鋁合金中各種元素的作用,包含合金元素、微量元素、雜質(zhì)元素對鋁合金的影響
發(fā)布時間:2020-12-17點擊:3457
一、合金元素影響
1.銅元素Cu
鋁銅合金富鋁部分548時,銅在鋁中的***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***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。
2.硅元素Si
Al—Si合金系富鋁部分在共晶溫度577時,硅在固溶體中的***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(zhì)量比為1.73∶1。設(shè)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***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。
3.鎂元素Mg
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(yè)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***遠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。
4.錳元素Mn
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***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***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(jié)晶過程,提高再結(jié)晶溫度,并能顯著細化再結(jié)晶晶粒。再結(jié)晶晶粒的細化主要是通過MnAl6化合物彌散質(zhì)點對再結(jié)晶晶粒長大起阻礙作用。MnAl6的另一作用是能溶解雜質(zhì)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。
5.鋅元素Zn
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(yīng)力腐蝕開裂、傾向,因而***了它的應(yīng)用。
在鋁中同時加入鋅和鎂,形成強化相Mg/Zn2,對合金產(chǎn)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(yīng)力腐蝕開裂抗力***大。
如在Al-Zn-Mg基礎(chǔ)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***大,也是航天、航空工業(yè)、電力工業(yè)上的重要的鋁合金材料。
二、微量元素的影響
1.鐵和硅Fe-Si
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(zhì)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(chǎn)生裂紋,鑄鋁中鐵含量過高時會使鑄件產(chǎn)生脆性。
2.鈦和硼Ti-B
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(jié)晶時的非自發(fā)核心,起細化鑄造組織和焊縫組織的作用。Al-Ti系合金產(chǎn)生包反應(yīng)時,鈦的臨界含量約為0.15%,如果有硼存在則減速小到0.01%。
3.鉻Cr
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(jié)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(yīng)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。
4.鍶Sr
鍶是表面活性元素,在結(jié)晶學(xué)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(zhì)處理能改善合金的塑性加工性和***終產(chǎn)品質(zhì)量。由于鍶的變質(zhì)有效時間長、效果和再現(xiàn)性好等優(yōu)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(xué)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***低限度,力學(xué)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。
5.鋯元素Zr
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(jié)晶過程,細化再結(jié)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(jié)晶組織。
6.雜質(zhì)元素Re
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%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(qū)形成的臨界溫度降低。含鎂的鋁合金,能激發(fā)稀土元素的變質(zhì)作用。
三、雜質(zhì)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(jié)晶組織、提高再結(jié)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(yè)純鋁的導(dǎo)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(zhì)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(jié)構(gòu),減少熔鑄時的燒損和夾雜。鈹是有毒元素,能使人產(chǎn)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??刂圃?/span>8μg/ml以下。用作焊接基體的鋁合金也應(yīng)控制鈹?shù)暮俊?/span>
鈉在鋁中幾乎不溶解,***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(tài)吸附層,產(chǎn)生脆性開裂時,形成NaAlSi化合物,無游離鈉存在,不產(chǎn)生“鈉脆”。當鎂含量超2%時,鎂奪取硅,析出游離鈉,產(chǎn)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。
來源:中國鋁業(yè)網(wǎng)
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