Роля розных элементаў у алюмініевых сплавах

Медзь

Калі ў алюмініева-медным сплаве ўтрыманне алюмінію складае 548, максімальная растваральнасць медзі ў алюмініі складае 5,65%. Пры зніжэнні тэмпературы да 302 градусаў растваральнасць медзі складае 0,45%. Медзь з'яўляецца важным элементам сплаву і мае пэўны эфект умацавання цвёрдага раствора. Акрамя таго, CuAl2, які выпадае ў выніку старэння, мае відавочны эфект умацавання пры старэнні. Утрыманне медзі ў алюмініевых сплавах звычайна складае ад 2,5% да 5%, і найлепшы эфект умацавання назіраецца пры ўтрыманні медзі ад 4% да 6,8%, таму ўтрыманне медзі ў большасці дзюралюмініевых сплаваў знаходзіцца ў гэтым дыяпазоне. Алюмініева-медныя сплавы могуць утрымліваць менш крэмнію, магнію, марганцу, хрому, цынку, жалеза і іншых элементаў.

Крэмній

Калі багатая алюмініем частка сплаву Al-Si мае эўтэктычную тэмпературу 577, максімальная растваральнасць крэмнію ў цвёрдым растворы складае 1,65%. Нягледзячы на ​​тое, што растваральнасць памяншаецца з паніжэннем тэмпературы, гэтыя сплавы звычайна нельга ўмацаваць тэрмічнай апрацоўкай. Алюмініева-крэмніевы сплаў мае выдатныя ліцейныя ўласцівасці і каразійную ўстойлівасць. Калі магній і крэмній дадаюцца да алюмінію адначасова для ўтварэння алюмініева-магніева-крэмніевага сплаву, фазай умацавання з'яўляецца MgSi. Масавае суадносіны магнію да крэмнію складае 1,73:1. Пры распрацоўцы складу сплаву Al-Mg-Si ўтрыманне магнію і крэмнію ў матрыцы канфігуруецца ў гэтым суадносінах. Для павышэння трываласці некаторых сплаваў Al-Mg-Si дадаюць адпаведную колькасць медзі, а таксама адпаведную колькасць хрому, каб кампенсаваць негатыўны ўплыў медзі на каразійную ўстойлівасць.

Максімальная растваральнасць Mg2Si ў алюмініі ў багатай на алюміній частцы раўнаважнай фазавай дыяграмы сістэмы сплаваў Al-Mg2Si складае 1,85%, і запаволенне невялікае пры зніжэнні тэмпературы. У дэфармаваных алюмініевых сплавах даданне толькі крэмнію да алюмінію абмежавана зварачнымі матэрыяламі, і даданне крэмнію да алюмінію таксама мае пэўны эфект умацавання.

Магній

Нягледзячы на ​​тое, што крывая растваральнасці паказвае, што растваральнасць магнію ў алюмініі значна памяншаецца з паніжэннем тэмпературы, утрыманне магнію ў большасці прамысловых дэфармаваных алюмініевых сплаваў складае менш за 6%. Утрыманне крэмнію таксама нізкае. Гэты тып сплаву нельга ўмацаваць тэрмічнай апрацоўкай, але ён мае добрую зварвальнасць, добрую каразійную стойкасць і сярэднюю трываласць. Умацаванне алюмінію магніем відавочнае. На кожнае павелічэнне ўтрымання магнію на 1% трываласць на расцяжэнне павялічваецца прыблізна на 34 МПа. Калі дадаць менш за 1% марганцу, эфект умацавання можна ўзмацніць. Такім чынам, даданне марганцу можа знізіць утрыманне магнію і паменшыць тэндэнцыю да гарачых расколін. Акрамя таго, марганец можа таксама раўнамерна асядаць злучэнні Mg5Al8, паляпшаючы каразійную стойкасць і зварачныя характарыстыкі.

Марганец

Калі эўтэктычная тэмпература фазавай дыяграмы плоскай раўнавагі сістэмы сплаваў Al-Mn складае 658, максімальная растваральнасць марганцу ў цвёрдым растворы складае 1,82%. Трываласць сплаву павялічваецца з павелічэннем растваральнасці. Пры ўтрыманні марганцу 0,8% падаўжэнне дасягае максімальнага значэння. Сплаў Al-Mn не ўмацоўваецца пры старэнні, гэта значыць, яго нельга ўмацаваць тэрмічнай апрацоўкай. Марганец можа прадухіліць працэс перакрышталізацыі алюмініевых сплаваў, павысіць тэмпературу перакрышталізацыі і значна ўдасканаліць перакрышталізаваныя зерні. Удасканаленне перакрышталізаваных зерняў у асноўным звязана з тым, што дыспергаваныя часціцы злучэнняў MnAl6 перашкаджаюць росту перакрышталізаваных зерняў. Яшчэ адна функцыя MnAl6 - растварыць прымешкавае жалеза з утварэннем (Fe, Mn)Al6, зніжаючы шкодны ўплыў жалеза. Марганец з'яўляецца важным элементам у алюмініевых сплавах. Яго можна дадаваць асобна для ўтварэння бінарнага сплаву Al-Mn. Часцей за ўсё яго дадаюць разам з іншымі легіруючымі элементамі. Такім чынам, большасць алюмініевых сплаваў утрымліваюць марганец.

Цынк

Растваральнасць цынку ў алюмініі складае 31,6% пры 275°C у багатай на алюміній частцы раўнаважнай фазавай дыяграмы сістэмы сплаваў Al-Zn, у той час як яго растваральнасць падае да 5,6% пры 125°C. Даданне толькі цынку да алюмінію вельмі абмежавана паляпшае трываласць алюмініевага сплаву ва ўмовах дэфармацыі. У той жа час існуе тэндэнцыя да каразійнага растрэсквання пад напружаннем, што абмяжоўвае яго прымяненне. Адначасовае даданне цынку і магнію да алюмінію ўтварае ўмацоўваючую фазу Mg/Zn2, якая аказвае значны ўмацоўваючы эфект на сплаў. Пры павелічэнні ўтрымання Mg/Zn2 з 0,5% да 12% можна значна павялічыць трываласць на расцяжэнне і мяжу цякучасці. У звышцвёрдых алюмініевых сплавах, дзе ўтрыманне магнію перавышае неабходную колькасць для ўтварэння фазы Mg/Zn2, калі суадносіны цынку і магнію кантралюецца на ўзроўні каля 2,7, устойлівасць да каразійнага растрэсквання пад напружаннем найбольшая. Напрыклад, даданне элемента медзі да Al-Zn-Mg утварае сплаў серыі Al-Zn-Mg-Cu. Эфект умацавання асновы найбольшы сярод усіх алюмініевых сплаваў. Ён таксама з'яўляецца важным алюмініевым сплаўным матэрыялам у аэракасмічнай, авіяцыйнай прамысловасці і электраэнергетыцы.

Жалеза і крэмній

Жалеза дадаецца ў якасці легіруючага элемента ў каваныя алюмініевыя сплавы серыі Al-Cu-Mg-Ni-Fe, а крэмній — у каваны алюміній серыі Al-Mg-Si, а таксама ў зварачныя стрыжні серыі Al-Si і ліцейныя сплавы алюмінію з крэмніем. У асноўных алюмініевых сплавах крэмній і жалеза з'яўляюцца распаўсюджанымі прымеснымі элементамі, якія аказваюць істотны ўплыў на ўласцівасці сплаву. Яны ў асноўным існуюць у выглядзе FeCl3 і свабоднага крэмнію. Калі крэмній перавышае жалеза, утвараецца фаза β-FeSiAl3 (або Fe2Si2Al9), а калі жалеза перавышае крэмній, утвараецца α-Fe2SiAl8 (або Fe3Si2Al12). Калі суадносіны жалеза і крэмнію няправільнае, гэта прывядзе да расколін у адліўцы. Калі ўтрыманне жалеза ў літым алюмініі занадта высокае, адліўка стане далікатнай.

Тытан і бор

Тытан — гэта распаўсюджаны дабаўкавы элемент у алюмініевых сплавах, які дадаецца ў выглядзе лігатурнага сплаву Al-Ti або Al-Ti-B. Тытан і алюміній утвараюць фазу TiAl2, якая падчас крышталізацыі становіцца неспантанным ядром і гуляе ролю ў ўдасканаленні структуры адліўкі і структуры зварнога шва. Калі сплавы Al-Ti падвяргаюцца рэакцыі ўпакоўкі, крытычнае ўтрыманне тытана складае каля 0,15%. Пры наяўнасці бору запаволенне складае ўсяго 0,01%.

Хром

Хром з'яўляецца распаўсюджаным дабаўчным элементам у сплавах серыі Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn і Al-Mg. Пры тэмпературы 600°C растваральнасць хрому ў алюмініі складае 0,8%, і ён практычна нерастваральны пры пакаёвай тэмпературы. Хром утварае ў алюмініі інтэрметалічныя злучэнні, такія як (CrFe)Al7 і (CrMn)Al12, што перашкаджае працэсу зародкаўтварэння і росту перакрышталізацыі і аказвае пэўны ўмацоўваючы эфект на сплаў. Ён таксама можа палепшыць трываласць сплаву і знізіць успрымальнасць да каразійнага растрэсквання пад напружаннем.

Аднак гэты ўчастак павялічвае адчувальнасць да загартоўкі, што робіць анадаваную плёнку жоўтай. Колькасць хрому, які дадаецца ў алюмініевыя сплавы, звычайна не перавышае 0,35% і памяншаецца са павелічэннем пераходных элементаў у сплаве.

Стронцый

Стронцый — гэта павярхоўна-актыўны элемент, які можа крышталяграфічна змяняць паводзіны інтэрметалічных злучэнняў. Такім чынам, мадыфікацыйная апрацоўка стронцыем можа палепшыць пластычную апрацоўвальнасць сплаву і якасць гатовага прадукту. Дзякуючы працягламу эфектыўнаму часу мадыфікацыі, добраму эфекту і ўзнаўляльнасці, стронцый у апошнія гады замяніў натрый у ліцейных сплавах Al-Si. Даданне 0,015%~0,03% стронцыю ў алюмініевы сплаў для экструзіі ператварае фазу β-AlFeSi у злітку ў фазу α-AlFeSi, скарачаючы час гамагенізацыі злітка на 60%~70%, паляпшаючы механічныя ўласцівасці і пластычную апрацоўвальнасць матэрыялаў; паляпшаючы шурпатасць паверхні вырабаў.

Для дэфармаваных алюмініевых сплаваў з высокім утрыманнем крэмнію (10%~13%) даданне 0,02%~0,07% стронцыю можа мінімізаваць колькасць першасных крышталяў, а таксама значна палепшыць механічныя ўласцівасці. Трываласць на расцяжэнне бb павялічылася з 233 МПа да 236 МПа, мяжа цякучасці б0,2 — з 204 МПа да 210 МПа, а адноснае падаўжэнне б5 павялічылася з 9% да 12%. Даданне стронцыю ў заэўтэктычны сплаў Al-Si можа паменшыць памер першасных часціц крэмнію, палепшыць уласцівасці пластычнай апрацоўкі і забяспечыць плаўную гарачую і халодную пракатку.

Цырконій

Цырконій таксама з'яўляецца распаўсюджанай дабаўкай у алюмініевых сплавах. Звычайна яго колькасць у алюмініевых сплавах складае 0,1%~0,3%. Цырконій і алюміній утвараюць злучэнні ZrAl3, якія могуць перашкаджаць працэсу рэкрышталізацыі і здрабняць рэкрышталізаваныя зерні. Цырконій таксама можа здрабняць структуру адліўкі, але гэты эфект меншы, чым у тытана. Прысутнасць цырконія зніжае эфект здрабнення зерня тытана і бору. У сплавах Al-Zn-Mg-Cu, паколькі цырконій мае меншы ўплыў на адчувальнасць да загартоўкі, чым хром і марганец, для здрабнення рэкрышталізаванай структуры мэтазгодна выкарыстоўваць цырконій замест хрому і марганца.

Рэдказямельныя элементы

Рэдказямельныя элементы дадаюцца ў алюмініевыя сплавы для павелічэння пераахалоджвання кампанентаў падчас ліцця алюмініевых сплаваў, драбнення зерняў, памяншэння адлегласці паміж другаснымі крышталямі, памяншэння колькасці газаў і ўключэнняў у сплаве, а таксама для сферычнай формы фазы ўключэння. Гэта таксама можа знізіць павярхоўнае нацяжэнне расплаву, павялічыць цякучасць і палегчыць ліццё ў зліткі, што істотна ўплывае на прадукцыйнасць працэсу. Лепш дадаваць розныя рэдказямельныя элементы ў колькасці каля 0,1%. Даданне змешаных рэдказямельных элементаў (змешаных La-Ce-Pr-Nd і г.д.) зніжае крытычную тэмпературу для ўтварэння зоны старэння G⁻P у сплаве Al-0,65%Mg-0,61%Si. Алюмініевыя сплавы, якія змяшчаюць магній, могуць стымуляваць метамарфізм рэдказямельных элементаў.

Прымешка

Ванадый утварае ў алюмініевых сплавах тугаплаўкае злучэнне VAl11, якое адыгрывае ролю ў рафінаванні зерняў падчас працэсу плаўлення і ліцця, але яго роля меншая, чым у тытана і цырконія. Ванадый таксама ўплывае на рафінаванне перакрышталізаванай структуры і павышэнне тэмпературы перакрышталізацыі.

Растваральнасць кальцыя ў цвёрдым стане ў алюмініевых сплавах надзвычай нізкая, і ён утварае злучэнне CaAl4 з алюмініем. Кальцый - гэта звышпластычны элемент алюмініевых сплаваў. Алюмініевы сплаў з прыблізна 5% кальцыя і 5% марганцу мае звышпластычнасць. Кальцый і крэмній утвараюць CaSi, які не растваральны ў алюмініі. Паколькі колькасць крэмнію ў цвёрдым растворы зніжаецца, электраправоднасць прамысловага чыстага алюмінію можна некалькі палепшыць. Кальцый можа палепшыць рэжучыя здольнасці алюмініевых сплаваў. CaSi2 не можа ўмацоўваць алюмініевыя сплавы шляхам тэрмічнай апрацоўкі. Слядовыя колькасці кальцыя дапамагаюць выдаляць вадарод з расплаўленага алюмінію.

Свінец, волава і вісмут — гэта металы з нізкай тэмпературай плаўлення. Іх цвёрдая растваральнасць у алюмініі невялікая, што нязначна зніжае трываласць сплаву, але можа палепшыць характарыстыкі рэзання. Вісмут пашыраецца падчас зацвярдзення, што спрыяе падачы. Даданне вісмуту ў высокамагніевыя сплавы можа прадухіліць натрыевую ломкасць.

Сурма ў асноўным выкарыстоўваецца ў якасці мадыфікатара ў ліцейных алюмініевых сплавах і рэдка выкарыстоўваецца ў дэфармаваных алюмініевых сплавах. У дэфармаваных алюмініевых сплавах Al-Mg яна замяняе вісмут толькі для прадухілення натрыевай ломкасці. Элемент сурма дадаецца ў некаторыя сплавы Al-Zn-Mg-Cu для паляпшэння прадукцыйнасці працэсаў гарачага і халоднага прэсавання.

Берылій можа палепшыць структуру аксіднай плёнкі ў дэфармаваных алюмініевых сплавах і знізіць страты пры гарэнні і ўключэнні падчас плаўлення і ліцця. Берылій — гэта таксічны элемент, які можа выклікаць алергічнае атручванне ў людзей. Таму берылій не павінен утрымлівацца ў алюмініевых сплавах, якія кантактуюць з ежай і напоямі. Змест берылію ў зварачных матэрыялах звычайна кантралюецца ніжэй за 8 мкг/мл. Алюмініевыя сплавы, якія выкарыстоўваюцца ў якасці зварачных падкладак, таксама павінны кантраляваць утрыманне берылію.

Натрый практычна нерастваральны ў алюмініі, а максімальная растваральнасць у цвёрдым рэчыве складае менш за 0,0025%. Тэмпература плаўлення натрыю нізкая (97,8 ℃). Калі натрый прысутнічае ў сплаве, ён адсарбуецца на паверхні дендрытаў або на мяжы зерняў падчас зацвярдзення. Падчас гарачай апрацоўкі натрый на мяжы зерняў утварае вадкі адсарбцыйны пласт, што прыводзіць да далікатнага расколвання і ўтварэння злучэнняў NaAlSi. Свабоднага натрыю няма, і ён не ўтварае «натрыевай далікатнасці».

Калі ўтрыманне магнію перавышае 2%, магній адбірае крэмній і вылучае свабодны натрый, што прыводзіць да «натрыевай далікатнасці». Таму для алюмініевых сплаваў з высокім утрыманнем магнію нельга выкарыстоўваць флюс натрыевай солі. Метады прадухілення «натрыевай далікатнасці» ўключаюць хлараванне, якое прыводзіць да ўтварэння NaCl натрыю, які вылучаецца ў шлак, даданне вісмуту з утварэннем Na2Bi і яго ўвядзенне ў металічную матрыцу; даданне сурмы з утварэннем Na3Sb або даданне рэдказямельных элементаў таксама могуць мець такі ж эфект.

Пад рэдакцыяй Мэй Цзян з MAT Aluminum