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, η διαλυτότητα του χαλκού είναι 0,45%. Ο χαλκός είναι ένα σημαντικό στοιχείο του κράματος και έχει μια ορισμένη επίδραση ενίσχυσης στερεού διαλύματος. Επιπλέον, το CuAl2 που καθιζάνει με τη γήρανση έχει μια εμφανή επίδραση ενίσχυσης γήρανσης. Η περιεκτικότητα σε χαλκό στα κράματα αλουμινίου είναι συνήθως μεταξύ 2,5% και 5%, και η επίδραση ενίσχυσης είναι καλύτερη όταν η περιεκτικότητα σε χαλκό είναι μεταξύ 4% και 6,8%, επομένως η περιεκτικότητα σε χαλκό των περισσότερων κραμάτων ντουραλουμίνης είναι εντός αυτού του εύρους. Τα κράματα αλουμινίου-χαλκού μπορούν 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°F, 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 μαγνήσιο και πυρίτιο προστεθούν στο αλουμίνιο ταυτόχρονα για να σχηματιστεί ένα κράμα αλουμινίου-μαγνησίου-πυριτίου, η φάση ενίσχυσης είναι MgSi. Η αναλογία μάζας μαγνησίου προς πυρίτιο είναι 1,73:1. Κατά τον σχεδιασμό της σύνθεσης του κράματος Al-Mg-Si, η περιεκτικότητα σε μαγνήσιο και πυρίτιο διαμορφώνεται 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 αρνητικές επιπτώσεις του χαλκού στην αντοχή στη διάβρωση.
Η μέγιστη διαλυτότητα του Mg2Si στο αλουμίνιο στο πλούσιο σε αλουμίνιο τμήμα του διαγράμματος ισορροπίας φάσεων του συστήματος κράματος Al-Mg2Si είναι 1,85% και η επιβράδυνση είναι μικρή καθώς μειώνεται η θερμοκρασία. Στα παραμορφωμένα κράματα αλουμινίου, η προσθήκη μόνο πυριτίου στο αλουμίνιο περιορίζεται στα υλικά συγκόλλησης και η προσθήκη πυριτίου στο αλουμίνιο έχει επίσης μια ορισμένη ενισχυτική δράση.
Μαγνήσιο
Αν και η καμπύλη διαλυτότητας δείχνει ότι η διαλυτότητα του μαγνησίου στο αλουμίνιο μειώνεται σημαντικά καθώς 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 με μαγνήσιο είναι προφανής. Για κάθε αύξηση 1% στο μαγνήσιο, η αντοχή σε εφελκυσμό αυξάνεται κατά περίπου 34MPa. Εάν προστεθεί λιγότερο από 1% μαγγάνιο, η επίδραση ενίσχυσης μπορεί να συμπληρωθεί. Επομένως, η προσθήκη μαγγανίου μπορεί να μειώσει την περιεκτικότητα σε μαγνήσιο και να μειώσει την τάση για θερμή ρωγμάτωση. Επιπλέον, το μαγγάνιο μπορεί επίσης να καθιζάνει ομοιόμορφα τις ενώσεις Mg5Al8, βελτιώνοντας την αντοχή στη διάβρωση και την απόδοση συγκόλλησης.
Μαγγάνιο
Όταν η ευτηκτική θερμοκρασία του επίπεδου διαγράμματος φάσεων ισορροπίας του συστήματος κράματος Al-Mn είναι 658°F, 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 στη μέγιστη τιμή. Το κράμα Al-Mn είναι ένα κράμα που δεν σκληραίνει με την πάροδο του χρόνου, 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 βελτίωση των ανακρυσταλλωμένων κόκκων οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι τα διασκορπισμένα σωματίδια των ενώσεων MnAl6 εμποδίζουν την ανάπτυξη των ανακρυσταλλωμένων κόκκων. Μια άλλη λειτουργία του MnAl6 είναι η διάλυση της πρόσμιξης σιδήρου για να σχηματίσει (Fe, Mn)Al6, μειώνοντας τις βλαβερές επιπτώσεις του σιδήρου. Το μαγγάνιο είναι ένα σημαντικό στοιχείο στα κράματα αλουμινίου. Μπορεί να προστεθεί μόνο του για να σχηματίσει ένα δυαδικό κράμα Al-Mn. Συχνότερα, προστίθεται μαζί με άλλα στοιχεία κράματος. Επομένως, τα περισσότερα κράματα αλουμινίου περιέχουν μαγγάνιο.
Ψευδάργυρος
Η διαλυτότητα του ψευδαργύρου στο αλουμίνιο είναι 31,6% στους 275°C στο πλούσιο σε αλουμίνιο τμήμα του διαγράμματος ισορροπίας φάσεων του συστήματος κράματος Al-Zn, ενώ η διαλυτότητά του μειώνεται στο 5,6% στους 125°C. Η προσθήκη μόνο ψευδαργύρου στο αλουμίνιο έχει πολύ περιορισμένη βελτίωση στην αντοχή του κράματος αλουμινίου υπό συνθήκες παραμόρφωσης. Ταυτόχρονα, υπάρχει τάση για ρωγμές λόγω διάβρωσης λόγω τάσης, περιορίζοντας έτσι την εφαρμογή του. Η ταυτόχρονη προσθήκη ψευδαργύρου και μαγνησίου στο αλουμίνιο σχηματίζει την ενισχυτική φάση Mg/Zn2, η οποία έχει σημαντική ενισχυτική επίδραση στο κράμα. Όταν η περιεκτικότητα σε Mg/Zn2 αυξάνεται από 0,5% σε 12%, η αντοχή σε εφελκυσμό και το όριο 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 ρωγμάτωση λόγω διάβρωσης λόγω τάσης είναι η μέγιστη. Για παράδειγμα, η προσθήκη στοιχείου χαλκού σε Al-Zn-Mg σχηματίζει ένα κράμα σειράς Al-Zn-Mg-Cu. Η επίδραση ενίσχυσης της βάσης είναι η μεγαλύτερη μεταξύ όλων των κραμάτων αλουμινίου. Είναι επίσης ένα σημαντικό υλικό κράματος αλουμινίου στην αεροδιαστημική, την αεροπορική βιομηχανία και τη βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας.
Σίδηρος και πυρίτιο
Ο σίδηρος προστίθεται ως στοιχεία κράματος στα κράματα αλουμινίου της σειράς Al-Cu-Mg-Ni-Fe, και το πυρίτιο προστίθεται ως στοιχεία κράματος στα κράματα αλουμινίου της σειράς Al-Mg-Si και στις ράβδους συγκόλλησης της σειράς Al-Si και στα κράματα χύτευσης αλουμινίου-πυριτίου. Στα βασικά κράματα αλουμινίου, το πυρίτιο και ο σίδηρος είναι κοινά στοιχεία πρόσμειξης, τα οποία έχουν σημαντικό αντίκτυπο στις ιδιότητες του κράματος. Υπάρχουν κυρίως ως FeCl3 και ελεύθερο πυρίτιο. Όταν το πυρίτιο είναι μεγαλύτερο από τον σίδηρο, σχηματίζεται η φάση β-FeSiAl3 (ή Fe2Si2Al9), και όταν ο σίδηρος είναι μεγαλύτερος από το πυρίτιο, σχηματίζεται η φάση α-Fe2SiAl8 (ή Fe3Si2Al12). Όταν η αναλογία σιδήρου και πυριτίου είναι ακατάλληλη, θα προκαλέσει ρωγμές στο χυτό. Όταν η περιεκτικότητα σε σίδηρο στο χυτό αλουμίνιο είναι πολύ υψηλή, το χυτό θα γίνει εύθραυστο.
Τιτάνιο και Βόριο
Το τιτάνιο είναι ένα συνήθως χρησιμοποιούμενο πρόσθετο στοιχείο σε κράματα αλουμινίου, το οποίο 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 στη βελτίωση της δομής χύτευσης και της δομής συγκόλλησης. Όταν τα κράματα Al-Ti υφίστανται 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, Al-Mg-Zn και κράματα Al-Mg. Στους 600°C, η διαλυτότητα του χρωμίου στο αλουμίνιο είναι 0,8% και είναι ουσιαστικά αδιάλυτο σε θερμοκρασία δωματίου. Το χρώμιο σχηματίζει μεσομεταλλικές ενώσεις όπως (CrFe)Al7 και (CrMn)Al12 στο αλουμίνιο, οι οποίες εμποδίζουν τη διαδικασία πυρήνωσης και ανάπτυξης της ανακρυστάλλωσης και έχουν μια ορισμένη ενισχυτική επίδραση στο κράμα. Μπορεί επίσης να βελτιώσει την ανθεκτικότητα του κράματος και να μειώσει την ευαισθησία στη διάβρωση λόγω καταπόνησης.
Ωστόσο, η θέση αυξάνει την ευαισθησία απόσβεσης, καθιστώντας την ανοδιωμένη μεμβράνη κίτρινη. Η ποσότητα χρωμίου που προστίθεται στα κράματα αλουμινίου γενικά δεν υπερβαίνει το 0,35% και μειώνεται με την αύξηση των στοιχείων μετάβασης στο κράμα.
Στρόντιο
Το στρόντιο είναι ένα επιφανειοδραστικό στοιχείο που μπορεί να αλλάξει κρυσταλλογραφικά τη συμπεριφορά των φάσεων των μεσομεταλλικών ενώσεων. Επομένως, η επεξεργασία τροποποίησης με στοιχείο στροντίου μπορεί να βελτιώσει την πλαστική κατεργασιμότητα του κράματος και την ποιότητα του τελικού προϊόντος. Λόγω του μεγάλου χρόνου αποτελεσματικής τροποποίησης, του καλού αποτελέσματος και της αναπαραγωγιμότητας, 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 πλινθώμα σε φάση α-AlFeSi, μειώνοντας τον χρόνο ομογενοποίησης του πλινθώματος κατά 60%~70%, βελτιώνοντας τις μηχανικές ιδιότητες και την πλαστική κατεργασιμότητα των υλικών, βελτιώνοντας την τραχύτητα της επιφάνειας των προϊόντων.
Για παραμορφωμένα κράματα αλουμινίου με υψηλή περιεκτικότητα σε πυρίτιο (10%~13%), η προσθήκη στοιχείου στροντίου σε αναλογία 0,02%~0,07% μπορεί να μειώσει τους πρωτογενείς κρυστάλλους στο ελάχιστο, ενώ οι μηχανικές ιδιότητες βελτιώνονται επίσης σημαντικά. Η αντοχή σε εφελκυσμό βb αυξάνεται από 233MPa σε 236MPa, το όριο διαρροής β0,2 αυξάνεται από 204MPa σε 210MPa και η επιμήκυνση β5 αυξάνεται από 9% σε 12%. Η προσθήκη στροντίου σε υπερευτηκτικό κράμα Al-Si μπορεί να μειώσει το μέγεθος των πρωτογενών σωματιδίων πυριτίου, να βελτιώσει τις ιδιότητες επεξεργασίας πλαστικού και να επιτρέψει την ομαλή θερμή και ψυχρή έλαση.
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 βελτιώσουν 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 το αποτέλεσμα εξευγενισμού των κόκκων του τιτανίου και του βορίου. Στα κράματα Al-Zn-Mg-Cu, επειδή 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 βελτιωθεί η ανακρυσταλλωμένη δομή.
Στοιχεία σπάνιων γαιών
Τα στοιχεία σπάνιων γαιών προστίθενται στα κράματα αλουμινίου για να αυξήσουν την υπερψύξη των συστατικών κατά τη χύτευση κραμάτων αλουμινίου, να βελτιώσουν τους κόκκους, να μειώσουν την απόσταση μεταξύ των δευτερογενών κρυστάλλων, να μειώσουν τα αέρια και τα εγκλείσματα στο κράμα και να τείνουν να σφαιροποιήσουν 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 καλύτερο να προστεθούν διάφορες σπάνιες γαίες σε ποσότητα περίπου 0,1%. Η προσθήκη μικτών σπάνιων γαιών (μικτό La-Ce-Pr-Nd, κ.λπ.) μειώνει την κρίσιμη θερμοκρασία για τον σχηματισμό της ζώνης γήρανσης G₂P στο κράμα Al-0,65%Mg-0,61%Si. Τα κράματα αλουμινίου που περιέχουν μαγνήσιο μπορούν να διεγείρουν τον μεταμορφισμό των στοιχείων σπάνιων γαιών.
Ακαθαρσία
Το βανάδιο σχηματίζει την πυρίμαχη ένωση VAl11 σε κράματα αλουμινίου, η οποία παίζει ρόλο στον εξευγενισμό 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 εξευγενισμό της ανακρυσταλλωμένης δομής και την αύξηση της θερμοκρασίας ανακρυστάλλωσης.
Η στερεά διαλυτότητα του ασβεστίου σε κράματα αλουμινίου είναι εξαιρετικά χαμηλή και σχηματίζει μια ένωση CaAl4 με αλουμίνιο. Το ασβέστιο είναι ένα υπερπλαστικό στοιχείο των 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 πυριτίου στο στερεό διάλυμα 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. Ίχνη ασβεστίου είναι χρήσιμα στην απομάκρυνση υδρογόνου από το τηγμένο αλουμίνιο.
Τα στοιχεία μολύβδου, κασσιτέρου και βισμούθιου είναι μέταλλα χαμηλού σημείου τήξης. Η διαλυτότητά τους σε στερεά μορφή 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 την τροφοδοσία. Η προσθήκη βισμούθιου σε κράματα υψηλής περιεκτικότητας 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 το βισμούθιο σε παραμορφωμένο κράμα αλουμινίου Al-Mg μόνο για να αποτρέψετε την ευθραυστότητα του νατρίου. Το στοιχείο αντιμόνιο προστίθεται σε ορισμένα κράματα Al-Zn-Mg-Cu για να βελτιώσει την απόδοση των διεργασιών θερμής και ψυχρής συμπίεσης.
Το βηρύλλιο μπορεί να βελτιώσει τη δομή της μεμβράνης οξειδίου σε παραμορφωμένα κράματα αλουμινίου και να μειώσει τις απώλειες καύσης και τις εγκλείσεις κατά την τήξη και τη χύτευση. Το βηρύλλιο είναι ένα τοξικό στοιχείο που μπορεί να προκαλέσει αλλεργική δηλητηρίαση στους ανθρώπους. 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 μορφή είναι μικρότερη από 0,0025%. Το σημείο τήξης του νατρίου είναι χαμηλό (97,8℃). Όταν υπάρχει νάτριο στο κράμα, προσροφάται στην επιφάνεια των δενδριτών ή στα όρια των κόκκων κατά τη στερεοποίηση. Κατά τη θερμή επεξεργασία, το νάτριο στα όρια των κόκκων σχηματίζει ένα στρώμα υγρής προσρόφησης, με αποτέλεσμα την εύθραυστη ρωγμάτωση, τον σχηματισμό ενώσεων NaAlSi, δεν υπάρχει ελεύθερο νάτριο και δεν παράγει «εύθραυστο νάτριο».
Όταν η περιεκτικότητα σε μαγνήσιο υπερβαίνει το 2%, το μαγνήσιο απομακρύνει το πυρίτιο και καθιζάνει το ελεύθερο νάτριο, με αποτέλεσμα την «ευθραυστότητα του νατρίου». Επομένως, δεν επιτρέπεται η χρήση ροής άλατος νατρίου σε κράματα αλουμινίου με υψηλή περιεκτικότητα σε μαγνήσιο. Οι μέθοδοι για την πρόληψη της «ευθραυστότητας του νατρίου» περιλαμβάνουν τη χλωρίωση, η οποία προκαλεί το σχηματισμό NaCl από το νάτριο και το οποίο εκκενώνεται στη σκωρία, την προσθήκη βισμούθιου για να σχηματίσει Na2Bi και την είσοδό του στη μεταλλική μήτρα. Η προσθήκη αντιμονίου για να σχηματίσει Na3Sb ή η προσθήκη σπάνιων γαιών μπορεί επίσης να έχει το ίδιο αποτέλεσμα.
Επιμέλεια: May Jiang από το MAT Aluminum
Ώρα δημοσίευσης: 08 Αυγούστου 2024
