Miedź
Gdy część stopu aluminiowo-miedzianego bogata w aluminium wynosi 548, maksymalna rozpuszczalność miedzi w aluminium wynosi 5,65%. Gdy temperatura spadnie do 302°C, rozpuszczalność miedzi wynosi 0,45%. Miedź jest ważnym pierwiastkiem stopowym i ma pewne działanie wzmacniające roztwór stały. Ponadto CuAl2 wytrącony w wyniku starzenia ma oczywisty efekt wzmacniający starzenie. Zawartość miedzi w stopach aluminium wynosi zwykle od 2,5% do 5%, a efekt wzmocnienia jest najlepszy, gdy zawartość miedzi wynosi od 4% do 6,8%, więc zawartość miedzi w większości stopów duraluminium mieści się w tym zakresie. Stopy aluminiowo-miedziane 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, maksymalna rozpuszczalność krzemu w roztworze stałym wynosi 1,65%. Chociaż rozpuszczalność zmniejsza się wraz ze spadkiem temperatury, stopów tych na ogół nie można wzmocnić poprzez obróbkę cieplną. Stop aluminiowo-krzemowy ma doskonałe właściwości odlewnicze i odporność na korozję. Jeśli do aluminium doda się jednocześnie magnez i krzem w celu utworzenia stopu aluminium-magnez-krzem, fazą wzmacniającą będzie MgSi. Stosunek masowy magnezu do krzemu wynosi 1,73:1. Projektując skład stopu Al-Mg-Si, zawartość magnezu i krzemu konfiguruje się w tej proporcji na osnowie. W celu poprawy wytrzymałości niektórych stopów Al-Mg-Si dodaje się odpowiednią ilość miedzi oraz odpowiednią ilość chromu, aby zrównoważyć niekorzystny wpływ miedzi na odporność na korozję.
Maksymalna rozpuszczalność Mg2Si w aluminium w bogatej w glin części równowagowego diagramu fazowego układu stopowego Al-Mg2Si wynosi 1,85%, a opóźnienie jest małe w miarę spadku temperatury. W odkształconych stopach aluminium dodatek samego krzemu do aluminium ogranicza się do materiałów spawalniczych, a dodatek krzemu do aluminium ma również pewne działanie wzmacniające.
Magnez
Chociaż krzywa rozpuszczalności pokazuje, że rozpuszczalność magnezu w aluminium znacznie maleje wraz ze spadkiem temperatury, zawartość magnezu w większości odkształconych przemysłowo stopów aluminium jest mniejsza niż 6%. Zawartość krzemu jest również niska. Tego typu stopu nie można wzmocnić poprzez obróbkę cieplną, ale ma dobrą spawalność, dobrą odporność na korozję i średnią wytrzymałość. Wzmocnienie aluminium magnezem jest oczywiste. Na każdy 1% wzrost zawartości magnezu wytrzymałość na rozciąganie wzrasta o około 34 MPa. Jeśli doda się mniej niż 1% manganu, działanie wzmacniające można uzupełnić. 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 wydajność spawania.
Mangan
Gdy temperatura eutektyczna płaskiego diagramu faz równowagi układu stopu Al-Mn wynosi 658, maksymalna rozpuszczalność manganu w roztworze stałym wynosi 1,82%. Wytrzymałość stopu wzrasta wraz ze wzrostem rozpuszczalności. Gdy zawartość manganu wynosi 0,8%, wydłużenie osiąga wartość maksymalną. Stop Al-Mn jest stopem nieutwardzalnym, to znaczy nie można go wzmocnić poprzez obróbkę cieplną. Mangan może zapobiegać procesowi rekrystalizacji stopów aluminium, zwiększać temperaturę rekrystalizacji i znacznie uszlachetniać rekrystalizowane ziarna. Uszlachetnianie ziaren zrekrystalizowanych wynika głównie z faktu, że rozproszone cząstki związków MnAl6 utrudniają wzrost ziaren zrekrystalizowanych. Inną funkcją MnAl6 jest rozpuszczanie zanieczyszczonego żelaza w celu utworzenia (Fe, Mn)Al6, zmniejszając szkodliwe działanie żelaza. Mangan jest ważnym pierwiastkiem stopów aluminium. Można go dodać samodzielnie, tworząc stop binarny Al-Mn. Częściej dodaje się go razem 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 glin części równowagowego diagramu fazowego układu stopu Al-Zn, podczas gdy jego rozpuszczalność spada do 5,6% w temperaturze 125°C. Dodanie samego cynku do aluminium powoduje bardzo ograniczoną poprawę wytrzymałość stopu aluminium w warunkach odkształcenia. Jednocześnie istnieje tendencja do pękania korozyjnego naprężeniowego, co ogranicza jego zastosowanie. Jednoczesny dodatek cynku i magnezu do aluminium tworzy fazę wzmacniającą Mg/Zn2, która ma znaczący wpływ wzmacniający stop. Gdy zawartość Mg/Zn2 zostanie zwiększona z 0,5% do 12%, można znacznie zwiększyć wytrzymałość na rozciąganie i granicę plastyczności. W supertwardych stopach aluminium, w których zawartość magnezu przekracza ilość wymaganą do wytworzenia 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 pierwiastka miedzi do Al-Zn-Mg tworzy stop serii Al-Zn-Mg-Cu. Efekt wzmocnienia podstawy jest największy spośród wszystkich stopów aluminium. Jest także ważnym materiałem ze stopu aluminium w przemyśle lotniczym, lotniczym i elektroenergetycznym.
Żelazo i krzem
Żelazo dodaje się jako pierwiastki stopowe do stopów aluminium do przeróbki plastycznej serii Al-Cu-Mg-Ni-Fe, a krzem dodaje się jako pierwiastki stopowe do przerobu plastycznego aluminium serii Al-Mg-Si oraz w prętach spawalniczych serii Al-Si i odlewach aluminiowo-krzemowych stopy. W bazowych 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 od żelaza, tworzy się faza β-FeSiAl3 (lub Fe2Si2Al9), a gdy żelazo jest większe od krzemu, powstaje α-Fe2SiAl8 (lub Fe3Si2Al12). Gdy stosunek żelaza i 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 zaprawy Al-Ti lub Al-Ti-B. Tytan i aluminium tworzą fazę TiAl2, która podczas krystalizacji staje się niespontanicznym rdzeniem i odgrywa rolę w uszlachetnianiu struktury odlewu i struktury spoiny. Gdy stopy Al-Ti ulegają reakcji pakowania, krytyczna zawartość tytanu wynosi około 0,15%. Jeśli występuje bor, spowolnienie jest tak małe, jak 0,01%.
Chrom
Chrom jest powszechnym dodatkiem w stopach serii Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn i serii Al-Mg. W temperaturze 600°C rozpuszczalność chromu w aluminium wynosi 0,8%, a w temperaturze pokojowej jest on zasadniczo nierozpuszczalny. Chrom tworzy w aluminium związki międzymetaliczne, takie jak (CrFe)Al7 i (CrMn)Al12, co utrudnia proces zarodkowania i wzrostu w wyniku rekrystalizacji oraz ma pewne działanie wzmacniające stop. Może również poprawić wytrzymałość stopu i zmniejszyć podatność na pękanie korozyjne naprężeniowe.
Jednakże miejsce to zwiększa czułość hartowania, powodując żółknięcie anodowanej folii. Ilość chromu dodawanego do stopów aluminium na ogół 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 obróbka modyfikacyjna pierwiastkiem strontu może poprawić plastyczność stopu i jakość produktu końcowego. Ze względu na długi efektywny czas modyfikacji, dobry efekt i powtarzalność, w ostatnich latach stront zastąpił stosowanie sodu w stopach odlewniczych Al-Si. Dodanie 0,015% ~ 0,03% strontu do stopu aluminium do wytłaczania zamienia fazę β-AlFeSi we wlewku w fazę α-AlFeSi, skracając czas homogenizacji wlewka o 60% ~ 70%, poprawiając właściwości mechaniczne i przetwarzalność plastyczną materiałów; poprawa chropowatości powierzchni produktów.
W przypadku odkształconych stopów aluminium o wysokiej zawartości krzemu (10% ~ 13%) dodanie 0,02% ~ 0,07% pierwiastka strontu może zredukować kryształy pierwotne do minimum, a także znacznie poprawić właściwości mechaniczne. Zwiększono wytrzymałość na rozciąganie бb z 233 MPa do 236 MPa, granicę plastyczności б0,2 z 204 MPa do 210 MPa, a wydłużenie б5 wzrosło z 9% do 12%. Dodanie strontu do nadeutektycznego stopu Al-Si może zmniejszyć wielkość pierwotnych cząstek krzemu, poprawić właściwości przetwórstwa tworzyw sztucznych i umożliwić płynne walcowanie na gorąco i na zimno.
Cyrkon
Cyrkon jest również powszechnym dodatkiem do stopów aluminium. Ogólnie rzecz biorąc, ilość dodawana do stopów aluminium wynosi 0,1% ~ 0,3%. Cyrkon i aluminium tworzą związki ZrAl3, które mogą utrudniać proces rekrystalizacji i uszlachetniać rekrystalizowane ziarna. Cyrkon może również udoskonalić strukturę odlewu, ale efekt jest mniejszy niż tytan. Obecność cyrkonu zmniejszy efekt rozdrabniania ziaren tytanu i boru. W stopach Al-Zn-Mg-Cu, ponieważ cyrkon ma mniejszy wpływ na czułość hartowania niż chrom i mangan, w celu udoskonalenia rekrystalizowanej struktury właściwe jest stosowanie cyrkonu zamiast chromu i manganu.
Pierwiastki ziem rzadkich
Pierwiastki ziem rzadkich dodaje się do stopów aluminium w celu zwiększenia przechłodzenia komponentów podczas odlewania stopu aluminium, rozdrobnienia ziaren, zmniejszenia odstępów między kryształami wtórnymi, redukcji gazów i wtrąceń w stopie oraz mają tendencję do sferoidyzacji fazy włączenia. Może również zmniejszać napięcie powierzchniowe wytopu, zwiększać płynność i ułatwiać odlewanie we wlewki, co ma istotny wpływ na wydajność procesu. Lepiej jest dodawać różne pierwiastki ziem rzadkich w ilości około 0,1%. Dodatek mieszanych pierwiastków ziem rzadkich (mieszanka La-Ce-Pr-Nd itp.) obniża temperaturę krytyczną tworzenia się strefy starzenia G?P 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 związek ogniotrwały VAL11, który odgrywa rolę w rozdrobnieniu ziaren w procesie topienia i odlewania, ale jego rola jest mniejsza niż tytanu i cyrkonu. Wanad ma również wpływ na udoskonalenie rekrystalizowanej struktury i zwiększenie temperatury rekrystalizacji.
Stała rozpuszczalność wapnia w stopach aluminium jest wyjątkowo niska i tworzy on związek CaAl4 z aluminium. Wapń jest superplastycznym pierwiastkiem stopów aluminium. Stop aluminium zawierający około 5% wapnia i 5% manganu ma nadplastyczność. Wapń i krzem tworzą CaSi, który jest nierozpuszczalny w aluminium. Ponieważ ilość krzemu w roztworze stałym jest zmniejszona, można nieznacznie poprawić przewodność elektryczną czystego aluminium przemysłowego. Wapń może poprawić wydajność cięcia stopów aluminium. CaSi2 nie może wzmocnić stopów aluminium poprzez obróbkę cieplną. Śladowe ilości wapnia są pomocne w usuwaniu wodoru ze stopionego aluminium.
Ołów, cyna i bizmut to metale o niskiej temperaturze topnienia. Ich stała rozpuszczalność w aluminium jest niewielka, co nieznacznie zmniejsza wytrzymałość stopu, ale może poprawić wydajność cięcia. Bizmut rozszerza się podczas krzepnięcia, co jest korzystne dla karmienia. Dodanie bizmutu do stopów o wysokiej zawartości magnezu może zapobiec kruchości sodu.
Antymon jest stosowany głównie jako modyfikator w odlewanych stopach aluminium i jest rzadko stosowany w odkształconych stopach aluminium. Bizmut należy zastępować wyłącznie w odkształconym stopie aluminium Al-Mg, aby zapobiec kruchości sodu. Do niektórych stopów Al-Zn-Mg-Cu dodaje się element antymonu w celu poprawy wydajności procesów prasowania na gorąco i na zimno.
Beryl może poprawić strukturę warstwy tlenku w odkształconych stopach aluminium oraz zmniejszyć straty podczas spalania i wtrącenia podczas topienia i odlewania. Beryl jest pierwiastkiem toksycznym, który może powodować zatrucie alergiczne u ludzi. Dlatego beryl nie może być zawarty w stopach aluminium mających kontakt z żywnością i napojami. Zawartość berylu w materiałach spawalniczych jest zwykle kontrolowana poniżej 8 μg/ml. Stopy aluminium stosowane jako podłoża spawalnicze powinny również kontrolować zawartość berylu.
Sód jest prawie nierozpuszczalny w aluminium, a maksymalna rozpuszczalność w postaci stałej jest mniejsza niż 0,0025%. temperatura topnienia sodu jest niska (97,8℃), gdy w stopie występuje sód, podczas krzepnięcia jest on adsorbowany na powierzchni dendrytu lub na granicy ziaren, podczas obróbki na gorąco sód na granicy ziaren tworzy ciekłą warstwę adsorpcyjną, powodując kruche pękanie, tworzenie się związków NaAlSi, nie istnieje wolny sód i nie wytwarza się „kruchego sodu”.
Gdy zawartość magnezu przekracza 2%, magnez usuwa krzem i wytrąca wolny sód, co powoduje „kruchość sodu”. Dlatego w stopie aluminium o wysokiej zawartości magnezu nie wolno stosować topnika soli sodowej. Metody zapobiegania „kruchości sodu” obejmują chlorowanie, które powoduje, że sód tworzy NaCl i jest odprowadzany do żużla, dodając bizmut, tworząc Na2Bi i przedostając się do metalowej osnowy; dodanie antymonu w celu utworzenia Na3Sb lub dodanie pierwiastków ziem rzadkich może również mieć ten sam efekt.
Pod redakcją May Jiang z MAT Aluminium
Czas publikacji: 8 sierpnia 2024 r
