Χαλκός
Όταν το πλούσιο σε αλουμίνιο μέρος του κράματος αλουμινίου-χαλκού είναι 548, η μέγιστη διαλυτότητα του χαλκού στο αλουμίνιο είναι 5,65%. Όταν η θερμοκρασία πέσει στους 302°C, η διαλυτότητα του χαλκού είναι 0,45%. Ο χαλκός είναι ένα σημαντικό στοιχείο κράματος και έχει μια ορισμένη επίδραση ενίσχυσης του στερεού διαλύματος. Επιπλέον, το CuAl2 που κατακρημνίζεται από τη γήρανση έχει μια προφανή επίδραση ενίσχυσης της γήρανσης. Η περιεκτικότητα σε χαλκό στα κράματα αλουμινίου είναι συνήθως μεταξύ 2,5% και 5%, και το ενισχυτικό αποτέλεσμα είναι καλύτερο όταν η περιεκτικότητα σε χαλκό είναι μεταξύ 4% και 6,8%, επομένως η περιεκτικότητα σε χαλκό των περισσότερων κραμάτων ντουραλουμίου είναι εντός αυτού του εύρους. Τα κράματα αλουμινίου-χαλκού μπορεί να περιέχουν λιγότερο πυρίτιο, μαγνήσιο, μαγγάνιο, χρώμιο, ψευδάργυρο, σίδηρο και άλλα στοιχεία.
Πυρίτιο
Όταν το πλούσιο σε αλουμίνιο μέρος του συστήματος κράματος Al-Si έχει ευτηκτική θερμοκρασία 577, η μέγιστη διαλυτότητα του πυριτίου στο στερεό διάλυμα είναι 1,65%. Αν και η διαλυτότητα μειώνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας, αυτά τα κράματα γενικά δεν μπορούν να ενισχυθούν με θερμική επεξεργασία. Το κράμα αλουμινίου-πυριτίου έχει εξαιρετικές ιδιότητες χύτευσης και αντοχή στη διάβρωση. Εάν προστεθούν μαγνήσιο και πυρίτιο στο αλουμίνιο ταυτόχρονα για να σχηματιστεί ένα κράμα αλουμινίου-μαγνήσιου-πυριτίου, η φάση ενίσχυσης είναι MgSi. Η αναλογία μάζας μαγνησίου προς πυρίτιο είναι 1,73:1. Κατά το σχεδιασμό της σύνθεσης του κράματος Al-Mg-Si, τα περιεχόμενα σε μαγνήσιο και πυρίτιο διαμορφώνονται σε αυτήν την αναλογία στη μήτρα. Προκειμένου να βελτιωθεί η αντοχή ορισμένων κραμάτων Al-Mg-Si, προστίθεται κατάλληλη ποσότητα χαλκού και κατάλληλη ποσότητα χρωμίου για να αντισταθμιστούν οι δυσμενείς επιπτώσεις του χαλκού στην αντοχή στη διάβρωση.
Η μέγιστη διαλυτότητα του Mg2Si στο αλουμίνιο στο πλούσιο σε αλουμίνιο τμήμα του διαγράμματος φάσης ισορροπίας του συστήματος κράματος Al-Mg2Si είναι 1,85% και η επιβράδυνση είναι μικρή καθώς η θερμοκρασία μειώνεται. Στα παραμορφωμένα κράματα αλουμινίου, η προσθήκη πυριτίου μόνο στο αλουμίνιο περιορίζεται στα υλικά συγκόλλησης και η προσθήκη πυριτίου σε αλουμίνιο έχει επίσης μια ορισμένη ενισχυτική επίδραση.
Μαγνήσιο
Αν και η καμπύλη διαλυτότητας δείχνει ότι η διαλυτότητα του μαγνησίου στο αλουμίνιο μειώνεται σημαντικά όσο μειώνεται η θερμοκρασία, η περιεκτικότητα σε μαγνήσιο στα περισσότερα βιομηχανικά παραμορφωμένα κράματα αλουμινίου είναι μικρότερη από 6%. Η περιεκτικότητα σε πυρίτιο είναι επίσης χαμηλή. Αυτός ο τύπος κράματος δεν μπορεί να ενισχυθεί με θερμική επεξεργασία, αλλά έχει καλή συγκολλησιμότητα, καλή αντοχή στη διάβρωση και μέτρια αντοχή. Η ενίσχυση του αλουμινίου από το μαγνήσιο είναι εμφανής. Για κάθε αύξηση 1% στο μαγνήσιο, η αντοχή σε εφελκυσμό αυξάνεται κατά περίπου 34 MPa. Εάν προστεθεί λιγότερο από 1% μαγγάνιο, το ενισχυτικό αποτέλεσμα μπορεί να συμπληρωθεί. Επομένως, η προσθήκη μαγγανίου μπορεί να μειώσει την περιεκτικότητα σε μαγνήσιο και να μειώσει την τάση για θερμό ράγισμα. Επιπλέον, το μαγγάνιο μπορεί επίσης να κατακρημνίσει ομοιόμορφα ενώσεις Mg5Al8, βελτιώνοντας την αντοχή στη διάβρωση και την απόδοση συγκόλλησης.
Μαγγάνιο
Όταν η ευτηκτική θερμοκρασία του διαγράμματος επίπεδης φάσης ισορροπίας του συστήματος κράματος Al-Mn είναι 658, η μέγιστη διαλυτότητα του μαγγανίου στο στερεό διάλυμα είναι 1,82%. Η αντοχή του κράματος αυξάνεται με την αύξηση της διαλυτότητας. Όταν η περιεκτικότητα σε μαγγάνιο είναι 0,8%, η επιμήκυνση φτάνει τη μέγιστη τιμή. Το κράμα Al-Mn είναι ένα μη σκληρυντικό κράμα, δηλαδή δεν μπορεί να ενισχυθεί με θερμική επεξεργασία. Το μαγγάνιο μπορεί να αποτρέψει τη διαδικασία ανακρυστάλλωσης των κραμάτων αλουμινίου, να αυξήσει τη θερμοκρασία ανακρυστάλλωσης και να βελτιώσει σημαντικά τους ανακρυσταλλωμένους κόκκους. Η τελειοποίηση των ανακρυσταλλωμένων κόκκων οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι τα διεσπαρμένα σωματίδια των ενώσεων MnAl6 εμποδίζουν την ανάπτυξη των ανακρυσταλλωμένων κόκκων. Μια άλλη λειτουργία του MnAl6 είναι να διαλύει τον πρόσμικτο σίδηρο για να σχηματίσει (Fe, Mn)Al6, μειώνοντας τις βλαβερές συνέπειες του σιδήρου. Το μαγγάνιο είναι ένα σημαντικό στοιχείο στα κράματα αλουμινίου. Μπορεί να προστεθεί μόνο του για να σχηματίσει ένα δυαδικό κράμα Al-Mn. Πιο συχνά, προστίθεται μαζί με άλλα στοιχεία κράματος. Επομένως, τα περισσότερα κράματα αλουμινίου περιέχουν μαγγάνιο.
Ψευδάργυρος
Η διαλυτότητα του ψευδαργύρου στο αλουμίνιο είναι 31,6% στο 275 στο πλούσιο σε αλουμίνιο μέρος του διαγράμματος φάσης ισορροπίας του συστήματος κράματος Al-Zn, ενώ η διαλυτότητά του πέφτει στο 5,6% στους 125. Η προσθήκη ψευδαργύρου μόνο στο αλουμίνιο έχει πολύ περιορισμένη βελτίωση στο την αντοχή του κράματος αλουμινίου υπό συνθήκες παραμόρφωσης. Ταυτόχρονα, υπάρχει τάση για ρωγμές λόγω διάβρωσης λόγω καταπόνησης, περιορίζοντας έτσι την εφαρμογή του. Προσθέτοντας ψευδάργυρο και μαγνήσιο στο αλουμίνιο ταυτόχρονα σχηματίζεται η φάση ενίσχυσης Mg/Zn2, η οποία έχει σημαντική ενισχυτική επίδραση στο κράμα. Όταν η περιεκτικότητα σε Mg/Zn2 αυξάνεται από 0,5% σε 12%, η αντοχή εφελκυσμού και η αντοχή διαρροής μπορούν να αυξηθούν σημαντικά. Σε υπερσκληρά κράματα αλουμινίου όπου η περιεκτικότητα σε μαγνήσιο υπερβαίνει την απαιτούμενη ποσότητα για να σχηματιστεί η φάση Mg/Zn2, όταν η αναλογία ψευδαργύρου προς μαγνήσιο ελέγχεται περίπου στο 2,7, η αντοχή στη διάβρωση της τάσης είναι μεγαλύτερη. Για παράδειγμα, η προσθήκη στοιχείου χαλκού στο Al-Zn-Mg σχηματίζει ένα κράμα σειράς Al-Zn-Mg-Cu. Το αποτέλεσμα ενίσχυσης της βάσης είναι το μεγαλύτερο μεταξύ όλων των κραμάτων αλουμινίου. Είναι επίσης ένα σημαντικό υλικό από κράμα αλουμινίου στην αεροδιαστημική, τη βιομηχανία αερομεταφορών και τη βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας.
Σίδηρος και πυρίτιο
Ο σίδηρος προστίθεται ως στοιχεία κράματος στα σφυρήλατα κράματα αλουμινίου της σειράς Al-Cu-Mg-Ni-Fe και το πυρίτιο ως στοιχεία κράματος στο σφυρήλατο αλουμίνιο της σειράς Al-Mg-Si και στις ράβδους συγκόλλησης της σειράς Al-Si και στη χύτευση αλουμινίου-πυριτίου κράματα. Στα βασικά κράματα αλουμινίου, το πυρίτιο και ο σίδηρος είναι κοινά στοιχεία ακαθαρσιών, τα οποία έχουν σημαντικό αντίκτυπο στις ιδιότητες του κράματος. Υπάρχουν κυρίως ως FeCl3 και ελεύθερο πυρίτιο. Όταν το πυρίτιο είναι μεγαλύτερο από το σίδηρο, σχηματίζεται φάση β-FeSiAl3 (ή Fe2Si2Al9) και όταν ο σίδηρος είναι μεγαλύτερο από το πυρίτιο, σχηματίζεται α-Fe2SiAl8 (ή Fe3Si2Al12). Όταν η αναλογία σιδήρου και πυριτίου είναι ακατάλληλη, θα προκαλέσει ρωγμές στη χύτευση. Όταν η περιεκτικότητα σε σίδηρο στο χυτό αλουμίνιο είναι πολύ υψηλή, η χύτευση θα γίνει εύθραυστη.
Τιτάνιο και Βόριο
Το τιτάνιο είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο πρόσθετο στοιχείο σε κράματα αλουμινίου, που προστίθεται με τη μορφή κύριου κράματος Al-Ti ή Al-Ti-B. Το τιτάνιο και το αλουμίνιο σχηματίζουν τη φάση TiAl2, η οποία γίνεται ένας μη αυθόρμητος πυρήνας κατά την κρυστάλλωση και παίζει ρόλο στον καθαρισμό της δομής χύτευσης και της δομής συγκόλλησης. Όταν τα κράματα Al-Ti υποβάλλονται σε αντίδραση συσκευασίας, η κρίσιμη περιεκτικότητα σε τιτάνιο είναι περίπου 0,15%. Εάν υπάρχει βόριο, η επιβράδυνση είναι τόσο μικρή όσο 0,01%.
Χρώμιο
Το χρώμιο είναι ένα κοινό πρόσθετο στοιχείο στις σειρές Al-Mg-Si, σειρές Al-Mg-Zn και κράματα σειράς Al-Mg. Στους 600°C, η διαλυτότητα του χρωμίου στο αλουμίνιο είναι 0,8% και είναι βασικά αδιάλυτο σε θερμοκρασία δωματίου. Το χρώμιο σχηματίζει διαμεταλλικές ενώσεις όπως (CrFe)Al7 και (CrMn)Al12 στο αλουμίνιο, οι οποίες εμποδίζουν τη διαδικασία πυρήνωσης και ανάπτυξης της ανακρυστάλλωσης και έχει μια ορισμένη ενισχυτική επίδραση στο κράμα. Μπορεί επίσης να βελτιώσει την σκληρότητα του κράματος και να μειώσει την ευαισθησία σε ρωγμές λόγω διάβρωσης.
Ωστόσο, η θέση αυξάνει την ευαισθησία σβέσης, κάνοντας το ανοδιωμένο φιλμ κίτρινο. Η ποσότητα χρωμίου που προστίθεται στα κράματα αλουμινίου γενικά δεν υπερβαίνει το 0,35% και μειώνεται με την αύξηση των μεταβατικών στοιχείων στο κράμα.
Στρόντιο
Το στρόντιο είναι ένα επιφανειοδραστικό στοιχείο που μπορεί να αλλάξει τη συμπεριφορά των φάσεων των διαμεταλλικών ενώσεων κρυσταλλογραφικά. Επομένως, η επεξεργασία τροποποίησης με στοιχείο στροντίου μπορεί να βελτιώσει την πλαστική εργασιμότητα του κράματος και την ποιότητα του τελικού προϊόντος. Λόγω του μεγάλου χρόνου αποτελεσματικής τροποποίησης, της καλής επίδρασης και της αναπαραγωγιμότητάς του, το στρόντιο έχει αντικαταστήσει τη χρήση νατρίου στα κράματα χύτευσης Al-Si τα τελευταία χρόνια. Η προσθήκη 0,015%~0,03% στροντίου στο κράμα αλουμινίου για εξώθηση μετατρέπει τη φάση β-AlFeSi στο πλινθίο σε φάση α-AlFeSi, μειώνοντας τον χρόνο ομογενοποίησης του πλινθώματος κατά 60%~70%, βελτιώνοντας τις μηχανικές ιδιότητες και τη δυνατότητα πλαστικής επεξεργασίας των υλικών. βελτίωση της τραχύτητας της επιφάνειας των προϊόντων.
Για παραμορφωμένα κράματα αλουμινίου με υψηλή περιεκτικότητα σε πυρίτιο (10%~13%), η προσθήκη στοιχείου στροντίου 0,02%~0,07% μπορεί να μειώσει τους πρωτεύοντες κρυστάλλους στο ελάχιστο και οι μηχανικές ιδιότητες βελτιώνονται επίσης σημαντικά. Η αντοχή εφελκυσμού бb αυξάνεται από 233 MPa σε 236 MPa και η αντοχή διαρροής б0,2 αυξήθηκε από 204 MPa σε 210 MPa και η επιμήκυνση б5 αυξήθηκε από 9% σε 12%. Η προσθήκη στροντίου στο υπερευτηκτικό κράμα Al-Si μπορεί να μειώσει το μέγεθος των πρωτογενών σωματιδίων πυριτίου, να βελτιώσει τις ιδιότητες επεξεργασίας του πλαστικού και να επιτρέψει την ομαλή έλαση με ζεστό και κρύο.
Ζιρκόνιο
Το ζιρκόνιο είναι επίσης ένα κοινό πρόσθετο στα κράματα αλουμινίου. Γενικά, η ποσότητα που προστίθεται στα κράματα αλουμινίου είναι 0,1%~0,3%. Το ζιρκόνιο και το αλουμίνιο σχηματίζουν ενώσεις ZrAl3, οι οποίες μπορούν να εμποδίσουν τη διαδικασία ανακρυστάλλωσης και να εξευγενίσουν τους ανακρυσταλλωμένους κόκκους. Το ζιρκόνιο μπορεί επίσης να βελτιώσει τη δομή χύτευσης, αλλά το αποτέλεσμα είναι μικρότερο από το τιτάνιο. Η παρουσία ζιρκονίου θα μειώσει την επίδραση διύλισης των κόκκων του τιτανίου και του βορίου. Στα κράματα Al-Zn-Mg-Cu, δεδομένου ότι το ζιρκόνιο έχει μικρότερη επίδραση στην ευαισθησία απόσβεσης από το χρώμιο και το μαγγάνιο, είναι σκόπιμο να χρησιμοποιείται ζιρκόνιο αντί για χρώμιο και μαγγάνιο για να τελειοποιηθεί η ανακρυσταλλωμένη δομή.
Στοιχεία σπανίων γαιών
Στοιχεία σπάνιων γαιών προστίθενται στα κράματα αλουμινίου για να αυξήσουν την υπερψύξη των συστατικών κατά τη χύτευση κράματος αλουμινίου, να βελτιώσουν τους κόκκους, να μειώσουν την απόσταση των δευτερογενών κρυστάλλων, να μειώσουν τα αέρια και τα εγκλείσματα στο κράμα και να τείνουν να σφαιροειδοποιούν τη φάση εγκλεισμού. Μπορεί επίσης να μειώσει την επιφανειακή τάση του τήγματος, να αυξήσει τη ρευστότητα και να διευκολύνει τη χύτευση σε πλινθώματα, γεγονός που έχει σημαντικό αντίκτυπο στην απόδοση της διαδικασίας. Είναι προτιμότερο να προσθέσετε διάφορες σπάνιες γαίες σε ποσότητα περίπου 0,1%. Η προσθήκη μικτών σπάνιων γαιών (ανάμεικτα La-Ce-Pr-Nd, κ.λπ.) μειώνει την κρίσιμη θερμοκρασία για το σχηματισμό της γήρανσης ζώνης G?P σε κράμα Al-0,65%Mg-0,61%Si. Τα κράματα αλουμινίου που περιέχουν μαγνήσιο μπορούν να διεγείρουν τη μεταμόρφωση των στοιχείων σπάνιων γαιών.
Ακαθαρσία
Το βανάδιο σχηματίζει πυρίμαχη ένωση VAl11 σε κράματα αλουμινίου, η οποία παίζει ρόλο στον καθαρισμό των κόκκων κατά τη διαδικασία τήξης και χύτευσης, αλλά ο ρόλος του είναι μικρότερος από αυτόν του τιτανίου και του ζιρκονίου. Το βανάδιο έχει επίσης ως αποτέλεσμα τον καθαρισμό της ανακρυσταλλωμένης δομής και την αύξηση της θερμοκρασίας ανακρυστάλλωσης.
Η στερεά διαλυτότητα του ασβεστίου στα κράματα αλουμινίου είναι εξαιρετικά χαμηλή και σχηματίζει μια ένωση CaAl4 με το αλουμίνιο. Το ασβέστιο είναι ένα υπερπλαστικό στοιχείο κραμάτων αλουμινίου. Ένα κράμα αλουμινίου με περίπου 5% ασβέστιο και 5% μαγγάνιο έχει υπερπλαστικότητα. Το ασβέστιο και το πυρίτιο σχηματίζουν CaSi, το οποίο είναι αδιάλυτο στο αλουμίνιο. Δεδομένου ότι η ποσότητα του στερεού διαλύματος του πυριτίου μειώνεται, η ηλεκτρική αγωγιμότητα του βιομηχανικού καθαρού αλουμινίου μπορεί να βελτιωθεί ελαφρώς. Το ασβέστιο μπορεί να βελτιώσει την απόδοση κοπής των κραμάτων αλουμινίου. Το CaSi2 δεν μπορεί να ενισχύσει τα κράματα αλουμινίου μέσω θερμικής επεξεργασίας. Μικρές ποσότητες ασβεστίου βοηθούν στην απομάκρυνση του υδρογόνου από το λιωμένο αλουμίνιο.
Τα στοιχεία μολύβδου, κασσίτερου και βισμούθιου είναι μέταλλα χαμηλού σημείου τήξης. Η στερεά διαλυτότητά τους στο αλουμίνιο είναι μικρή, γεγονός που μειώνει ελαφρώς την αντοχή του κράματος, αλλά μπορεί να βελτιώσει την απόδοση κοπής. Το βισμούθιο διαστέλλεται κατά τη στερεοποίηση, κάτι που είναι ευεργετικό για τη διατροφή. Η προσθήκη βισμούθιου σε κράματα με υψηλή περιεκτικότητα σε μαγνήσιο μπορεί να αποτρέψει την ευθραυστότητα του νατρίου.
Το αντιμόνιο χρησιμοποιείται κυρίως ως τροποποιητής σε χυτά κράματα αλουμινίου και σπάνια χρησιμοποιείται σε παραμορφωμένα κράματα αλουμινίου. Αντικαταστήστε μόνο το βισμούθιο σε παραμορφωμένο κράμα αλουμινίου Al-Mg για να αποτρέψετε την ευθραυστότητα του νατρίου. Στοιχείο αντιμονίου προστίθεται σε ορισμένα κράματα Al-Zn-Mg-Cu για τη βελτίωση της απόδοσης των διεργασιών θερμής και ψυχρής έκθλιψης.
Το βηρύλλιο μπορεί να βελτιώσει τη δομή του φιλμ οξειδίου σε παραμορφωμένα κράματα αλουμινίου και να μειώσει την απώλεια καύσης και τα εγκλείσματα κατά την τήξη και τη χύτευση. Το βηρύλλιο είναι ένα τοξικό στοιχείο που μπορεί να προκαλέσει αλλεργική δηλητηρίαση στον άνθρωπο. Επομένως, το βηρύλλιο δεν μπορεί να περιέχεται σε κράματα αλουμινίου που έρχονται σε επαφή με τρόφιμα και ποτά. Η περιεκτικότητα σε βηρύλλιο στα υλικά συγκόλλησης συνήθως ελέγχεται κάτω από 8μg/ml. Τα κράματα αλουμινίου που χρησιμοποιούνται ως υποστρώματα συγκόλλησης θα πρέπει επίσης να ελέγχουν την περιεκτικότητα σε βηρύλλιο.
Το νάτριο είναι σχεδόν αδιάλυτο στο αλουμίνιο και η μέγιστη διαλυτότητα σε στερεά είναι μικρότερη από 0,0025%. το σημείο τήξης του νατρίου είναι χαμηλό (97,8℃), όταν το νάτριο υπάρχει στο κράμα, προσροφάται στην επιφάνεια του δενδρίτη ή στο όριο του κόκκου κατά τη στερεοποίηση, κατά τη διάρκεια της θερμής επεξεργασίας, το νάτριο στο όριο των κόκκων σχηματίζει ένα στρώμα προσρόφησης υγρού, με αποτέλεσμα την εύθραυστη ρωγμή, το σχηματισμό ενώσεων NaAlSi, δεν υπάρχει ελεύθερο νάτριο και δεν παράγει «εύθραυστο νάτριο».
Όταν η περιεκτικότητα σε μαγνήσιο υπερβαίνει το 2%, το μαγνήσιο αφαιρεί το πυρίτιο και καθιζάνει ελεύθερο νάτριο, με αποτέλεσμα την «ευθραυστότητα νατρίου». Επομένως, το κράμα αλουμινίου με υψηλή περιεκτικότητα σε μαγνήσιο δεν επιτρέπεται να χρησιμοποιεί ροή άλατος νατρίου. Οι μέθοδοι για την πρόληψη της «ευθραυστότητας του νατρίου» περιλαμβάνουν τη χλωρίωση, η οποία προκαλεί το νάτριο να σχηματίσει NaCl και απορρίπτεται στη σκωρία, προσθέτοντας βισμούθιο για να σχηματίσει Na2Bi και εισχωρώντας στη μεταλλική μήτρα. Η προσθήκη αντιμονίου για να σχηματιστεί Na3Sb ή η προσθήκη σπάνιων γαιών μπορεί επίσης να έχει το ίδιο αποτέλεσμα.
Επιμέλεια May Jiang από το MAT Aluminium
Ώρα δημοσίευσης: Αύγ-08-2024
