Die Rolle verschiedener Elemente in Aluminiumlegierungen

Kupfer

Wenn der aluminiumreiche Teil der Aluminium-Kupfer-Legierung 548 beträgt, beträgt die maximale Löslichkeit von Kupfer in Aluminium 5,65 %. Wenn die Temperatur auf 302 sinkt, beträgt die Löslichkeit von Kupfer 0,45 %. Kupfer ist ein wichtiges Legierungselement und hat eine gewisse mischkristallverfestigende Wirkung. Darüber hinaus hat das durch Alterung ausgeschiedene CuAl2 eine offensichtlich alterungsverstärkende Wirkung. Der Kupfergehalt in Aluminiumlegierungen liegt normalerweise zwischen 2,5 % und 5 %, und die Verstärkungswirkung ist am besten, wenn der Kupfergehalt zwischen 4 % und 6,8 ​​% liegt, sodass der Kupfergehalt der meisten Duraluminiumlegierungen in diesem Bereich liegt. Aluminium-Kupfer-Legierungen können weniger Silizium, Magnesium, Mangan, Chrom, Zink, Eisen und andere Elemente enthalten.

Silizium

Wenn der aluminiumreiche Teil des Al-Si-Legierungssystems eine eutektische Temperatur von 577 °C aufweist, beträgt die maximale Löslichkeit von Silizium in der festen Lösung 1,65 %. Obwohl die Löslichkeit mit sinkender Temperatur abnimmt, können diese Legierungen im Allgemeinen nicht durch Wärmebehandlung verfestigt werden. Die Aluminium-Silizium-Legierung weist hervorragende Gusseigenschaften und Korrosionsbeständigkeit auf. Werden dem Aluminium gleichzeitig Magnesium und Silizium zu einer Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung zugesetzt, handelt es sich bei der Verfestigungsphase um MgSi. Das Massenverhältnis von Magnesium zu Silizium beträgt 1,73:1. Bei der Gestaltung der Zusammensetzung der Al-Mg-Si-Legierung werden die Gehalte an Magnesium und Silizium in diesem Verhältnis auf der Matrix konfiguriert. Um die Festigkeit einiger Al-Mg-Si-Legierungen zu verbessern, wird eine angemessene Menge Kupfer hinzugefügt, und eine angemessene Menge Chrom wird hinzugefügt, um die nachteiligen Auswirkungen von Kupfer auf die Korrosionsbeständigkeit auszugleichen.

Die maximale Löslichkeit von Mg2Si in Aluminium im aluminiumreichen Teil des Gleichgewichtsphasendiagramms des Al-Mg2Si-Legierungssystems beträgt 1,85 %, und die Verzögerung ist mit sinkender Temperatur gering. Bei verformten Aluminiumlegierungen ist die alleinige Zugabe von Silizium zu Aluminium auf Schweißmaterialien beschränkt, und die Zugabe von Silizium zu Aluminium hat auch eine gewisse verstärkende Wirkung.

Magnesium

Obwohl die Löslichkeitskurve zeigt, dass die Löslichkeit von Magnesium in Aluminium mit sinkender Temperatur stark abnimmt, beträgt der Magnesiumgehalt in den meisten industriell verformten Aluminiumlegierungen weniger als 6 %. Auch der Siliziumgehalt ist gering. Diese Art von Legierung kann nicht durch Wärmebehandlung verstärkt werden, weist jedoch eine gute Schweißbarkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und mittlere Festigkeit auf. Die Verstärkung von Aluminium durch Magnesium ist offensichtlich. Mit jedem Anstieg des Magnesiumgehalts um 1 % erhöht sich die Zugfestigkeit um etwa 34 MPa. Bei Zugabe von weniger als 1 % Mangan kann die stärkende Wirkung verstärkt werden. Daher kann die Zugabe von Mangan den Magnesiumgehalt reduzieren und die Neigung zur Heißrissbildung verringern. Darüber hinaus kann Mangan auch Mg5Al8-Verbindungen gleichmäßig ausscheiden und so die Korrosionsbeständigkeit und Schweißleistung verbessern.

Mangan

Wenn die eutektische Temperatur des flachen Gleichgewichtsphasendiagramms des Al-Mn-Legierungssystems 658 beträgt, beträgt die maximale Löslichkeit von Mangan in der festen Lösung 1,82 %. Mit zunehmender Löslichkeit nimmt die Festigkeit der Legierung zu. Bei einem Mangangehalt von 0,8 % erreicht die Dehnung den Maximalwert. Die Al-Mn-Legierung ist eine nicht aushärtende Legierung, das heißt, sie kann nicht durch Wärmebehandlung verstärkt werden. Mangan kann den Rekristallisationsprozess von Aluminiumlegierungen verhindern, die Rekristallisationstemperatur erhöhen und die rekristallisierten Körner deutlich verfeinern. Die Verfeinerung der rekristallisierten Körner beruht hauptsächlich auf der Tatsache, dass die dispergierten Partikel der MnAl6-Verbindungen das Wachstum der rekristallisierten Körner behindern. Eine weitere Funktion von MnAl6 besteht darin, verunreinigtes Eisen aufzulösen und so (Fe, Mn)Al6 zu bilden, wodurch die schädlichen Auswirkungen von Eisen verringert werden. Mangan ist ein wichtiges Element in Aluminiumlegierungen. Es kann allein zugesetzt werden, um eine binäre Al-Mn-Legierung zu bilden. Häufiger wird es zusammen mit anderen Legierungselementen hinzugefügt. Daher enthalten die meisten Aluminiumlegierungen Mangan.

Zink

Die Löslichkeit von Zink in Aluminium beträgt im aluminiumreichen Teil des Gleichgewichtsphasendiagramms des Al-Zn-Legierungssystems bei 275 31,6 %, während die Löslichkeit bei 125 auf 5,6 % sinkt. Die alleinige Zugabe von Zink zu Aluminium hat nur eine sehr begrenzte Verbesserung die Festigkeit der Aluminiumlegierung unter Verformungsbedingungen. Gleichzeitig besteht eine Neigung zur Spannungsrisskorrosion, was die Anwendung einschränkt. Durch die gleichzeitige Zugabe von Zink und Magnesium zu Aluminium entsteht die Verfestigungsphase Mg/Zn2, die einen deutlichen Verfestigungseffekt auf die Legierung hat. Wenn der Mg/Zn2-Gehalt von 0,5 % auf 12 % erhöht wird, können die Zugfestigkeit und die Streckgrenze deutlich gesteigert werden. In superharten Aluminiumlegierungen, in denen der Magnesiumgehalt die zur Bildung der Mg/Zn2-Phase erforderliche Menge übersteigt, ist die Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit am größten, wenn das Verhältnis von Zink zu Magnesium auf etwa 2,7 eingestellt wird. Wenn man beispielsweise das Element Kupfer zu Al-Zn-Mg hinzufügt, entsteht eine Legierung der Al-Zn-Mg-Cu-Reihe. Der grundfestigende Effekt ist unter allen Aluminiumlegierungen am größten. Es ist auch ein wichtiges Aluminiumlegierungsmaterial in der Luft- und Raumfahrtindustrie, der Luftfahrtindustrie und der Elektrizitätsindustrie.

Eisen und Silizium

Eisen wird als Legierungselement in Aluminium-Knetlegierungen der Al-Cu-Mg-Ni-Fe-Reihe und Silizium als Legierungselement in Aluminium-Knetlegierungen der Al-Mg-Si-Reihe sowie in Schweißstäben der Al-Si-Reihe und im Aluminium-Silizium-Guss zugesetzt Legierungen. In Aluminiumbasislegierungen sind Silizium und Eisen häufige Verunreinigungselemente, die einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften der Legierung haben. Sie liegen hauptsächlich als FeCl3 und freies Silizium vor. Wenn Silizium größer als Eisen ist, wird die Phase β-FeSiAl3 (oder Fe2Si2Al9) gebildet, und wenn Eisen größer als Silizium ist, wird α-Fe2SiAl8 (oder Fe3Si2Al12) gebildet. Wenn das Verhältnis von Eisen und Silizium nicht stimmt, kommt es zu Rissen im Gussstück. Wenn der Eisengehalt im Aluminiumguss zu hoch ist, wird das Gussstück spröde.

Titan und Bor

Titan ist ein häufig verwendetes Zusatzelement in Aluminiumlegierungen und wird in Form einer Al-Ti- oder Al-Ti-B-Vorlegierung hinzugefügt. Titan und Aluminium bilden die TiAl2-Phase, die während der Kristallisation zu einem nicht spontanen Kern wird und eine Rolle bei der Verfeinerung der Gussstruktur und der Schweißnahtstruktur spielt. Wenn Al-Ti-Legierungen einer Paketreaktion unterliegen, liegt der kritische Titangehalt bei etwa 0,15 %. Wenn Bor vorhanden ist, beträgt die Verlangsamung nur 0,01 %.

Chrom

Chrom ist ein häufiges Zusatzelement in Legierungen der Al-Mg-Si-Serie, der Al-Mg-Zn-Serie und der Al-Mg-Serie. Bei 600 °C beträgt die Löslichkeit von Chrom in Aluminium 0,8 %, bei Raumtemperatur ist es praktisch unlöslich. Chrom bildet in Aluminium intermetallische Verbindungen wie (CrFe)Al7 und (CrMn)Al12, die den Keimbildungs- und Wachstumsprozess der Rekristallisation behindern und eine gewisse festigende Wirkung auf die Legierung haben. Es kann auch die Zähigkeit der Legierung verbessern und die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion verringern.

Allerdings erhöht die Stelle die Löschempfindlichkeit, wodurch der Eloxalfilm gelb wird. Die Menge an zugesetztem Chrom zu Aluminiumlegierungen beträgt im Allgemeinen nicht mehr als 0,35 % und nimmt mit zunehmendem Anteil an Übergangselementen in der Legierung ab.

Strontium

Strontium ist ein oberflächenaktives Element, das das Verhalten intermetallischer Verbindungsphasen kristallographisch verändern kann. Daher kann eine Modifizierungsbehandlung mit Strontium die plastische Verarbeitbarkeit der Legierung und die Qualität des Endprodukts verbessern. Aufgrund seiner langen effektiven Modifikationszeit, guten Wirkung und Reproduzierbarkeit hat Strontium in den letzten Jahren den Einsatz von Natrium in Al-Si-Gusslegierungen ersetzt. Durch die Zugabe von 0,015 % bis 0,03 % Strontium zur Aluminiumlegierung für die Extrusion wird die β-AlFeSi-Phase im Barren in die α-AlFeSi-Phase umgewandelt, wodurch die Homogenisierungszeit des Barrens um 60 % bis 70 % verkürzt und die mechanischen Eigenschaften und die plastische Verarbeitbarkeit der Materialien verbessert werden. Verbesserung der Oberflächenrauheit von Produkten.

Bei verformten Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumgehalt (10–13 %) kann die Zugabe von 0,02–0,07 % Strontium die Primärkristalle auf ein Minimum reduzieren und auch die mechanischen Eigenschaften werden deutlich verbessert. Die Zugfestigkeit áb wurde von 233 MPa auf 236 MPa erhöht, die Streckgrenze á0,2 von 204 MPa auf 210 MPa und die Dehnung á5 von 9 % auf 12 %. Die Zugabe von Strontium zu einer übereutektischen Al-Si-Legierung kann die Größe der primären Siliziumpartikel verringern, die Verarbeitungseigenschaften von Kunststoffen verbessern und ein reibungsloses Warm- und Kaltwalzen ermöglichen.

Zirkonium

Zirkonium ist auch ein häufiger Zusatzstoff in Aluminiumlegierungen. Im Allgemeinen beträgt die Zugabemenge zu Aluminiumlegierungen 0,1 % bis 0,3 %. Zirkonium und Aluminium bilden ZrAl3-Verbindungen, die den Rekristallisationsprozess behindern und die rekristallisierten Körner verfeinern können. Auch Zirkonium kann die Gussstruktur verfeinern, allerdings ist der Effekt geringer als bei Titan. Das Vorhandensein von Zirkonium verringert die Kornfeinungswirkung von Titan und Bor. Da Zirkonium in Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen einen geringeren Einfluss auf die Abschreckempfindlichkeit hat als Chrom und Mangan, ist es angebracht, Zirkonium anstelle von Chrom und Mangan zu verwenden, um die rekristallisierte Struktur zu verfeinern.

Seltenerdelemente

Seltenerdelemente werden Aluminiumlegierungen zugesetzt, um die Unterkühlung der Komponenten beim Gießen der Aluminiumlegierung zu erhöhen, die Körner zu verfeinern, den Sekundärkristallabstand zu verringern, Gase und Einschlüsse in der Legierung zu reduzieren und die Einschlussphase zu sphäroidisieren. Es kann auch die Oberflächenspannung der Schmelze verringern, die Fließfähigkeit erhöhen und das Gießen in Barren erleichtern, was erhebliche Auswirkungen auf die Prozessleistung hat. Besser ist die Zugabe verschiedener Seltener Erden in einer Menge von etwa 0,1 %. Die Zugabe gemischter seltener Erden (gemischtes La-Ce-Pr-Nd usw.) verringert die kritische Temperatur für die Bildung der alternden G?P-Zone in einer Al-0,65 % Mg-0,61 % Si-Legierung. Magnesiumhaltige Aluminiumlegierungen können die Metamorphose seltener Erden anregen.

Verunreinigung

Vanadium bildet in Aluminiumlegierungen die feuerfeste Verbindung VAl11, die bei der Verfeinerung der Körner während des Schmelz- und Gießprozesses eine Rolle spielt, ihre Rolle ist jedoch geringer als die von Titan und Zirkonium. Vanadium hat außerdem die Wirkung, die rekristallisierte Struktur zu verfeinern und die Rekristallisationstemperatur zu erhöhen.

Die Feststofflöslichkeit von Calcium in Aluminiumlegierungen ist äußerst gering und es bildet mit Aluminium eine CaAl4-Verbindung. Calcium ist ein superplastisches Element von Aluminiumlegierungen. Eine Aluminiumlegierung mit etwa 5 % Kalzium und 5 % Mangan weist Superplastizität auf. Calcium und Silizium bilden CaSi, das in Aluminium unlöslich ist. Da die Menge an Silizium in fester Lösung reduziert wird, kann die elektrische Leitfähigkeit von industriellem Reinaluminium leicht verbessert werden. Calcium kann die Schneidleistung von Aluminiumlegierungen verbessern. CaSi2 kann Aluminiumlegierungen nicht durch Wärmebehandlung verstärken. Spuren von Kalzium sind hilfreich bei der Entfernung von Wasserstoff aus geschmolzenem Aluminium.

Blei-, Zinn- und Wismutelemente sind Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt. Ihre Feststofflöslichkeit in Aluminium ist gering, was die Festigkeit der Legierung leicht verringert, aber die Schneidleistung verbessern kann. Wismut dehnt sich beim Erstarren aus, was sich positiv auf die Nahrungsaufnahme auswirkt. Durch die Zugabe von Wismut zu Legierungen mit hohem Magnesiumgehalt kann eine Natriumversprödung verhindert werden.

Antimon wird hauptsächlich als Modifikator in Aluminiumgusslegierungen verwendet und wird selten in verformten Aluminiumlegierungen verwendet. Ersetzen Sie Wismut nur in Al-Mg-verformten Aluminiumlegierungen, um eine Natriumversprödung zu verhindern. Einigen Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen wird das Element Antimon zugesetzt, um die Leistung von Heißpress- und Kaltpressverfahren zu verbessern.

Beryllium kann die Struktur des Oxidfilms in verformten Aluminiumlegierungen verbessern und Brennverluste und Einschlüsse beim Schmelzen und Gießen reduzieren. Beryllium ist ein giftiges Element, das beim Menschen allergische Vergiftungen verursachen kann. Daher darf Beryllium nicht in Aluminiumlegierungen enthalten sein, die mit Lebensmitteln und Getränken in Kontakt kommen. Der Berylliumgehalt in Schweißmaterialien wird normalerweise auf unter 8 μg/ml kontrolliert. Auch Aluminiumlegierungen, die als Schweißsubstrate verwendet werden, sollten den Berylliumgehalt kontrollieren.

Natrium ist in Aluminium nahezu unlöslich und die maximale Feststofflöslichkeit beträgt weniger als 0,0025 %. Der Schmelzpunkt von Natrium ist niedrig (97,8℃). Wenn Natrium in der Legierung vorhanden ist, wird es während der Erstarrung an der Dendritenoberfläche oder der Korngrenze adsorbiert. Bei der Heißverarbeitung bildet das Natrium an der Korngrenze eine flüssige Adsorptionsschicht. Dies führt zu Sprödrissen, der Bildung von NaAlSi-Verbindungen, es ist kein freies Natrium vorhanden und es entsteht kein „Natriumspröde“.

Wenn der Magnesiumgehalt 2 % übersteigt, entzieht Magnesium Silizium und fällt freies Natrium aus, was zu „Natriumsprödigkeit“ führt. Daher ist die Verwendung von Natriumsalz als Flussmittel für Aluminiumlegierungen mit hohem Magnesiumgehalt nicht zulässig. Zu den Methoden zur Verhinderung der „Natriumversprödung“ gehören die Chlorierung, bei der Natrium NaCl bildet und in die Schlacke abgegeben wird, die Zugabe von Wismut zur Bildung von Na2Bi und das Eindringen in die Metallmatrix; Auch die Zugabe von Antimon zur Bildung von Na3Sb oder die Zugabe seltener Erden kann den gleichen Effekt haben.

Herausgegeben von May Jiang von MAT Aluminium