Koper
Wanneer het aluminiumrijke deel van de aluminium-koperlegering 548 is, is de maximale oplosbaarheid van koper in aluminium 5,65%. Wanneer de temperatuur daalt tot 302, is de oplosbaarheid van koper 0,45%. Koper is een belangrijk legeringselement en heeft een zekere versterkende werking in vaste oplossing. Bovendien heeft het door veroudering neergeslagen CuAl2 een duidelijk versterkend effect. Het kopergehalte in aluminiumlegeringen ligt gewoonlijk tussen 2,5% en 5%, en het versterkende effect is optimaal wanneer het kopergehalte tussen 4% en 6,8% ligt. Het kopergehalte van de meeste duraluminiumlegeringen ligt dus binnen dit bereik. Aluminium-koperlegeringen kunnen minder silicium, magnesium, mangaan, chroom, zink, ijzer en andere elementen bevatten.
Silicium
Wanneer het aluminiumrijke deel van het Al-Si-legeringssysteem een eutectische temperatuur van 577°F heeft, bedraagt de maximale oplosbaarheid van silicium in de vaste oplossing 1,65%. Hoewel de oplosbaarheid afneemt met afnemende temperatuur, kunnen deze legeringen over het algemeen niet worden versterkt door middel van warmtebehandeling. Een aluminium-siliciumlegering heeft uitstekende gieteigenschappen en corrosiebestendigheid. Als magnesium en silicium tegelijkertijd aan aluminium worden toegevoegd om een aluminium-magnesium-siliciumlegering te vormen, is de versterkingsfase MgSi. De massaverhouding van magnesium tot silicium is 1,73:1. Bij het ontwerpen van de samenstelling van de Al-Mg-Si-legering worden de magnesium- en siliciumgehaltes in deze verhouding op de matrix geconfigureerd. Om de sterkte van sommige Al-Mg-Si-legeringen te verbeteren, wordt een geschikte hoeveelheid koper en een geschikte hoeveelheid chroom toegevoegd om de nadelige effecten van koper op de corrosiebestendigheid te compenseren.
De maximale oplosbaarheid van Mg2Si in aluminium in het aluminiumrijke deel van het evenwichtsfasediagram van het Al-Mg2Si-legeringssysteem is 1,85%, en de vertraging is klein naarmate de temperatuur daalt. In vervormde aluminiumlegeringen is de toevoeging van alleen silicium aan aluminium beperkt tot lasmaterialen, en de toevoeging van silicium aan aluminium heeft ook een zeker versterkend effect.
Magnesium
Hoewel de oplosbaarheidscurve laat zien dat de oplosbaarheid van magnesium in aluminium sterk afneemt naarmate de temperatuur daalt, bedraagt het magnesiumgehalte in de meeste industriële vervormde aluminiumlegeringen minder dan 6%. Het siliciumgehalte is ook laag. Dit type legering kan niet worden versterkt door warmtebehandeling, maar heeft een goede lasbaarheid, goede corrosiebestendigheid en gemiddelde sterkte. De versterking van aluminium met magnesium is duidelijk. Voor elke 1% toename van magnesium neemt de treksterkte met ongeveer 34 MPa toe. Indien minder dan 1% mangaan wordt toegevoegd, kan het versterkende effect worden versterkt. Daarom kan het toevoegen van mangaan het magnesiumgehalte verlagen en de neiging tot warmscheuren verminderen. Bovendien kan mangaan ook Mg5Al8-verbindingen gelijkmatig neerslaan, wat de corrosiebestendigheid en lasprestaties verbetert.
Mangaan
Wanneer de eutectische temperatuur van het vlakke evenwichtsfasediagram van het Al-Mn-legeringssysteem 658 is, bedraagt de maximale oplosbaarheid van mangaan in de vaste oplossing 1,82%. De sterkte van de legering neemt toe met de toename van de oplosbaarheid. Wanneer het mangaangehalte 0,8% bedraagt, bereikt de rek de maximale waarde. De Al-Mn-legering is een legering die niet door veroudering wordt gehard, dat wil zeggen dat deze niet kan worden versterkt door warmtebehandeling. Mangaan kan het rekristallisatieproces van aluminiumlegeringen voorkomen, de rekristallisatietemperatuur verhogen en de gerekristalliseerde korrels aanzienlijk verfijnen. De verfijning van gerekristalliseerde korrels is voornamelijk te danken aan het feit dat de gedispergeerde deeltjes van MnAl6-verbindingen de groei van gerekristalliseerde korrels belemmeren. Een andere functie van MnAl6 is het oplossen van ijzerverontreinigingen om (Fe, Mn)Al6 te vormen, waardoor de schadelijke effecten van ijzer worden verminderd. Mangaan is een belangrijk element in aluminiumlegeringen. Het kan afzonderlijk worden toegevoegd om een binaire Al-Mn-legering te vormen. Vaak wordt het toegevoegd samen met andere legeringselementen. Daarom bevatten de meeste aluminiumlegeringen mangaan.
Zink
De oplosbaarheid van zink in aluminium bedraagt 31,6% bij 275 in het aluminiumrijke deel van het evenwichtsfasediagram van het Al-Zn-legeringssysteem, terwijl de oplosbaarheid daalt tot 5,6% bij 125. Het toevoegen van alleen zink aan aluminium leidt tot een zeer beperkte verbetering van de sterkte van de aluminiumlegering onder vervormingsomstandigheden. Tegelijkertijd is er een neiging tot spanningscorrosie, waardoor de toepassing ervan beperkt is. Het gelijktijdig toevoegen van zink en magnesium aan aluminium vormt de versterkende fase Mg/Zn2, die een aanzienlijk versterkend effect heeft op de legering. Wanneer het Mg/Zn2-gehalte wordt verhoogd van 0,5% naar 12%, kunnen de treksterkte en vloeigrens aanzienlijk worden verhoogd. In superharde aluminiumlegeringen waar het magnesiumgehalte de vereiste hoeveelheid voor de vorming van de Mg/Zn2-fase overschrijdt, is de weerstand tegen spanningscorrosie het grootst wanneer de verhouding zink/magnesium rond de 2,7 wordt gehouden. Door bijvoorbeeld een koperelement toe te voegen aan Al-Zn-Mg ontstaat een Al-Zn-Mg-Cu-legering. Het basisversterkende effect is het grootst van alle aluminiumlegeringen. Het is ook een belangrijk aluminiumlegeringsmateriaal in de lucht- en ruimtevaart, luchtvaartindustrie en elektriciteitsindustrie.
IJzer en silicium
IJzer wordt toegevoegd als legeringselement in kneedaluminiumlegeringen uit de Al-Cu-Mg-Ni-Fe-serie, en silicium wordt toegevoegd als legeringselement in kneedaluminium uit de Al-Mg-Si-serie, in lasstaven uit de Al-Si-serie en in aluminium-siliciumgietlegeringen. In basisaluminiumlegeringen zijn silicium en ijzer veelvoorkomende onzuiverheden, die een aanzienlijke invloed hebben op de eigenschappen van de legering. Ze bestaan voornamelijk als FeCl3 en vrij silicium. Wanneer silicium groter is dan ijzer, wordt de β-FeSiAl3-fase (of Fe2Si2Al9) gevormd, en wanneer ijzer groter is dan silicium, wordt α-Fe2SiAl8-fase (of Fe3Si2Al12) gevormd. Een onjuiste verhouding van ijzer en silicium veroorzaakt scheuren in het gietstuk. Een te hoog ijzergehalte in gegoten aluminium leidt tot broosheid van het gietstuk.
Titanium en boor
Titanium is een veelgebruikt additief element in aluminiumlegeringen, toegevoegd in de vorm van een Al-Ti- of Al-Ti-B-masterlegering. Titanium en aluminium vormen de TiAl2-fase, die tijdens de kristallisatie een niet-spontane kern vormt en een rol speelt bij het verfijnen van de giet- en lasstructuur. Wanneer Al-Ti-legeringen een pakketreactie ondergaan, bedraagt het kritische titaniumgehalte ongeveer 0,15%. Bij aanwezigheid van boor is de vertraging slechts 0,01%.
Chroom
Chroom is een veelgebruikt additief element in legeringen uit de Al-Mg-Si-, Al-Mg-Zn- en Al-Mg-serie. Bij 600 °C is de oplosbaarheid van chroom in aluminium 0,8% en is het bij kamertemperatuur vrijwel onoplosbaar. Chroom vormt intermetallische verbindingen zoals (CrFe)Al7 en (CrMn)Al12 in aluminium, wat de nucleatie en groei van rekristallisatie belemmert en een versterkend effect heeft op de legering. Het kan ook de taaiheid van de legering verbeteren en de gevoeligheid voor spanningscorrosie verminderen.
De gevoeligheid voor afschrikken neemt echter toe, waardoor de geanodiseerde film geel wordt. De hoeveelheid chroom die aan aluminiumlegeringen wordt toegevoegd, bedraagt doorgaans niet meer dan 0,35% en neemt af met de toename van overgangselementen in de legering.
Strontium
Strontium is een oppervlakteactief element dat het gedrag van intermetallische verbindingsfasen kristallografisch kan veranderen. Modificatiebehandeling met strontium kan daarom de plastische verwerkbaarheid van de legering en de kwaliteit van het eindproduct verbeteren. Dankzij de lange effectieve modificatietijd, het goede effect en de reproduceerbaarheid heeft strontium de afgelopen jaren het gebruik van natrium in Al-Si-gietlegeringen vervangen. Door 0,015% tot 0,03% strontium toe te voegen aan de aluminiumlegering voor extrusie, wordt de β-AlFeSi-fase in de ingot omgezet in een α-AlFeSi-fase, waardoor de homogenisatietijd van de ingot met 60% tot 70% wordt verkort. Dit verbetert de mechanische eigenschappen en de plastische verwerkbaarheid van materialen en verbetert de oppervlakteruwheid van producten.
Voor vervormde aluminiumlegeringen met een hoog siliciumgehalte (10%~13%) kan de toevoeging van 0,02%~0,07% strontiumelement de primaire kristallen tot een minimum beperken en worden de mechanische eigenschappen aanzienlijk verbeterd. De treksterkte αb is verhoogd van 233 MPa naar 236 MPa, de vloeigrens α0,2 is verhoogd van 204 MPa naar 210 MPa en de rek α5 is verhoogd van 9% naar 12%. Toevoeging van strontium aan een hypereutectische Al-Si-legering kan de grootte van de primaire siliciumdeeltjes verkleinen, de kunststofverwerking verbeteren en soepel warm- en koudwalsen mogelijk maken.
Zirkonium
Zirkonium is ook een veelgebruikt additief in aluminiumlegeringen. Over het algemeen ligt de toegevoegde hoeveelheid tussen 0,1% en 0,3%. Zirkonium en aluminium vormen ZrAl3-verbindingen, die het rekristallisatieproces kunnen belemmeren en de gerekristalliseerde korrels kunnen verfijnen. Zirkonium kan ook de gietstructuur verfijnen, maar het effect is kleiner dan bij titanium. De aanwezigheid van zirkonium vermindert het korrelverfijnende effect van titanium en boor. In Al-Zn-Mg-Cu-legeringen is het, omdat zirkonium een kleiner effect heeft op de afschrikgevoeligheid dan chroom en mangaan, geschikt om zirkonium te gebruiken in plaats van chroom en mangaan om de gerekristalliseerde structuur te verfijnen.
Zeldzame aardelementen
Zeldzame aardmetalen worden toegevoegd aan aluminiumlegeringen om de onderkoeling van componenten tijdens het gieten van aluminiumlegeringen te verhogen, de korrel te verfijnen, de afstand tussen secundaire kristallen te verkleinen, gassen en insluitsels in de legering te verminderen en de insluitselfase te sferoïdiseren. Het kan ook de oppervlaktespanning van de smelt verlagen, de vloeibaarheid verhogen en het gieten tot ingots vergemakkelijken, wat een aanzienlijke impact heeft op de procesprestaties. Het is beter om verschillende zeldzame aardmetalen toe te voegen in een hoeveelheid van ongeveer 0,1%. De toevoeging van gemengde zeldzame aardmetalen (gemengd La-Ce-Pr-Nd, enz.) verlaagt de kritische temperatuur voor de vorming van de verouderende G⁻P-zone in een Al-0,65%Mg-0,61%Si-legering. Aluminiumlegeringen die magnesium bevatten, kunnen de metamorfose van zeldzame aardmetalen stimuleren.
Onzuiverheid
Vanadium vormt de VAl11-refractie in aluminiumlegeringen, die een rol speelt bij het verfijnen van korrels tijdens het smelt- en gietproces, maar deze rol is kleiner dan die van titanium en zirkonium. Vanadium zorgt ook voor het verfijnen van de gerekristalliseerde structuur en verhoogt de rekristallisatietemperatuur.
De oplosbaarheid van calcium in vaste vorm in aluminiumlegeringen is extreem laag en het vormt een CaAl4-verbinding met aluminium. Calcium is een superplastisch element in aluminiumlegeringen. Een aluminiumlegering met ongeveer 5% calcium en 5% mangaan heeft superplasticiteit. Calcium en silicium vormen CaSi, dat onoplosbaar is in aluminium. Doordat de hoeveelheid silicium in vaste vorm wordt verminderd, kan de elektrische geleidbaarheid van industrieel zuiver aluminium licht worden verbeterd. Calcium kan de snijprestaties van aluminiumlegeringen verbeteren. CaSi2 kan aluminiumlegeringen niet versterken door middel van warmtebehandeling. Sporen van calcium zijn nuttig bij het verwijderen van waterstof uit gesmolten aluminium.
Lood, tin en bismut zijn metalen met een laag smeltpunt. Hun oplosbaarheid in vaste vorm in aluminium is laag, wat de sterkte van de legering enigszins vermindert, maar de snijprestaties kan verbeteren. Bismut zet uit tijdens het stollen, wat gunstig is voor het voeden. Het toevoegen van bismut aan legeringen met een hoog magnesiumgehalte kan natriumbrosheid voorkomen.
Antimoon wordt voornamelijk gebruikt als modificator in gegoten aluminiumlegeringen en zelden in vervormde aluminiumlegeringen. Vervang alleen bismut in vervormde Al-Mg aluminiumlegeringen om natriumbrosheid te voorkomen. Het element antimoon wordt toegevoegd aan sommige Al-Zn-Mg-Cu-legeringen om de prestaties van warm- en koudpersprocessen te verbeteren.
Beryllium kan de structuur van de oxidefilm in vervormde aluminiumlegeringen verbeteren en verbrandingsverlies en insluitsels tijdens het smelten en gieten verminderen. Beryllium is een giftig element dat allergische vergiftiging bij mensen kan veroorzaken. Daarom mag beryllium niet worden gebruikt in aluminiumlegeringen die in contact komen met voedsel en dranken. Het berylliumgehalte in lasmaterialen wordt doorgaans beperkt tot minder dan 8 μg/ml. Ook aluminiumlegeringen die als lassubstraat worden gebruikt, moeten het berylliumgehalte onder controle houden.
Natrium is bijna onoplosbaar in aluminium en de maximale vaste oplosbaarheid is minder dan 0,0025%. Het smeltpunt van natrium is laag (97,8 ℃), wanneer natrium aanwezig is in de legering, wordt het geadsorbeerd op het dendrietoppervlak of de korrelgrens tijdens het stollen, tijdens hete verwerking vormt het natrium op de korrelgrens een vloeibare adsorptielaag, wat resulteert in brosse scheuren, de vorming van NaAlSi-verbindingen, er bestaat geen vrij natrium en produceert geen "natriumbros".
Wanneer het magnesiumgehalte hoger is dan 2%, neemt magnesium silicium weg en slaat vrij natrium neer, wat resulteert in "natriumbrosheid". Daarom mag in aluminiumlegeringen met een hoog magnesiumgehalte geen natriumzoutflux worden gebruikt. Methoden om "natriumbrosheid" te voorkomen zijn onder andere chlorering, waardoor natrium NaCl vormt en in de slak terechtkomt, het toevoegen van bismut om Na2Bi te vormen en in de metaalmatrix te dringen; het toevoegen van antimoon om Na3Sb te vormen of het toevoegen van zeldzame aardmetalen kan hetzelfde effect hebben.
Bewerkt door May Jiang van MAT Aluminum
Plaatsingstijd: 08-08-2024
