各種元素在鋁合金中的作用

1、各種元素在鋁合金中的作用1. 合金元素影響銅元素鋁銅合金富鋁部分 548 時(shí)，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。tT-硅元素Al Si 合金系富鋁部分在共晶溫度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

2、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 。設(shè)計(jì) Al-Mg-Si 系合金成分時(shí)，基體上按此比例配置鎂和硅 的含量。有的 Al-Mg-Si 合金， 為了提高強(qiáng)度，加入適量的銅，同時(shí)加入適量的鉻以抵消銅對抗蝕性的不利影響。Al-Mg2Si 合金系合金平衡相圖富鋁部分 Mg2Si 在鋁中的最大溶解度為 1.85%，且隨溫 度的降低而減速小。變形鋁合金中，硅單獨(dú)加入鋁中只限于焊接材料，硅加入鋁中亦有一定的強(qiáng)化作用。Al-Mg 合金系平衡相圖富鋁部分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

3、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。錳元素Al-Mn 合金系平平衡相圖部分在共晶溫度 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

4、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。 再結(jié)晶晶 粒的細(xì)化 主要是通過 MnAl6 化合物彌散質(zhì)點(diǎn)對再結(jié)晶晶粒長大起阻礙作用。 MnAl6 的另一 作用是能溶解雜質(zhì)鐵，形成（ Fe、 Mn） Al6 ，減小鐵的有害影響。錳是鋁合金的重要元素， 可以單獨(dú)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，因此大多鋁合金中均含有錳。鋅元素Al-Zn 合金系平衡相圖富鋁部分 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

5、。在鋁中同時(shí)加入鋅和鎂，形成強(qiáng)化相 Mg/Zn2,對合金產(chǎn)生明顯的強(qiáng)化作用。Mg/Zn2含量從0.5%提高到12%寸，可明顯增加抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。 鎂的含量超過形成 Mg/Zn2相所 需超硬鋁合金中，鋅和鎂的比例控制在 2.7 左右時(shí)，應(yīng)力腐蝕 開裂抗力最大。如在 Al-Zn-Mg 基礎(chǔ)上加入銅元素，形成 Al-Zn-Mg-Cu 系合金，基強(qiáng)化效果在所有鋁合 金中最大，也是航天、航空工業(yè)、電力工業(yè)上的重要的鋁合金材料。2. 微量元素的影響鐵和硅鐵在 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

6、基它鋁合金中，硅和鐵是常見的雜質(zhì)元素，對合金性能有明顯的影響。它們主要以FeCI3和游離硅存在。在硅大于鐵時(shí)，形成B -FeSiAI3（或Fe2Si2AI9）相，而鐵大于硅時(shí)，形成a -Fe2SiAI8（或Fe3Si2AI12）。當(dāng)鐵和硅比例不當(dāng)時(shí)， 會引起鑄件產(chǎn)生裂紋，鑄鋁中鐵含量過 高時(shí)會使鑄件產(chǎn)生脆性。鈦和硼鈦是鋁合金中常用的添加元素，以 AI-Ti 或 AI-Ti-B 中間合金形式加入。鈦與鋁形成 TiAI2 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。AI-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%。鉻在Al-Mg-Si

7、系、Al-Mg-Zn系、Al-Mg系合金中常見的添加元素。600C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） AI7和（CrMn） AI12等金屬間化合物，阻礙再結(jié)晶的形核和長大但會場增過程， 對合金有一定的強(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。 加淬火敏感性，使陽極氧化膜呈黃色。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。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、 效果和再現(xiàn) 性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來在 Al-

8、Si 鑄 造合金中取代了鈉的使用。對擠壓用鋁合金中加入 0.015%0.03%鍶，使鑄錠中B -AIFeSi相變成漢字形a -AIFeSi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。對于高硅（10%13%）變形鋁合金中加入 0.02%0.07%鍶元素，可 使初晶減少至最低限度，力學(xué)性能也顯著提高， 抗拉強(qiáng)度6 b 由233MPa提高到236MPa屈服強(qiáng)度6 0.2由204MPa提 高到210MPa延伸 率6 5由9%增至12%在過共晶Al-Si合金中加入鍶，能減小初晶硅粒子尺寸，改善塑性加 工性能，可順利地?zé)彳埡屠滠?。鋯也是鋁合金的常用添加劑。

9、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， 由于鋯對淬火敏感 性的影響比鉻和錳的小，因此宜用鋯來代替鉻和錳細(xì)化再結(jié)晶組織。雜質(zhì)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， 增加流動性，有 利于澆注成錠，對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⊥粒↙a-Ce-Pr-Nd等混合

10、）的添加，使 AI-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。3. 雜質(zhì)元素的影響釩在鋁合金中形成 VAI11 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%丐和5儡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，

11、它們在鋁中固溶度不大，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 通常控制在8卩g/ml以下。用作焊接基體的鋁合金也應(yīng)控制鈹?shù)暮俊ｂc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 C）,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