铝合金中各种元素的作用

2019-09-26 11:08:13 vela 23

1、 硅(Si) 改善流动性能的主要成份,从共晶到过共晶都能得到最好的流动性。但结晶析出的硅(Si) 易形成硬点,使切削性变差,所以一般都不让它超过共晶点。另外,硅(Si)可改善抗拉强度、 硬度、切削性以及高温时强度,而使延伸率降低。 (Al-Si合金系富铝部分在共晶温度 577℃时,硅在固溶体中的最大溶解度为 1.65%。尽 管溶解度随温度降低而减少,介这类合金一般是不能热处理强化的。铝硅合金具有极好的铸 造性能和抗蚀性。若镁和硅同时加入铝中形成铝镁硅系合金,强化相为 MgSi。镁和硅的质 量比为 1.73:1。设计 Al-Mg-Si 系合金成分时,基体上按此比例配置镁和硅的含量。有的 Al-Mg-Si 合金,为了提高强度,加入适量的铜,同时加入适量的铬以抵消铜对抗蚀性的不 利影响。Al-Mg2Si 合金系合金平衡相图富铝部分 Mg2Si 在铝中的最大溶解度为 1.85%,且 随温度的降低而减速小。变形铝合金中,硅单独加入铝中只限于焊接材料,硅加入铝中亦有 一定的强化作用)。 2、 铜(Cu) 在铝合金中固溶进铜(Cu),机械性能可以提高,切削性变好。不过,耐蚀性降低,容易 发生热间裂痕。作为杂质的铜(Cu)也是这样。 (铝铜合金富铝部分 548℃时,铜在铝中的最大溶解度为 5.65%,温度降到 302℃时, 铜的溶解度为 0.45%。铜是重要的合金元素,有一定的固溶强化效果,此外时效析出的 CuAl2 有着明显的时效强化效果。铝合金中铜含量通常在 2.5%~5%,铜含量在 4%~6.8%时强化效 果最好,所以大部分硬铝合金的含铜量处于这范围。铝铜合金中可以含有较少的硅、镁、锰、 铬、锌、铁等元素) 。 3、 镁(Mg) 铝镁合金的耐蚀性最好,因此 ADC5、ADC6 是耐蚀性合金,它的凝固范围很大,所以 有热脆性,铸件易产生裂纹,难以铸造。作为杂质的镁(Mg),在 AL-Cu-Si这种材料中,Mg2Si 会使铸件变脆,所以一般标准在 0.3%以内。 (Al-Mg 合金系平衡相图富铝部分尽管溶解度曲线表明,镁在铝中的溶解度随温度下降 而大大地变小,但是在大部分工业用变形铝合金中,镁的含量均小于 6%,而硅含量也低, 这类合金是不能热处理强化的,但是可焊性良好,抗蚀性也好,并有中等强度。镁对铝的强 化是明显的,每增加 1%镁,抗拉强度大约升高瞻远 34MPa。如果加入 1%以下的锰,可能 补充强化作用。因此加锰后可降低镁含量,同时可降低热裂倾向,另外锰还可以使 Mg5Al8 化合物均匀沉淀,改善抗蚀性和焊接性能)。 4、 铁(Fe) 杂质的铁(Fe)会生成 FeAl3 的针状结晶,由于压铸是急冷,所以析出的晶体很细,不能 说是有害成份。含量低于 0.7%则有不易脱模的现象,所以含铁(Fe)0.8~1.0%反而好压铸。含 有大量的铁(Fe),会生成金属化合物,形成硬点。并且含铁(Fe)量过 1.2%时,降低合金流动 性,损害铸件的品质,缩短压铸设备中金属组件的寿命。 5、 镍(Ni) 和铜(Cu)一样,有增加抗拉强度和硬度的倾向,对耐蚀性影响很大。想要改善高温强度 耐热性,有时就加入镍(Ni),但在耐蚀性及热导性方面有降低的影响。 6、 锰(Mn) 能改善含铜(Cu),含硅(Si)合金的高温强度。若超过一定限度,易生成 Al-Si-Fe-P+o{T*T f;X}Mn 四元化合物,容易形成硬点以及降低导热性。锰(Mn)能阻止铝合金的再结晶过程, 提高再结晶温度,并能显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化主要是通过 MnAl6 化合物 弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。MnAl6 的另一作用是能溶解杂质铁(Fe),形成(Fe, Mn)Al6 减小铁的有害影响。锰(Mn)是铝合金的重要元素,可以单独加入 Al-Mn 二元合金,

更多的是和其他合金元素一同加入,因此大多铝合金中均含有锰(Mn)。 (Al-Mn 合金系平平衡相图部分在共晶温度 658℃时,锰在固溶体中的最大溶解度为 1.82%。合金强度随溶解度增加不断增加,锰含量为 0.8%时,延伸率达最大值。Al-Mn 合金 是非时效硬化合金,即不可热处理强化。锰能阻止铝合金的再结晶过程,提高再结晶温度, 并能显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化 主要是通过 MnAl6 化合物弥散质点对再结晶 晶粒长大起阻碍作用。MnAl6 的另一作用是能溶解杂质铁,形成(Fe、Mn)Al6,减小铁的 有害影响。锰是铝合金的重要元素,可以单独加入形成 Al-Mn 二元合金,更多的是和其它 合金元素一同加入,因此大多铝合金中均含有锰)。 7、 锌(Zn) 若含有杂质锌(Zn),高温脆性大,但与汞(Hg)形成强化 HgZn2 对合金产生明显强度作用。 JIS 中规定在 1.0%以内,但外国标准有到 3%的,这里所讲的当然不是合金成份的锌(Zn), 而是以杂质锌(Zn)的角色来说,它有使铸件产生裂纹的倾向。 (Al-Zn 合金系平衡相图富铝部分 275 时锌在铝中的溶解度为 31.6%,而在 125 时其溶 解度则下降到 5.6%。锌单独加入铝中,在变形条件下对铝合金强度的提高十分有限,同时 存在应力腐蚀开裂、倾向,因而限制了它的应用。在铝中同时加入锌和镁,形成强化相 Mg/Zn2, 对合金产生明显的强化作用。Mg/Zn2 含量从 0.5%提高到 12%时,可明显增加抗拉强度和屈 服强度。镁的含量超过形成 Mg/Zn2 相所需超硬铝合金中,锌和镁的比例控制在 2.7 左右时, 应力腐蚀 开裂抗力最大。如在 Al-Zn-Mg 基础上加入铜元素,形成 Al-Zn-Mg-Cu 系合金, 基强化效果在所有铝合金中最大,也是航天、航空工业、电力工业上的重要的铝合金材料)。 8、 铬(Cr) 铬(Cr)在铝中形成(CrFe)Al7 和(CrMn)Al12 等金属间化合物,阻碍再结晶的形核和长大 过程,对合金有一定的强化作用,还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。但会增加 淬火敏感性。 (铬在 Al-Mg-Si 系、Al-Mg-Zn 系、Al-Mg 系合金中常见的添加元素。600℃时,铬在 铝中溶解度为 0.8%,室温时基本上不溶解。铬在铝中形成(CrFe)Al7 和(CrMn)Al12 等 金属间化合物,阻碍再结晶的形核和长大过程,对合金有一定的强化作用,还能改善合金韧 性和降低应力腐蚀开裂敏感性。但会场增加淬火敏感性,使阳极氧化膜呈黄色。铬在铝合金 中的添加量一般不超过 0.35%,并随合金中过渡元素的增加而降低)。 9、 钛(Ti) 在合金中只需微量可使机械性能提高,但导电率却下降。Al-Ti系合金产生包晶反应时, 钛(Ti)的临界含量约为 0.15%,如有硼存在可以减少。在铝合金中有时还存在钙(Ca),铅 (Pb), 锡(Sn)等杂质元素。这些元素由于熔点高低不一,结构不同,与铝(Al)形成的化合物亦不相 同,因而对铝合金性能的影响各不一样。钙(Ca)在铝中固溶度极低,与铝(Al)形成 CaAl4 化 合物,钙(Ca)能改善铝合金切削性能。铅(Pb),锡(Sn)是低熔点金属,它们在铝(Al)中固溶度 不大,降低合金强度,但能改善切削性能。 10、锶(Sr) 锶是面活性元素,在结晶学上锶能改变金属间 化合物相的行为。因此用锶元素进行变 质处理能改善合金的塑性加工性和最终产品质量。由于锶的变质有效时间长、效果和再现性 好等优点,近年来在 Al-Si铸造合金中取代了钠的使用。对挤压用铝合金中加入 0.015%~0.03% 锶,使铸锭中 β-AlFeSi 相变成汉字形 α-AlFeSi 相,减少了铸锭均匀化时间 60%~70%,提高 材料力学性能和塑性加工性;改善制品表面粗糙度。对于高硅(10%~13%)变形铝合金中 加入 0.02%~0.07%锶元素,可使初晶减少至最低限度,力学性能也显著提高,抗拉强度 бb 由 233MPa 提高到 236MPa,屈服强度 б0.2 由 204MPa 提高到 210MPa,延伸率 б5 由 9%增 至 12%。在过共晶 Al-Si合金中加入锶,能减小初晶硅粒子尺寸,改善塑性加工性能,可顺 利地热轧和冷轧。 11、锆(Zr) 

锆也是铝合金的常用添加剂。一般在铝合金中加入量为 0.1%~0.3%,锆和铝形成 ZrAl3 化合物,可阻碍再结晶过程,细化再结晶晶粒。锆亦能细化铸造组织,但比钛的效果小。有 锆 存在时,会降低钛和硼细化晶粒的效果。在 Al-Zn-Mg-Cu 系合金中,由于锆对淬火敏感 性的影响比铬和锰的小,因此宜用锆来代替铬和锰细化再结晶组织。 12、杂质元素(Re) 稀土元素加入铝合金中,使铝合金熔铸时增加成分过冷,细化晶粒,减少二次晶间距, 减少合金中的气体和夹杂,并使夹杂相趋于球化。还可降低熔体表面张力,增加流动性,有 利于浇注成锭,对工艺性能有着明显的影响。各种稀土加入量约为 0.1%at%为好。混合稀土 (La-Ce-Pr-Nd 等混合)的添加,使 Al-0.65%Mg-0.61%Si合金时效 G?P 区形成的临界温度 降低。含镁的铝合金,能激发稀土元素的变质作用。 (铍在变形铝合金中可改善氧化膜的结构,减少熔铸时的烧损和夹杂。铍是有毒元素, 能使人产生过敏性中毒。因此,接触食品和饮料的铝合金中不能含有铍。焊接材料中的铍含 量通常控制在 8μg/ml 以下。用作焊接基体的铝合金也应控制铍的含量)。 13、铁和硅(Fe-Si) 铁在 Al-Cu-Mg-Ni-Fe 系锻铝合金中,硅在 Al-Mg-Si系锻铝中和在 Al-Si系焊条及铝硅 铸造合金中,均作为合金元素加的,在其它铝合金中,硅和铁是常见的杂质元素,对合金性 能有明显的影响。它们主要以 FeCl3 和游离硅存在。在硅大于铁时,形成 β-FeSiAl3(或 Fe2Si2Al9)相,而铁大于硅时,形成 α-Fe2SiAl8(或 Fe3Si2Al12)。当铁和硅比例不当时,会 引起铸件产生裂纹,铸铝中铁含量过 高时会使铸件产生脆性。 14、钛和硼(Ti-B) 钛是铝合金中常用的添加元素,以 Al-Ti 或 Al-Ti-B 中间合金形式加入。钛与铝形成 TiAl2 相,成为结晶时的非自发核心,起细化铸造组织和焊缝组织的作用。Al-Ti系合金产生 包反应时,钛的临界含量约为 0.15%,如果有硼存在则减 速小到 0.01%。 15、钒元素(V) 钒在铝合金中形成 VAl11 难熔化合物,在熔铸过程中起细化晶粒作用,但比钛和锆的作 用小。钒也有细化再结晶组织、提高再结晶温度的作用。 16、钙 钙在铝合金中固溶度极低,与铝形成 CaAl4 化合物,钙又是铝合金的超塑性元素,大 约 5%钙和 5%锰的铝合金具有超塑性。钙和硅形成 CaSi,不溶于铝,由于减小了硅的固溶 量,可稍微提高工业纯铝的导电性能。钙能改善铝合金切削性能。CaSi2 不能使铝合金热处 理强化。微量钙有利于去除铝液中的氢。 17、锑 锑主要用作铸造铝合金中的变质剂,变形铝合金很少使用。仅在 Al-Mg 变形铝合金中 代替铋防止钠脆。锑元素加入某些 Al-Zn-Mg-Cu 系合金中,改善热压与冷压工艺性能。 18、钠 钠在铝中几乎不溶解,最大固溶度小于 0.0025%,钠的熔点低(97.8℃),合金中存在 钠时,在凝固过程中吸附在枝晶表面或晶界,热加工时,晶界上的钠形成液态吸附层,产生 脆性开裂时,形成 NaAlSi 化合物,无游离钠存在,不产生“钠脆”。当镁含量超 2%时,镁夺 取硅,析出游离钠,产生“钠脆”。因此高镁铝合金不允许使用钠盐熔剂。防止“钠脆”的方法 有氯化法,使钠形成 NaCl 排入渣中,加铋使之生成 Na2Bi 进入金属基体;加锑生成 Na3Sb 或加入稀土亦可起到相同的作用。 19、铅、锡、铋 铅、锡、铋元素是低熔点金属,它们在铝中固溶度不大,略降低合金强度,但能改善切 削性能。铋在凝固过程中膨胀,对补缩有利。高镁合金中加入铋可防止钠脆。