نقش عناصر مختلف در آلیاژهای آلومینیوم

مس

وقتی بخش غنی از آلومینیوم آلیاژ آلومینیوم-مس ۵۴۸ باشد، حداکثر حلالیت مس در آلومینیوم ۵.۶۵٪ است. وقتی دما به ۳۰۲ درجه سانتیگراد کاهش می‌یابد، حلالیت مس ۰.۴۵٪ است. مس یک عنصر آلیاژی مهم است و اثر تقویت‌کنندگی محلول جامد خاصی دارد. علاوه بر این، CuAl2 رسوب‌شده با پیرسازی، اثر تقویت‌کنندگی پیرسازی آشکاری دارد. میزان مس در آلیاژهای آلومینیوم معمولاً بین ۲.۵٪ تا ۵٪ است و اثر تقویت‌کنندگی زمانی بهترین است که میزان مس بین ۴٪ تا ۶.۸٪ باشد، بنابراین میزان مس اکثر آلیاژهای دورالومین در این محدوده است. آلیاژهای آلومینیوم-مس می‌توانند حاوی سیلیکون، منیزیم، منگنز، کروم، روی، آهن و سایر عناصر کمتری باشند.

سیلیکون

وقتی بخش غنی از آلومینیوم سیستم آلیاژی Al-Si دمای یوتکتیک ۵۷۷ درجه سانتیگراد داشته باشد، حداکثر حلالیت سیلیکون در محلول جامد ۱.۶۵٪ است. اگرچه حلالیت با کاهش دما کاهش می‌یابد، اما این آلیاژها عموماً نمی‌توانند با عملیات حرارتی تقویت شوند. آلیاژ آلومینیوم-سیلیکون دارای خواص ریخته‌گری 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 تقویت‌کننده MgSi است. نسبت جرمی منیزیم به سیلیکون ۱.۷۳:۱ است. هنگام طراحی ترکیب آلیاژ Al-Mg-Si، محتوای منیزیم و سیلیکون با این نسبت در ماتریس پیکربندی می‌شود. به منظور بهبود استحکام برخی از آلیاژهای Al-Mg-Si، مقدار مناسبی مس و مقدار مناسبی کروم برای جبران اثرات نامطلوب مس بر مقاومت در برابر خوردگی اضافه می‌شود.

حداکثر حلالیت Mg2Si در آلومینیوم در قسمت غنی از آلومینیوم نمودار فاز تعادلی سیستم آلیاژی Al-Mg2Si برابر با 1.85٪ است و با کاهش دما، کاهش سرعت اندک 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 تقویت کننده خاصی دارد.

منیزیم

اگرچه منحنی حلالیت نشان می‌دهد که حلالیت منیزیم در آلومینیوم با کاهش دما به شدت کاهش می‌یابد، اما میزان منیزیم در اکثر آلیاژهای آلومینیوم تغییر شکل یافته صنعتی کمتر از 6٪ است. میزان سیلیکون نیز کم است. این نوع آلیاژ را نمی‌توان با عملیات حرارتی تقویت کرد، اما جوش‌پذیری خوب، مقاومت در برابر خوردگی خوب و استحکام متوسطی دارد. تقویت آلومینیوم توسط منیزیم واضح است. به ازای هر 1٪ افزایش منیزیم، استحکام کششی تقریباً 34 مگاپاسکال افزایش می‌یابد. اگر کمتر از 1٪ منگنز اضافه شود، اثر تقویت ممکن است تکمیل شود. بنابراین، افزودن منگنز می‌تواند میزان منیزیم را کاهش داده و تمایل به ترک خوردگی گرم را کاهش دهد. علاوه بر این، منگنز همچنین می‌تواند ترکیبات Mg5Al8 را به طور یکنواخت رسوب دهد و مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد جوشکاری را بهبود بخشد.

منگنز

وقتی دمای یوتکتیک نمودار فازی تعادلی مسطح سیستم آلیاژی Al-Mn برابر با 658 باشد، حداکثر حلالیت منگنز در محلول جامد 1.82٪ است. استحکام آلیاژ با افزایش حلالیت افزایش می‌یابد. وقتی مقدار منگنز 0.8٪ باشد، ازدیاد طول به حداکثر مقدار خود می‌رسد. آلیاژ Al-Mn یک آلیاژ پیرسختی نشده است، یعنی نمی‌توان آن را با عملیات حرارتی تقویت کرد. منگنز می‌تواند از فرآیند تبلور مجدد آلیاژهای آلومینیوم جلوگیری کند، دمای تبلور مجدد را افزایش دهد و دانه‌های تبلور مجدد را به طور قابل توجهی تصفیه کند. تصفیه دانه‌های تبلور مجدد عمدتاً به این دلیل است که ذرات پراکنده ترکیبات MnAl6 مانع رشد دانه‌های تبلور مجدد می‌شوند. یکی دیگر از عملکردهای MnAl6 حل کردن آهن ناخالصی برای تشکیل (Fe, Mn)Al6 است که اثرات مضر آهن را کاهش می‌دهد. منگنز عنصر مهمی در آلیاژهای آلومینیوم است. می‌توان آن را به تنهایی اضافه کرد تا یک آلیاژ دوتایی Al-Mn تشکیل شود. بیشتر اوقات، منگنز به همراه سایر عناصر آلیاژی اضافه می‌شود. بنابراین، اکثر آلیاژهای آلومینیوم حاوی منگنز هستند.

روی

حلالیت روی در آلومینیوم در بخش غنی از آلومینیوم نمودار فاز تعادلی سیستم آلیاژی Al-Zn، در نقطه ۲۷۵، ۳۱.۶٪ است، در حالی که حلالیت آن در نقطه ۱۲۵ به ۵.۶٪ کاهش می‌یابد. افزودن روی به تنهایی به آلومینیوم، بهبود بسیار محدودی در استحکام آلیاژ آلومینیوم در شرایط تغییر شکل ایجاد می‌کند. در عین حال، تمایل به ترک خوردگی تنشی وجود دارد، بنابراین کاربرد آن را محدود می‌کند. افزودن همزمان روی و منیزیم به آلومینیوم، فاز تقویت‌کننده Mg/Zn2 را تشکیل می‌دهد که اثر تقویت‌کننده قابل توجهی بر آلیاژ دارد. هنگامی که محتوای Mg/Zn2 از ۰.۵٪ به ۱۲٪ افزایش می‌یابد، استحکام کششی و استحکام تسلیم می‌تواند به طور قابل توجهی افزایش یابد. در آلیاژهای آلومینیوم فوق سخت که محتوای منیزیم از مقدار مورد نیاز برای تشکیل فاز Mg/Zn2 بیشتر است، هنگامی که نسبت روی به منیزیم در حدود ۲.۷ کنترل می‌شود، مقاومت در برابر ترک خوردگی تنشی بیشترین مقدار را دارد. به عنوان مثال، افزودن عنصر مس به Al-Zn-Mg، آلیاژ سری Al-Zn-Mg-Cu را تشکیل می‌دهد. اثر تقویت پایه در بین تمام آلیاژهای آلومینیوم بیشترین است. همچنین یک ماده آلیاژ آلومینیوم مهم در هوافضا، صنعت هوانوردی و صنعت برق است.

آهن و سیلیکون

آهن به عنوان عناصر آلیاژی در آلیاژهای آلومینیوم کارشده سری Al-Cu-Mg-Ni-Fe و سیلیکون به عنوان عناصر آلیاژی در آلومینیوم کارشده سری Al-Mg-Si و در میله‌های جوشکاری سری Al-Si و آلیاژهای ریخته‌گری آلومینیوم-سیلیکون اضافه می‌شود. در آلیاژهای آلومینیوم پایه، سیلیکون و آهن عناصر ناخالصی رایج هستند که تأثیر قابل توجهی بر خواص آلیاژ دارند. آنها عمدتاً به صورت FeCl3 و سیلیکون آزاد وجود دارند. هنگامی که سیلیکون بزرگتر از آهن باشد، فاز β-FeSiAl3 (یا Fe2Si2Al9) تشکیل می‌شود و هنگامی که آهن بزرگتر از سیلیکون باشد، فاز α-Fe2SiAl8 (یا Fe3Si2Al12) تشکیل می‌شود. هنگامی که نسبت آهن و سیلیکون نامناسب باشد، باعث ایجاد ترک در ریخته‌گری می‌شود. هنگامی که میزان آهن در آلومینیوم ریخته‌گری خیلی زیاد باشد، ریخته‌گری شکننده می‌شود.

تیتانیوم و بور

تیتانیوم یک عنصر افزودنی رایج در آلیاژهای آلومینیوم است که به شکل آلیاژ اصلی Al-Ti یا Al-Ti-B اضافه می‌شود. تیتانیوم و آلومینیوم فاز TiAl2 را تشکیل می‌دهند که در طول تبلور به یک هسته غیر خودبخودی تبدیل می‌شود و در اصلاح ساختار ریخته‌گری و ساختار جوش نقش دارد. هنگامی که آلیاژهای Al-Ti تحت واکنش بسته‌بندی قرار می‌گیرند، مقدار بحرانی تیتانیوم حدود 0.15٪ است. در صورت وجود بور، کاهش سرعت به کوچکی 0.01٪ است.

کروم

کروم یک عنصر افزودنی رایج در سری‌های Al-Mg-Si، سری‌های 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 می‌دهد که مانع از جوانه‌زنی و رشد فرآیند تبلور مجدد می‌شود و تأثیر تقویت‌کننده خاصی بر آلیاژ دارد. همچنین می‌تواند چقرمگی آلیاژ را بهبود بخشد و حساسیت به ترک خوردگی ناشی از تنش را کاهش دهد.

با این حال، این محل حساسیت به کوئنچ را افزایش می‌دهد و باعث زرد شدن لایه آنودایز شده می‌شود. مقدار کروم اضافه شده به آلیاژهای آلومینیوم عموماً از 0.35٪ تجاوز نمی‌کند و با افزایش عناصر واسطه در آلیاژ کاهش می‌یابد.

استرانسیم

استرانسیم یک عنصر فعال سطحی است که می‌تواند رفتار فازهای ترکیب بین فلزی را از نظر کریستالوگرافی تغییر دهد. بنابراین، عملیات اصلاح با عنصر استرانسیم می‌تواند کارایی پلاستیکی آلیاژ و کیفیت محصول نهایی را بهبود بخشد. به دلیل زمان اصلاح طولانی، اثر خوب و تکرارپذیری، استرانسیم در سال‌های اخیر جایگزین سدیم در آلیاژهای ریخته‌گری Al-Si شده است. افزودن 0.015%~0.03% استرانسیم به آلیاژ آلومینیوم برای اکستروژن، فاز β-AlFeSi را در شمش به فاز α-AlFeSi تبدیل می‌کند و زمان همگن‌سازی شمش را 60%~70% کاهش می‌دهد و خواص مکانیکی و فرآیندپذیری پلاستیکی مواد را بهبود می‌بخشد و زبری سطح محصولات را بهبود می‌بخشد.

برای آلیاژهای آلومینیوم تغییر شکل یافته با درصد بالای سیلیکون (10%~13%)، افزودن 0.02%~0.07% عنصر استرانسیوم می‌تواند کریستال‌های اولیه را به حداقل برساند و خواص مکانیکی نیز به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد. استحکام کششی бb از 233MPa به 236MPa و استحکام تسلیم б0.2 از 204MPa به 210MPa و ازدیاد طول б5 از 9% به 12% افزایش می‌یابد. افزودن استرانسیوم به آلیاژ هایپریوتکتیک Al-Si می‌تواند اندازه ذرات سیلیکون اولیه را کاهش دهد، خواص پردازش پلاستیک را بهبود بخشد و نورد گرم و سرد روان را امکان‌پذیر کند.

زیرکونیوم

زیرکونیوم همچنین 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 می‌دهند که می‌توانند مانع فرآیند تبلور مجدد شده و دانه‌های تبلور مجدد یافته را اصلاح کنند. زیرکونیوم همچنین می‌تواند ساختار ریخته‌گری را اصلاح کند، اما این اثر کمتر از تیتانیوم است. وجود زیرکونیوم اثر اصلاح دانه تیتانیوم و بور را کاهش می‌دهد. در آلیاژهای Al-Zn-Mg-Cu، از آنجایی که زیرکونیوم نسبت به کروم و منگنز تأثیر کمتری بر حساسیت کوئنچ دارد، استفاده از زیرکونیوم به جای کروم و منگنز برای اصلاح ساختار تبلور مجدد یافته مناسب است.

عناصر خاکی کمیاب

عناصر خاکی کمیاب به آلیاژهای آلومینیوم اضافه می‌شوند تا در طول ریخته‌گری آلیاژ آلومینیوم، فوق تبرید قطعات را افزایش دهند، دانه‌ها را اصلاح کنند، فاصله کریستال‌های ثانویه را کاهش دهند، گازها و آخال‌ها را در آلیاژ کاهش دهند و تمایل به کروی کردن فاز آخال داشته باشند. همچنین می‌تواند کشش سطحی مذاب را کاهش دهد، سیالیت را افزایش دهد و ریخته‌گری را به شمش تسهیل کند که تأثیر قابل توجهی بر عملکرد فرآیند دارد. بهتر است عناصر خاکی کمیاب مختلف را به میزان حدود 0.1٪ اضافه کنید. افزودن عناصر خاکی کمیاب مخلوط (مخلوط La-Ce-Pr-Nd و غیره) دمای بحرانی تشکیل ناحیه پیرسازی G?P را در آلیاژ Al-0.65%Mg-0.61%Si کاهش می‌دهد. آلیاژهای آلومینیوم حاوی منیزیم می‌توانند دگرگونی عناصر خاکی کمیاب را تحریک کنند.

ناخالصی

وانادیوم ترکیب دیرگداز VAl11 را در آلیاژهای آلومینیوم تشکیل می‌دهد که در ریز کردن دانه‌ها در طول فرآیند ذوب و ریخته‌گری نقش دارد، اما نقش آن کمتر از تیتانیوم و زیرکونیوم است. وانادیوم همچنین اثر ریز کردن ساختار تبلور مجدد یافته و افزایش دمای تبلور مجدد را دارد.

حلالیت جامد کلسیم در آلیاژهای آلومینیوم بسیار کم است و با آلومینیوم ترکیب CaAl4 تشکیل می‌دهد. کلسیم یک عنصر سوپرپلاستیک در آلیاژهای آلومینیوم است. یک آلیاژ آلومینیوم با تقریباً 5٪ کلسیم و 5٪ منگنز دارای سوپرپلاستیک است. کلسیم و سیلیکون CaSi را تشکیل می‌دهند که در آلومینیوم نامحلول است. از آنجایی که مقدار محلول جامد سیلیکون کاهش می‌یابد، رسانایی الکتریکی آلومینیوم خالص صنعتی می‌تواند کمی بهبود یابد. کلسیم می‌تواند عملکرد برش آلیاژهای آلومینیوم را بهبود بخشد. CaSi2 نمی‌تواند آلیاژهای آلومینیوم را از طریق عملیات حرارتی تقویت کند. مقادیر ناچیز 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 استحکام آلیاژ را کمی کاهش می‌دهد، اما می‌تواند عملکرد برش را بهبود بخشد. بیسموت در طول انجماد منبسط می‌شود که برای تغذیه مفید است. افزودن بیسموت به آلیاژهای منیزیم بالا می‌تواند از تردی سدیم جلوگیری کند.

آنتیموان عمدتاً به عنوان اصلاح‌کننده در آلیاژهای آلومینیوم ریخته‌گری شده استفاده می‌شود و به ندرت در آلیاژهای آلومینیوم تغییر شکل یافته استفاده می‌شود. فقط بیسموت را در آلیاژ آلومینیوم تغییر شکل یافته Al-Mg جایگزین کنید تا از تردی سدیم جلوگیری شود. عنصر آنتیموان به برخی از آلیاژهای Al-Zn-Mg-Cu اضافه می‌شود تا عملکرد فرآیندهای پرس گرم و پرس سرد را بهبود بخشد.

بریلیم می‌تواند ساختار لایه اکسید را در آلیاژهای آلومینیوم تغییر شکل یافته بهبود بخشد و اتلاف ناشی از سوختن و آخال‌ها را در حین ذوب و ریخته‌گری کاهش دهد. بریلیم یک عنصر سمی است که می‌تواند باعث مسمومیت آلرژیک در انسان شود. بنابراین، بریلیم را نمی‌توان در آلیاژهای آلومینیومی که با غذا و نوشیدنی‌ها در تماس هستند، نگهداری کرد. میزان بریلیم در مواد جوشکاری معمولاً زیر 8 میکروگرم در میلی‌لیتر کنترل می‌شود. آلیاژهای آلومینیوم مورد استفاده به عنوان زیرلایه جوشکاری نیز باید میزان بریلیم را کنترل کنند.

سدیم تقریباً در آلومینیوم نامحلول است و حداکثر حلالیت جامد آن کمتر از 0.0025٪ است. نقطه ذوب سدیم پایین است (97.8 درجه سانتیگراد)، وقتی سدیم در آلیاژ وجود دارد، در طول انجماد روی سطح دندریت یا مرز دانه جذب می‌شود، در طول پردازش گرم، سدیم روی مرز دانه یک لایه جذب مایع تشکیل می‌دهد که منجر به ترک خوردگی شکننده، تشکیل ترکیبات NaAlSi می‌شود، هیچ سدیم آزادی وجود ندارد و "سدیم شکننده" ایجاد نمی‌کند.

وقتی میزان منیزیم از ۲٪ بیشتر شود، منیزیم سیلیکون را از بین می‌برد و سدیم آزاد را رسوب می‌دهد که منجر به "شکنندگی سدیم" می‌شود. بنابراین، آلیاژ آلومینیوم با منیزیم بالا مجاز به استفاده از نمک سدیم به عنوان فلاکس نیست. روش‌های جلوگیری از "تردی سدیم" شامل کلرزنی است که باعث می‌شود سدیم NaCl تشکیل شود و به داخل سرباره تخلیه شود، بیسموت اضافه می‌شود تا Na2Bi تشکیل شود و وارد ماتریس فلزی شود؛ افزودن آنتیموان برای تشکیل Na3Sb یا افزودن عناصر خاکی کمیاب نیز می‌تواند همین اثر را داشته باشد.

ویرایش شده توسط می جیانگ از MAT Aluminum