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 обладает определенным эффектом упрочнения твердого раствора. Кроме того, выделяющийся при старении CuAl2 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 отличными литейными свойствами и коррозионной стойкостью. Если к алюминию одновременно добавляют магний и кремний для образования сплава алюминий-магний-кремний, 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 добавляют соответствующее количество меди, а также соответствующее количество хрома, чтобы компенсировать неблагоприятное влияние меди на коррозионную стойкость.
Максимальная растворимость Mg2Si в алюминии в богатой алюминием части диаграммы состояния сплава Al-Mg2Si составляет 1,85%, при этом замедление невелико с понижением температуры. В деформированных алюминиевых сплавах добавление кремния к алюминию ограничивается сварочными материалами, а добавление кремния к алюминию также оказывает определённый 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 упрочнен термической обработкой, но обладает хорошей свариваемостью, хорошей коррозионной стойкостью и средней прочностью. Упрочнение алюминия магнием очевидно. При каждом увеличении содержания магния на 1% предел прочности на растяжение увеличивается примерно на 34 МПа. При добавлении менее 1% марганца упрочняющий эффект может быть дополнен. Таким образом, добавление марганца может снизить содержание магния и уменьшить склонность к образованию горячих трещин. Кроме того, марганец также может равномерно выделять соединения Mg5Al8, улучшая коррозионную стойкость и свариваемость.
Марганец
При температуре эвтектики плоской равновесной фазовой диаграммы системы сплавов Al-Mn, равной 658, максимальная растворимость марганца в твердом растворе составляет 1,82%. Прочность сплава увеличивается с увеличением растворимости. При содержании марганца 0,8% относительное удлинение достигает максимального значения. Сплав Al-Mn является не упрочняющимся старением 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 связано с 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 для образования бинарного сплава 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 равновесия фазового состояния системы сплава Al-Zn, в то время как его растворимость падает до 5,6% при 125. Добавление одного цинка к алюминию дает весьма 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 значительный упрочняющий эффект на сплав. При увеличении содержания Mg/Zn2 с 0,5% до 12% прочность на растяжение 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 к магнию контролируется на уровне около 2,7, стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением является наибольшей. Например, добавление меди к сплаву Al-Zn-Mg образует сплав серии Al-Zn-Mg-Cu. Этот сплав обладает наибольшим упрочняющим эффектом среди всех алюминиевых сплавов. Он также является важным алюминиевым сплавом в аэрокосмической, авиационной и электроэнергетической промышленности.
Железо и кремний
Железо добавляют в качестве легирующих элементов в деформируемые алюминиевые сплавы серии Al-Cu-Mg-Ni-Fe, а кремний добавляют в качестве легирующих элементов в деформируемый алюминий серии Al-Mg-Si, а также 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). Неправильное соотношение железа и кремния приведет к образованию трещин в отливке. Когда содержание железа в литом алюминии слишком велико, отливка станет хрупкой.
Титан и бор
Титан – широко используемый элемент в алюминиевых сплавах, добавляемый в виде лигатуры Al-Ti или Al-Ti-B. Титан и алюминий образуют фазу TiAl2, которая становится несамопроизвольным ядром в процессе кристаллизации и играет роль в измельчении структуры отливки и сварного шва. При пакетной реакции в сплавах Al-Ti критическое содержание титана составляет около 0,15%. В присутствии бора замедление составляет всего 0,01%.
Хром
Хром является распространённой добавкой в сплавах систем Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn и Al-Mg. При 600 °C растворимость хрома в алюминии составляет 0,8%, а при комнатной температуре он практически нерастворим. Хром образует с алюминием интерметаллические соединения, такие как (CrFe)Al7 и (CrMn)Al12, которые препятствуют зарождению и росту кристаллов при рекристаллизации и оказывают определённое упрочняющее действие на сплав. Он также может повысить вязкость сплава и снизить склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением.
Однако этот участок повышает чувствительность к закалке, что приводит к пожелтению анодированной плёнки. Количество хрома, добавляемого в алюминиевые сплавы, обычно не превышает 0,35% и уменьшается с увеличением содержания переходных элементов в сплаве.
Стронций
Стронций – поверхностно-активный элемент, способный изменять кристаллографическое поведение интерметаллических соединений. Таким образом, модифицирование стронцием может улучшить пластическую обрабатываемость сплава и качество конечного продукта. Благодаря длительному периоду эффективной модификации, хорошему эффекту и воспроизводимости, в последние годы стронций 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, а также уменьшая шероховатость поверхности изделий.
В высококремнистых (10–13%) деформированных алюминиевых сплавах добавление стронция в концентрации 0,02–0,07% позволяет минимизировать образование первичных кристаллов, а механические свойства также значительно улучшаются. Предел прочности на разрыв (б) увеличивается с 233 до 236 МПа, предел текучести (б)0,2 – с 204 до 210 МПа, а относительное удлинение (б) – с 9 до 12%. Добавление стронция в гиперевтектический сплав Al-Si позволяет уменьшить размер первичных частиц кремния, улучшить пластическую обработку и обеспечить плавность горячей и холодной прокатки.
Цирконий
Цирконий также является распространённой добавкой в алюминиевые сплавы. 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 зёрна. Цирконий также может измельчать литейную структуру, но эффект меньше, чем у титана. Присутствие циркония снижает измельчающее действие титана и бора. В сплавах Al-Zn-Mg-Cu, поскольку цирконий оказывает меньшее влияние на чувствительность к закалке, чем хром и марганец, для измельчения рекристаллизованной структуры целесообразно использовать цирконий вместо хрома и марганца.
Редкоземельные элементы
Редкоземельные элементы добавляют в алюминиевые сплавы для увеличения переохлаждения компонентов во время литья алюминиевого сплава, измельчения зерна, уменьшения межкристаллитного расстояния, уменьшения количества газов и включений в сплаве, а также для 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.
Примесь
Ванадий образует в алюминиевых сплавах тугоплавкое соединение VAl11, которое способствует измельчению зерна при плавке и литье, но его роль меньше, чем у титана и циркония. Ванадий также способствует измельчению рекристаллизованной структуры и повышению температуры рекристаллизации.
Растворимость кальция в твёрдом состоянии в алюминиевых сплавах крайне мала, и он образует с алюминием соединение CaAl4. Кальций является сверхпластичным элементом алюминиевых сплавов. Алюминиевый сплав, содержащий примерно 5% кальция и 5% марганца, обладает сверхпластичностью. Кальций и кремний образуют CaSi2, который нерастворим в алюминии. Поскольку количество кремния в твёрдом растворе уменьшается, электропроводность чистого алюминия промышленного назначения может быть немного улучшена. Кальций может улучшить режущие свойства алюминиевых сплавов. CaSi2 не может упрочнять алюминиевые сплавы термической обработкой. Следовые количества кальция способствуют удалению водорода из расплавленного алюминия.
Свинец, олово и висмут – легкоплавкие металлы. Их растворимость в алюминии в твёрдом состоянии невелика, что несколько снижает прочность сплава, но может улучшить режущие свойства. Висмут расширяется при затвердевании, что благоприятно влияет на подачу. Добавление висмута в сплавы с высоким содержанием магния может предотвратить натриевую хрупкость.
Сурьма в основном используется в качестве модификатора в литых алюминиевых сплавах и редко в деформированных алюминиевых сплавах. В деформированных алюминиевых сплавах Al-Mg она заменяет висмут только для предотвращения натриевой хрупкости. Сурьму добавляют в некоторые сплавы Al-Zn-Mg-Cu для улучшения характеристик горячего и холодного прессования.
Бериллий может улучшить структуру оксидной пленки в деформированных алюминиевых сплавах и уменьшить угар и образование включений при плавке и литье. Бериллий — токсичный элемент, способный вызывать аллергические реакции у человека. Поэтому бериллий не должен содержаться в алюминиевых сплавах, контактирующих с пищевыми продуктами и напитками. Содержание бериллия в сварочных материалах обычно контролируется ниже 8 мкг/мл. Содержание бериллия также должно контролироваться в алюминиевых сплавах, используемых в качестве сварочных материалов.
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 границах зерен во время затвердевания. Во время горячей обработки натрий на границах зерен образует жидкий адсорбционный слой, что приводит к хрупкому растрескиванию и образованию соединений NaAlSi. Свободного натрия не существует, и он не создает «хрупкости натрия».
При содержании магния более 2% магний отбирает кремний и выделяет свободный натрий, что приводит к «натриевой хрупкости». Поэтому для алюминиевых сплавов с высоким содержанием магния не допускается использование флюса на основе натриевой соли. Для предотвращения «натриевой хрупкости» применяются хлорирование, при котором натрий образует NaCl и попадает в шлак, добавление висмута для образования Na2Bi и проникновения 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 августа 2024 г.
