Miedź
Gdy stop aluminium z miedzią ma zawartość 548%, maksymalna rozpuszczalność miedzi w aluminium wynosi 5,65%. Gdy temperatura spada do 302°C, rozpuszczalność miedzi wynosi 0,45%. Miedź jest ważnym składnikiem stopów i wykazuje pewne właściwości wzmacniające roztwór stały. Ponadto, wytrącony w procesie starzenia CuAl2 wykazuje wyraźne właściwości wzmacniające. Zawartość miedzi w stopach aluminium wynosi zazwyczaj od 2,5% do 5%, a najlepsze właściwości wzmacniające uzyskuje się przy zawartości miedzi od 4% do 6,8%, co oznacza, że zawartość miedzi w większości stopów duraluminium mieści się w tym zakresie. Stopy aluminium z miedzią mogą zawierać mniej krzemu, magnezu, manganu, chromu, cynku, żelaza i innych pierwiastków.
Krzem
Gdy bogata w aluminium część układu stopu Al-Si ma temperaturę eutektyczną 577°C, maksymalna rozpuszczalność krzemu w roztworze stałym wynosi 1,65%. Chociaż rozpuszczalność maleje wraz ze spadkiem temperatury, stopy te zazwyczaj nie mogą być wzmacniane przez obróbkę cieplną. Stop aluminiowo-krzemowy charakteryzuje się doskonałymi właściwościami odlewniczymi i odpornością na korozję. Jeśli do aluminium doda się jednocześnie magnez i krzem, aby utworzyć stop aluminiowo-magnezowo-krzemowy, fazą wzmacniającą jest MgSi. Stosunek masowy magnezu do krzemu wynosi 1,73:1. Podczas projektowania składu stopu Al-Mg-Si, zawartość magnezu i krzemu jest konfigurowana w tym stosunku na matrycy. Aby poprawić wytrzymałość niektórych stopów Al-Mg-Si, dodaje się odpowiednią ilość miedzi i odpowiednią ilość chromu, aby zrównoważyć niekorzystny wpływ miedzi na odporność na korozję.
Maksymalna rozpuszczalność Mg₂Si w aluminium w bogatej w aluminium części diagramu fazowego równowagi układu stopu Al-Mg₂Si wynosi 1,85%, a spadek prędkości jest niewielki wraz ze spadkiem temperatury. W odkształcanych stopach aluminium dodatek samego krzemu do aluminium jest ograniczony do materiałów spawalniczych, a dodatek krzemu do aluminium ma również pewien efekt wzmacniający.
Magnez
Chociaż krzywa rozpuszczalności pokazuje, że rozpuszczalność magnezu w aluminium znacznie spada wraz ze spadkiem temperatury, zawartość magnezu w większości przemysłowych odkształcanych stopów aluminium wynosi mniej niż 6%. Zawartość krzemu jest również niska. Tego typu stopu nie można wzmocnić poprzez obróbkę cieplną, ale charakteryzuje się dobrą spawalnością, dobrą odpornością na korozję i średnią wytrzymałością. Wzmocnienie aluminium magnezem jest oczywiste. Każdy 1% wzrost zawartości magnezu powoduje wzrost wytrzymałości na rozciąganie o około 34 MPa. Dodatek manganu w ilości mniejszej niż 1% może wzmocnić efekt wzmocnienia. Dlatego dodanie manganu może zmniejszyć zawartość magnezu i zmniejszyć tendencję do pękania na gorąco. Ponadto mangan może również równomiernie wytrącać związki Mg5Al8, poprawiając odporność na korozję i właściwości spawalnicze.
Mangan
Gdy temperatura eutektyczna płaskiego diagramu fazowego równowagi układu stopu Al-Mn wynosi 658°C, maksymalna rozpuszczalność manganu w roztworze stałym wynosi 1,82%. Wytrzymałość stopu rośnie wraz ze wzrostem rozpuszczalności. Gdy zawartość manganu wynosi 0,8%, wydłużenie osiąga wartość maksymalną. Stop Al-Mn jest stopem nieutwardzającym się starzeniowo, co oznacza, że nie można go wzmocnić poprzez obróbkę cieplną. Mangan może zapobiegać procesowi rekrystalizacji stopów aluminium, podwyższać temperaturę rekrystalizacji i znacząco rafinować rekrystalizowane ziarna. Rafinacja rekrystalizowanych ziaren wynika głównie z faktu, że rozproszone cząstki związków MnAl6 hamują wzrost rekrystalizowanych ziaren. Inną funkcją MnAl6 jest rozpuszczanie domieszek żelaza, tworząc (Fe, Mn)Al6, co zmniejsza szkodliwe działanie żelaza. Mangan jest ważnym pierwiastkiem w stopach aluminium. Można go dodawać samodzielnie, tworząc stop binarny Al-Mn. Częściej dodaje się go w połączeniu z innymi pierwiastkami stopowymi. Dlatego większość stopów aluminium zawiera mangan.
Cynk
Rozpuszczalność cynku w aluminium wynosi 31,6% w temperaturze 275°C w bogatej w aluminium części diagramu fazowego równowagi układu stopu Al-Zn, podczas gdy jego rozpuszczalność spada do 5,6% w temperaturze 125°C. Dodanie samego cynku do aluminium ma bardzo ograniczony wpływ na poprawę wytrzymałości stopu aluminium w warunkach odkształcenia. Jednocześnie występuje tendencja do pękania korozyjnego naprężeniowego, co ogranicza jego zastosowanie. Dodanie cynku i magnezu do aluminium jednocześnie tworzy fazę wzmacniającą Mg/Zn2, która ma znaczący wpływ wzmacniający na stop. Gdy zawartość Mg/Zn2 zostanie zwiększona z 0,5% do 12%, wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności mogą zostać znacznie zwiększone. W supertwardych stopach aluminium, w których zawartość magnezu przekracza ilość wymaganą do utworzenia fazy Mg/Zn2, gdy stosunek cynku do magnezu jest kontrolowany na poziomie około 2,7, odporność na pękanie korozyjne naprężeniowe jest największa. Na przykład, dodanie miedzi do stopu Al-Zn-Mg tworzy stop szeregowy Al-Zn-Mg-Cu. Efekt wzmocnienia bazy jest największy spośród wszystkich stopów aluminium. Jest to również ważny materiał stopowy w przemyśle lotniczym, kosmonautycznym i energetycznym.
Żelazo i krzem
Żelazo jest dodawane jako pierwiastek stopowy w stopach aluminium przetworzonego plastycznie serii Al-Cu-Mg-Ni-Fe, a krzem jest dodawany jako pierwiastek stopowy w stopach aluminium przetworzonego plastycznie serii Al-Mg-Si oraz w prętach spawalniczych serii Al-Si i stopach odlewniczych aluminiowo-krzemowych. W podstawowych stopach aluminium krzem i żelazo są powszechnymi domieszkami, które mają znaczący wpływ na właściwości stopu. Występują głównie jako FeCl3 i wolny krzem. Gdy krzem jest większy niż żelazo, powstaje faza β-FeSiAl3 (lub Fe2Si2Al9), a gdy żelazo jest większe niż krzem, powstaje faza α-Fe2SiAl8 (lub Fe3Si2Al12). Gdy stosunek żelaza do krzemu jest niewłaściwy, spowoduje to pęknięcia w odlewie. Gdy zawartość żelaza w odlewie aluminiowym jest zbyt wysoka, odlew stanie się kruchy.
Tytan i bor
Tytan jest powszechnie stosowanym dodatkiem do stopów aluminium, dodawanym w postaci stopu Al-Ti lub Al-Ti-B. Tytan i aluminium tworzą fazę TiAl2, która podczas krystalizacji staje się niespontanicznym rdzeniem i odgrywa rolę w udoskonaleniu struktury odlewu i spoiny. Gdy stopy Al-Ti ulegają reakcji pakietowej, krytyczna zawartość tytanu wynosi około 0,15%. W obecności boru, spowolnienie jest niewielkie i wynosi zaledwie 0,01%.
Chrom
Chrom jest powszechnym dodatkiem do stopów Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn i Al-Mg. W temperaturze 600°C rozpuszczalność chromu w aluminium wynosi 0,8% i jest on praktycznie nierozpuszczalny w temperaturze pokojowej. Chrom tworzy w aluminium związki międzymetaliczne, takie jak (CrFe)Al7 i (CrMn)Al12, które hamują proces zarodkowania i wzrostu rekrystalizacji oraz w pewnym stopniu wzmacniają stop. Może również poprawiać wytrzymałość stopu i zmniejszać podatność na pękanie korozyjne naprężeniowe.
Jednakże, miejsce to zwiększa wrażliwość na hartowanie, powodując żółknięcie powłoki anodowanej. Ilość chromu dodawanego do stopów aluminium zazwyczaj nie przekracza 0,35% i maleje wraz ze wzrostem zawartości pierwiastków przejściowych w stopie.
Stront
Stront jest pierwiastkiem powierzchniowo czynnym, który może zmieniać krystalograficznie zachowanie faz związków międzymetalicznych. Dlatego modyfikacja z użyciem strontu może poprawić plastyczność stopu i jakość produktu końcowego. Ze względu na długi czas efektywnej modyfikacji, dobry efekt i powtarzalność, stront zastąpił w ostatnich latach sód w stopach odlewniczych Al-Si. Dodanie 0,015%–0,03% strontu do stopu aluminium przeznaczonego do wytłaczania przekształca fazę β-AlFeSi we wlewku w fazę α-AlFeSi, skracając czas homogenizacji wlewka o 60%–70%, poprawiając właściwości mechaniczne i plastyczność materiałów, a także poprawiając chropowatość powierzchni wyrobów.
W przypadku odkształcanych stopów aluminium o wysokiej zawartości krzemu (10%–13%), dodanie strontu w ilości 0,02–0,07% pozwala na redukcję kryształów pierwotnych do minimum, a także znacząco poprawia właściwości mechaniczne. Wytrzymałość na rozciąganie бb wzrasta z 233 MPa do 236 MPa, granica plastyczności б0,2 wzrasta z 204 MPa do 210 MPa, a wydłużenie б5 wzrasta z 9% do 12%. Dodatek strontu do hipereutektycznego stopu Al-Si może zmniejszyć rozmiar cząstek krzemu pierwotnego, poprawić właściwości przetwórstwa plastycznego oraz umożliwić gładkie walcowanie na gorąco i na zimno.
Cyrkon
Cyrkon jest również powszechnym dodatkiem do stopów aluminium. Zazwyczaj jego ilość dodawana do stopów aluminium wynosi 0,1%–0,3%. Cyrkon i aluminium tworzą związki ZrAl3, które mogą utrudniać proces rekrystalizacji i rozdrabniać zrekrystalizowane ziarna. Cyrkon może również uszlachetniać strukturę odlewu, ale jego wpływ jest mniejszy niż w przypadku tytanu. Obecność cyrkonu zmniejsza efekt rozdrabniania ziarna przez tytan i bor. W stopach Al-Zn-Mg-Cu, ponieważ cyrkon ma mniejszy wpływ na wrażliwość na hartowanie niż chrom i mangan, w celu uszlachetnienia zrekrystalizowanej struktury wskazane jest użycie cyrkonu zamiast chromu i manganu.
Pierwiastki ziem rzadkich
Pierwiastki ziem rzadkich dodaje się do stopów aluminium w celu zwiększenia przechłodzenia elementów podczas odlewania stopu aluminium, rozdrobnienia ziaren, zmniejszenia odstępów między kryształami wtórnymi, redukcji gazów i wtrąceń w stopie oraz zwiększenia sferoidyzacji fazy wtrąceń. Może to również zmniejszyć napięcie powierzchniowe stopu, zwiększyć płynność i ułatwić odlewanie w postaci wlewków, co ma znaczący wpływ na wydajność procesu. Zaleca się dodawanie różnych pierwiastków ziem rzadkich w ilości około 0,1%. Dodatek mieszanych pierwiastków ziem rzadkich (np. La-Ce-Pr-Nd) obniża temperaturę krytyczną dla powstawania strefy starzenia G₂P w stopie Al-0,65%Mg-0,61%Si. Stopy aluminium zawierające magnez mogą stymulować metamorfizm pierwiastków ziem rzadkich.
Zanieczyszczenie
Wanad tworzy w stopach aluminium ogniotrwały związek VAl11, który odgrywa rolę w rozdrabnianiu ziaren podczas procesu topienia i odlewania, ale jego rola jest mniejsza niż w przypadku tytanu i cyrkonu. Wanad ma również wpływ na rozdrabnianie struktury po rekrystalizacji i podwyższanie temperatury rekrystalizacji.
Rozpuszczalność wapnia w stopach aluminium w stanie stałym jest wyjątkowo niska i tworzy on związek CaAl4 z aluminium. Wapń jest pierwiastkiem nadplastycznym stopów aluminium. Stop aluminium zawierający około 5% wapnia i 5% manganu wykazuje nadplastyczność. Wapń i krzem tworzą CaSi, który jest nierozpuszczalny w aluminium. Ponieważ zawartość krzemu w roztworze stałym ulega zmniejszeniu, przewodność elektryczna czystego aluminium przemysłowego może ulec nieznacznej poprawie. Wapń może poprawić właściwości skrawania stopów aluminium. CaSi2 nie wzmacnia stopów aluminium poprzez obróbkę cieplną. Śladowe ilości wapnia są pomocne w usuwaniu wodoru z roztopionego aluminium.
Ołów, cyna i bizmut to metale o niskiej temperaturze topnienia. Ich rozpuszczalność w stanie stałym w aluminium jest niewielka, co nieznacznie obniża wytrzymałość stopu, ale może poprawić parametry skrawania. Bizmut rozszerza się podczas krzepnięcia, co jest korzystne dla zasilania. Dodanie bizmutu do stopów o wysokiej zawartości magnezu może zapobiec kruchości sodu.
Antymon jest stosowany głównie jako modyfikator w odlewanych stopach aluminium, a rzadko w odkształcanych stopach aluminium. W odkształcanych stopach aluminium Al-Mg należy zastępować bizmut tylko w celu zapobiegania kruchości sodowej. Antymon jest dodawany do niektórych stopów Al-Zn-Mg-Cu w celu poprawy wydajności procesów prasowania na gorąco i na zimno.
Beryl może poprawić strukturę warstwy tlenkowej w odkształconych stopach aluminium oraz zmniejszyć straty podczas spalania i wtrącenia podczas topienia i odlewania. Beryl jest pierwiastkiem toksycznym, który może powodować zatrucia alergiczne u ludzi. Dlatego beryl nie może występować w stopach aluminium mających kontakt z żywnością i napojami. Zawartość berylu w materiałach spawalniczych jest zazwyczaj kontrolowana poniżej 8 μg/ml. Stopy aluminium stosowane jako podłoża spawalnicze również powinny mieć kontrolowaną zawartość berylu.
Sód jest prawie nierozpuszczalny w aluminium, a maksymalna rozpuszczalność w stanie stałym wynosi mniej niż 0,0025%. Temperatura topnienia sodu jest niska (97,8℃). Gdy sód jest obecny w stopie, jest adsorbowany na powierzchni dendrytów lub na granicy ziaren podczas krzepnięcia. Podczas obróbki na gorąco sód na granicy ziaren tworzy warstwę adsorpcyjną cieczy, co powoduje kruche pękanie i powstawanie związków NaAlSi. Nie występuje wolny sód i nie powstaje „kruchy sód”.
Gdy zawartość magnezu przekroczy 2%, magnez wypiera krzem i wytrąca wolny sód, co powoduje „kruchość sodową”. Dlatego w stopach aluminium o wysokiej zawartości magnezu nie wolno stosować topnika sodowego. Metody zapobiegania „kruchości sodowej” obejmują chlorowanie, które powoduje, że sód tworzy NaCl, który jest odprowadzany do żużla, dodawanie bizmutu, tworząc Na₂Bi i wnikając do osnowy metalicznej; dodanie antymonu, tworząc Na₂Sb, lub dodanie pierwiastków ziem rzadkich może również przynieść ten sam efekt.
Edytowane przez May Jiang z MAT Aluminum
Czas publikacji: 08-08-2024
