نقش عناصر مختلف در آلیاژهای آلومینیوم

مس

هنگامی که قسمت غنی از آلومینیوم آلیاژ آلومینیوم-مس 548 باشد، حداکثر حلالیت مس در آلومینیوم 5.65٪ است. هنگامی که دما به 302 کاهش می یابد، حلالیت مس 0.45٪ است. مس یک عنصر آلیاژی مهم است و خاصیت تقویت کننده محلول جامد خاصی دارد. علاوه بر این، CuAl2 رسوب شده در اثر پیری یک اثر تقویت کننده پیری آشکار دارد. محتوای مس در آلیاژهای آلومینیوم معمولاً بین 2.5٪ تا 5٪ است و اثر تقویتی زمانی بهترین است که میزان مس بین 4٪ تا 6.8٪ باشد، بنابراین محتوای مس اکثر آلیاژهای دورالومین در این محدوده است. آلیاژهای آلومینیوم مس می توانند حاوی سیلیکون، منیزیم، منگنز، کروم، روی، آهن و سایر عناصر کمتری باشند.

سیلیکون

هنگامی که قسمت غنی از آلومینیوم سیستم آلیاژ Al-Si دارای دمای یوتکتیک 577 باشد، حداکثر حلالیت سیلیکون در محلول جامد 1.65٪ است. اگرچه حلالیت با کاهش دما کاهش می یابد، اما این آلیاژها به طور کلی نمی توانند با عملیات حرارتی تقویت شوند. آلیاژ آلومینیوم-سیلیکون دارای خواص ریخته گری عالی و مقاومت در برابر خوردگی است. اگر منیزیم و سیلیکون به طور همزمان به آلومینیوم اضافه شوند تا یک آلیاژ آلومینیوم- منیزیم-سیلیکون تشکیل شود، فاز تقویتی MgSi است. نسبت جرمی منیزیم به سیلیکون 1.73:1 است. هنگام طراحی ترکیب آلیاژ Al-Mg-Si، محتویات منیزیم و سیلیکون در این نسبت روی ماتریس پیکربندی می شوند. به منظور بهبود استحکام برخی از آلیاژهای Al-Mg-Si، مقدار مناسبی مس و مقدار مناسبی کروم اضافه می شود تا اثرات نامطلوب مس بر مقاومت در برابر خوردگی را جبران کند.

حداکثر حلالیت Mg2Si در آلومینیوم در قسمت غنی از آلومینیوم نمودار فاز تعادلی سیستم آلیاژی Al-Mg2Si 1.85٪ است و با کاهش دما، کاهش سرعت کم است. در آلیاژهای آلومینیوم تغییر شکل یافته، افزودن سیلیکون به تنهایی به آلومینیوم محدود به مواد جوشکاری است و افزودن سیلیکون به آلومینیوم نیز اثر تقویتی خاصی دارد.

منیزیم

اگرچه منحنی حلالیت نشان می دهد که حلالیت منیزیم در آلومینیوم با کاهش دما به شدت کاهش می یابد، محتوای منیزیم در اکثر آلیاژهای آلومینیوم تغییر شکل یافته صنعتی کمتر از 6٪ است. محتوای سیلیکون نیز کم است. این نوع آلیاژ را نمی توان با عملیات حرارتی تقویت کرد، اما دارای جوش پذیری خوب، مقاومت در برابر خوردگی خوب و استحکام متوسط ​​است. تقویت آلومینیوم توسط منیزیم آشکار است. به ازای هر 1 درصد افزایش منیزیم، استحکام کششی تقریباً 34 مگاپاسکال افزایش می یابد. اگر کمتر از 1٪ منگنز اضافه شود، اثر تقویتی ممکن است تکمیل شود. بنابراین افزودن منگنز می‌تواند محتوای منیزیم را کاهش داده و تمایل به ترک‌خوردگی داغ را کاهش دهد. علاوه بر این، منگنز همچنین می تواند ترکیبات Mg5Al8 را به طور یکنواخت رسوب دهد و مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد جوش را بهبود بخشد.

منگنز

هنگامی که دمای یوتکتیک نمودار فاز تعادل مسطح سیستم آلیاژ Al-Mn 658 باشد، حداکثر حلالیت منگنز در محلول جامد 1.82٪ است. استحکام آلیاژ با افزایش حلالیت افزایش می یابد. هنگامی که محتوای منگنز 0.8٪ باشد، ازدیاد طول به حداکثر مقدار می رسد. آلیاژ Al-Mn یک آلیاژ سخت کننده غیر سنی است، یعنی با عملیات حرارتی نمی توان آن را تقویت کرد. منگنز می تواند از فرآیند تبلور مجدد آلیاژهای آلومینیوم جلوگیری کند، دمای تبلور مجدد را افزایش دهد و به طور قابل توجهی دانه های تبلور مجدد را تصفیه کند. پالایش دانه‌های تبلور مجدد عمدتاً به این دلیل است که ذرات پراکنده ترکیبات MnAl6 مانع رشد دانه‌های تبلور مجدد می‌شوند. عملکرد دیگر MnAl6 حل کردن آهن ناخالص برای تشکیل (Fe, Mn)Al6 است که از اثرات مضر آهن می کاهد. منگنز یک عنصر مهم در آلیاژهای آلومینیوم است. می توان آن را به تنهایی برای تشکیل یک آلیاژ دوتایی Al-Mn اضافه کرد. بیشتر اوقات، به همراه سایر عناصر آلیاژی اضافه می شود. بنابراین اکثر آلیاژهای آلومینیوم حاوی منگنز هستند.

روی

حلالیت روی در آلومینیوم 31.6٪ در 275 در قسمت غنی از آلومینیوم نمودار فاز تعادل سیستم آلیاژ Al-Zn است، در حالی که حلالیت آن به 5.6٪ در 125 کاهش می یابد. افزودن روی به تنهایی به آلومینیوم بهبود بسیار محدودی در استحکام آلیاژ آلومینیوم در شرایط تغییر شکل در عین حال، تمایل به ترک خوردگی تنشی وجود دارد و در نتیجه کاربرد آن را محدود می کند. افزودن همزمان روی و منیزیم به آلومینیوم فاز تقویتی Mg/Zn2 را تشکیل می دهد که اثر تقویتی قابل توجهی روی آلیاژ دارد. هنگامی که محتوای Mg/Zn2 از 0.5٪ به 12٪ افزایش می یابد، استحکام کششی و استحکام تسلیم می تواند به طور قابل توجهی افزایش یابد. در آلیاژهای آلومینیوم فوق سخت که محتوای منیزیم از مقدار لازم برای تشکیل فاز Mg/Zn2 فراتر می رود، زمانی که نسبت روی به منیزیم در حدود 2.7 کنترل می شود، مقاومت در برابر خوردگی تنشی بیشترین مقاومت را دارد. به عنوان مثال، افزودن عنصر مس به Al-Zn-Mg یک آلیاژ سری Al-Zn-Mg-Cu را تشکیل می دهد. اثر تقویت پایه در بین تمام آلیاژهای آلومینیوم بزرگترین است. همچنین یک ماده آلیاژ آلومینیوم مهم در صنعت هوافضا، هوانوردی و صنعت برق است.

آهن و سیلیکون

آهن به عنوان عناصر آلیاژی در آلیاژهای آلومینیوم فرفورژه سری Al-Cu-Mg-Ni-F و سیلیکون به عنوان عناصر آلیاژی در آلومینیوم فرفورژه سری Al-Mg-Si و در میله های جوشکاری سری Al-Si و ریخته گری آلومینیوم-سیلیکون اضافه می شود. آلیاژها در آلیاژهای پایه آلومینیوم، سیلیکون و آهن عناصر ناخالصی رایج هستند که تأثیر بسزایی بر خواص آلیاژ دارند. آنها عمدتاً به صورت FeCl3 و سیلیکون آزاد وجود دارند. وقتی سیلیکون بزرگتر از آهن باشد، فاز β-FeSiAl3 (یا Fe2Si2Al9) و زمانی که آهن بزرگتر از سیلیکون باشد، α-Fe2SiAl8 (یا Fe3Si2Al12) تشکیل می شود. زمانی که نسبت آهن و سیلیکون نامناسب باشد باعث ایجاد ترک در ریخته گری می شود. هنگامی که میزان آهن در آلومینیوم ریخته گری خیلی زیاد باشد، ریخته گری شکننده می شود.

تیتانیوم و بور

تیتانیوم یک عنصر افزودنی رایج در آلیاژهای آلومینیوم است که به شکل آلیاژ اصلی Al-Ti یا Al-Ti-B اضافه می شود. تیتانیوم و آلومینیوم فاز TiAl2 را تشکیل می دهند که در طول تبلور به هسته ای غیر خودبخودی تبدیل می شود و در پالایش ساختار ریخته گری و ساختار جوش نقش دارد. هنگامی که آلیاژهای Al-Ti تحت واکنش بسته بندی قرار می گیرند، محتوای بحرانی تیتانیوم حدود 0.15٪ است. اگر بور وجود داشته باشد، کاهش سرعت به کوچکی 0.01٪ است.

کروم

کروم یک عنصر افزودنی رایج در سری های Al-Mg-Si، سری Al-Mg-Zn و آلیاژهای سری Al-Mg است. در دمای 600 درجه سانتیگراد، حلالیت کروم در آلومینیوم 0.8٪ است و اساساً در دمای اتاق نامحلول است. کروم ترکیبات بین فلزی مانند (CrFe)Al7 و (CrMn)Al12 را در آلومینیوم تشکیل می دهد که مانع از هسته زایی و روند رشد تبلور مجدد می شود و اثر تقویتی خاصی روی آلیاژ دارد. همچنین می تواند چقرمگی آلیاژ را بهبود بخشد و حساسیت به ترک خوردگی تنشی را کاهش دهد.

با این حال، سایت حساسیت خاموش کردن را افزایش می دهد و فیلم آنودایز شده را زرد می کند. مقدار کروم اضافه شده به آلیاژهای آلومینیوم عموماً از 0.35 درصد تجاوز نمی کند و با افزایش عناصر انتقالی در آلیاژ کاهش می یابد.

استرانسیوم

استرانسیوم یک عنصر فعال سطحی است که می تواند رفتار فازهای ترکیب بین فلزی را از نظر کریستالوگرافی تغییر دهد. بنابراین، عملیات اصلاحی با عنصر استرانسیم می تواند کارایی پلاستیک آلیاژ و کیفیت محصول نهایی را بهبود بخشد. استرانسیم به دلیل زمان اصلاح موثر طولانی، اثر خوب و قابلیت تکرارپذیری، جایگزین استفاده از سدیم در آلیاژهای ریخته‌گری Al-Si در سال‌های اخیر شده است. افزودن 0.015٪ تا 0.03٪ استرانسیم به آلیاژ آلومینیوم برای اکستروژن، فاز β-AlFeSi در شمش را به فاز α-AlFeSi تبدیل می کند و زمان همگن شدن شمش را 60٪ تا 70٪ کاهش می دهد، خواص مکانیکی و فرآیند پذیری پلاستیک مواد را بهبود می بخشد. بهبود زبری سطح محصولات

برای آلیاژهای آلومینیوم با سیلیکون بالا (10٪ ~ 13٪)، افزودن 0.02٪ تا 0.07٪ عنصر استرانسیم می تواند کریستال های اولیه را به حداقل برساند و خواص مکانیکی نیز به طور قابل توجهی بهبود می یابد. استحکام کششی бb از 233 مگاپاسکال به 236 مگاپاسکال افزایش یافته است، و استحکام تسلیم б0.2 از 204 مگاپاسکال به 210 مگاپاسکال افزایش یافته است، و ازدیاد طول б5 از 9 درصد به 12 درصد افزایش یافته است. افزودن استرانسیوم به آلیاژ Hypereutectic Al-Si می تواند اندازه ذرات سیلیکون اولیه را کاهش دهد، خواص پردازش پلاستیک را بهبود بخشد و نورد سرد و گرم صاف را امکان پذیر کند.

زیرکونیوم

زیرکونیوم نیز یک افزودنی رایج در آلیاژهای آلومینیوم است. به طور کلی، مقدار اضافه شده به آلیاژهای آلومینیوم 0.1٪ تا 0.3٪ است. زیرکونیوم و آلومینیوم ترکیبات ZrAl3 را تشکیل می دهند که می تواند فرآیند تبلور مجدد را مختل کرده و دانه های تبلور مجدد را تصفیه کند. زیرکونیوم همچنین می تواند ساختار ریخته گری را اصلاح کند، اما اثر آن کوچکتر از تیتانیوم است. وجود زیرکونیوم اثر پالایش دانه تیتانیوم و بور را کاهش می دهد. در آلیاژهای Al-Zn-Mg-Cu، از آنجایی که زیرکونیوم نسبت به کروم و منگنز تأثیر کمتری در حساسیت خاموش شدن دارد، برای پالایش ساختار تبلور مجدد، استفاده از زیرکونیوم به جای کروم و منگنز مناسب است.

عناصر خاکی کمیاب

عناصر خاکی کمیاب به آلیاژهای آلومینیوم اضافه می‌شوند تا در طول ریخته‌گری آلیاژ آلومینیوم، فوق‌سرد شدن اجزا را افزایش دهند، دانه‌ها را تصفیه کنند، فاصله کریستال‌های ثانویه را کاهش دهند، گازها و آخال‌ها را در آلیاژ کاهش دهند، و تمایل به کروی شدن فاز گنجاندن دارند. همچنین می تواند کشش سطحی مذاب را کاهش دهد، سیالیت را افزایش دهد و ریخته گری در شمش ها را تسهیل کند، که تأثیر قابل توجهی بر عملکرد فرآیند دارد. بهتر است خاک های کمیاب مختلف به مقدار حدود 0.1 درصد اضافه شود. افزودن خاک‌های کمیاب مخلوط (مخلوط La-Ce-Pr-Nd و غیره) دمای بحرانی را برای تشکیل منطقه G?P پیر در آلیاژ Al-0.65%Mg-0.61%Si کاهش می‌دهد. آلیاژهای آلومینیوم حاوی منیزیم می توانند دگرگونی عناصر کمیاب خاکی را تحریک کنند.

ناخالصی

وانادیم ترکیب نسوز VAl11 را در آلیاژهای آلومینیوم تشکیل می دهد که در تصفیه دانه ها در طی فرآیند ذوب و ریخته گری نقش دارد، اما نقش آن کمتر از تیتانیوم و زیرکونیوم است. وانادیم همچنین اثر پالایش ساختار تبلور مجدد و افزایش دمای تبلور مجدد را دارد.

حلالیت جامد کلسیم در آلیاژهای آلومینیوم بسیار کم است و ترکیب CaAl4 را با آلومینیوم تشکیل می دهد. کلسیم یک عنصر فوق پلاستیک از آلیاژهای آلومینیوم است. آلیاژ آلومینیوم با تقریباً 5 درصد کلسیم و 5 درصد منگنز دارای فوق پلاستیک است. کلسیم و سیلیکون CaSi را تشکیل می دهند که در آلومینیوم نامحلول است. از آنجایی که مقدار محلول جامد سیلیکون کاهش می یابد، هدایت الکتریکی آلومینیوم خالص صنعتی را می توان کمی بهبود بخشید. کلسیم می تواند عملکرد برش آلیاژهای آلومینیوم را بهبود بخشد. CaSi2 نمی تواند آلیاژهای آلومینیوم را از طریق عملیات حرارتی تقویت کند. مقادیر کمی از کلسیم در حذف هیدروژن از آلومینیوم مذاب مفید است.

عناصر سرب، قلع و بیسموت فلزاتی با نقطه ذوب پایین هستند. حلالیت جامد آنها در آلومینیوم کم است، که کمی استحکام آلیاژ را کاهش می دهد، اما می تواند عملکرد برش را بهبود بخشد. بیسموت در طول انجماد منبسط می شود که برای تغذیه مفید است. افزودن بیسموت به آلیاژهای پر منیزیم می تواند از شکنندگی سدیم جلوگیری کند.

آنتیموان عمدتاً به عنوان یک اصلاح کننده در آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری استفاده می شود و به ندرت در آلیاژهای آلومینیوم تغییر شکل یافته استفاده می شود. فقط بیسموت را در آلیاژ آلومینیوم تغییر شکل داده شده Al-Mg جایگزین کنید تا از تردی سدیم جلوگیری شود. عنصر آنتیموان به برخی از آلیاژهای Al-Zn-Mg-Cu برای بهبود عملکرد فرآیندهای پرس گرم و پرس سرد اضافه می شود.

بریلیم می تواند ساختار فیلم اکسید را در آلیاژهای آلومینیوم تغییر شکل داده بهبود بخشد و از دست دادن سوختن و آخال ها در طول ذوب و ریخته گری را کاهش دهد. بریلیم یک عنصر سمی است که می تواند باعث مسمومیت آلرژیک در انسان شود. بنابراین، بریلیم را نمی توان در آلیاژهای آلومینیومی که با مواد غذایی و نوشیدنی ها در تماس هستند قرار داد. محتوای بریلیم در مواد جوش معمولاً زیر 8 میکروگرم در میلی لیتر کنترل می شود. آلیاژهای آلومینیومی که به عنوان بسترهای جوشکاری استفاده می شوند نیز باید محتوای بریلیم را کنترل کنند.

سدیم تقریباً در آلومینیوم نامحلول است و حداکثر حلالیت جامد کمتر از 0.0025٪ است. نقطه ذوب سدیم پایین است (97.8 ℃)، هنگامی که سدیم در آلیاژ وجود دارد، در طول انجماد روی سطح دندریت یا مرز دانه جذب می شود، در طول پردازش گرم، سدیم روی مرز دانه یک لایه جذب مایع را تشکیل می دهد. که منجر به ترک شکننده، تشکیل ترکیبات NaAlSi می شود، سدیم آزاد وجود ندارد و "سدیم ترد" تولید نمی کند.

هنگامی که محتوای منیزیم از 2٪ بیشتر شود، منیزیم سیلیکون را از بین می برد و سدیم آزاد را رسوب می دهد و در نتیجه "شکنندگی سدیم" ایجاد می شود. بنابراین، آلیاژ آلومینیوم با منیزیم بالا مجاز به استفاده از فلاکس نمک سدیم نیست. روش‌های جلوگیری از تردی سدیم عبارتند از کلرزنی که باعث تشکیل سدیم NaCl می‌شود و در سرباره تخلیه می‌شود و بیسموت را برای تشکیل Na2Bi و وارد شدن به ماتریکس فلزی می‌سازد. افزودن آنتیموان برای تشکیل Na3Sb یا افزودن خاک های کمیاب نیز می تواند همین اثر را داشته باشد.

ویرایش شده توسط می جیانگ از MAT آلومینیوم