O papel de vários elementos nas ligas de alumínio

1. Influência dos elementos de liga
Elemento cobre Cu
Quando a parte rica em alumínio da liga alumínio-cobre é 548, a solubilidade máxima do cobre no alumínio é 5,65%. Quando a temperatura cai para 302, a solubilidade do cobre é de 0,45%. O cobre é um importante elemento de liga e tem um certo efeito de fortalecimento da solução sólida. Além disso, o CuAl2 precipitado pelo envelhecimento tem um efeito óbvio de fortalecimento do envelhecimento. O teor de cobre nas ligas de alumínio é geralmente de 2,5% a 5%, e o efeito de fortalecimento é melhor quando o teor de cobre é de 4% a 6,8%, portanto, o teor de cobre da maioria das ligas de alumínio duro está nesta faixa.
As ligas de alumínio-cobre podem conter menos silício, magnésio, manganês, cromo, zinco, ferro e outros elementos.
Elemento silício Si
Quando a parte rica em alumínio do sistema de liga Al-Si está na temperatura eutética de 577, a solubilidade máxima do silício na solução sólida é de 1,65%. Embora a solubilidade diminua com a diminuição da temperatura, este tipo de liga geralmente não pode ser tratado termicamente e reforçado. As ligas de alumínio-silício possuem excelentes propriedades de fundição e resistência à corrosão.
Se magnésio e silício forem adicionados ao alumínio ao mesmo tempo para formar uma liga de alumínio-magnésio-silício, a fase de reforço é MgSi. A proporção de massa de magnésio para silício é de 1,73:1. Ao projetar a composição da liga Al-Mg-Si, o teor de magnésio e silício é configurado nesta proporção na matriz. A fim de melhorar a resistência de algumas ligas de Al-Mg-Si, uma quantidade apropriada de cobre é adicionada e uma quantidade apropriada de cromo é adicionada para compensar o efeito adverso do cobre na resistência à corrosão.
A solubilidade máxima de Mg2Si na parte rica em alumínio do diagrama de fases de equilíbrio da liga Al-Mg2Si em alumínio é de 1,85%, e a desaceleração é pequena à medida que a temperatura diminui.
Nas ligas de alumínio deformadas, o silício adicionado sozinho ao alumínio é limitado aos materiais de soldagem, e o silício adicionado ao alumínio também tem um certo efeito de fortalecimento.
Magnésio Mg
Diagrama de fases de equilíbrio do sistema de liga Al-Mg parte rica em alumínio Embora a curva de solubilidade mostre que a solubilidade do magnésio no alumínio diminui muito com a diminuição da temperatura, na maioria das ligas de alumínio deformadas industriais, o teor de magnésio é inferior a 6% e o teor de silício também é baixo. Este tipo de liga não pode ser tratado termicamente e reforçado, mas possui boa soldabilidade, boa resistência à corrosão e resistência média.
O fortalecimento do alumínio pelo magnésio é óbvio. Para cada aumento de 1% no magnésio, a resistência à tração aumenta cerca de 34MPa. Se for adicionado menos de 1% de manganês, pode complementar o efeito fortalecedor. Portanto, a adição de manganês pode reduzir o teor de magnésio e a tendência de rachaduras a quente. Além disso, o manganês também pode fazer com que os compostos Mg5Al8 precipitem uniformemente, melhorando a resistência à corrosão e o desempenho da soldagem.
Elemento manganês Mn
Parte do diagrama de fases de equilíbrio do sistema de liga Al-Mn Na temperatura eutética de 658, a solubilidade máxima do manganês na solução sólida é de 1,82%. A resistência da liga aumenta com o aumento da solubilidade. Quando o teor de manganês é de 0,8%, o alongamento atinge o valor máximo. A liga Al-Mn é uma liga que não endurece, ou seja, não pode ser reforçada por tratamento térmico.
O manganês pode impedir o processo de recristalização da liga de alumínio, aumentar a temperatura de recristalização e refinar significativamente os grãos recristalizados. O refinamento dos grãos recristalizados se dá principalmente através das partículas dispersas do composto MnAl6 que dificultam o crescimento dos grãos recristalizados. Outra função do MnAl6 é dissolver o ferro impuro para formar (Fe, Mn)Al6, reduzindo os efeitos nocivos do ferro.
O manganês é um elemento importante nas ligas de alumínio. Pode ser adicionado sozinho para formar ligas binárias Al-Mn e, mais frequentemente, adicionado com outros elementos de liga. Portanto, a maioria das ligas de alumínio contém manganês.
Elemento zinco Zn
A solubilidade do zinco no alumínio é de 31,6% a 275 na parte rica em alumínio do diagrama de fases de equilíbrio do sistema de liga Al-Zn, e sua solubilidade cai para 5,6% a 125.
Quando o zinco é adicionado sozinho ao alumínio, a melhoria da resistência da liga de alumínio sob condições de deformação é muito limitada, e há uma tendência à fissuração por corrosão sob tensão, o que limita a sua aplicação.
Adicionar zinco e magnésio ao alumínio ao mesmo tempo para formar uma fase de fortalecimento Mg/Zn2 tem um efeito de fortalecimento significativo na liga. Quando o teor de Mg/Zn2 aumenta de 0,5% para 12%, a resistência à tração e o limite de escoamento podem ser aumentados significativamente. Quando o teor de magnésio excede a liga de alumínio superdura necessária para formar a fase Mg/Zn2, a resistência à corrosão sob tensão é maior quando a proporção de zinco para magnésio é controlada em cerca de 2,7.
Por exemplo, adicionar cobre à base Al-Zn-Mg para formar uma liga Al-Zn-Mg-Cu tem o maior efeito de fortalecimento entre todas as ligas de alumínio e também é um importante material de liga de alumínio nas indústrias aeroespacial, de aviação e de energia.
2. Influência de oligoelementos
Ferro e silício Fe-Si
O ferro é adicionado como elemento de liga em ligas de alumínio forjado Al-Cu-Mg-Ni-Fe, e o silício é adicionado como elemento de liga em alumínio forjado Al-Mg-Si e em varetas de soldagem Al-Si e ligas fundidas de alumínio-silício. Em outras ligas de alumínio, o silício e o ferro são elementos de impureza comuns e têm um efeito significativo nas propriedades da liga. Eles existem principalmente como FeCl3 e silício livre.
Quando o silício é maior que o ferro, forma-se a fase β-FeSiAl3 (ou Fe2Si2Al9), e quando o ferro é maior que o silício, forma-se α-Fe2SiAl8 (Fe3Si2Al12). Quando a proporção de ferro para silício não é apropriada, causará rachaduras na peça fundida e, quando o teor de ferro no alumínio fundido for muito alto, a peça fundida ficará quebradiça.
Titânio e Boro Ti-B
O titânio é um elemento aditivo comumente usado em ligas de alumínio, adicionado na forma de liga mestre Al-Ti ou Al-Ti-B. O titânio forma a fase TiAl2 com o alumínio, que se torna um núcleo não espontâneo durante a cristalização e desempenha um papel no refinamento da estrutura de fundição e da solda. Quando as ligas Al-Ti produzem uma reação de empacotamento, o conteúdo crítico de titânio é de cerca de 0,15% e, se o boro estiver presente, diminui para 0,01%.
Cromo Cr
O cromo é um elemento aditivo comum em ligas Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn e Al-Mg. A 600°C, a solubilidade do cromo no alumínio é de 0,8% e é basicamente insolúvel à temperatura ambiente.
O cromo forma compostos intermetálicos como (CrFe)Al7 e (CrMn)Al12 no alumínio, que dificultam o processo de nucleação e crescimento da recristalização, têm um certo efeito de fortalecimento na liga e também podem melhorar a tenacidade da liga e reduzir a sensibilidade da corrosão sob tensão. No entanto, aumentará a sensibilidade de têmpera e tornará o filme de óxido anódico amarelo.
A adição de cromo às ligas de alumínio geralmente não ultrapassa 0,35% e diminui com o aumento dos elementos de transição na liga.
Elemento estrôncio Sr
O estrôncio é um elemento tensoativo. Na cristalografia, o estrôncio pode alterar o comportamento da fase do composto intermetálico. Portanto, o tratamento de modificação com estrôncio pode melhorar a plasticidade da liga e a qualidade do produto final. Devido às vantagens do longo tempo efetivo, bom efeito e reprodutibilidade do estrôncio, ele substituiu o uso de sódio em ligas de fundição de Al-Si nos últimos anos.
Adicionar 0,015% ~ 0,03% de estrôncio à liga de alumínio para extrusão pode transformar a fase β-AlFeSi no lingote na fase α-AlFeSi de caracteres chineses, reduzir o tempo de homogeneização do lingote em 60% ~ 70%, melhorar as propriedades mecânicas e processamento plástico do material; melhorar a rugosidade da superfície do produto.
Para liga de alumínio com alta deformação de silício (10% ~ 13%), adicionar 0,02% ~ 0,07% de estrôncio pode reduzir o cristal primário ao mínimo, e as propriedades mecânicas também são significativamente melhoradas. A resistência à tração бb foi aumentada de 233MPa para 236MPa, a resistência ao escoamento б0,2 foi aumentada de 204MPa para 210MPa e o alongamento б5 foi aumentado de 9% para 12%. Adicionar estrôncio à liga hipereutética de Al-Si pode reduzir o tamanho das partículas primárias de silício, melhorar o desempenho do processamento de plástico e pode ser suavemente laminado a quente e a frio.
Elemento de zircônio Zr
O zircônio também é um aditivo comum para ligas de alumínio. Geralmente, a quantidade adicionada à liga de alumínio é de 0,1% ~ 0,3%. O zircônio e o alumínio formam compostos ZrAl3, que podem dificultar o processo de recristalização e refinar os grãos recristalizados. O zircônio também pode refinar a estrutura da fundição, mas o efeito é menor que o do titânio. A presença de zircônio reduzirá o efeito do titânio e do boro no refino dos grãos. Nas ligas Al-Zn-Mg-Cu, como o efeito do zircônio na sensibilidade à têmpera é menor que o do cromo e do manganês, o zircônio é preferencialmente usado para substituir o cromo e o manganês para refinar a estrutura recristalizada.
Elementos de terras raras Re
Elementos de terras raras são adicionados às ligas de alumínio para aumentar o super-resfriamento dos componentes durante a fundição da liga de alumínio, refinar os grãos, reduzir o espaçamento do cristal secundário, reduzir o gás e as inclusões na liga e fazer com que a fase de inclusão tenda a esferoidizar. Também pode reduzir a tensão superficial do fundido, aumentar a fluidez, facilitar a fundição em lingotes e ter um impacto significativo no desempenho do processo. A quantidade de adição de várias terras raras é de cerca de 0,1% a%. A adição de terras raras mistas (La-Ce-Pr-Nd, etc.) reduz a temperatura crítica de formação da zona G?P durante o envelhecimento da liga Al-0,65%Mg-0,61%Si. As ligas de alumínio contendo magnésio podem estimular a modificação de elementos de terras raras.
3. Influência de elementos de impureza
O vanádio forma compostos refratários VAl11 em ligas de alumínio, que desempenham um papel no refino dos grãos durante o processo de fusão e fundição, mas o efeito é menor que o do titânio e do zircônio. O vanádio também tem o efeito de refinar a estrutura de recristalização e aumentar a temperatura de recristalização.
O cálcio tem uma solubilidade sólida muito baixa em ligas de alumínio e forma compostos de CaAl4 com o alumínio. O cálcio também é um elemento superplástico das ligas de alumínio. Ligas de alumínio com cerca de 5% de cálcio e 5% de manganês apresentam superplasticidade. O cálcio e o silício formam o CaSi, que é insolúvel em alumínio. Devido à redução da solução sólida de silício, a condutividade elétrica do alumínio puro industrial pode ser ligeiramente melhorada. O cálcio pode melhorar o desempenho de corte das ligas de alumínio. O CaSi2 não pode fortalecer ligas de alumínio por tratamento térmico. Vestígios de cálcio são benéficos para remover o hidrogênio do alumínio líquido.
Chumbo, estanho e bismuto são metais de baixo ponto de fusão. Possuem baixa solubilidade em alumínio, o que reduz ligeiramente a resistência da liga, mas pode melhorar o desempenho de corte. O bismuto se expande durante a solidificação, o que é benéfico para compensar o encolhimento. Adicionar bismuto a ligas com alto teor de magnésio pode prevenir a fragilização do sódio.
O antimônio é usado principalmente como modificador em ligas de alumínio fundido e raramente é usado em ligas de alumínio deformadas. Ele apenas substitui o bismuto em ligas de alumínio deformadas por Al-Mg para evitar a fragilização do sódio. O antimônio é adicionado a algumas ligas de Al-Zn-Mg-Cu para melhorar o desempenho do processo de prensagem a quente e a frio.
O berílio pode melhorar a estrutura do filme de óxido em ligas de alumínio deformadas e reduzir a queima e inclusões durante a fundição. O berílio é um elemento tóxico que pode causar intoxicações alérgicas nas pessoas. Portanto, as ligas de alumínio que entram em contato com alimentos e bebidas não podem conter berílio. O teor de berílio em materiais de soldagem é geralmente controlado abaixo de 8 μg/ml. O teor de berílio das ligas de alumínio utilizadas como substratos de soldagem também deve ser controlado.
O sódio é quase insolúvel em alumínio, com solubilidade máxima inferior a 0,0025%. O sódio tem um baixo ponto de fusão (97,8°C). Quando existe sódio na liga, ele é adsorvido na superfície do dendrito ou no limite do grão durante a solidificação. Durante o trabalho a quente, o sódio no contorno do grão forma uma camada de adsorção líquida. Quando ocorre fissuração frágil, formam-se compostos NaAlSi. Não há sódio livre e não ocorre "fragilização por sódio".
Quando o teor de magnésio excede 2%, o magnésio retira o silício, precipita o sódio livre e produz "fragilização do sódio". Portanto, o fluxo de sal de sódio não pode ser usado em ligas de alumínio com alto teor de magnésio. O método para prevenir a "fragilização por sódio" é o método de cloração, que faz o sódio formar NaCl e descarregá-lo na escória, e adiciona bismuto para gerar Na2Bi e entrar na matriz metálica; adicionar antimônio para gerar Na3Sb ou adicionar terras raras também pode desempenhar o mesmo papel.