Die Rolle verschiedener Elemente in Aluminiumlegierungen

1. Einfluss von Legierungselementen
Kupferelement Cu
Wenn der aluminiumreiche Teil der Aluminium-Kupfer-Legierung 548 beträgt, beträgt die maximale Löslichkeit von Kupfer in Aluminium 5,65 %. Wenn die Temperatur auf 302 sinkt, beträgt die Löslichkeit von Kupfer 0,45 %. Kupfer ist ein wichtiges Legierungselement und hat eine gewisse mischkristallfestigende Wirkung. Darüber hinaus hat das durch Alterung ausgeschiedene CuAl2 eine offensichtlich alterungsverstärkende Wirkung. Der Kupfergehalt in Aluminiumlegierungen beträgt normalerweise 2,5 % bis 5 %, und die Verstärkungswirkung ist am besten, wenn der Kupfergehalt 4 % bis 6,8 % beträgt, sodass der Kupfergehalt der meisten harten Aluminiumlegierungen in diesem Bereich liegt.
Aluminium-Kupfer-Legierungen können weniger Silizium, Magnesium, Mangan, Chrom, Zink, Eisen und andere Elemente enthalten.
Siliziumelement Si
Wenn der aluminiumreiche Teil des Al-Si-Legierungssystems die eutektische Temperatur von 577 °C aufweist, beträgt die maximale Löslichkeit von Silizium in der festen Lösung 1,65 %. Obwohl die Löslichkeit mit sinkender Temperatur abnimmt, kann diese Art von Legierung im Allgemeinen nicht wärmebehandelt und verfestigt werden. Aluminium-Silizium-Legierungen zeichnen sich durch hervorragende Gusseigenschaften und Korrosionsbeständigkeit aus.
Werden dem Aluminium gleichzeitig Magnesium und Silizium zu einer Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung zugesetzt, handelt es sich bei der Verfestigungsphase um MgSi. Das Massenverhältnis von Magnesium zu Silizium beträgt 1,73:1. Bei der Gestaltung der Zusammensetzung der Al-Mg-Si-Legierung wird der Gehalt an Magnesium und Silizium in diesem Verhältnis auf der Matrix eingestellt. Um die Festigkeit einiger Al-Mg-Si-Legierungen zu verbessern, wird eine angemessene Menge Kupfer hinzugefügt, und eine angemessene Menge Chrom wird hinzugefügt, um die nachteilige Wirkung von Kupfer auf die Korrosionsbeständigkeit auszugleichen.
Die maximale Löslichkeit von Mg2Si im aluminiumreichen Teil des Gleichgewichtsphasendiagramms der Al-Mg2Si-Legierung in Aluminium beträgt 1,85 %, und die Verzögerung ist mit sinkender Temperatur gering.
In verformten Aluminiumlegierungen ist die alleinige Zugabe von Silizium zu Aluminium auf Schweißmaterialien beschränkt, und Silizium, das Aluminium zugesetzt wird, hat auch eine gewisse verstärkende Wirkung.
Magnesium Mg
Al-Mg-Legierungssystem-Gleichgewichtsphasendiagramm aluminiumreicher Teil Obwohl die Löslichkeitskurve zeigt, dass die Löslichkeit von Magnesium in Aluminium mit sinkender Temperatur stark abnimmt, beträgt der Magnesiumgehalt in den meisten industriell verformten Aluminiumlegierungen weniger als 6 % und der Siliziumgehalt ist ebenfalls niedrig. Diese Art von Legierung kann nicht wärmebehandelt und verstärkt werden, weist jedoch eine gute Schweißbarkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und mittlere Festigkeit auf.
Die Verstärkung von Aluminium durch Magnesium ist offensichtlich. Mit jedem Anstieg des Magnesiumgehalts um 1 % erhöht sich die Zugfestigkeit um etwa 34 MPa. Wenn weniger als 1 % Mangan hinzugefügt werden, kann dies die stärkende Wirkung verstärken. Daher kann die Zugabe von Mangan den Magnesiumgehalt und die Heißrissneigung verringern. Darüber hinaus kann Mangan auch dazu führen, dass Mg5Al8-Verbindungen gleichmäßig ausgefällt werden, wodurch die Korrosionsbeständigkeit und die Schweißleistung verbessert werden.
Manganelement Mn
Al-Mn-Legierungssystem-Gleichgewichtsphasendiagrammteil Bei der eutektischen Temperatur von 658 beträgt die maximale Löslichkeit von Mangan in der festen Lösung 1,82 %. Die Legierungsfestigkeit nimmt mit zunehmender Löslichkeit zu. Bei einem Mangangehalt von 0,8 % erreicht die Dehnung den Maximalwert. Die Al-Mn-Legierung ist eine nicht aushärtende Legierung, das heißt, sie kann nicht durch Wärmebehandlung verstärkt werden.
Mangan kann den Rekristallisationsprozess einer Aluminiumlegierung verhindern, die Rekristallisationstemperatur erhöhen und die rekristallisierten Körner erheblich verfeinern. Die Verfeinerung rekristallisierter Körner erfolgt hauptsächlich durch dispergierte Partikel der MnAl6-Verbindung, die das Wachstum rekristallisierter Körner behindern. Eine weitere Funktion von MnAl6 besteht darin, unreines Eisen unter Bildung von (Fe, Mn)Al6 aufzulösen und so die schädlichen Auswirkungen von Eisen zu reduzieren.
Mangan ist ein wichtiges Element in Aluminiumlegierungen. Es kann alleine zugesetzt werden, um binäre Al-Mn-Legierungen zu bilden, und häufiger auch mit anderen Legierungselementen. Daher enthalten die meisten Aluminiumlegierungen Mangan.
Zinkelement Zn
Die Löslichkeit von Zink in Aluminium beträgt 31,6 % bei 275 im aluminiumreichen Teil des Gleichgewichtsphasendiagramms des Al-Zn-Legierungssystems und sinkt bei 125 auf 5,6 %.
Wenn Zink allein zu Aluminium hinzugefügt wird, ist die Verbesserung der Festigkeit der Aluminiumlegierung unter Verformungsbedingungen sehr begrenzt und es besteht die Tendenz zur Spannungsrisskorrosion, was die Anwendung einschränkt.
Die gleichzeitige Zugabe von Zink und Magnesium zu Aluminium zur Bildung einer Festigungsphase Mg/Zn2 hat einen erheblichen Festigungseffekt auf die Legierung. Bei einer Erhöhung des Mg/Zn2-Gehalts von 0,5 % auf 12 % können Zugfestigkeit und Streckgrenze deutlich gesteigert werden. Wenn der Magnesiumgehalt die zur Bildung der Mg/Zn2-Phase erforderliche superharte Aluminiumlegierung übersteigt, ist die Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit am größten, wenn das Verhältnis von Zink zu Magnesium auf etwa 2,7 eingestellt wird.
Beispielsweise hat die Zugabe von Kupfer zur Al-Zn-Mg-Basis zur Bildung einer Al-Zn-Mg-Cu-Legierung den größten Verstärkungseffekt unter allen Aluminiumlegierungen und ist auch ein wichtiges Aluminiumlegierungsmaterial in der Luft- und Raumfahrt- und Energieindustrie.
2. Einfluss von Spurenelementen
Eisen und Silizium Fe-Si
Eisen wird als Legierungselement in Al-Cu-Mg-Ni-Fe-Schmiedealuminiumlegierungen hinzugefügt, und Silizium wird als Legierungselement in Al-Mg-Si-Schmiedaluminium sowie in Al-Si-Schweißstäben und Aluminium-Silizium-Gusslegierungen hinzugefügt. In anderen Aluminiumlegierungen sind Silizium und Eisen häufige Verunreinigungselemente und haben einen erheblichen Einfluss auf die Legierungseigenschaften. Sie liegen hauptsächlich als FeCl3 und freies Silizium vor.
Wenn Silizium größer als Eisen ist, wird die Phase β-FeSiAl3 (oder Fe2Si2Al9) gebildet, und wenn Eisen größer als Silizium ist, wird α-Fe2SiAl8 (Fe3Si2Al12) gebildet. Wenn das Verhältnis von Eisen zu Silizium nicht angemessen ist, führt dies zu Rissen im Gussstück, und wenn der Eisengehalt im Aluminiumguss zu hoch ist, wird das Gussstück spröde.
Titan und Bor Ti-B
Titan ist ein häufig verwendetes Zusatzelement in Aluminiumlegierungen und wird in Form einer Al-Ti- oder Al-Ti-B-Vorlegierung hinzugefügt. Titan bildet mit Aluminium die TiAl2-Phase, die während der Kristallisation zu einem nicht spontanen Kern wird und eine Rolle bei der Verfeinerung der Gussstruktur und der Schweißstruktur spielt. Wenn Al-Ti-Legierungen eine Paketreaktion hervorrufen, liegt der kritische Titangehalt bei etwa 0,15 %, und wenn Bor vorhanden ist, verlangsamt er sich auf 0,01 %.
Chrom Cr
Chrom ist ein häufiges Zusatzelement in Al-Mg-Si-, Al-Mg-Zn- und Al-Mg-Legierungen. Bei 600℃ beträgt die Löslichkeit von Chrom in Aluminium 0,8 %, bei Raumtemperatur ist es praktisch unlöslich.
Chrom bildet in Aluminium intermetallische Verbindungen wie (CrFe)Al7 und (CrMn)Al12, die den Keimbildungs- und Wachstumsprozess der Rekristallisation behindern, eine gewisse verstärkende Wirkung auf die Legierung haben, außerdem die Zähigkeit der Legierung verbessern und die Empfindlichkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion verringern können. Allerdings erhöht sich dadurch die Abschreckempfindlichkeit und der anodische Oxidfilm wird gelb.
Der Chromzusatz zu Aluminiumlegierungen beträgt im Allgemeinen nicht mehr als 0,35 % und nimmt mit zunehmendem Anteil an Übergangselementen in der Legierung ab.
Strontiumelement Sr
Strontium ist ein oberflächenaktives Element. In der Kristallographie kann Strontium das Verhalten der intermetallischen Verbindungsphase verändern. Daher kann die Modifizierungsbehandlung mit Strontium die Plastizität der Legierung und die Qualität des Endprodukts verbessern. Aufgrund der Vorteile der langen Einwirkzeit, guten Wirkung und Reproduzierbarkeit von Strontium hat es in den letzten Jahren den Einsatz von Natrium in Al-Si-Gusslegierungen ersetzt.
Die Zugabe von 0,015 % bis 0,03 % Strontium zur Aluminiumlegierung für die Extrusion kann die β-AlFeSi-Phase im Barren in die chinesische α-AlFeSi-Phase umwandeln, die Homogenisierungszeit des Barrens um 60 % bis 70 % verkürzen, die mechanischen Eigenschaften und die plastische Verarbeitung des Materials verbessern; Verbessern Sie die Oberflächenrauheit des Produkts.
Bei Aluminiumlegierungen mit hoher Siliziumverformung (10 % bis 13 %) kann die Zugabe von 0,02 % bis 0,07 % Strontium den Primärkristall auf ein Minimum reduzieren und auch die mechanischen Eigenschaften werden deutlich verbessert. Die Zugfestigkeit áb wird von 233 MPa auf 236 MPa erhöht, die Streckgrenze á0,2 wird von 204 MPa auf 210 MPa erhöht und die Dehnung á5 wird von 9 % auf 12 % erhöht. Die Zugabe von Strontium zur übereutektischen Al-Si-Legierung kann die Größe der primären Siliziumpartikel verringern, die Leistung bei der Kunststoffverarbeitung verbessern und ein reibungsloses Warm- und Kaltwalzen ermöglichen.
Zirkoniumelement Zr
Zirkonium ist auch ein üblicher Zusatzstoff für Aluminiumlegierungen. Im Allgemeinen beträgt die der Aluminiumlegierung zugesetzte Menge 0,1 % bis 0,3 %. Zirkonium und Aluminium bilden ZrAl3-Verbindungen, die den Rekristallisationsprozess behindern und die rekristallisierten Körner verfeinern können. Auch Zirkonium kann das Gussgefüge verfeinern, allerdings ist der Effekt geringer als der von Titan. Das Vorhandensein von Zirkonium verringert die Wirkung von Titan und Bor bei der Verfeinerung von Körnern. Da in Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen der Einfluss von Zirkonium auf die Abschreckempfindlichkeit geringer ist als der von Chrom und Mangan, wird Zirkonium vorzugsweise anstelle von Chrom und Mangan verwendet, um die rekristallisierte Struktur zu verfeinern.
Seltenerdelemente Re
Seltenerdelemente werden Aluminiumlegierungen zugesetzt, um die Unterkühlung der Komponenten während des Aluminiumlegierungsgusses zu erhöhen, die Körner zu verfeinern, den Sekundärkristallabstand zu verringern, das Gas und die Einschlüsse in der Legierung zu reduzieren und die Einschlussphase zur Sphäroidisierung neigen zu lassen. Es kann auch die Oberflächenspannung der Schmelze verringern, die Fließfähigkeit erhöhen, das Gießen in Barren erleichtern und einen erheblichen Einfluss auf die Prozessleistung haben. Die Zugabemenge verschiedener seltener Erden beträgt etwa 0,1 % at %. Die Zugabe gemischter seltener Erden (La-Ce-Pr-Nd usw.) verringert die kritische Temperatur der Bildung der G?P-Zone während der Alterung einer Al-0,65 % Mg-0,61 % Si-Legierung. Magnesiumhaltige Aluminiumlegierungen können die Modifikation von Seltenerdelementen anregen.
3. Einfluss von Verunreinigungselementen
Vanadium bildet in Aluminiumlegierungen feuerfeste VAl11-Verbindungen, die beim Schmelz- und Gießprozess eine Rolle bei der Kornverfeinerung spielen, der Effekt ist jedoch geringer als der von Titan und Zirkonium. Vanadium hat auch die Wirkung, die Rekristallisationsstruktur zu verfeinern und die Rekristallisationstemperatur zu erhöhen.
Calcium hat in Aluminiumlegierungen eine sehr geringe Feststofflöslichkeit und bildet mit Aluminium CaAl4-Verbindungen. Calcium ist auch ein superplastisches Element von Aluminiumlegierungen. Aluminiumlegierungen mit etwa 5 % Kalzium und 5 % Mangan weisen Superplastizität auf. Calcium und Silizium bilden CaSi, das in Aluminium unlöslich ist. Durch die Reduzierung der festen Lösung von Silizium kann die elektrische Leitfähigkeit von industriellem Reinaluminium leicht verbessert werden. Calcium kann die Schneidleistung von Aluminiumlegierungen verbessern. CaSi2 kann Aluminiumlegierungen nicht durch Wärmebehandlung verstärken. Spuren von Kalzium sind vorteilhaft für die Entfernung von Wasserstoff aus flüssigem Aluminium.
Blei, Zinn und Wismut sind Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt. Sie haben eine geringe Löslichkeit in Aluminium, was die Festigkeit der Legierung leicht verringert, aber die Schneidleistung verbessern kann. Wismut dehnt sich beim Erstarren aus, was sich positiv auf den Schwundausgleich auswirkt. Durch die Zugabe von Wismut zu Legierungen mit hohem Magnesiumgehalt kann eine Natriumversprödung verhindert werden.
Antimon wird hauptsächlich als Modifikator in Aluminiumgusslegierungen verwendet und wird selten in verformten Aluminiumlegierungen verwendet. Es ersetzt nur Wismut in Al-Mg-verformten Aluminiumlegierungen, um eine Natriumversprödung zu verhindern. Einigen Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen wird Antimon zugesetzt, um die Leistung des Heißpress- und Kaltpressprozesses zu verbessern.
Beryllium kann die Struktur des Oxidfilms in verformten Aluminiumlegierungen verbessern und Verbrennungen und Einschlüsse beim Gießen reduzieren. Beryllium ist ein giftiges Element, das bei Menschen allergische Vergiftungen verursachen kann. Daher dürfen Aluminiumlegierungen, die mit Lebensmitteln und Getränken in Kontakt kommen, kein Beryllium enthalten. Der Berylliumgehalt in Schweißmaterialien wird normalerweise auf unter 8 μg/ml kontrolliert. Der Berylliumgehalt von Aluminiumlegierungen, die als Schweißsubstrate verwendet werden, sollte ebenfalls kontrolliert werden.
Natrium ist in Aluminium nahezu unlöslich, mit einer maximalen Löslichkeit von weniger als 0,0025 %. Natrium hat einen niedrigen Schmelzpunkt (97,8 °C). Wenn Natrium in der Legierung vorhanden ist, wird es während der Erstarrung an der Dendritenoberfläche oder Korngrenze adsorbiert. Bei der Warmumformung bildet das Natrium an der Korngrenze eine flüssige Adsorptionsschicht. Bei der Sprödrissbildung entstehen NaAlSi-Verbindungen. Es gibt kein freies Natrium und eine „Natriumversprödung“ tritt nicht auf.
Wenn der Magnesiumgehalt 2 % übersteigt, entzieht Magnesium Silizium, fällt freies Natrium aus und führt zu einer „Natriumversprödung“. Daher darf Natriumsalz-Flussmittel nicht in Aluminiumlegierungen mit hohem Magnesiumgehalt verwendet werden. Die Methode zur Verhinderung einer „Natriumversprödung“ ist die Chlorierungsmethode, bei der Natrium NaCl bildet und in die Schlacke abgegeben wird und Wismut hinzugefügt wird, um Na2Bi zu erzeugen und in die Metallmatrix einzutreten; Die gleiche Rolle kann auch die Zugabe von Antimon zur Erzeugung von Na3Sb oder die Zugabe von seltenen Erden spielen.