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各種元素在鋁合金中的作用

來源: 人氣: 發表時間:2018-03-20 15:02:10

  銅元素
 
  鋁銅合金富鋁部分548時,銅在鋁中的最大溶解度為5.65%,溫度降到302時,銅的溶解度為0.45%。銅是重要的合金元素,有一定的固溶強化效果,此外時效析出的CuAl2有著明顯的時效強化效果。鋁合金中銅含量通常在2.5%~5%,銅含量在4%~6.8%時強化效果最好,所以大部分硬鋁合金的含銅量處于這范圍。
 
  鋁銅合金中可以含有較少的硅、鎂、錳、鉻、鋅、鐵等元素。
 
  硅元素
 
  Al—Si合金系富鋁部分在共晶溫度577時,硅在固溶體中的最大溶解度為1.65%。盡管溶解度隨溫度降低而減少,介這類合金一般是不能熱處理強化的。鋁硅合金具有極好的鑄造性能和抗蝕性。
 
  若鎂和硅同時加入鋁中形成鋁鎂硅系合金,強化相為MgSi。鎂和硅的質量比為1.73:1。設計Al-Mg-Si系合金成分時,基體上按此比例配置鎂和硅的含量。有的Al-Mg-Si合金,為了提高強度,加入適量的銅,同時加入適量的鉻以抵消銅對抗蝕性的不利影響。
 
  Al-Mg2Si合金系合金平衡相圖富鋁部分Mg2Si在鋁中的最大溶解度為1.85%,且隨溫度的降低而減速小。變形鋁合金中,硅單獨加入鋁中只限于焊接材料,硅加入鋁中亦有一定的強化作用。
 
  鎂元素
 
  Al-Mg合金系平衡相圖富鋁部分盡管溶解度曲線表明,鎂在鋁中的溶解度隨溫度下降而大大地變小,但是在大部分工業用變形鋁合金中,鎂的含量均小于6%,而硅含量也低,這類合金是不能熱處理強化的,但是可焊性良好,抗蝕性也好,并有中等強度。
 
  鎂對鋁的強化是明顯的,每增加1%鎂,抗拉強度大約升高34MPa。如果加入1%以下的錳,可能補充強化作用。因此加錳后可降低鎂含量,同時可降低熱裂傾向,另外錳還可以使Mg5Al8化合物均勻沉淀,改善抗蝕性和焊接性能。
 
  錳元素
 
  Al-Mn合金系平平衡相圖部分在共晶溫度658時,錳在固溶體中的最大溶解度為1.82%。合金強度隨溶解度增加不斷增加,錳含量為0.8%時,延伸率達最大值。Al-Mn合金是非時效硬化合金,即不可熱處理強化。
 
  錳能阻止鋁合金的再結晶過程,提高再結晶溫度,并能顯著細化再結晶晶粒。再結晶晶粒的細化主要是通過MnAl6化合物彌散質點對再結晶晶粒長大起阻礙作用。MnAl6的另一作用是能溶解雜質鐵,形成(Fe、Mn)Al6,減小鐵的有害影響。
 
  錳是鋁合金的重要元素,可以單獨加入形成Al-Mn二元合金,更多的是和其它合金元素一同加入,因此大多鋁合金中均含有錳。
 
  鋅元素
 
  Al-Zn合金系平衡相圖富鋁部分275時鋅在鋁中的溶解度為31.6%,而在125時其溶解度則下降到5.6%。
 
  鋅單獨加入鋁中,在變形條件下對鋁合金強度的提高十分有限,同時存在應力腐蝕開裂、傾向,因而限制了它的應用。
 
  在鋁中同時加入鋅和鎂,形成強化相Mg/Zn2,對合金產生明顯的強化作用。Mg/Zn2含量從0.5%提高到12%時,可明顯增加抗拉強度和屈服強度。鎂的含量超過形成Mg/Zn2相所需超硬鋁合金中,鋅和鎂的比例控制在2.7左右時,應力腐蝕開裂抗力最大。
 
  如在Al-Zn-Mg基礎上加入銅元素,形成Al-Zn-Mg-Cu系合金,基強化效果在所有鋁合金中最大,也是航天、航空工業、電力工業上的重要的鋁合金材料。
 
  微量元素的影響
 
  鐵和硅
 
  鐵在Al-Cu-Mg-Ni-Fe系鍛鋁合金中,硅在Al-Mg-Si系鍛鋁中和在Al-Si系焊條及鋁硅鑄造合金中,均作為合金元素加的,在基它鋁合金中,硅和鐵是常見的雜質元素,對合金性能有明顯的影響。它們主要以FeCl3和游離硅存在。在硅大于鐵時,形成β-FeSiAl3(或Fe2Si2Al9)相,而鐵大于硅時,形成α-Fe2SiAl8(或Fe3Si2Al12)。當鐵和硅比例不當時,會引起鑄件產生裂紋,鑄鋁中鐵含量過高時會使鑄件產生脆性。
 
  鈦和硼
 
  鈦是鋁合金中常用的添加元素,以Al-Ti或Al-Ti-B中間合金形式加入。鈦與鋁形成TiAl2相,成為結晶時的非自發核心,起細化鑄造組織和焊縫組織的作用。Al-Ti系合金產生包反應時,鈦的臨界含量約為0.15%,如果有硼存在則減速小到0.01%。
 
  鉻
 
  鉻在Al-Mg-Si系、Al-Mg-Zn系、Al-Mg系合金中常見的添加元素。600℃時,鉻在鋁中溶解度為0.8%,室溫時基本上不溶解。
 
  鉻在鋁中形成(CrFe)Al7和(CrMn)Al12等金屬間化合物,阻礙再結晶的形核和長大過程,對合金有一定的強化作用,還能改善合金韌性和降低應力腐蝕開裂敏感性。但會場增加淬火敏感性,使陽極氧化膜呈黃色。
 
  鉻在鋁合金中的添加量一般不超過0.35%,并隨合金中過渡元素的增加而降低。
 
  鍶
 
  鍶是表面活性元素,在結晶學上鍶能改變金屬間化合物相的行為。因此用鍶元素進行變質處理能改善合金的塑性加工性和最終產品質量。由于鍶的變質有效時間長、效果和再現性好等優點,近年來在Al-Si鑄造合金中取代了鈉的使用。對擠壓用鋁合金中加入0.015%~0.03%鍶,使鑄錠中β-AlFeSi相變成漢字形α-AlFeSi相,減少了鑄錠均勻化時間60%~70%,提高材料力學性能和塑性加工性;改善制品表面粗糙度。對于高硅(10%~13%)變形鋁合金中加入0.02%~0.07%鍶元素,可使初晶減少至最低限度,力學性能也顯著提高,抗拉強度бb由233MPa提高到236MPa,屈服強度б0.2由204MPa提高到210MPa,延伸率б5由9%增至12%。在過共晶Al-Si合金中加入鍶,能減小初晶硅粒子尺寸,改善塑性加工性能,可順利地熱軋和冷軋。
 
  鋯元素
 
  鋯也是鋁合金的常用添加劑。一般在鋁合金中加入量為0.1%~0.3%,鋯和鋁形成ZrAl3化合物,可阻礙再結晶過程,細化再結晶晶粒。鋯亦能細化鑄造組織,但比鈦的效果小。有鋯存在時,會降低鈦和硼細化晶粒的效果。在Al-Zn-Mg-Cu系合金中,由于鋯對淬火敏感性的影響比鉻和錳的小,因此宜用鋯來代替鉻和錳細化再結晶組織。
 
  雜質元素
 
  稀土元素加入鋁合金中,使鋁合金熔鑄時增加成分過冷,細化晶粒,減少二次晶間距,減少合金中的氣體和夾雜,并使夾雜相趨于球化。還可降低熔體表面張力,增加流動性,有利于澆注成錠,對工藝性能有著明顯的影響。各種稀土加入量約為0.1%at%為好。混合稀土(La-Ce-Pr-Nd等混合)的添加,使Al-0.65%Mg-0.61%Si合金時效G?P區形成的臨界溫度降低。含鎂的鋁合金,能激發稀土元素的變質作用。
 
  雜質元素的影響
 
  釩在鋁合金中形成VAl11難熔化合物,在熔鑄過程中起細化晶粒作用,但比鈦和鋯的作用小。釩也有細化再結晶組織、提高再結晶溫度的作用。
 
  鈣在鋁合金中固溶度極低,與鋁形成CaAl4化合物,鈣又是鋁合金的超塑性元素,大約5%鈣和5%錳的鋁合金具有超塑性。鈣和硅形成CaSi,不溶于鋁,由于減小了硅的固溶量,可稍微提高工業純鋁的導電性能。鈣能改善鋁合金切削性能。CaSi2不能使鋁合金熱處理強化。微量鈣有利于去除鋁液中的氫。
 
  鉛、錫、鉍元素是低熔點金屬,它們在鋁中固溶度不大,略降低合金強度,但能改善切削性能。鉍在凝固過程中膨脹,對補縮有利。高鎂合金中加入鉍可防止鈉脆。
 
  銻主要用作鑄造鋁合金中的變質劑,變形鋁合金很少使用。僅在Al-Mg變形鋁合金中代替鉍防止鈉脆。銻元素加入某些Al-Zn-Mg-Cu系合金中,改善熱壓與冷壓工藝性能。
 
  鈹在變形鋁合金中可改善氧化膜的結構,減少熔鑄時的燒損和夾雜。鈹是有毒元素,能使人產生過敏性中毒。因此,接觸食品和飲料的鋁合金中不能含有鈹。焊接材料中的鈹含量通常控制在8μg/ml以下。用作焊接基體的鋁合金也應控制鈹的含量。
 
  鈉在鋁中幾乎不溶解,最大固溶度小于0.0025%,鈉的熔點低(97.8℃),合金中存在鈉時,在凝固過程中吸附在枝晶表面或晶界,熱加工時,晶界上的鈉形成液態吸附層,產生脆性開裂時,形成NaAlSi化合物,無游離鈉存在,不產生“鈉脆”。當鎂含量超2%時,鎂奪取硅,析出游離鈉,產生“鈉脆”。因此高鎂鋁合金不允許使用鈉鹽熔劑。防止“鈉脆”的方法有氯化法,使鈉形成NaCl排入渣中,加鉍使之生成Na2Bi進入金屬基體;加銻生成Na3Sb或加入稀土亦可起到相同的作用。