Роль различных элементов в алюминиевых сплавах.

Медь

Когда богатая алюминием часть алюминиево-медного сплава равна 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, CuAl2, осажденный при старении, оказывает очевидный эффект усиления старения. Содержание меди в алюминиевых сплавах обычно составляет от 2,5% до 5%, а эффект упрочнения лучше всего, когда содержание меди составляет от 4% до 6,8%, поэтому содержание меди в большинстве дюралевых 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°С, максимальная растворимость кремния в твердом растворе составляет 1,65%. Хотя растворимость снижается с понижением температуры, эти сплавы обычно не могут быть упрочнены термообработкой. Алюминий-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 в таком соотношении на матрице задают содержание магния и кремния. Чтобы улучшить прочность некоторых сплавов Al-Mg-Si, добавляют соответствующее количество меди и соответствующее количество хрома, чтобы компенсировать неблагоприятное воздействие меди на коррозионную стойкость.

Максимальная растворимость Mg2Si в алюминии в богатой алюминием части равновесной фазовой диаграммы системы сплава Al-Mg2Si составляет 1,85 %, причем замедление незначительно при понижении температуры. В деформированных алюминиевых сплавах добавление одного кремния к алюминию ограничивается сварочными материалами, а добавление кремния к алюминию также оказывает определенный упрочняющий эффект.

Магний

Хотя кривая растворимости показывает, что растворимость магния в алюминии сильно снижается с понижением температуры, содержание магния в большинстве промышленных деформированных алюминиевых сплавов составляет менее 6%. Содержание кремния также низкое. Этот тип сплава не поддается упрочнению термической обработкой, но обладает хорошей свариваемостью, хорошей коррозионной стойкостью и средней прочностью. Укрепление алюминия магнием очевидно. На каждый 1% увеличения содержания магния предел прочности увеличивается примерно на 34 МПа. При добавлении менее 1% марганца усиливающий эффект может усиливаться. Следовательно, добавление марганца может снизить содержание магния и снизить склонность к горячему растрескиванию. Кроме того, марганец также может равномерно осаждать соединения Mg5Al8, улучшая коррозионную стойкость и характеристики сварки.

Марганец

При температуре эвтектики плоской равновесной диаграммы состояния системы сплава Al-Mn, равной 658, максимальная растворимость марганца в твердом растворе составляет 1,82%. Прочность сплава увеличивается с увеличением растворимости. При содержании марганца 0,8% удлинение достигает максимального значения. Сплав Al-Mn является нестареющим сплавом, то есть его нельзя укрепить термической обработкой. Марганец может предотвратить процесс рекристаллизации алюминиевых сплавов, повысить температуру рекристаллизации и значительно измельчить рекристаллизованные зерна. Измельчение рекристаллизованных зерен происходит главным образом за счет того, что дисперсные частицы соединений MnAl6 препятствуют росту рекристаллизованных зерен. Другая функция MnAl6 – растворять примеси железа с образованием (Fe, Mn)Al6, снижая 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 равновесной фазовой диаграммы системы сплава Al-Zn, тогда как его растворимость падает до 5,6% при 125. Добавление одного цинка к алюминию дает очень ограниченное улучшение. прочность алюминиевого сплава в условиях деформации. В то же время существует тенденция к коррозионному растрескиванию под напряжением, что ограничивает его применение. Одновременное добавление к алюминию цинка и магния образует упрочняющую фазу Mg/Zn2, оказывающую значительное упрочняющее действие на сплав. Когда содержание Mg/Zn2 увеличивается с 0,5% до 12%, прочность 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 отношение цинка к магнию поддерживается на уровне около 2,7, стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением является наибольшей. Например, добавление медного элемента к Al-Zn-Mg образует сплав серии Al-Zn-Mg-Cu. Эффект упрочнения основания самый большой среди всех алюминиевых сплавов. Это также важный материал из алюминиевого сплава в аэрокосмической, авиационной промышленности и электроэнергетике.

Железо и кремний

В деформируемые алюминиевые сплавы серии Al-Cu-Mg-Ni-Fe в качестве легирующих элементов добавляют железо, а в деформируемый алюминий серии Al-Mg-Si и в сварочные стержни серии Al-Si и алюминиево-кремниевое литье в качестве легирующих элементов добавляют железо. сплавы. В базовых алюминиевых сплавах кремний и железо являются обычными примесными элементами, которые оказывают существенное влияние на свойства сплава. В основном они существуют в виде FeCl3 и свободного кремния. Когда кремний больше железа, образуется фаза β-FeSiAl3 (или Fe2Si2Al9), а когда железо больше кремния, образуется фаза α-Fe2SiAl8 (или Fe3Si2Al12). Неправильное соотношение железа и кремния приведет к появлению трещин в отливке. Когда содержание железа в литом алюминии слишком велико, отливка становится хрупкой.

Титан и Бор

Титан является широко используемым добавочным элементом в алюминиевых сплавах, добавляемым в виде лигатуры Al-Ti или Al-Ti-B. Титан и алюминий образуют фазу TiAl2, которая в процессе кристаллизации становится неспонтанным ядром и играет роль в совершенствовании структуры отливки 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 добавочным элементом в сплавах серии Al-Mg-Si, серии Al-Mg-Zn и серии Al-Mg. При 600°С растворимость хрома в алюминии составляет 0,8%, а при комнатной температуре он практически нерастворим. Хром образует в алюминии интерметаллические соединения, такие как (CrFe)Al7 и (CrMn)Al12, что препятствует зарождению и росту процесса рекристаллизации и оказывает определенное упрочняющее действие на сплав. Это также может улучшить ударную вязкость сплава и снизить склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением.

Однако это место 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 — поверхностно-активный элемент, способный кристаллографически изменять поведение фаз интерметаллических соединений. Следовательно, модифицирующая обработка элементом стронция позволяет улучшить пластическую обрабатываемость сплава и качество конечного продукта. Благодаря длительному времени эффективной 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 технологичность материалов; улучшение шероховатости поверхности изделий.

Для деформированных алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния (10–13%) добавление элемента стронция 0,02–0,07% может уменьшить количество первичных кристаллов до минимума, а также значительно улучшить механические свойства. Предел прочности АБ увеличен с 233МПа до 236МПа, предел текучести АБ0,2 увеличен с 204МПа до 210МПа, удлинение АБ5 увеличено с 9% до 12%. Добавление стронция в заэвтектический сплав Al-Si может уменьшить размер частиц первичного кремния, улучшить свойства обработки пластмасс и обеспечить плавную горячую и холодную прокатку.

Цирконий

Цирконий также является распространенной добавкой в ​​алюминиевых сплавах. Обычно количество добавляемого в алюминиевые сплавы составляет 0,1–0,3%. Цирконий и алюминий образуют соединения ZrAl3, которые могут затруднить процесс рекристаллизации и измельчить рекристаллизованные зерна. Цирконий также может улучшить структуру отливки, но эффект меньше, чем у титана. Присутствие циркония уменьшит измельчающий эффект титана и бора. В сплавах Al-Zn-Mg-Cu, поскольку цирконий оказывает меньшее влияние на чувствительность к закалке, чем хром и марганец, для уточнения рекристаллизованной структуры вместо хрома и марганца целесообразно использовать цирконий.

Редкоземельные элементы

Редкоземельные элементы добавляются в алюминиевые сплавы для увеличения переохлаждения компонентов во время литья алюминиевых сплавов, измельчения зерен, уменьшения расстояния между вторичными кристаллами, уменьшения количества газов и включений в сплаве, а также тенденции к сфероидизации фазы включений. Он также может снизить поверхностное натяжение расплава, повысить текучесть и облегчить разливку в слитки, что существенно влияет на производительность процесса. Различные редкоземельные элементы лучше добавлять в количестве около 0,1%. Добавление смешанных редкоземельных элементов (смесь La-Ce-Pr-Nd и др.) 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 ВАл11, которое играет роль в измельчении зерен в процессе плавки и литья, но его роль меньшая, чем у титана и циркония. Ванадий также способствует измельчению рекристаллизованной структуры и повышению температуры рекристаллизации.

Растворимость кальция в алюминиевых сплавах в твердом состоянии чрезвычайно низка, и он образует с алюминием соединение CaAl4. Кальций – сверхпластичный элемент алюминиевых сплавов. Сверхпластичностью обладает алюминиевый сплав с содержанием примерно 5% кальция и 5% марганца. Кальций и кремний образуют CaSi, нерастворимый в алюминии. Поскольку количество кремния в твердом растворе уменьшается, электропроводность промышленного чистого алюминия можно немного улучшить. Кальций может улучшить режущие свойства алюминиевых сплавов. CaSi2 не может укрепить алюминиевые сплавы путем термообработки. Следовые количества кальция помогают удалить водород из расплавленного алюминия.

Элементы свинец, олово и висмут относятся к металлам с низкой температурой плавления. Их твердая растворимость в алюминии невелика, что несколько снижает прочность сплава, но позволяет улучшить характеристики резания. Висмут расширяется при затвердевании, что полезно для подачи. Добавление висмута в сплавы с высоким содержанием магния может предотвратить натриевое охрупчивание.

Сурьма в основном используется в качестве модификатора в литых алюминиевых сплавах и редко используется в деформированных алюминиевых сплавах. Заменяйте висмут только в деформированном алюминиевом сплаве Al-Mg, чтобы предотвратить натриевое охрупчивание. Элемент сурьмы добавляется в некоторые сплавы Al-Zn-Mg-Cu для улучшения характеристик процессов горячего и холодного прессования.

Бериллий позволяет улучшить структуру оксидной пленки в деформируемых алюминиевых сплавах, уменьшить потери при обжиге и включениях при плавке и литье. Бериллий – токсичный элемент, способный вызвать у человека аллергическое отравление. Поэтому бериллий не может содержаться в алюминиевых сплавах, контактирующих с пищевыми продуктами и напитками. Содержание бериллия в сварочных материалах обычно не превышает 8 мкг/мл. Алюминиевые сплавы, используемые в качестве сварочных материалов, также должны контролировать содержание бериллия.

Натрий практически нерастворим в алюминии, максимальная растворимость в твердом состоянии составляет менее 0,0025%. температура плавления натрия низкая (97,8℃), когда натрий присутствует в сплаве, он адсорбируется на поверхности дендрита или границе зерен во время затвердевания, при горячей обработке натрий на границе зерен образует адсорбционный слой жидкости, что приводит к хрупкому растрескиванию, образованию соединений NaAlSi, свободного натрия не существует и не образуется «натриевая хрупкость».

Когда содержание магния превышает 2%, магний забирает кремний и осаждает свободный натрий, что приводит к «натриевой хрупкости». Поэтому в алюминиевых сплавах с высоким содержанием магния не разрешается использовать флюс на основе натриевой соли. Методы предотвращения «натриевого охрупчивания» включают хлорирование, в результате которого натрий образует NaCl и выводится в шлак, добавляя висмут с образованием Na2Bi и попадая в металлическую матрицу; добавление сурьмы для образования Na3Sb или добавление редкоземельных элементов также может иметь тот же эффект.

Под редакцией Мэй Цзян из MAT Aluminium