نقش عناصر مختلف در آلیاژهای آلومینیوم

1. تأثیر عناصر آلیاژی
عنصر مس مس
هنگامی که قسمت غنی از آلومینیوم آلیاژ آلومینیوم-مس 548 باشد، حداکثر حلالیت مس در آلومینیوم 5.65٪ است. هنگامی که دما به 302 کاهش می یابد، حلالیت مس 0.45٪ است. مس یک عنصر آلیاژی مهم است و خاصیت تقویت کننده محلول جامد خاصی دارد. علاوه بر این، CuAl2 رسوب شده در اثر پیری یک اثر تقویت کننده پیری آشکار دارد. محتوای مس در آلیاژهای آلومینیوم معمولاً 2.5٪ -5٪ است و اثر تقویتی زمانی بهترین است که محتوای مس 4٪ -6.8٪ باشد، بنابراین محتوای مس اکثر آلیاژهای آلومینیوم سخت در این محدوده است.
آلیاژهای آلومینیوم مس می توانند حاوی سیلیکون، منیزیم، منگنز، کروم، روی، آهن و سایر عناصر کمتری باشند.
عنصر سیلیکون Si
هنگامی که قسمت غنی از آلومینیوم سیستم آلیاژ Al-Si در دمای یوتکتیک 577 باشد، حداکثر حلالیت سیلیکون در محلول جامد 1.65٪ است. اگرچه حلالیت با کاهش دما کاهش می یابد، این نوع آلیاژ به طور کلی نمی تواند عملیات حرارتی و تقویت شود. آلیاژهای آلومینیوم-سیلیکون دارای خواص ریخته گری عالی و مقاومت در برابر خوردگی هستند.
اگر منیزیم و سیلیکون به طور همزمان به آلومینیوم اضافه شوند تا آلیاژ آلومینیوم-منیزیم-سیلیکون تشکیل شود، فاز تقویتی MgSi است. نسبت جرمی منیزیم به سیلیکون 1.73:1 است. هنگام طراحی ترکیب آلیاژ Al-Mg-Si، محتوای منیزیم و سیلیکون در این نسبت روی ماتریس پیکربندی می شود. به منظور بهبود استحکام برخی از آلیاژهای Al-Mg-Si، مقدار مناسبی مس و مقدار مناسبی کروم اضافه می شود تا اثر نامطلوب مس بر مقاومت در برابر خوردگی را جبران کند.
حداکثر حلالیت Mg2Si در بخش غنی از آلومینیوم نمودار فاز تعادل آلیاژ Al-Mg2Si در آلومینیوم 1.85٪ است و با کاهش دما، کاهش سرعت کم است.
در آلیاژهای آلومینیوم تغییر شکل یافته، سیلیکون اضافه شده به تنهایی به آلومینیوم به مواد جوشکاری محدود می شود و سیلیکون اضافه شده به آلومینیوم نیز اثر تقویتی خاصی دارد.
منیزیم منیزیم
نمودار فاز تعادل سیستم آلیاژ Al-Mg قسمت غنی از آلومینیوم اگرچه منحنی حلالیت نشان می دهد که حلالیت منیزیم در آلومینیوم با کاهش دما بسیار کاهش می یابد، در اکثر آلیاژهای آلومینیوم تغییر شکل یافته صنعتی، محتوای منیزیم کمتر از 6٪ است و محتوای سیلیکون نیز کم است. این نوع آلیاژ را نمی توان عملیات حرارتی و تقویت کرد، اما دارای جوش پذیری خوب، مقاومت در برابر خوردگی خوب و استحکام متوسط ​​است.
تقویت آلومینیوم توسط منیزیم آشکار است. به ازای هر 1% افزایش منیزیم، استحکام کششی حدود 34 مگاپاسکال افزایش می یابد. اگر کمتر از 1٪ منگنز اضافه شود، ممکن است اثر تقویتی را تکمیل کند. بنابراین، افزودن منگنز می تواند محتوای منیزیم و تمایل به ترک خوردگی گرم را کاهش دهد. علاوه بر این، منگنز همچنین می تواند ترکیبات Mg5Al8 را به طور یکنواخت رسوب کند، مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد جوش را بهبود بخشد.
عنصر منگنز منگنز
بخش نمودار فاز تعادل سیستم آلیاژ Al-Mn در دمای یوتکتیک 658، حداکثر حلالیت منگنز در محلول جامد 1.82 درصد است. استحکام آلیاژ با افزایش حلالیت افزایش می یابد. هنگامی که محتوای منگنز 0.8٪ باشد، ازدیاد طول به حداکثر مقدار می رسد. آلیاژ Al-Mn یک آلیاژ سخت کننده غیر سنی است، یعنی با عملیات حرارتی نمی توان آن را تقویت کرد.
منگنز می تواند از فرآیند تبلور مجدد آلیاژ آلومینیوم جلوگیری کند، دمای تبلور مجدد را افزایش دهد و به طور قابل توجهی دانه های تبلور مجدد را تصفیه کند. پالایش دانه‌های تبلور مجدد عمدتاً از طریق ذرات پراکنده ترکیبی MnAl6 است که مانع رشد دانه‌های تبلور مجدد می‌شود. یکی دیگر از عملکردهای MnAl6 حل کردن آهن ناخالص برای تشکیل (Fe, Mn)Al6 است که از اثرات مضر آهن می کاهد.
منگنز یک عنصر مهم در آلیاژهای آلومینیوم است. می توان آن را به تنهایی برای تشکیل آلیاژهای دوتایی Al-Mn اضافه کرد و اغلب با سایر عناصر آلیاژی اضافه کرد. بنابراین اکثر آلیاژهای آلومینیوم حاوی منگنز هستند.
عنصر روی Zn
حلالیت روی در آلومینیوم 31.6% در 275 در قسمت غنی از آلومینیوم نمودار فاز تعادل سیستم آلیاژ Al-Zn است و حلالیت آن در 125 به 5.6% کاهش می یابد.
هنگامی که روی به تنهایی به آلومینیوم اضافه می شود، بهبود استحکام آلیاژ آلومینیوم در شرایط تغییر شکل بسیار محدود است و تمایل به ترک خوردگی تنشی وجود دارد که کاربرد آن را محدود می کند.
افزودن همزمان روی و منیزیم به آلومینیوم برای تشکیل فاز تقویتی Mg/Zn2 اثر تقویتی قابل توجهی روی آلیاژ دارد. هنگامی که محتوای Mg/Zn2 از 0.5٪ به 12٪ افزایش می یابد، استحکام کششی و استحکام تسلیم می تواند به طور قابل توجهی افزایش یابد. هنگامی که محتوای منیزیم از آلیاژ آلومینیوم فوق سخت مورد نیاز برای تشکیل فاز Mg/Zn2 فراتر رود، مقاومت در برابر خوردگی تنشی در برابر ترک خوردگی زمانی که نسبت روی به منیزیم در حدود 2.7 کنترل شود، بیشترین مقدار را دارد.
به عنوان مثال، افزودن مس به پایه Al-Zn-Mg برای تشکیل یک آلیاژ Al-Zn-Mg-Cu بیشترین اثر تقویتی را در بین همه آلیاژهای آلومینیوم دارد و همچنین یک ماده آلیاژ آلومینیوم مهم در صنایع هوا فضا، هوانوردی و نیرو است.
2. تأثیر عناصر کمیاب
آهن و سیلیکون Fe-Si
آهن به عنوان عنصر آلیاژی در آلیاژهای آلومینیوم فورج شده Al-Cu-Mg-Ni-Fe و سیلیکون به عنوان عنصر آلیاژی در آلومینیوم فورج شده Al-Mg-Si و در میله های جوشکاری Al-Si و آلیاژهای ریخته گری آلومینیوم-سیلیکون اضافه می شود. در سایر آلیاژهای آلومینیوم، سیلیکون و آهن از عناصر ناخالص رایج هستند و تأثیر قابل توجهی بر خواص آلیاژ دارند. آنها عمدتاً به صورت FeCl3 و سیلیکون آزاد وجود دارند.
هنگامی که سیلیکون بزرگتر از آهن باشد، فاز β-FeSiAl3 (یا Fe2Si2Al9) و زمانی که آهن بیشتر از سیلیکون باشد، α-Fe2SiAl8 (Fe3Si2Al12) تشکیل می شود. زمانی که نسبت آهن به سیلیکون مناسب نباشد، باعث ایجاد ترک در ریخته گری می شود و زمانی که میزان آهن در آلومینیوم ریخته گری خیلی زیاد باشد، ریخته گری شکننده می شود.
تیتانیوم و بور Ti-B
تیتانیوم یک عنصر افزودنی رایج در آلیاژهای آلومینیوم است که به شکل آلیاژ اصلی Al-Ti یا Al-Ti-B اضافه می شود. تیتانیوم با آلومینیوم فاز TiAl2 را تشکیل می دهد که در طی تبلور به هسته ای غیر خودبخودی تبدیل می شود و در پالایش ساختار ریخته گری و ساختار جوش نقش دارد. هنگامی که آلیاژهای Al-Ti واکنش بسته بندی ایجاد می کنند، محتوای بحرانی تیتانیوم حدود 0.15٪ است و اگر بور وجود داشته باشد، سرعت آن به 0.01٪ کاهش می یابد.
Chromium Cr
کروم یک عنصر افزودنی رایج در آلیاژهای Al-Mg-Si، Al-Mg-Zn و Al-Mg است. در دمای 600 درجه سانتیگراد، حلالیت کروم در آلومینیوم 0.8٪ است و اساساً در دمای اتاق نامحلول است.
کروم ترکیبات بین فلزی مانند (CrFe)Al7 و (CrMn)Al12 را در آلومینیوم تشکیل می دهد که مانع از هسته زایی و فرآیند رشد تبلور مجدد می شود، اثر تقویتی خاصی روی آلیاژ دارد و همچنین می تواند چقرمگی آلیاژ را بهبود بخشد و حساسیت ترک خوردگی ناشی از تنش را کاهش دهد. با این حال، حساسیت خاموش شدن را افزایش می دهد و فیلم اکسید آندی را زرد می کند.
افزودن کروم به آلیاژهای آلومینیوم عموماً از 0.35 درصد تجاوز نمی کند و با افزایش عناصر انتقالی در آلیاژ کاهش می یابد.
عنصر استرانسیوم Sr
استرانسیوم یک عنصر فعال سطحی است. در کریستالوگرافی، استرانسیوم می تواند رفتار فاز ترکیب بین فلزی را تغییر دهد. بنابراین، عملیات اصلاحی با استرانسیوم می تواند باعث بهبود انعطاف پذیری آلیاژ و کیفیت محصول نهایی شود. با توجه به مزایای طولانی مدت اثربخشی، اثر خوب و تکرارپذیری استرانسیم، در سال های اخیر جایگزین استفاده از سدیم در آلیاژهای ریخته گری Al-Si شده است.
افزودن 0.015٪ تا 0.03٪ استرانسیم به آلیاژ آلومینیوم برای اکستروژن می تواند فاز β-AlFeSi در شمش را به فاز چینی α-AlFeSi تبدیل کند، زمان همگن شدن شمش را 60٪ تا 70٪ کاهش دهد، خواص مکانیکی و پردازش پلاستیک مواد را بهبود بخشد. زبری سطح محصول را بهبود می بخشد.
برای آلیاژ آلومینیوم با تغییر شکل سیلیکون بالا (10٪ ~ 13٪)، افزودن 0.02٪ تا 0.07٪ استرانسیم می تواند کریستال اولیه را به حداقل برساند و خواص مکانیکی نیز به طور قابل توجهی بهبود می یابد. استحکام کششی бb از 233 مگاپاسکال به 236 مگاپاسکال افزایش یافته است، استحکام تسلیم б0.2 از 204 مگاپاسکال به 210 مگاپاسکال افزایش یافته است، و ازدیاد طول б5 از 9 درصد به 12 درصد افزایش یافته است. افزودن استرانسیم به آلیاژ Hypereutectic Al-Si می تواند اندازه ذرات سیلیکون اولیه را کاهش دهد، عملکرد پردازش پلاستیک را بهبود بخشد و می تواند به آرامی نورد گرم و سرد شود.
عنصر زیرکونیوم Zr
زیرکونیوم نیز یک افزودنی رایج برای آلیاژهای آلومینیوم است. به طور کلی، مقدار اضافه شده به آلیاژ آلومینیوم 0.1٪ تا 0.3٪ است. زیرکونیوم و آلومینیوم ترکیبات ZrAl3 را تشکیل می دهند که می تواند فرآیند تبلور مجدد را مختل کرده و دانه های تبلور مجدد را تصفیه کند. زیرکونیوم همچنین می تواند ساختار ریخته گری را اصلاح کند، اما اثر آن کمتر از تیتانیوم است. وجود زیرکونیوم باعث کاهش اثر تیتانیوم و بور در تصفیه غلات می شود. در آلیاژهای Al-Zn-Mg-Cu، از آنجایی که اثر زیرکونیوم بر حساسیت خاموش شدن کمتر از کروم و منگنز است، ترجیحاً از زیرکونیوم برای جایگزینی کروم و منگنز برای پالایش ساختار تبلور مجدد استفاده می شود.
عناصر خاکی کمیاب Re
عناصر خاکی کمیاب به آلیاژهای آلومینیوم اضافه می‌شوند تا در طول ریخته‌گری آلیاژ آلومینیوم، فوق‌سرد شدن اجزا را افزایش دهند، دانه‌ها را پالایش کنند، فاصله کریستال‌های ثانویه را کاهش دهند، گاز و آخال‌های موجود در آلیاژ را کاهش دهند و فاز گنجاندن را به سمت کروی شدن متمایل کنند. همچنین می تواند کشش سطحی مذاب را کاهش دهد، سیالیت را افزایش دهد، ریخته گری در شمش ها را تسهیل کند و تأثیر قابل توجهی بر عملکرد فرآیند داشته باشد. مقدار اضافی خاکهای کمیاب مختلف حدود 0.1٪ در٪ است. افزودن خاک کمیاب مخلوط (La-Ce-Pr-Nd و غیره) دمای بحرانی تشکیل ناحیه G?P را در طول پیری آلیاژ Al-0.65% Mg-0.61% Si کاهش می دهد. آلیاژهای آلومینیوم حاوی منیزیم می توانند اصلاح عناصر خاکی کمیاب را تحریک کنند.
3. نفوذ عناصر ناخالصی
وانادیم ترکیبات نسوز VAl11 را در آلیاژهای آلومینیوم تشکیل می‌دهد که در تصفیه دانه‌ها در طی فرآیند ذوب و ریخته‌گری نقش دارد، اما اثر آن کمتر از تیتانیوم و زیرکونیوم است. وانادیم همچنین اثر پالایش ساختار تبلور مجدد و افزایش دمای تبلور مجدد را دارد.
کلسیم حلالیت جامد بسیار کمی در آلیاژهای آلومینیوم دارد و ترکیبات CaAl4 را با آلومینیوم تشکیل می دهد. کلسیم نیز عنصر فوق پلاستیک آلیاژهای آلومینیوم است. آلیاژهای آلومینیوم با حدود 5 درصد کلسیم و 5 درصد منگنز دارای خاصیت فوق پلاستیک هستند. کلسیم و سیلیکون CaSi را تشکیل می دهند که در آلومینیوم نامحلول است. با توجه به کاهش محلول جامد سیلیکون، هدایت الکتریکی آلومینیوم خالص صنعتی را می توان کمی بهبود بخشید. کلسیم می تواند عملکرد برش آلیاژهای آلومینیوم را بهبود بخشد. CaSi2 نمی تواند آلیاژهای آلومینیوم را با عملیات حرارتی تقویت کند. مقادیر کمی از کلسیم برای حذف هیدروژن از مایع آلومینیوم مفید است.
سرب، قلع و بیسموت فلزات با نقطه ذوب پایین هستند. آنها حلالیت کمی در آلومینیوم دارند که اندکی استحکام آلیاژ را کاهش می دهد، اما می تواند عملکرد برش را بهبود بخشد. بیسموت در طول انجماد منبسط می شود که برای جبران انقباض مفید است. افزودن بیسموت به آلیاژهای پر منیزیم می تواند از شکنندگی سدیم جلوگیری کند.
آنتیموان عمدتاً به عنوان یک اصلاح کننده در آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری استفاده می شود و به ندرت در آلیاژهای آلومینیوم تغییر شکل یافته استفاده می شود. این فقط جایگزین بیسموت در آلیاژهای آلومینیوم تغییر شکل یافته با Al-Mg می شود تا از شکنندگی سدیم جلوگیری کند. آنتیموان به برخی از آلیاژهای Al-Zn-Mg-Cu اضافه می شود تا عملکرد فرآیند پرس گرم و پرس سرد را بهبود بخشد.
بریلیم می تواند ساختار فیلم اکسید را در آلیاژهای آلومینیوم تغییر شکل داده بهبود بخشد و سوزش و آخال ها را در طول ریخته گری کاهش دهد. بریلیم یک عنصر سمی است که می تواند باعث مسمومیت آلرژیک در افراد شود. بنابراین آلیاژهای آلومینیومی که با مواد غذایی و نوشیدنی ها در تماس هستند نمی توانند حاوی بریلیم باشند. محتوای بریلیم در مواد جوش معمولاً زیر 8 میکروگرم در میلی لیتر کنترل می شود. محتوای بریلیم آلیاژهای آلومینیومی که به عنوان بسترهای جوشکاری استفاده می شود نیز باید کنترل شود.
سدیم تقریباً در آلومینیوم نامحلول است و حداکثر حلالیت آن کمتر از 0.0025٪ است. سدیم نقطه ذوب پایینی دارد (97.8 درجه سانتیگراد). هنگامی که سدیم در آلیاژ وجود دارد، در طول انجماد بر روی سطح دندریت یا مرز دانه جذب می شود. در حین کار گرم، سدیم روی مرز دانه یک لایه جذب مایع تشکیل می دهد. هنگامی که ترک شکننده رخ می دهد، ترکیبات NaAlSi تشکیل می شود. سدیم آزاد وجود ندارد و "تردی سدیم" رخ نمی دهد.
هنگامی که محتوای منیزیم از 2٪ بیشتر شود، منیزیم سیلیکون را می گیرد، سدیم آزاد را رسوب می دهد و "تردی سدیم" ایجاد می کند. بنابراین، فلاکس نمک سدیم مجاز به استفاده در آلیاژهای آلومینیوم با منیزیم بالا نیست. روش جلوگیری از "تردی سدیم" روش کلرزنی است که سدیم را تشکیل می دهد و آن را به سرباره تخلیه می کند و بیسموت را برای تولید Na2Bi و ورود به ماتریکس فلزی اضافه می کند. افزودن آنتیموان برای تولید Na3Sb یا افزودن خاک کمیاب نیز می تواند همین نقش را ایفا کند.