Медь
Когда богатая алюминием часть алюминиево-медного сплава составляет 548, максимальная растворимость меди в алюминии составляет 5,65%. При понижении температуры до 302 растворимость меди составляет 0,45%. Медь является важным элементом сплава и имеет определенный эффект упрочнения твердого раствора. Кроме того, CuAl2, осажденный при старении, имеет очевидный эффект упрочнения при старении. Содержание меди в алюминиевых сплавах обычно составляет от 2,5% до 5%, а эффект упрочнения наилучший, когда содержание меди составляет от 4% до 6,8%, поэтому содержание меди в большинстве дюралюминиевых сплавов находится в этом диапазоне. Алюминиево-медные сплавы могут содержать меньше кремния, магния, марганца, хрома, цинка, железа и других элементов.
Кремний
Когда богатая алюминием часть системы сплава Al-Si имеет эвтектическую температуру 577, максимальная растворимость кремния в твердом растворе составляет 1,65%. Хотя растворимость уменьшается с понижением температуры, эти сплавы, как правило, не могут быть упрочнены термической обработкой. Алюминиево-кремниевый сплав обладает превосходными литейными свойствами и коррозионной стойкостью. Если магний и кремний добавляются к алюминию одновременно для образования сплава алюминия-магния-кремния, упрочняющей фазой является MgSi. Массовое соотношение магния и кремния составляет 1,73:1. При проектировании состава сплава Al-Mg-Si содержание магния и кремния настраивается в этом соотношении на матрице. Для повышения прочности некоторых сплавов Al-Mg-Si добавляется соответствующее количество меди, а также соответствующее количество хрома для компенсации неблагоприятного воздействия меди на коррозионную стойкость.
Максимальная растворимость Mg2Si в алюминии в богатой алюминием части равновесной фазовой диаграммы системы сплавов Al-Mg2Si составляет 1,85%, а замедление невелико при понижении температуры. В деформированных алюминиевых сплавах добавление одного кремния к алюминию ограничивается сварочными материалами, а добавление кремния к алюминию также имеет определенный упрочняющий эффект.
Магний
Хотя кривая растворимости показывает, что растворимость магния в алюминии значительно уменьшается с понижением температуры, содержание магния в большинстве промышленных деформированных алюминиевых сплавов составляет менее 6%. Содержание кремния также низкое. Этот тип сплава не может быть укреплен термической обработкой, но имеет хорошую свариваемость, хорошую коррозионную стойкость и среднюю прочность. Упрочнение алюминия магнием очевидно. При каждом увеличении магния на 1% предел прочности на растяжение увеличивается примерно на 34 МПа. Если добавить менее 1% марганца, эффект упрочнения может быть дополнен. Поэтому добавление марганца может снизить содержание магния и уменьшить тенденцию к образованию горячих трещин. Кроме того, марганец также может равномерно осаждать соединения Mg5Al8, улучшая коррозионную стойкость и производительность сварки.
Марганец
При температуре эвтектики плоской равновесной фазовой диаграммы системы сплава Al-Mn, равной 658, максимальная растворимость марганца в твердом растворе составляет 1,82%. Прочность сплава увеличивается с ростом растворимости. При содержании марганца 0,8% удлинение достигает максимального значения. Сплав Al-Mn является не упрочняющимся при старении сплавом, то есть его нельзя упрочнить термической обработкой. Марганец может предотвратить процесс рекристаллизации алюминиевых сплавов, повысить температуру рекристаллизации и значительно измельчить рекристаллизованные зерна. Измельчение рекристаллизованных зерен в основном обусловлено тем, что дисперсные частицы соединений MnAl6 препятствуют росту рекристаллизованных зерен. Другая функция MnAl6 заключается в растворении примесного железа с образованием (Fe, Mn)Al6, что снижает вредное воздействие железа. Марганец является важным элементом в алюминиевых сплавах. Его можно добавлять отдельно, чтобы сформировать бинарный сплав Al-Mn. Чаще его добавляют вместе с другими легирующими элементами. Поэтому большинство алюминиевых сплавов содержат марганец.
Цинк
Растворимость цинка в алюминии составляет 31,6% при 275 в богатой алюминием части диаграммы равновесного состояния системы сплава Al-Zn, в то время как его растворимость падает до 5,6% при 125. Добавление одного цинка к алюминию имеет очень ограниченное улучшение прочности алюминиевого сплава в условиях деформации. В то же время существует тенденция к коррозионному растрескиванию под напряжением, что ограничивает его применение. Одновременное добавление цинка и магния к алюминию образует упрочняющую фазу Mg/Zn2, которая оказывает значительное упрочняющее действие на сплав. При увеличении содержания Mg/Zn2 с 0,5% до 12% предел прочности на разрыв и предел текучести могут быть значительно увеличены. В сверхтвердых алюминиевых сплавах, где содержание магния превышает необходимое количество для образования фазы Mg/Zn2, когда соотношение цинка и магния контролируется на уровне около 2,7, сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением является наибольшим. Например, добавление элемента меди к Al-Zn-Mg образует сплав серии Al-Zn-Mg-Cu. Эффект усиления основы самый большой среди всех алюминиевых сплавов. Это также важный материал алюминиевого сплава в аэрокосмической, авиационной промышленности и электроэнергетике.
Железо и кремний
Железо добавляется в качестве легирующих элементов в деформируемые алюминиевые сплавы серии Al-Cu-Mg-Ni-Fe, а кремний добавляется в качестве легирующих элементов в деформируемый алюминий серии Al-Mg-Si и в сварочные прутки серии Al-Si и литейные алюминиево-кремниевые сплавы. В базовых алюминиевых сплавах кремний и железо являются распространенными примесными элементами, которые оказывают значительное влияние на свойства сплава. В основном они существуют в виде FeCl3 и свободного кремния. Когда кремния больше, чем железа, образуется фаза β-FeSiAl3 (или Fe2Si2Al9), а когда железа больше, чем кремния, образуется фаза α-Fe2SiAl8 (или Fe3Si2Al12). Когда соотношение железа и кремния неправильное, это приведет к трещинам в отливке. Когда содержание железа в литом алюминии слишком высокое, отливка станет хрупкой.
Титан и Бор
Титан является широко используемым элементом-добавкой в алюминиевых сплавах, добавляемым в виде лигатуры Al-Ti или Al-Ti-B. Титан и алюминий образуют фазу TiAl2, которая становится неспонтанным ядром во время кристаллизации и играет роль в улучшении структуры литья и структуры сварного шва. Когда сплавы Al-Ti подвергаются пакетной реакции, критическое содержание титана составляет около 0,15%. Если присутствует бор, замедление составляет всего 0,01%.
Хром
Хром является распространенным элементом-добавкой в сплавах серий Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn и Al-Mg. При 600°C растворимость хрома в алюминии составляет 0,8%, и он в основном нерастворим при комнатной температуре. Хром образует интерметаллические соединения, такие как (CrFe)Al7 и (CrMn)Al12 в алюминии, что препятствует зарождению и росту процесса рекристаллизации и оказывает определенное упрочняющее действие на сплав. Он также может улучшить вязкость сплава и снизить восприимчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением.
Однако сайт увеличивает чувствительность к закалке, делая анодированную пленку желтой. Количество хрома, добавляемого в алюминиевые сплавы, обычно не превышает 0,35% и уменьшается с увеличением переходных элементов в сплаве.
Стронций
Стронций является поверхностно-активным элементом, который может изменять поведение фаз интерметаллических соединений кристаллографически. Поэтому модифицирующая обработка стронциевым элементом может улучшить пластическую обрабатываемость сплава и качество конечного продукта. Благодаря своему длительному эффективному времени модификации, хорошему эффекту и воспроизводимости, стронций в последние годы заменил натрий в литейных сплавах Al-Si. Добавление 0,015%~0,03% стронция в алюминиевый сплав для экструзии превращает фазу β-AlFeSi в слитке в фазу α-AlFeSi, сокращая время гомогенизации слитка на 60%~70%, улучшая механические свойства и пластическую обрабатываемость материалов; улучшая шероховатость поверхности изделий.
Для высококремнистых (10%~13%) деформированных алюминиевых сплавов добавление 0,02%~0,07% стронция может уменьшить первичные кристаллы до минимума, а механические свойства также значительно улучшаются. Предел прочности на разрыв бb увеличивается с 233 МПа до 236 МПа, предел текучести б0,2 увеличивается с 204 МПа до 210 МПа, а удлинение б5 увеличивается с 9% до 12%. Добавление стронция в гиперэвтектический сплав Al-Si может уменьшить размер первичных частиц кремния, улучшить свойства пластической обработки и обеспечить плавную горячую и холодную прокатку.
Цирконий
Цирконий также является распространенной добавкой в алюминиевых сплавах. Обычно его количество в алюминиевых сплавах составляет 0,1%~0,3%. Цирконий и алюминий образуют соединения ZrAl3, которые могут препятствовать процессу рекристаллизации и измельчать рекристаллизованные зерна. Цирконий также может измельчать литейную структуру, но эффект меньше, чем у титана. Присутствие циркония снизит эффект измельчения зерна титаном и бором. В сплавах Al-Zn-Mg-Cu, поскольку цирконий оказывает меньшее влияние на чувствительность к закалке, чем хром и марганец, целесообразно использовать цирконий вместо хрома и марганца для измельчения рекристаллизованной структуры.
Редкоземельные элементы
Редкоземельные элементы добавляются в алюминиевые сплавы для увеличения переохлаждения компонентов во время литья алюминиевых сплавов, измельчения зерен, уменьшения межкристаллитного расстояния, уменьшения газов и включений в сплаве и склонности к сфероидизации фазы включений. Это также может снизить поверхностное натяжение расплава, повысить текучесть и облегчить литье в слитки, что оказывает значительное влияние на производительность процесса. Лучше добавлять различные редкоземельные элементы в количестве около 0,1%. Добавление смешанных редкоземельных элементов (смешанный La-Ce-Pr-Nd и т. д.) снижает критическую температуру образования зоны старения G?P в сплаве Al-0,65%Mg-0,61%Si. Алюминиевые сплавы, содержащие магний, могут стимулировать метаморфизм редкоземельных элементов.
Нечистота
Ванадий образует в алюминиевых сплавах тугоплавкое соединение VAl11, которое играет роль в измельчении зерна в процессе плавки и литья, но его роль меньше, чем у титана и циркония. Ванадий также оказывает эффект измельчения рекристаллизованной структуры и повышения температуры рекристаллизации.
Растворимость кальция в твердом состоянии в алюминиевых сплавах крайне низка, и он образует соединение CaAl4 с алюминием. Кальций является сверхпластичным элементом алюминиевых сплавов. Алюминиевый сплав с приблизительно 5% кальция и 5% марганца обладает сверхпластичностью. Кальций и кремний образуют CaSi, который нерастворим в алюминии. Поскольку количество твердого раствора кремния уменьшается, электропроводность промышленного чистого алюминия может быть немного улучшена. Кальций может улучшить режущие характеристики алюминиевых сплавов. CaSi2 не может упрочнять алюминиевые сплавы посредством термической обработки. Следовые количества кальция полезны для удаления водорода из расплавленного алюминия.
Свинец, олово и висмут являются легкоплавкими металлами. Их растворимость в твердом состоянии в алюминии невелика, что немного снижает прочность сплава, но может улучшить режущие свойства. Висмут расширяется при затвердевании, что полезно для подачи. Добавление висмута в сплавы с высоким содержанием магния может предотвратить натриевую хрупкость.
Сурьма в основном используется как модификатор в литых алюминиевых сплавах и редко используется в деформированных алюминиевых сплавах. Заменяйте висмут только в деформированном алюминиевом сплаве Al-Mg, чтобы предотвратить натриевую хрупкость. Элемент сурьмы добавляется в некоторые сплавы Al-Zn-Mg-Cu для улучшения производительности процессов горячего и холодного прессования.
Бериллий может улучшить структуру оксидной пленки в деформированных алюминиевых сплавах и уменьшить потери при обжиге и включения во время плавки и литья. Бериллий является токсичным элементом, который может вызывать аллергическое отравление у людей. Поэтому бериллий не может содержаться в алюминиевых сплавах, которые контактируют с продуктами питания и напитками. Содержание бериллия в сварочных материалах обычно контролируется ниже 8 мкг/мл. Алюминиевые сплавы, используемые в качестве сварочных субстратов, также должны контролировать содержание бериллия.
Натрий практически нерастворим в алюминии, а максимальная растворимость в твердом состоянии составляет менее 0,0025%. Температура плавления натрия низкая (97,8 ℃), когда натрий присутствует в сплаве, он адсорбируется на поверхности дендритов или границе зерен во время затвердевания, во время горячей обработки натрий на границе зерен образует жидкий адсорбционный слой, что приводит к хрупкому растрескиванию, образованию соединений NaAlSi, свободного натрия не существует и не приводит к «хрупкости натрия».
Если содержание магния превышает 2%, магний забирает кремний и осаждает свободный натрий, что приводит к «хрупкости натрия». Поэтому алюминиевый сплав с высоким содержанием магния не допускается к использованию флюса на основе солей натрия. Методы предотвращения «хрупкости натрия» включают хлорирование, которое заставляет натрий образовывать NaCl и выбрасываться в шлак, добавление висмута для образования Na2Bi и попадания в металлическую матрицу; добавление сурьмы для образования Na3Sb или добавление редкоземельных элементов также может иметь тот же эффект.
Под редакцией Мэй Цзян из MAT Aluminum
Время публикации: 08-08-2024
