鋁中合金元素和雜質(zhì)對(duì)器材性能的影響分析

汪利鋒

摘 要:鈦、鉻、鋰等。鋁合金密度低,但強(qiáng)度比較高,接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼,塑性好,可加工成各種型材,具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性,工業(yè)上廣泛使用,使用量?jī)H次于鋼。鋁合金分兩大類:鑄造鋁合金,在鑄態(tài)下使用;變形鋁合金,能承受壓力加工,力學(xué)性能高于鑄態(tài)。可加工成各種形態(tài)、規(guī)格的鋁合金材。主要用于制造航空器材、日常生活用品、建筑用門窗等。鋁合金按加工方法可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。變形鋁合金又分為不可熱處理強(qiáng)化型鋁合金和可熱處理強(qiáng)化型鋁合金。強(qiáng)化型不能通過熱處理來(lái)提高機(jī)械性能,只能通過冷加工變形來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化,它主要包括高純鋁、工業(yè)高純鋁、工業(yè)純鋁以及防銹鋁等?？蔁崽幚韽?qiáng)化型鋁合金可以通過淬火和時(shí)效等熱處理手段來(lái)提高機(jī)械性能,它可分為硬鋁、鍛鋁、超硬鋁和特殊鋁合金等。

關(guān)鍵詞:鋁合金;雜質(zhì);性能;加工

中圖分類號(hào):F416.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-3198(2009)18-0321-01

1 合金元素對(duì)器材性能的影響

1.1 銅元素

銅在鋁中的最大溶解度為5.65%,溫度降到302時(shí),銅的溶解度為0.45%。銅是重要的合金元素,有一定的固溶強(qiáng)化效果,此外時(shí)效析出的CuAl2有著明顯的時(shí)效強(qiáng)化效果。鋁合金中銅含量通常在2.5%—5%,銅含量在4%—6.8%時(shí)強(qiáng)化效果最好,所以大部分硬鋁合金的含銅量處于這范圍。 鋁銅合金中可以含有較少的硅、鎂、錳、鉻、鋅、鐵等元素。

1.2 硅元素

Al—Si合金系平衡相圖富鋁部分如圖 所示。在共晶溫度577 時(shí),硅在固溶體中的最大溶解度為1.65%。盡管溶解度隨溫度降低而減少,介這類合金一般是不能熱處理強(qiáng)化的。鋁硅合金具有極好的鑄造性能和抗蝕性。若鎂和硅同時(shí)加入鋁中形成鋁鎂硅系合金,強(qiáng)化相為MgSi。鎂和硅的質(zhì)量比為1.73∶1。

1.3 鎂元素

盡管溶解度曲線表明,鎂在鋁中的溶解度隨溫度下降而大大地變小,但是在大部分工業(yè)用變形鋁合金中,鎂的含量均小于6%,而硅含量也低,這類合金是不能熱處理強(qiáng)化的,但是可焊性良好,抗蝕性也好,并有中等強(qiáng)度。鎂對(duì)鋁的強(qiáng)化是明顯的,每增加1%鎂,抗拉強(qiáng)度大約升高瞻遠(yuǎn)34MPa。如果加入1%以下的錳,可能補(bǔ)充強(qiáng)化作用。因此加錳后可降低鎂含量,同時(shí)可降低熱裂傾向,另外錳還可以使Mg5Al8化合物均勻沉淀,改善抗蝕性和焊接性能。

1.4 錳元素

在共晶溫度658時(shí),錳在 固溶體中的最大溶解度為1.82%。合金強(qiáng)度隨溶解度增加不斷增加,錳含量為0.8%時(shí),延伸率達(dá)最大值。Al-Mn合金是非時(shí)效硬化合金,即不可熱處理強(qiáng)化。 錳能阻止鋁合金的再結(jié)晶過程,提高再結(jié)晶溫度,并能顯著細(xì)化再結(jié)晶晶粒。

1.5 鋅元素

275時(shí)鋅在鋁中的溶解度為31.6%,而在125時(shí)其溶解度則下降到5.6%。鋅單獨(dú)加入鋁中,在變形條件下對(duì)鋁合金強(qiáng)度的提高十分有限,同時(shí)存在應(yīng)力腐蝕開裂、傾向,因而限制了它的應(yīng)用。 在鋁中同時(shí)加入鋅和鎂,形成強(qiáng)化相Mg/Zn2,對(duì)合金產(chǎn)生明顯的強(qiáng)化作用。

2 微量元素和雜質(zhì)對(duì)器材性能的的影響

2.1 鐵和硅

鐵在Al-Cu-Mg-Ni-Fe系鍛鋁合金中,硅在Al-Mg-Si系鍛鋁中和在Al-Si系焊條及鋁硅鑄造合金中,均作為合金元素加的,在基它鋁合金中,硅和鐵是常見的雜質(zhì)元素,對(duì)合金性能有明顯的影響。它們主要以FeCL₃和游離硅存在。在硅大于鐵時(shí),形成β-FeSiAL₃(或Fe2Si2Al9)相,而鐵大于硅時(shí),形成α-Fe2SiAl8(或Fe3Si2Al12)。當(dāng)鐵和硅比例不當(dāng)時(shí),會(huì)引起鑄件產(chǎn)生裂紋,鑄鋁中鐵含量過高時(shí)會(huì)使鑄件產(chǎn)生脆性。

2.2 鈦和硼

鈦是鋁合金中常用的添加元素,以Al-Ti或Al-Ti-B中間合金形式加入。鈦與鋁形成TiAl2相,成為結(jié)晶時(shí)的非自發(fā)核心,起細(xì)化鑄造組織和焊縫組織的作用。Al-Ti系合金產(chǎn)生包反應(yīng)時(shí),鈦的臨界含量約為0.15%,如果有硼存在則減速小到0.01%。

2.3 鉻

鉻在Al-Mg-Si系、Al-Mg-Zn系、Al-Mg系合金中常見的添加元素。600℃時(shí),鉻在鋁中溶解度為0.8%,室溫時(shí)基本上不溶解。鉻在鋁中形成(CrFe)Al7和(CrMn)Al12等金屬間化合物,阻礙再結(jié)晶的形核和長(zhǎng)大過程,對(duì)合金有一定的強(qiáng)化作用,還能改善合金韌性和降低應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。但會(huì)場(chǎng)增加淬火敏感性,使陽(yáng)極氧化膜呈黃色。鉻在鋁合金中的添加量一般不超過0.35%,并隨合金中過渡元素的增加而降低。

2.4 鍶

鍶是表面活性元素,在結(jié)晶學(xué)上鍶能改變金屬間化合物相的行為。因此用鍶元素進(jìn)行變質(zhì)處理能改善合金的塑性加工性和最終產(chǎn)品質(zhì)量。由于鍶的變質(zhì)有效時(shí)間長(zhǎng)、效果和再現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)在Al-Si鑄造合金中取代了鈉的使用。對(duì)擠壓用鋁合金中加入0.015%—0.03%鍶,使鑄錠中β-AlFeSi相變成漢字形α-AlFeSi相,減少了鑄錠均勻化時(shí)間60%—70%,提高材料力學(xué)性能和塑性加工性;改善制品表面粗糙度。

2.5 鋯元素

鋯也是鋁合金的常用添加劑。一般在鋁合金中加入量為0.1%—0.3%,鋯和鋁形成ZrAL₃化合物,可阻礙再結(jié)晶過程,細(xì)化再結(jié)晶晶粒。鋯亦能細(xì)化鑄造組織,但比鈦的效果小。有鋯 存在時(shí),會(huì)降低鈦和硼細(xì)化晶粒的效果。在Al-Zn-Mg-Cu系合金中,由于鋯對(duì)淬火敏感性的影響比鉻和錳的小,因此宜用鋯來(lái)代替鉻和錳細(xì)化再結(jié)晶組織。

2.6 稀土元素

稀土元素加入鋁合金中,使鋁合金熔鑄時(shí)增加成分過冷,細(xì)化晶粒,減少二次晶間距,減少合金中的氣體和夾雜,并使夾雜相趨于球化。還可降低熔體表面張力,增加流動(dòng)性,有利于澆注成錠,對(duì)工藝性能有著明顯的影響。各種稀土加入量約為0.1%at%為好?；旌舷⊥?La-Ce-Pr-Nd等混合)的添加,使Al-0.65%Mg-0.61%Si合金時(shí)效G;P區(qū)形成的臨界溫度降低。含鎂的鋁合金,能激發(fā)稀土元素的變質(zhì)作用。

2.7 雜質(zhì)元素

釩在鋁合金中形成VAl11難熔化合物,在熔鑄過程中起細(xì)化晶粒作用,但比鈦和鋯的作用小。釩也有細(xì)化再結(jié)晶組織、提高再結(jié)晶溫度的作用。鈣在鋁合金中固溶度極低,與鋁形成CaAl4化合物,鈣又是鋁合金的超塑性元素,大約5%鈣和5%錳的鋁合金具有超塑性。鈣和硅形成CaSi,不溶于鋁,由于減小了硅的固溶量,可稍微提高工業(yè)純鋁的導(dǎo)電性能。鈣能改善鋁合金切削性能。CaSi2不能使鋁合金熱處理強(qiáng)化。微量鈣有利于去除鋁液中的氫。鉛、錫、鉍元素是低熔點(diǎn)金屬,它們?cè)阡X中固溶度不大,略降低合金強(qiáng)度,但能改善切削性能。鉍在凝固過程中膨脹,對(duì)補(bǔ)縮有利。高鎂合金中加入鉍可防止鈉脆。銻主要用作鑄造鋁合金中的變質(zhì)劑,變形鋁合金很少使用。僅在Al-Mg變形鋁合金中代替鉍防止鈉脆。銻元素加入某些Al-Zn-Mg-Cu系合金中,改善熱壓與冷壓工藝性能。鈹在變形鋁合金中可改善氧化膜的結(jié)構(gòu),減少熔鑄時(shí)的燒損和夾雜。鈹是有毒元素,能使人產(chǎn)生過敏性中毒。因此,接觸食品和飲料的鋁合金中不能含有鈹。焊接材料中的鈹含量通?？刂圃?g/ml以下。用作焊接基體的鋁合金也應(yīng)控制鈹?shù)暮?。鈉在鋁中幾乎不溶解,最大固溶度小于0.0025%,鈉的熔點(diǎn)低(97.8℃),合金中存在鈉時(shí),在凝固過程中吸附在枝晶表面或晶界,熱加工時(shí),晶界上的鈉形成液態(tài)吸附層,產(chǎn)生脆性開裂時(shí),形成NaAlSi化合物,無(wú)游離鈉存在,不產(chǎn)生“鈉脆”。當(dāng)鎂含量超2%時(shí),鎂奪取硅,析出游離鈉,產(chǎn)生“鈉脆”。因此高鎂鋁合金不允許使用鈉鹽熔劑。防止“鈉脆”的方法有氯化法,使鈉形成NaCl排入渣中,加鉍使之生成Na2Bi進(jìn)入金屬基體;加銻生成Na3Sb或加入稀土亦可起到相同的作用。

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