Kupfer
Bei einem aluminiumreichen Anteil von 548°C in einer Aluminium-Kupfer-Legierung beträgt die maximale Kupferlöslichkeit in Aluminium 5,65 %. Bei einer Temperatur von 302°C beträgt die Kupferlöslichkeit 0,45 %. Kupfer ist ein wichtiges Legierungselement und hat eine gewisse festigende Wirkung auf die Mischkristalle. Darüber hinaus hat das durch Alterung ausgeschiedene CuAl2 eine deutliche alterungsverfestigende Wirkung. Der Kupfergehalt in Aluminiumlegierungen liegt üblicherweise zwischen 2,5 % und 5 %, und die beste Verstärkungswirkung ist bei einem Kupfergehalt zwischen 4 % und 6,8 % erreicht. Daher liegt der Kupfergehalt der meisten Duraluminiumlegierungen in diesem Bereich. 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 gehärtet werden. Aluminium-Silizium-Legierungen haben hervorragende Gießeigenschaften und Korrosionsbeständigkeit. Wenn Aluminium gleichzeitig Magnesium und Silizium hinzugefügt werden, um eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung zu bilden, ist die härtende Phase MgSi. Das Massenverhältnis von Magnesium zu Silizium beträgt 1,73:1. Beim Entwurf der Zusammensetzung der Al-Mg-Si-Legierung werden die Gehalte an Magnesium und Silizium in der Matrix in diesem Verhältnis konfiguriert. Um die Festigkeit einiger Al-Mg-Si-Legierungen zu verbessern, wird eine entsprechende Menge Kupfer hinzugefügt, und eine entsprechende Menge Chrom wird hinzugefügt, um die negativen 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 abnehmender Temperatur gering. Bei verformten Aluminiumlegierungen ist die Zugabe von Silizium allein 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 der meisten industriell verformten Aluminiumlegierungen weniger als 6 %. Auch der Siliziumgehalt ist gering. Diese Legierungsart kann nicht durch Wärmebehandlung gehärtet werden, weist aber eine gute Schweißbarkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und mittlere Festigkeit auf. Die Verstärkung von Aluminium durch Magnesium ist offensichtlich. Pro 1 % Magnesiumerhöhung steigt die Zugfestigkeit um ca. 34 MPa. Durch Zugabe von weniger als 1 % Mangan kann die verstärkende Wirkung verstärkt werden. Daher kann die Zugabe von Mangan den Magnesiumgehalt senken und die Neigung zur Heißrissbildung verringern. Darüber hinaus kann Mangan auch Mg5Al8-Verbindungen gleichmäßig ausscheiden, was die Korrosionsbeständigkeit und die Schweißeigenschaften verbessert.
Mangan
Bei einer eutektischen Temperatur von 65 °C im flachen Gleichgewichtsphasendiagramm des Al-Mn-Legierungssystems beträgt die maximale Löslichkeit von Mangan in der festen Lösung 1,82 %. Mit zunehmender Löslichkeit steigt auch die Festigkeit der Legierung. Bei einem Mangangehalt von 0,8 % erreicht die Dehnung ihren Höchstwert. Al-Mn-Legierungen sind nicht aushärtbar, d. h. sie können nicht durch Wärmebehandlung gehärtet werden. Mangan kann den Rekristallisationsprozess von Aluminiumlegierungen verhindern, die Rekristallisationstemperatur erhöhen und die rekristallisierten Körner deutlich verfeinern. Die Verfeinerung der rekristallisierten Körner beruht hauptsächlich darauf, dass die dispergierten Partikel der MnAl6-Verbindungen das Wachstum der rekristallisierten Körner behindern. Eine weitere Funktion von MnAl6 besteht darin, verunreinigtes Eisen aufzulösen und (Fe, Mn)Al6 zu bilden, wodurch die schädlichen Auswirkungen von Eisen verringert werden. Mangan ist ein wichtiges Element in Aluminiumlegierungen. Es kann allein zugegeben werden, um eine binäre Al-Mn-Legierung zu bilden. Häufiger wird es zusammen mit anderen Legierungselementen zugegeben. Daher enthalten die meisten Aluminiumlegierungen Mangan.
Zink
Die Löslichkeit von Zink in Aluminium beträgt 31,6 % bei 275 °C im aluminiumreichen Teil des Gleichgewichtsphasendiagramms des Al-Zn-Legierungssystems, während ihre Löslichkeit bei 125 °C auf 5,6 % sinkt. Die Zugabe von Zink allein zu Aluminium verbessert die Festigkeit der Aluminiumlegierung unter Verformungsbedingungen nur sehr begrenzt. Gleichzeitig besteht eine Tendenz zur Spannungsrisskorrosion, was ihre Anwendung einschränkt. Die gleichzeitige Zugabe von Zink und Magnesium zu Aluminium bildet die verstärkende Phase Mg/Zn2, die eine deutlich verstärkende Wirkung auf die Legierung hat. Wenn der Mg/Zn2-Gehalt von 0,5 % auf 12 % erhöht wird, können Zugfestigkeit und Streckgrenze deutlich verbessert werden. In superharten Aluminiumlegierungen, bei denen der Magnesiumgehalt die zur Bildung der Mg/Zn2-Phase erforderliche Menge übersteigt, ist die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion am größten, wenn das Verhältnis von Zink zu Magnesium bei etwa 2,7 gehalten wird. Beispielsweise entsteht durch die Zugabe von Kupfer zu Al-Zn-Mg eine Legierung der Al-Zn-Mg-Cu-Reihe. Die basisverstärkende Wirkung ist die größte aller Aluminiumlegierungen. Es ist außerdem ein wichtiges Aluminiumlegierungsmaterial in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie der Elektroindustrie.
Eisen und Silizium
Eisen wird als Legierungselement in Aluminiumknetlegierungen der Al-Cu-Mg-Ni-Fe-Reihe hinzugefügt, und Silizium wird als Legierungselement in Aluminiumknetlegierungen der Al-Mg-Si-Reihe sowie in Schweißstäben und Aluminium-Silizium-Gusslegierungen der Al-Si-Reihe hinzugefügt. In Aluminium-Basislegierungen sind Silizium und Eisen häufige Verunreinigungselemente, die die Eigenschaften der Legierung stark beeinflussen. Sie kommen hauptsächlich als FeCl3 und freies Silizium vor. Wenn der Siliziumanteil größer als der Eisenanteil ist, bildet sich die β-FeSiAl3-Phase (oder Fe2Si2Al9-Phase), und wenn der Eisenanteil größer als der Siliziumanteil ist, bildet sich die α-Fe2SiAl8-Phase (oder Fe3Si2Al12). Ein falsches Verhältnis von Eisen und Silizium verursacht Risse im Gussstück. Wenn der Eisenanteil im Aluminiumguss zu hoch ist, wird das Gussstück spröde.
Titan und Bor
Titan ist ein häufig verwendetes Zusatzelement in Aluminiumlegierungen und wird in Form von Al-Ti- oder Al-Ti-B-Vorlegierungen zugesetzt. Titan und Aluminium bilden die TiAl2-Phase, die während der Kristallisation einen nicht-spontanen Kern bildet und zur Verfeinerung der Guss- und Schweißstruktur beiträgt. Bei einer Paketreaktion von Al-Ti-Legierungen liegt der kritische Titangehalt bei etwa 0,15 %. In Gegenwart von Bor beträgt die Verlangsamung nur 0,01 %.
Chrom
Chrom ist ein häufiges Zusatzelement in Legierungen der Al-Mg-Si-, Al-Mg-Zn- und Al-Mg-Reihe. Bei 600 °C beträgt die Löslichkeit von Chrom in Aluminium 0,8 % und ist bei Raumtemperatur nahezu unlöslich. Chrom bildet in Aluminium intermetallische Verbindungen wie (CrFe)Al7 und (CrMn)Al12, die die Keimbildung und den Wachstumsprozess der Rekristallisation behindern und die Legierung verstärken. Es kann außerdem die Zähigkeit der Legierung verbessern und die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion verringern.
Allerdings erhöht sich durch diese Stelle die Abschreckempfindlichkeit, wodurch der Eloxalfilm gelb wird. Die Menge an Chrom, die Aluminiumlegierungen zugesetzt wird, überschreitet im Allgemeinen nicht 0,35 % und nimmt mit der Zunahme der Übergangselemente 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 Modifizierungszeit, guten Wirkung und Reproduzierbarkeit hat Strontium in den letzten Jahren 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. Dadurch verkürzt sich die Homogenisierungszeit des Barrens um 60 % bis 70 %, was die mechanischen Eigenschaften und die plastische Verarbeitbarkeit der Materialien verbessert und die Oberflächenrauheit der Produkte verbessert.
Bei hochsiliziumhaltigen (10–13 %) verformten Aluminiumlegierungen kann die Zugabe von 0,02–0,07 % Strontium die Primärkristalle minimieren und die mechanischen Eigenschaften deutlich verbessern. Die Zugfestigkeit bb erhöht sich von 233 MPa auf 236 MPa, die Streckgrenze b0,2 von 204 MPa auf 210 MPa und die Dehnung b5 von 9 % auf 12 %. Die Zugabe von Strontium zu übereutektischen Al-Si-Legierungen kann die Größe der primären Siliziumpartikel reduzieren, die plastischen Verarbeitungseigenschaften verbessern und ein reibungsloses Warm- und Kaltwalzen ermöglichen.
Zirkonium
Zirkonium ist ebenfalls ein gängiger Zusatzstoff in Aluminiumlegierungen. Die Zugabemenge beträgt in der Regel 0,1–0,3 %. Zirkonium und Aluminium bilden ZrAl3-Verbindungen, die den Rekristallisationsprozess behindern und die rekristallisierten Körner verfeinern können. Zirkonium kann ebenfalls die Gussstruktur verfeinern, allerdings ist der Effekt geringer als bei Titan. Zirkonium verringert die kornverfeinernde Wirkung von Titan und Bor. Da Zirkonium in Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen die Abschreckempfindlichkeit weniger beeinflusst als Chrom und Mangan, ist es sinnvoll, Zirkonium anstelle von Chrom und Mangan zur Verfeinerung der rekristallisierten Struktur zu verwenden.
Seltene Erden
Seltene Erden werden Aluminiumlegierungen zugesetzt, um die Unterkühlung der Bauteile beim Gießen zu erhöhen, die Körner zu verfeinern, den Abstand der Sekundärkristalle zu verringern, Gase und Einschlüsse in der Legierung zu reduzieren und die Einschlussphase zu kugelig zu machen. Sie können außerdem die Oberflächenspannung der Schmelze verringern, die Fließfähigkeit erhöhen und das Gießen zu Barren erleichtern, was sich erheblich auf die Prozessleistung auswirkt. Es ist ratsam, verschiedene Seltene Erden in einer Menge von etwa 0,1 % zuzugeben. Die Zugabe gemischter Seltener Erden (La-Ce-Pr-Nd-Mischung usw.) senkt die kritische Temperatur für die Bildung der alternden G₂P-Zone in Al-0,65 % Mg-0,61 % Si-Legierungen. Magnesiumhaltige Aluminiumlegierungen können die Metamorphose von Seltenen Erden fördern.
Verunreinigung
Vanadium bildet in Aluminiumlegierungen die feuerfeste Verbindung VAl11, die beim Schmelz- und Gießprozess zur Kornverfeinerung beiträgt, jedoch weniger wichtig als Titan und Zirkonium. Vanadium verfeinert außerdem die rekristallisierte Struktur und erhöht die Rekristallisationstemperatur.
Die Feststofflöslichkeit von Calcium in Aluminiumlegierungen ist extrem gering, und es bildet mit Aluminium eine CaAl₄-Verbindung. Calcium ist ein superplastisches Element von Aluminiumlegierungen. Eine Aluminiumlegierung mit etwa 5 % Calcium und 5 % Mangan weist Superplastizität auf. Calcium und Silizium bilden CaSi, das in Aluminium unlöslich ist. Durch die Reduzierung des Siliziumanteils in der Feststofflösung kann die elektrische Leitfähigkeit von industriell reinem Aluminium leicht verbessert werden. Calcium kann die Schneidleistung von Aluminiumlegierungen verbessern. CaSi₂ kann Aluminiumlegierungen durch Wärmebehandlung nicht verstärken. Spuren von Calcium helfen, Wasserstoff aus geschmolzenem Aluminium zu entfernen.
Blei, Zinn und Wismut sind Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt. Ihre Löslichkeit in Aluminium ist gering, was die Festigkeit der Legierung leicht reduziert, aber die Schneidleistung verbessern kann. Wismut dehnt sich während der Erstarrung aus, was sich positiv auf die Zuführung auswirkt. Die Zugabe von Wismut zu magnesiumreichen Legierungen kann Natriumversprödung verhindern.
Antimon wird hauptsächlich als Modifikator in Aluminiumgusslegierungen verwendet und kommt selten in deformierten Aluminiumlegierungen zum Einsatz. In Al-Mg-deformierten Aluminiumlegierungen wird Wismut nur durch Antimon ersetzt, um Natriumversprödung zu vermeiden. Antimon wird einigen Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen zugesetzt, um die Leistung beim Heiß- und Kaltpressen zu verbessern.
Beryllium kann die Struktur der Oxidschicht in verformten Aluminiumlegierungen verbessern und Abbrandverluste sowie Einschlüsse beim Schmelzen und Gießen reduzieren. Beryllium ist ein giftiges Element, das beim Menschen allergische Vergiftungen auslösen kann. Daher darf Beryllium nicht in Aluminiumlegierungen enthalten sein, die mit Lebensmitteln und Getränken in Berührung kommen. Der Berylliumgehalt in Schweißmaterialien liegt üblicherweise unter 8 μg/ml. Auch bei Aluminiumlegierungen, die als Schweißsubstrate verwendet werden, sollte der Berylliumgehalt kontrolliert werden.
Natrium ist in Aluminium nahezu unlöslich und die maximale Feststofflöslichkeit beträgt weniger als 0,0025 %. Der Schmelzpunkt von Natrium ist niedrig (97,8 °C). Wenn Natrium in der Legierung vorhanden ist, wird es während der Verfestigung auf der Dendritenoberfläche oder der Korngrenze adsorbiert. Bei der Heißverarbeitung bildet das Natrium auf der Korngrenze eine flüssige Adsorptionsschicht, was zu Sprödrissen und der Bildung von NaAlSi-Verbindungen führt. Es ist kein freies Natrium vorhanden und es entsteht keine „Natriumspröde“.
Übersteigt der Magnesiumgehalt 2 %, entzieht Magnesium Silizium und scheidet freies Natrium aus, was zu Natriumversprödung führt. Daher ist die Verwendung von Natriumsalzflussmitteln bei hochmagnesiumhaltigen Aluminiumlegierungen nicht zulässig. Zu den Methoden zur Vermeidung von Natriumversprödung gehören Chlorierung, wodurch Natrium NaCl bildet und in die Schlacke abgegeben wird, Zugabe von Wismut zur Bildung von Na2Bi und Eintrag in die Metallmatrix; die Zugabe von Antimon zur Bildung von Na3Sb oder die Zugabe von Seltenen Erden können den gleichen Effekt haben.
Herausgegeben von May Jiang von MAT Aluminum
Beitragszeit: 08.08.2024
