El papel de varios elementos en las aleaciones de aluminio

1. Influencia de los elementos de aleación.
Elemento de cobre Cu
Cuando la parte rica en aluminio de la aleación de aluminio y cobre es 548, la solubilidad máxima del cobre en aluminio es del 5,65%. Cuando la temperatura baja a 302, la solubilidad del cobre es del 0,45%. El cobre es un elemento de aleación importante y tiene cierto efecto fortalecedor de soluciones sólidas. Además, el CuAl2 precipitado por el envejecimiento tiene un evidente efecto fortalecedor del envejecimiento. El contenido de cobre en las aleaciones de aluminio suele ser del 2,5% al ​​5%, y el efecto de fortalecimiento es mejor cuando el contenido de cobre es del 4% al 6,8%, por lo que el contenido de cobre de la mayoría de las aleaciones de aluminio duras está en este rango.
Las aleaciones de aluminio y cobre pueden contener menos silicio, magnesio, manganeso, cromo, zinc, hierro y otros elementos.
Elemento de silicio Si
Cuando la parte rica en aluminio del sistema de aleación Al-Si está a la temperatura eutéctica de 577ºC, la solubilidad máxima del silicio en la solución sólida es del 1,65%. Aunque la solubilidad disminuye al disminuir la temperatura, este tipo de aleación generalmente no se puede tratar térmicamente ni reforzar. Las aleaciones de aluminio y silicio tienen excelentes propiedades de fundición y resistencia a la corrosión.
Si se añaden magnesio y silicio al aluminio al mismo tiempo para formar una aleación de aluminio-magnesio-silicio, la fase de refuerzo es MgSi. La relación de masa de magnesio a silicio es 1,73:1. Al diseñar la composición de la aleación Al-Mg-Si, el contenido de magnesio y silicio se configura en esta proporción en la matriz. Para mejorar la resistencia de algunas aleaciones de Al-Mg-Si, se agrega una cantidad adecuada de cobre y una cantidad adecuada de cromo para compensar el efecto adverso del cobre sobre la resistencia a la corrosión.
La solubilidad máxima del Mg2Si en la parte rica en aluminio del diagrama de fases de equilibrio de la aleación Al-Mg2Si en aluminio es del 1,85% y la desaceleración es pequeña a medida que disminuye la temperatura.
En las aleaciones de aluminio deformadas, el silicio agregado solo al aluminio se limita a materiales de soldadura, y el silicio agregado al aluminio también tiene un cierto efecto fortalecedor.
Magnesio
Diagrama de fases de equilibrio del sistema de aleación Al-Mg parte rica en aluminio Aunque la curva de solubilidad muestra que la solubilidad del magnesio en aluminio disminuye mucho al disminuir la temperatura, en la mayoría de las aleaciones de aluminio deformadas industriales, el contenido de magnesio es inferior al 6% y el contenido de silicio también es bajo. Este tipo de aleación no se puede tratar térmicamente ni reforzar, pero tiene buena soldabilidad, buena resistencia a la corrosión y resistencia media.
El fortalecimiento del aluminio por el magnesio es evidente. Por cada aumento del 1% en magnesio, la resistencia a la tracción aumenta en aproximadamente 34MPa. Si se añade menos del 1% de manganeso, puede complementar el efecto fortalecedor. Por lo tanto, agregar manganeso puede reducir el contenido de magnesio y la tendencia al craqueo en caliente. Además, el manganeso también puede hacer que los compuestos de Mg5Al8 precipiten uniformemente, mejoren la resistencia a la corrosión y el rendimiento de la soldadura.
Elemento manganeso Mn
Parte del diagrama de fases de equilibrio del sistema de aleación Al-Mn A la temperatura eutéctica de 658, la solubilidad máxima del manganeso en la solución sólida es del 1,82%. La resistencia de la aleación aumenta con el aumento de la solubilidad. Cuando el contenido de manganeso es del 0,8%, el alargamiento alcanza el valor máximo. La aleación de Al-Mn es una aleación que no se endurece con el envejecimiento, es decir, no puede reforzarse mediante tratamiento térmico.
El manganeso puede prevenir el proceso de recristalización de la aleación de aluminio, aumentar la temperatura de recristalización y refinar significativamente los granos recristalizados. El refinamiento de los granos recristalizados se produce principalmente a través de partículas dispersas del compuesto MnAl6 que dificultan el crecimiento de los granos recristalizados. Otra función del MnAl6 es disolver el hierro impuro para formar (Fe, Mn)Al6, reduciendo los efectos nocivos del hierro.
El manganeso es un elemento importante en las aleaciones de aluminio. Puede agregarse solo para formar aleaciones binarias de Al-Mn y, más a menudo, agregarse con otros elementos de aleación. Por tanto, la mayoría de las aleaciones de aluminio contienen manganeso.
Elemento zinc Zn
La solubilidad del zinc en aluminio es del 31,6% en 275 en la parte rica en aluminio del diagrama de fases de equilibrio del sistema de aleación Al-Zn, y su solubilidad cae al 5,6% en 125.
Cuando se añade zinc solo al aluminio, la mejora de la resistencia de la aleación de aluminio en condiciones de deformación es muy limitada y existe una tendencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión, lo que limita su aplicación.
La adición de zinc y magnesio al aluminio al mismo tiempo para formar una fase de fortalecimiento Mg/Zn2 tiene un efecto de fortalecimiento significativo en la aleación. Cuando el contenido de Mg/Zn2 aumenta del 0,5% al ​​12%, la resistencia a la tracción y el límite elástico se pueden aumentar significativamente. Cuando el contenido de magnesio excede la aleación de aluminio súper dura requerida para formar la fase Mg/Zn2, la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión es mayor cuando la proporción de zinc a magnesio se controla en aproximadamente 2,7.
Por ejemplo, agregar cobre a la base de Al-Zn-Mg para formar una aleación de Al-Zn-Mg-Cu tiene el mayor efecto fortalecedor entre todas las aleaciones de aluminio y también es un material de aleación de aluminio importante en las industrias aeroespacial, de aviación y energética.
2. Influencia de los oligoelementos.
Hierro y silicio Fe-Si
El hierro se añade como elemento de aleación en las aleaciones de aluminio forjado Al-Cu-Mg-Ni-Fe, y el silicio se añade como elemento de aleación en el aluminio forjado Al-Mg-Si y en varillas de soldadura de Al-Si y aleaciones de fundición de aluminio-silicio. En otras aleaciones de aluminio, el silicio y el hierro son impurezas comunes y tienen un efecto significativo en las propiedades de la aleación. Existen principalmente como FeCl3 y silicio libre.
Cuando el silicio es mayor que el hierro, se forma la fase β-FeSiAl3 (o Fe2Si2Al9), y cuando el hierro es mayor que el silicio, se forma la fase α-Fe2SiAl8 (Fe3Si2Al12). Cuando la proporción de hierro a silicio no es adecuada, se producirán grietas en la pieza fundida, y cuando el contenido de hierro en el aluminio fundido es demasiado alto, la pieza fundida se volverá quebradiza.
Titanio y Boro Ti-B
El titanio es un elemento aditivo comúnmente utilizado en aleaciones de aluminio, agregado en forma de aleación maestra Al-Ti o Al-Ti-B. El titanio forma la fase TiAl2 con el aluminio, que se convierte en un núcleo no espontáneo durante la cristalización y desempeña un papel en el refinamiento de la estructura de fundición y la estructura de soldadura. Cuando las aleaciones de Al-Ti producen una reacción en paquete, el contenido crítico de titanio es aproximadamente del 0,15%, y si hay boro presente, se reduce al 0,01%.
Cromo Cr
El cromo es un elemento aditivo común en las aleaciones de Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn y Al-Mg. A 600 ℃, la solubilidad del cromo en aluminio es del 0,8% y es básicamente insoluble a temperatura ambiente.
El cromo forma compuestos intermetálicos como (CrFe)Al7 y (CrMn)Al12 en el aluminio, que dificultan el proceso de nucleación y crecimiento de la recristalización, tienen un cierto efecto fortalecedor en la aleación y también pueden mejorar la tenacidad de la aleación y reducir la sensibilidad al agrietamiento por corrosión bajo tensión. Sin embargo, aumentará la sensibilidad del enfriamiento y hará que la película de óxido anódico se vuelva amarilla.
La adición de cromo a las aleaciones de aluminio generalmente no excede el 0,35% y disminuye con el aumento de elementos de transición en la aleación.
Elemento estroncio Sr
El estroncio es un elemento tensioactivo. En cristalografía, el estroncio puede cambiar el comportamiento de la fase del compuesto intermetálico. Por tanto, el tratamiento de modificación con estroncio puede mejorar la plasticidad de la aleación y la calidad del producto final. Debido a las ventajas del largo tiempo de efectividad, el buen efecto y la reproducibilidad del estroncio, en los últimos años ha reemplazado el uso de sodio en las aleaciones de fundición de Al-Si.
Agregar 0,015%~0,03% de estroncio a la aleación de aluminio para extrusión puede transformar la fase β-AlFeSi en el lingote en la fase α-AlFeSi del carácter chino, reducir el tiempo de homogeneización del lingote en un 60%~70%, mejorar las propiedades mecánicas y el procesamiento plástico del material; mejorar la rugosidad superficial del producto.
Para aleaciones de aluminio con alta deformación de silicio (10% ~ 13%), agregar 0,02% ~ 0,07% de estroncio puede reducir el cristal primario al mínimo y las propiedades mecánicas también mejoran significativamente. La resistencia a la tracción бb aumenta de 233MPa a 236MPa, el límite elástico б0.2 aumenta de 204MPa a 210MPa y el alargamiento б5 aumenta del 9% al 12%. Agregar estroncio a la aleación hipereutéctica Al-Si puede reducir el tamaño de las partículas de silicio primarias, mejorar el rendimiento del procesamiento del plástico y puede laminarse en caliente y en frío sin problemas.
Elemento circonio Zr
El circonio también es un aditivo común para las aleaciones de aluminio. Generalmente, la cantidad que se agrega a la aleación de aluminio es del 0,1% al 0,3%. El circonio y el aluminio forman compuestos ZrAl3, que pueden dificultar el proceso de recristalización y refinar los granos recristalizados. El circonio también puede refinar la estructura de fundición, pero el efecto es menor que el del titanio. La presencia de circonio reducirá el efecto del titanio y el boro en el refinado de granos. En las aleaciones de Al-Zn-Mg-Cu, dado que el efecto del circonio sobre la sensibilidad al enfriamiento es menor que el del cromo y el manganeso, se utiliza preferiblemente circonio para reemplazar el cromo y el manganeso para refinar la estructura recristalizada.
Elementos de tierras raras Re
Se agregan elementos de tierras raras a las aleaciones de aluminio para aumentar el sobreenfriamiento de los componentes durante la fundición de la aleación de aluminio, refinar los granos, reducir el espaciado de los cristales secundarios, reducir el gas y las inclusiones en la aleación y hacer que la fase de inclusión tienda a esferoidizarse. También puede reducir la tensión superficial de la masa fundida, aumentar la fluidez, facilitar la fundición en lingotes y tener un impacto significativo en el rendimiento del proceso. La cantidad añadida de diversas tierras raras es de aproximadamente 0,1% at%. La adición de tierras raras mixtas (La-Ce-Pr-Nd, etc.) reduce la temperatura crítica de formación de la zona G?P durante el envejecimiento de la aleación Al-0,65%Mg-0,61%Si. Las aleaciones de aluminio que contienen magnesio pueden estimular la modificación de elementos de tierras raras.
3. Influencia de los elementos impuros.
El vanadio forma compuestos refractarios VAl11 en aleaciones de aluminio, que desempeña un papel en el refinado de granos durante el proceso de fusión y fundición, pero el efecto es menor que el del titanio y el circonio. El vanadio también tiene el efecto de refinar la estructura de recristalización y aumentar la temperatura de recristalización.
El calcio tiene una solubilidad sólida muy baja en aleaciones de aluminio y forma compuestos de CaAl4 con aluminio. El calcio también es un elemento superplástico de las aleaciones de aluminio. Las aleaciones de aluminio con aproximadamente un 5% de calcio y un 5% de manganeso tienen superplasticidad. El calcio y el silicio forman CaSi, que es insoluble en aluminio. Gracias a la reducción de la solución sólida de silicio, se puede mejorar ligeramente la conductividad eléctrica del aluminio puro industrial. El calcio puede mejorar el rendimiento de corte de las aleaciones de aluminio. CaSi2 no puede fortalecer las aleaciones de aluminio mediante tratamiento térmico. Pequeñas cantidades de calcio son beneficiosas para eliminar el hidrógeno del líquido de aluminio.
El plomo, el estaño y el bismuto son metales de bajo punto de fusión. Tienen baja solubilidad en aluminio, lo que reduce ligeramente la resistencia de la aleación, pero puede mejorar el rendimiento de corte. El bismuto se expande durante la solidificación, lo que resulta beneficioso para la compensación de la contracción. Agregar bismuto a aleaciones con alto contenido de magnesio puede prevenir la fragilización del sodio.
El antimonio se utiliza principalmente como modificador en aleaciones de aluminio fundido y rara vez se utiliza en aleaciones de aluminio deformadas. Sólo reemplaza al bismuto en aleaciones de aluminio deformadas de Al-Mg para evitar la fragilización del sodio. Se agrega antimonio a algunas aleaciones de Al-Zn-Mg-Cu para mejorar el rendimiento del proceso de prensado en caliente y en frío.
El berilio puede mejorar la estructura de la película de óxido en aleaciones de aluminio deformadas y reducir las quemaduras y las inclusiones durante la fundición. El berilio es un elemento tóxico que puede provocar intoxicaciones alérgicas en las personas. Por tanto, las aleaciones de aluminio que entran en contacto con alimentos y bebidas no pueden contener berilio. El contenido de berilio en los materiales de soldadura suele controlarse por debajo de 8 μg/ml. También debe controlarse el contenido de berilio de las aleaciones de aluminio utilizadas como sustratos de soldadura.
El sodio es casi insoluble en aluminio, con una solubilidad máxima inferior al 0,0025%. El sodio tiene un punto de fusión bajo (97,8°C). Cuando existe sodio en la aleación, se adsorbe en la superficie de la dendrita o en el límite del grano durante la solidificación. Durante el trabajo en caliente, el sodio en el límite del grano forma una capa de adsorción líquida. Cuando se produce un agrietamiento frágil, se forman compuestos de NaAlSi. No hay sodio libre y no se produce "fragilización por sodio".
Cuando el contenido de magnesio supera el 2%, el magnesio elimina el silicio, precipita el sodio libre y produce "fragilización del sodio". Por lo tanto, no se permite el uso de fundente de sal de sodio en aleaciones de aluminio con alto contenido de magnesio. El método para prevenir la "fragilización del sodio" es el método de cloración, que hace que el sodio forme NaCl y lo descargue en la escoria, y agrega bismuto para generar Na2Bi y entrar en la matriz metálica; agregar antimonio para generar Na3Sb o agregar tierras raras también puede desempeñar el mismo papel.