各種元素在鋁合金中的作用

文章出處：新聞資訊責(zé)任編輯：東莞市博望金屬材料有限公司發(fā)表時間：2019-03-20

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各種元素在鋁合金中的作用

銅 Cu 元素:

鋁銅合金富鋁部分 548 時，銅在鋁中的最大溶解度為 5.65%,溫度降到 302 時，銅的溶解度為 0.45%。銅是重要的合金元素，有一定的固溶強化效果，此外時效析出的 CuAl2 有著明顯的時效強化效果。鋁合金中銅含量通常在 2.5% ~ 5%，銅含量在 4%~6.8%時強化效果最好，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。

硅 Si 元素:

Al—Si 合金系富鋁部分在共晶溫度 577 時，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。若鎂和硅同時加入鋁中形成鋁鎂硅系合金，強化相為 MgSi。鎂和硅的質(zhì)量比為 1.73:1。設(shè)計 Al-Mg-Si 系合金成分時，基體上按此比例配置鎂和硅的含量。有的 Al-Mg-Si 合金，為了提高強度，加入適量的銅，同時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，硅單獨加入鋁中只限于焊接材料，硅加入鋁中亦有一定的強化作用。

鎂 Mg 元素:

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化的，但是可焊性良好，抗蝕性也好，并有中等強度。鎂對鋁的強化是明顯的，每增加 1%鎂，抗拉強度大約升高瞻遠 34MPa。如果加入 1%以下的錳，可能補充強化作用。因此加錳后可降低鎂含量，同時可降低熱裂傾向，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 Mn 元素:

Al-Mn 合金系平平衡相圖部分在共晶溫度 658 時，錳在固溶體中的最大溶解度為 1.82%。合金強度隨溶解度增加不斷增加，錳含量為 0.8%時，延伸率達最大值。Al-Mn 合金是非時效硬化合金，即不可熱處理強化。錳能阻止鋁合金的再結(jié)晶過程，提高再結(jié)晶溫度，并能顯著細化再結(jié)晶晶粒。再結(jié)晶晶粒的細化主要是通過 MnAl6 化合物彌散質(zhì)點對再結(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 Zn 元素:

Al-Zn 合金系平衡相圖富鋁部分 275 時鋅在鋁中的溶解度為 31.6%，而在 125 時其溶解度則下降到 5.6%。鋅單獨加入

鋁中，在變形條件下對鋁合金強度的提高十分有限，同時存在應(yīng)力腐蝕開裂、傾向，因而限制了它的應(yīng)用。在鋁中同時加入鋅和鎂，形成強化相 Mg/Zn2，對合金產(chǎn)生明顯的強化作用。Mg/Zn2 含量從 0.5%提高到 12%時，可明顯增加抗拉強度和屈服強度。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，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。

鐵 Fe 和硅 Si:

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，形成β-FeSiAl3(或 Fe2Si2Al9)相，而鐵大于硅時，形成 α-Fe2SiAl8(或 Fe3Si2Al12)。當(dāng)鐵和硅比例不當(dāng)時，會引起鑄件產(chǎn)生裂紋，鑄鋁中鐵含量過高時會使鑄件產(chǎn)生脆性。

鈦 Ti 和硼 B:

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)晶時的非自發(fā)核心，起細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，鈦的臨界含量約為 0.15%，如果有硼存在則減速小到 0.01%。

鉻 Cr:

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，鉻在鋁中溶解度為 0.8%，室溫時基本上不溶解。鉻在鋁中形成（CrFe）Al7 和（CrMn）Al12 等金屬間化合物，阻礙再結(jié)晶的形核和長大過程，對合金有一定的強化作用，還能改善合金韌性和降低應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。但會場增加淬火敏感性，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 Sr:

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)有效時間長、效果和再現(xiàn)性好等優(yōu)點，近年來在 Al-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β-AlFeSi 相變成漢字形α-AlFeSi 相，減少了鑄錠均勻化時間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，抗拉強度бb 由 233MPa 提高到 236MPa，屈服強度б0.2 由 204MPa 提高到 210MPa，延伸率б5 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)彳埡屠滠垺?/span>

鋯 Zr:

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，細化再結(jié)晶晶粒。鋯亦能細化鑄造組織，但比鈦的效果小。有鋯存在時，會降低鈦和硼細化晶粒的效果。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化再結(jié)晶組織。

稀土元素:

稀土元素加入鋁合金中，使鋁合金熔鑄時增加成分過冷，細化晶粒，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⊥?/span>（La-Ce-Pr-Nd 等混合）的添加，使Al-0.65%Mg-0.61%Si 合金時效 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。

雜質(zhì)元素:

釩在鋁合金中形成 VAl11 難熔化合物，在熔鑄過程中起細化晶粒作用，但比鈦和鋯的作用小。釩也有細化再結(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化。微量鈣有利于去除鋁液中的氫。

鉛、錫、鉍元素是低熔點金屬，它們在鋁中固溶度不大，略降低合金強度，但能改善切削性能。鉍在凝固過程中膨脹，對補縮有利。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?/span> 8μg/ml 以下。用作焊接基體的鋁合金也應(yīng)控制鈹?shù)暮俊?/span>

鈉在鋁中幾乎不溶解，最大固溶度小于 0.0025%，鈉的熔點低（97.8℃）,合金中存在鈉時，在凝固過程中吸附在枝晶表面或晶界，熱加工時，晶界上的鈉形成液態(tài)吸附層，產(chǎn)生脆性開裂時，形成 NaAlSi 化合物，無游離鈉存在，不產(chǎn)生“鈉脆”。當(dāng)鎂含量超 2%時，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 進入金屬基體；加銻生成 Na3Sb 或加入稀土亦可起到相同的作用。