Peranan pelbagai unsur dalam aloi aluminium

Tembaga

Apabila bahagian aloi aluminium-kuprum yang kaya dengan aluminium ialah 548, keterlarutan maksimum kuprum dalam aluminium ialah 5.65%. Apabila suhu turun kepada 302, keterlarutan kuprum ialah 0.45%. Kuprum adalah unsur aloi yang penting dan mempunyai kesan pengukuhan larutan pepejal tertentu. Di samping itu, CuAl2 yang dicetuskan oleh penuaan mempunyai kesan pengukuhan penuaan yang jelas. Kandungan tembaga dalam aloi aluminium biasanya antara 2.5% dan 5%, dan kesan pengukuhan adalah yang terbaik apabila kandungan tembaga adalah antara 4% dan 6.8%, jadi kandungan tembaga kebanyakan aloi duralumin berada dalam julat ini. Aloi aluminium-tembaga boleh mengandungi kurang silikon, magnesium, mangan, kromium, zink, besi dan unsur-unsur lain.

silikon

Apabila bahagian sistem aloi Al-Si yang kaya dengan aluminium mempunyai suhu eutektik 577, keterlarutan maksimum silikon dalam larutan pepejal ialah 1.65%. Walaupun keterlarutan berkurangan dengan penurunan suhu, aloi ini secara amnya tidak boleh dikuatkan dengan rawatan haba. Aloi aluminium-silikon mempunyai sifat tuangan yang sangat baik dan rintangan kakisan. Jika magnesium dan silikon ditambah kepada aluminium pada masa yang sama untuk membentuk aloi aluminium-magnesium-silikon, fasa pengukuhan ialah MgSi. Nisbah jisim magnesium kepada silikon ialah 1.73:1. Apabila mereka bentuk komposisi aloi Al-Mg-Si, kandungan magnesium dan silikon dikonfigurasikan dalam nisbah ini pada matriks. Untuk meningkatkan kekuatan beberapa aloi Al-Mg-Si, jumlah kuprum yang sesuai ditambah, dan jumlah kromium yang sesuai ditambah untuk mengimbangi kesan buruk kuprum pada rintangan kakisan.

Keterlarutan maksimum Mg2Si dalam aluminium dalam bahagian yang kaya dengan aluminium dalam rajah fasa keseimbangan sistem aloi Al-Mg2Si ialah 1.85%, dan nyahpecutan adalah kecil apabila suhu berkurangan. Dalam aloi aluminium yang cacat, penambahan silikon sahaja kepada aluminium adalah terhad kepada bahan kimpalan, dan penambahan silikon kepada aluminium juga mempunyai kesan pengukuhan tertentu.

Magnesium

Walaupun keluk keterlarutan menunjukkan bahawa keterlarutan magnesium dalam aluminium sangat berkurangan apabila suhu menurun, kandungan magnesium dalam kebanyakan aloi aluminium cacat industri adalah kurang daripada 6%. Kandungan silikon juga rendah. Aloi jenis ini tidak boleh dikuatkan dengan rawatan haba, tetapi mempunyai kebolehkimpalan yang baik, rintangan kakisan yang baik, dan kekuatan sederhana. Pengukuhan aluminium oleh magnesium adalah jelas. Untuk setiap peningkatan 1% dalam magnesium, kekuatan tegangan meningkat kira-kira 34MPa. Jika kurang daripada 1% mangan ditambah, kesan pengukuhan boleh ditambah. Oleh itu, menambah mangan boleh mengurangkan kandungan magnesium dan mengurangkan kecenderungan retak panas. Di samping itu, mangan juga boleh memendakan sebatian Mg5Al8 secara seragam, meningkatkan ketahanan kakisan dan prestasi kimpalan.

Mangan

Apabila suhu eutektik rajah fasa keseimbangan rata sistem aloi Al-Mn ialah 658, keterlarutan maksimum mangan dalam larutan pepejal ialah 1.82%. Kekuatan aloi bertambah dengan peningkatan keterlarutan. Apabila kandungan mangan adalah 0.8%, pemanjangan mencapai nilai maksimum. Aloi Al-Mn ialah aloi pengerasan bukan umur, iaitu, ia tidak boleh dikuatkan dengan rawatan haba. Mangan boleh menghalang proses penghabluran semula aloi aluminium, meningkatkan suhu penghabluran semula, dan menghaluskan butiran penghabluran semula dengan ketara. Penapisan bijirin terhablur semula disebabkan terutamanya oleh fakta bahawa zarah tersebar sebatian MnAl6 menghalang pertumbuhan bijirin terhablur semula. Satu lagi fungsi MnAl6 adalah untuk melarutkan besi kekotoran untuk membentuk (Fe, Mn)Al6, mengurangkan kesan berbahaya besi. Mangan adalah unsur penting dalam aloi aluminium. Ia boleh ditambah sahaja untuk membentuk aloi binari Al-Mn. Lebih kerap, ia ditambah bersama unsur pengaloian lain. Oleh itu, kebanyakan aloi aluminium mengandungi mangan.

Zink

Keterlarutan zink dalam aluminium ialah 31.6% pada 275 dalam bahagian yang kaya dengan aluminium dalam rajah fasa keseimbangan sistem aloi Al-Zn, manakala keterlarutannya menurun kepada 5.6% pada 125. Menambah zink sahaja kepada aluminium mempunyai peningkatan yang sangat terhad dalam kekuatan aloi aluminium di bawah keadaan ubah bentuk. Pada masa yang sama, terdapat kecenderungan retakan kakisan tegasan, dengan itu mengehadkan penggunaannya. Menambah zink dan magnesium kepada aluminium pada masa yang sama membentuk fasa pengukuhan Mg/Zn2, yang mempunyai kesan pengukuhan yang ketara pada aloi. Apabila kandungan Mg/Zn2 dinaikkan daripada 0.5% kepada 12%, kekuatan tegangan dan kekuatan hasil boleh meningkat dengan ketara. Dalam aloi aluminium superhard di mana kandungan magnesium melebihi jumlah yang diperlukan untuk membentuk fasa Mg/Zn2, apabila nisbah zink kepada magnesium dikawal pada sekitar 2.7, rintangan keretakan kakisan tegasan adalah paling besar. Sebagai contoh, menambah unsur kuprum kepada Al-Zn-Mg membentuk aloi siri Al-Zn-Mg-Cu. Kesan pengukuhan asas adalah yang terbesar di antara semua aloi aluminium. Ia juga merupakan bahan aloi aluminium yang penting dalam aeroangkasa, industri penerbangan dan industri kuasa elektrik.

Besi dan silikon

Besi ditambah sebagai unsur mengaloi dalam aloi aluminium tempa siri Al-Cu-Mg-Ni-Fe, dan silikon ditambah sebagai unsur mengaloi dalam aluminium tempa siri Al-Mg-Si dan dalam rod kimpalan siri Al-Si dan tuangan aluminium-silikon aloi. Dalam aloi aluminium asas, silikon dan besi adalah unsur kekotoran biasa, yang mempunyai kesan ketara ke atas sifat aloi. Mereka terutamanya wujud sebagai FeCl3 dan silikon bebas. Apabila silikon lebih besar daripada besi, fasa β-FeSiAl3 (atau Fe2Si2Al9) terbentuk, dan apabila besi lebih besar daripada silikon, α-Fe2SiAl8 (atau Fe3Si2Al12) terbentuk. Apabila nisbah besi dan silikon tidak betul, ia akan menyebabkan keretakan pada tuangan. Apabila kandungan besi dalam aluminium tuang terlalu tinggi, tuangan akan menjadi rapuh.

Titanium dan Boron

Titanium ialah unsur tambahan yang biasa digunakan dalam aloi aluminium, ditambah dalam bentuk aloi induk Al-Ti atau Al-Ti-B. Titanium dan aluminium membentuk fasa TiAl2, yang menjadi teras bukan spontan semasa penghabluran dan memainkan peranan dalam menapis struktur tuangan dan struktur kimpalan. Apabila aloi Al-Ti mengalami tindak balas pakej, kandungan kritikal titanium adalah kira-kira 0.15%. Jika boron hadir, kelembapan adalah sekecil 0.01%.

Chromium

Kromium ialah unsur tambahan biasa dalam siri Al-Mg-Si, siri Al-Mg-Zn dan siri Al-Mg. Pada 600°C, keterlarutan kromium dalam aluminium ialah 0.8%, dan ia pada asasnya tidak larut pada suhu bilik. Kromium membentuk sebatian antara logam seperti (CrFe)Al7 dan (CrMn)Al12 dalam aluminium, yang menghalang proses nukleasi dan pertumbuhan penghabluran semula dan mempunyai kesan pengukuhan tertentu pada aloi. Ia juga boleh meningkatkan keliatan aloi dan mengurangkan kerentanan terhadap retakan kakisan tekanan.

Walau bagaimanapun, tapak ini meningkatkan kepekaan pelindapkejutan, menjadikan filem anodisasi menjadi kuning. Jumlah kromium yang ditambah kepada aloi aluminium secara amnya tidak melebihi 0.35%, dan berkurangan dengan pertambahan unsur peralihan dalam aloi.

Strontium

Strontium ialah unsur aktif permukaan yang boleh mengubah tingkah laku fasa sebatian antara logam secara kristalografi. Oleh itu, rawatan pengubahsuaian dengan unsur strontium boleh meningkatkan kebolehkerjaan plastik aloi dan kualiti produk akhir. Oleh kerana masa pengubahsuaian berkesan yang panjang, kesan yang baik dan kebolehulangan, strontium telah menggantikan penggunaan natrium dalam aloi tuangan Al-Si dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Menambah 0.015%~0.03% strontium kepada aloi aluminium untuk penyemperitan menukarkan fasa β-AlFeSi dalam jongkong kepada fasa α-AlFeSi, mengurangkan masa penhomogenan jongkong sebanyak 60%~70%, meningkatkan sifat mekanikal dan kebolehprosesan plastik bahan; meningkatkan kekasaran permukaan produk.

Untuk aloi aluminium cacat silikon tinggi (10%~13%), menambahkan unsur strontium 0.02%~0.07% boleh mengurangkan kristal primer kepada tahap minimum, dan sifat mekanikal juga bertambah baik dengan ketara. Kekuatan tegangan бb ditingkatkan daripada 233MPa kepada 236MPa, dan kekuatan hasil б0.2 meningkat daripada 204MPa kepada 210MPa, dan pemanjangan б5 meningkat daripada 9% kepada 12%. Menambah strontium kepada aloi Al-Si hipereutetik boleh mengurangkan saiz zarah silikon primer, meningkatkan sifat pemprosesan plastik, dan membolehkan gelek panas dan sejuk yang licin.

Zirkonium

Zirkonium juga merupakan bahan tambahan biasa dalam aloi aluminium. Secara amnya, jumlah yang ditambah kepada aloi aluminium ialah 0.1%~0.3%. Zirkonium dan aluminium membentuk sebatian ZrAl3, yang boleh menghalang proses penghabluran semula dan menapis butiran yang telah dihablurkan semula. Zirkonium juga boleh menapis struktur tuangan, tetapi kesannya lebih kecil daripada titanium. Kehadiran zirkonium akan mengurangkan kesan penapisan bijian titanium dan boron. Dalam aloi Al-Zn-Mg-Cu, memandangkan zirkonium mempunyai kesan yang lebih kecil pada kepekaan pelindapkejutan daripada kromium dan mangan, adalah sesuai untuk menggunakan zirkonium dan bukannya kromium dan mangan untuk menapis struktur penghabluran semula.

Unsur nadir bumi

Elemen nadir bumi ditambah kepada aloi aluminium untuk meningkatkan penyejukan super komponen semasa tuangan aloi aluminium, menapis bijirin, mengurangkan jarak kristal sekunder, mengurangkan gas dan kemasukan dalam aloi, dan cenderung untuk mensfera fasa kemasukan. Ia juga boleh mengurangkan ketegangan permukaan leburan, meningkatkan kecairan, dan memudahkan tuangan ke dalam jongkong, yang mempunyai kesan ketara ke atas prestasi proses. Adalah lebih baik untuk menambah pelbagai nadir bumi dalam jumlah kira-kira 0.1%. Penambahan nadir bumi bercampur (campuran La-Ce-Pr-Nd, dsb.) mengurangkan suhu kritikal untuk pembentukan zon G?P penuaan dalam aloi Al-0.65%Mg-0.61%Si. Aloi aluminium yang mengandungi magnesium boleh merangsang metamorfisme unsur nadir bumi.

kekotoran

Vanadium membentuk sebatian refraktori VAl11 dalam aloi aluminium, yang memainkan peranan dalam menapis bijirin semasa proses peleburan dan penuangan, tetapi peranannya lebih kecil daripada titanium dan zirkonium. Vanadium juga mempunyai kesan menapis struktur penghabluran semula dan meningkatkan suhu penghabluran semula.

Keterlarutan pepejal kalsium dalam aloi aluminium adalah sangat rendah, dan ia membentuk sebatian CaAl4 dengan aluminium. Kalsium ialah unsur superplastik aloi aluminium. Aloi aluminium dengan kira-kira 5% kalsium dan 5% mangan mempunyai superplastisitas. Kalsium dan silikon membentuk CaSi, yang tidak larut dalam aluminium. Oleh kerana jumlah larutan pepejal silikon dikurangkan, kekonduksian elektrik aluminium tulen industri boleh dipertingkatkan sedikit. Kalsium boleh meningkatkan prestasi pemotongan aloi aluminium. CaSi2 tidak boleh mengukuhkan aloi aluminium melalui rawatan haba. Jumlah surih kalsium membantu dalam mengeluarkan hidrogen daripada aluminium cair.

Plumbum, timah, dan unsur bismut ialah logam takat lebur rendah. Keterlarutan pepejal mereka dalam aluminium adalah kecil, yang sedikit mengurangkan kekuatan aloi, tetapi boleh meningkatkan prestasi pemotongan. Bismut mengembang semasa pemejalan, yang bermanfaat untuk memberi makan. Menambah bismut kepada aloi magnesium yang tinggi boleh menghalang pengelasan natrium.

Antimoni digunakan terutamanya sebagai pengubah dalam aloi aluminium tuang, dan jarang digunakan dalam aloi aluminium yang cacat. Hanya gantikan bismut dalam aloi aluminium cacat Al-Mg untuk mengelakkan pereputan natrium. Unsur antimoni ditambah kepada beberapa aloi Al-Zn-Mg-Cu untuk meningkatkan prestasi proses menekan panas dan sejuk.

Berilium boleh memperbaiki struktur filem oksida dalam aloi aluminium yang cacat dan mengurangkan kehilangan pembakaran dan kemasukan semasa pencairan dan penuangan. Berilium adalah unsur toksik yang boleh menyebabkan keracunan alahan pada manusia. Oleh itu, berilium tidak boleh terkandung dalam aloi aluminium yang bersentuhan dengan makanan dan minuman. Kandungan berilium dalam bahan kimpalan biasanya dikawal di bawah 8μg/ml. Aloi aluminium yang digunakan sebagai substrat kimpalan juga harus mengawal kandungan berilium.

Natrium hampir tidak larut dalam aluminium, dan keterlarutan pepejal maksimum kurang daripada 0.0025%. takat lebur natrium adalah rendah (97.8 ℃), apabila natrium hadir dalam aloi, ia terjerap pada permukaan dendrit atau sempadan butiran semasa pemejalan, semasa pemprosesan panas, natrium pada sempadan butiran membentuk lapisan penjerapan cecair, mengakibatkan keretakan rapuh, pembentukan sebatian NaAlSi, tiada natrium bebas wujud, dan tidak menghasilkan "natrium rapuh".

Apabila kandungan magnesium melebihi 2%, magnesium menghilangkan silikon dan memendakan natrium bebas, mengakibatkan "kerapuhan natrium". Oleh itu, aloi aluminium magnesium tinggi tidak dibenarkan menggunakan fluks garam natrium. Kaedah-kaedah untuk mengelakkan "pembalasan natrium" termasuk pengklorinan, yang menyebabkan natrium membentuk NaCl dan dilepaskan ke dalam sanga, menambah bismut untuk membentuk Na2Bi dan memasuki matriks logam; menambah antimoni untuk membentuk Na3Sb atau menambah nadir bumi juga boleh mempunyai kesan yang sama.

Disunting oleh May Jiang dari MAT Aluminium