтворимостта на калция в твърдо състояние в алуминиеви сплави е изключително ниска и той образува съединение CaAl4 с алуминия. Калцият е свръхпластичен елемент от алуминиевите сплави. Алуминиева сплав с приблизително 5% калций и 5% манган има свръхпластичност. Калцият и силицийът образуват CaSi, който е неразтворим в алуминий. Тъй като количеството силиций в твърдия разтвор е намалено, електрическата проводимост на индустриалния чист алуминий може леко да се подобри. Калцият може да подобри режещите характеристики на алуминиевите сплави. CaSi2 не може да укрепи алуминиевите сплави чрез термична обработка. Следови количества калций са полезни за отстраняване на водород от разтопен алуминий.
Оловото, калаят 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 режещите характеристики. Бисмутът се разширява по време на втвърдяване, което е полезно за подаването. Добавянето на бисмут към сплави с високо съдържание на магнезий може да предотврати натриево крехкост.
Антимонът се използва главно като модификатор в ляти алуминиеви сплави и рядко се използва в деформирани алуминиеви сплави. В деформираните алуминиеви сплави Al-Mg замества бисмута само за предотвратяване на натриево крехкост. Антимонът се добавя към някои Al-Zn-Mg-Cu сплави, за да подобри производителността при горещо и студено пресоване.
Берилият може да подобри структурата на оксидния филм в деформирани алуминиеви сплави и да намали загубите при горене и включванията по време на топене и леене. Берилият е токсичен елемент, който може да причини алергично отравяне при хора. Следователно, берилият 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 8μg/ml. Алуминиевите сплави, използвани като заваръчни основи, също трябва да контролират съдържанието на берилий.
Натрият е почти неразтворим в алуминий, а максималната му разтворимост в твърдо състояние 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 дендритите или границата на зърната по време на втвърдяване. По време на гореща обработка натрият образува течен адсорбционен слой върху границата на зърната, което води до крехко напукване и образуване на съединения NaAlSi. Няма свободен натрий и не се получава „натриева крехкост“.
Когато съдържанието на магнезий надвиши 2%, магнезият отнема силиций и утаява свободен натрий, което води до „натриева крехкост“. Следователно, алуминиевите сплави с високо съдържание на магнезий не могат да използват флюс с натриева сол. Методите за предотвратяване на „натриевата крехкост“ включват хлориране, което кара натрият да образува NaCl и да се отделя в шлаката, добавяне на бисмут, за да се образува Na2Bi и да навлезе в металната матрица; добавяне на антимон, за да се образува Na3Sb, или добавяне на редкоземни елементи също може да има същия ефект.
Редактирано от Мей Джианг от MAT Aluminum
Време на публикуване: 08.08.2024 г.
