Miedź
Gdy bogata w aluminium część stopu aluminium-miedź wynosi 548, maksymalna rozpuszczalność miedzi w aluminium wynosi 5,65%. Gdy temperatura spada do 302, rozpuszczalność miedzi wynosi 0,45%. Miedź jest ważnym pierwiastkiem stopowym i ma pewien efekt wzmacniający roztwór stały. Ponadto, CuAl2 wytrącony przez starzenie ma oczywisty efekt wzmacniający starzenie. Zawartość miedzi w stopach aluminium wynosi zwykle od 2,5% do 5%, a efekt wzmacniający jest najlepszy, gdy zawartość miedzi wynosi od 4% do 6,8%, więc zawartość miedzi w większości stopów duraluminium mieści się w tym zakresie. Stopy aluminium-miedź 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 maleje wraz ze spadkiem temperatury, stopów tych na ogół nie można wzmocnić przez obróbkę cieplną. Stop aluminium-krzem ma doskonałe właściwości odlewnicze i odporność na korozję. Jeśli magnez i krzem zostaną dodane do aluminium w tym samym czasie, aby utworzyć stop aluminium-magnez-krzem, fazą wzmacniającą jest MgSi. Stosunek masowy magnezu do krzemu wynosi 1,73:1. Podczas projektowania składu stopu Al-Mg-Si, zawartości magnezu i krzemu są konfigurowane w tym stosunku na matrycy. Aby poprawić wytrzymałość niektórych stopów Al-Mg-Si, dodaje się odpowiednią ilość miedzi, a odpowiednią ilość chromu dodaje się w celu zrównoważenia niekorzystnego wpływu miedzi na odporność na korozję.
Maksymalna rozpuszczalność Mg2Si w aluminium w bogatej w aluminium części diagramu faz równowagi układu stopu Al-Mg2Si wynosi 1,85%, a spowolnienie jest niewielkie wraz ze spadkiem temperatury. W odkształconych 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 odkształconych stopów aluminium wynosi mniej niż 6%. Zawartość krzemu jest również niska. Tego typu stopu nie można wzmocnić przez obróbkę cieplną, ale ma dobrą spawalność, dobrą odporność na korozję i średnią wytrzymałość. Wzmocnienie aluminium magnezem jest oczywiste. Na każde 1% wzrostu magnezu wytrzymałość na rozciąganie wzrasta o około 34 MPa. Jeśli doda się mniej niż 1% manganu, efekt wzmocnienia może zostać uzupełniony. 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 fazowego 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 maksymalną wartość. Stop Al-Mn jest stopem nieutwardzającym się pod wpływem starzenia, to znaczy, że nie można go wzmocnić przez obróbkę cieplną. Mangan może zapobiec procesowi rekrystalizacji stopów aluminium, zwiększyć temperaturę rekrystalizacji i znacznie rafinować rekrystalizowane ziarna. Rafinacja rekrystalizowanych ziaren wynika głównie z faktu, że rozproszone cząstki związków MnAl6 utrudniają wzrost rekrystalizowanych ziaren. Inną funkcją MnAl6 jest rozpuszczanie żelaza zanieczyszczeń w celu utworzenia (Fe, Mn)Al6, co zmniejsza szkodliwe działanie żelaza. Mangan jest ważnym pierwiastkiem w stopach aluminium. Można go dodawać samodzielnie, aby utworzyć 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 275 w bogatej w aluminium części diagramu faz równowagi układu stopu Al-Zn, podczas gdy jego rozpuszczalność spada do 5,6% w 125. Dodanie samego cynku do aluminium ma bardzo ograniczoną poprawę wytrzymałości stopu aluminium w warunkach odkształcenia. Jednocześnie istnieje tendencja do pękania korozyjnego naprężeniowego, co ogranicza jego zastosowanie. Dodanie cynku i magnezu do aluminium w tym samym czasie 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 Al-Zn-Mg tworzy stop serii Al-Zn-Mg-Cu. Efekt wzmocnienia bazy jest największy wśród wszystkich stopów aluminium. Jest to również ważny materiał stopu aluminium w przemyśle lotniczym, kosmonautycznym i elektroenergetycznym.
Żelazo i krzem
Żelazo jest dodawane jako pierwiastki stopowe w stopach aluminium serii Al-Cu-Mg-Ni-Fe, a krzem jest dodawany jako pierwiastki stopowe w stopach aluminium 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 zanieczyszczeniami, które mają znaczący wpływ na właściwości stopu. Występują głównie jako FeCl3 i wolny krzem. Gdy krzem jest większy od żelaza, powstaje faza β-FeSiAl3 (lub Fe2Si2Al9), a gdy żelazo jest większe od krzemu, 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 formie stopu Al-Ti lub Al-Ti-B. Tytan i aluminium tworzą fazę TiAl2, która staje się niespontanicznym rdzeniem podczas krystalizacji i odgrywa rolę w udoskonalaniu struktury odlewu i struktury spoiny. Gdy stopy Al-Ti przechodzą reakcję pakowania, krytyczna zawartość tytanu wynosi około 0,15%. Jeśli obecny jest bor, spowolnienie jest tak małe, jak 0,01%.
Chrom
Chrom jest powszechnym dodatkiem w stopach serii Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn i Al-Mg. W temperaturze 600°C rozpuszczalność chromu w aluminium wynosi 0,8% i jest on zasadniczo nierozpuszczalny w temperaturze pokojowej. Chrom tworzy związki międzymetaliczne, takie jak (CrFe)Al7 i (CrMn)Al12 w aluminium, co utrudnia proces krystalizacji i wzrostu rekrystalizacji i ma pewien efekt wzmacniający na stop. Może również poprawić wytrzymałość stopu i zmniejszyć podatność na pękanie korozyjne naprężeniowe.
Jednakże miejsce to zwiększa wrażliwość na hartowanie, przez co anodowana powłoka staje się żółta. Ilość chromu dodawanego do stopów aluminium na ogół nie przekracza 0,35% i zmniejsza się wraz ze wzrostem pierwiastków przejściowych w stopie.
Stront
Stront jest pierwiastkiem powierzchniowo czynnym, który może zmieniać zachowanie faz związków międzymetalicznych krystalograficznie. Dlatego obróbka modyfikacyjna pierwiastkiem strontu może poprawić plastyczną obrabialność stopu i jakość produktu końcowego. Ze względu na długi efektywny czas modyfikacji, dobry efekt i powtarzalność, stront zastąpił stosowanie sodu w stopach odlewniczych Al-Si w ostatnich latach. Dodanie 0,015%~0,03% strontu do stopu aluminium do wytłaczania zamienia fazę β-AlFeSi w wlewku w fazę α-AlFeSi, co skraca czas homogenizacji wlewka o 60%~70%, poprawiając właściwości mechaniczne i plastyczną obrabialność materiałów; poprawiając chropowatość powierzchni produktów.
W przypadku odkształconych stopów aluminium o wysokiej zawartości krzemu (10%~13%) dodanie 0,02%~0,07% strontu może zredukować pierwotne kryształy do minimum, a właściwości mechaniczne są również znacznie poprawione. Wytrzymałość na rozciąganie бb wzrasta z 233 MPa do 236 MPa, a granica plastyczności б0,2 wzrasta z 204 MPa do 210 MPa, a wydłużenie б5 wzrasta z 9% do 12%. Dodanie strontu do hipereutektycznego stopu Al-Si może zmniejszyć rozmiar pierwotnych cząstek krzemu, poprawić właściwości obróbki plastycznej i umożliwić gładkie walcowanie na gorąco i na zimno.
Cyrkon
Cyrkon jest również powszechnym dodatkiem w stopach 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 zrekrystalizowane ziarna. Cyrkon może również uszlachetniać strukturę odlewu, ale efekt jest mniejszy niż tytanu. Obecność cyrkonu zmniejszy efekt uszlachetniania ziarna przez tytan i bor. W stopach Al-Zn-Mg-Cu, ponieważ cyrkon ma mniejszy wpływ na wrażliwość na hartowanie niż chrom i mangan, właściwe jest użycie cyrkonu zamiast chromu i manganu w celu uszlachetnienia zrekrystalizowanej struktury.
Pierwiastki ziem rzadkich
Pierwiastki ziem rzadkich są dodawane do stopów aluminium w celu zwiększenia przechłodzenia komponentów podczas odlewania stopu aluminium, uszlachetnienia ziaren, zmniejszenia odstępów między kryształami wtórnymi, zmniejszenia gazów i wtrąceń w stopie oraz skłonności do sferoidyzacji fazy wtrąceń. Może to również zmniejszyć napięcie powierzchniowe stopu, zwiększyć płynność i ułatwić odlewanie do wlewków, co ma znaczący wpływ na wydajność procesu. Lepiej jest dodać różne pierwiastki ziem rzadkich w ilości około 0,1%. Dodanie mieszanych pierwiastków ziem rzadkich (mieszanych La-Ce-Pr-Nd itp.) obniża temperaturę krytyczną dla 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 ogniotrwały związek VAl11 w stopach aluminium, który odgrywa rolę w rafinacji ziaren podczas procesu topienia i odlewania, ale jego rola jest mniejsza niż tytanu i cyrkonu. Wanad ma również wpływ na rafinację 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 superplastyczność. Wapń i krzem tworzą CaSi, który jest nierozpuszczalny w aluminium. Ponieważ ilość stałego roztworu krzemu jest zmniejszona, przewodnictwo elektryczne przemysłowego czystego aluminium może zostać nieznacznie poprawione. Wapń może poprawić wydajność cięcia stopów aluminium. CaSi2 nie może wzmocnić 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 aluminium jest niewielka, co nieznacznie zmniejsza wytrzymałość stopu, ale może poprawić wydajność cięcia. Bizmut rozszerza się podczas krzepnięcia, co jest korzystne dla zasilania. Dodanie bizmutu do stopów o wysokiej zawartości magnezu może zapobiec kruchości sodu.
Antymon jest głównie stosowany jako modyfikator w odlewanych stopach aluminium i rzadko jest stosowany w odkształcanych stopach aluminium. Zastąp bizmut tylko w odkształcanych stopach aluminium Al-Mg, aby zapobiec kruchości sodu. Pierwiastek antymonu 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 i zmniejszyć straty spalania i wtrącenia podczas topienia i odlewania. Beryl jest toksycznym pierwiastkiem, który może powodować zatrucia alergiczne u ludzi. Dlatego beryl nie może być zawarty w stopach aluminium, które mają 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 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, tworzenie się związków NaAlSi, nie występuje wolny sód i nie wytwarza „kruchego sodu”.
Gdy zawartość magnezu przekracza 2%, magnez usuwa krzem i wytrąca wolny sód, co powoduje „kruchość sodową”. Dlatego stop aluminium o wysokiej zawartości magnezu nie może używać topnika sodowego. Metody zapobiegania „kruchości sodowej” obejmują chlorowanie, które powoduje, że sód tworzy NaCl i jest odprowadzany do żużla, dodawanie bizmutu w celu utworzenia Na2Bi i wnikania do matrycy metalicznej; dodawanie antymonu w celu utworzenia Na3Sb lub dodawanie metali ziem rzadkich może również mieć ten sam efekt.
Edytowane przez May Jiang z MAT Aluminium
Czas publikacji: 08-08-2024
