鋁中合金元素和雜質(zhì)對(duì)性能的影響?

　　1 合金元素影響

　　銅元素
　　鋁銅合金富鋁部分平衡相圖如圖 所示。548時(shí)，銅在鋁中的最大溶解度為 5.65%,溫度降到302時(shí)，銅的溶解度為0.45%。銅是重要的合金元素，有一定的固溶強(qiáng)化效果，此外時(shí)效析出的CuAl2有著明顯的時(shí)效強(qiáng)化效果。 鋁合金中銅含量通常在2.5% ~ 5%，銅含量在4%~6.8%時(shí)強(qiáng)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。

　　硅元素
　　Al—Si合金系平衡相圖富鋁部分如圖 所示。在共晶溫度577 時(shí)，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(qiáng)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(shí)加入鋁中形成鋁鎂硅系合金，強(qiáng)化相為MgSi。鎂和硅的質(zhì)量比為1.73:1。設(shè)計(jì)Al-Mg-Si系合金成分時(shí)，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(qiáng)度，加入適量的銅，同時(shí)加入適量的鉻以抵消銅對(duì)抗蝕性的不利影響。
　　Al-Mg2Si合金系合金平衡相圖富鋁部分如圖 所示。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(dú)加入鋁中只限于焊接材料，硅加入鋁中亦有一定的強(qiáng)化作用。

　　鎂元素
　　Al-Mg合金系平衡相圖富鋁部分如圖 所示。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(qiáng)化的，但是可焊性良好，抗蝕性也好，并有中等強(qiáng)度。
　　鎂對(duì)鋁的強(qiáng)化是明顯的，每增加1%鎂，抗拉強(qiáng)度大約升高瞻遠(yuǎn)34MPa。如果加入1%以下 的錳，可能補(bǔ)充強(qiáng)化作用。因此加錳后可降低鎂含量，同時(shí)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。

　　錳元素
　　Al-Mn合金系平平衡相圖部分如圖 所示。在共晶溫度658時(shí)，錳在 固溶體中的最大溶解度為1.82%。合金強(qiáng)度隨溶解度增加不斷增加，錳含量為0.8%時(shí)，延伸率達(dá)最大值。Al-Mn合金是非時(shí)效硬化合金， 即不可熱處理強(qiáng)化。
　　錳能阻止鋁合金的再結(jié)晶過(guò)程，提高再結(jié)晶溫度，并能顯著細(xì)化再結(jié)晶晶粒。再結(jié)晶晶粒的細(xì)化 主要是通過(guò)
　　MnAl6化合物彌散質(zhì)點(diǎn)對(duì)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)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(dú)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。

　　鋅元素
　　Al-Zn合金系平衡相圖富鋁部分如圖 所示。275時(shí)鋅在鋁中的溶解度為31.6%，而在125時(shí)其溶解度則下降到5.6%。 　　鋅單獨(dú)加入鋁中，在變形條件下對(duì)鋁合金強(qiáng)度的提高十分有限，同時(shí)存在應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、傾向，因而限制了它的應(yīng)用。
　　在鋁中同時(shí)加入鋅和鎂，形成強(qiáng)化相Mg/Zn2，對(duì)合金產(chǎn)生明顯的強(qiáng)化作用。Mg/Zn2含量 從0.5%提高到12%時(shí)，可明顯增加抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。鎂的含量超過(guò)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(shí)，應(yīng)力腐蝕 開(kāi)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(qiáng)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。

　　2．微量元素的影響

　　鐵和硅
　　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(jiàn)的雜質(zhì)元素，對(duì)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(shí)，形成β-FeSiAl3(或 Fe2Si2Al9)相，而鐵大于硅時(shí)，形成α-Fe2SiAl8(或Fe3Si2Al12)。當(dāng)鐵和硅比例不當(dāng)時(shí)，會(huì)引起鑄件產(chǎn)生裂紋，鑄鋁中鐵含量過(guò) 高時(shí)會(huì)使鑄件產(chǎn)生脆性。

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

　　鉻
　　鉻在Al-Mg-Si系、Al-Mg-Zn系、Al-Mg系合金中常見(jiàn)的添加元素。600℃時(shí)，鉻在鋁中溶解度為0.8%，室溫時(shí)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(zhǎng)大過(guò)程，對(duì)合金有一定的強(qiáng)化作用，還能改善合金韌性和降低應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性。但會(huì)場(chǎng)增加淬火敏感性，使陽(yáng)極氧化膜呈黃色。
　　鉻在鋁合金中的添加量一般不超過(guò)0.35%，并隨合金中過(guò)渡元素的增加而降低。

　　鍶
　　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(jìn)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(shí)間長(zhǎng)、效果和再現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在Al-Si鑄 造合金中取代了鈉的使用。對(duì)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(shí)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(duì)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(qiáng)度бb 由233MPa提高到236MPa，屈服強(qiáng)度б0.2由204MPa提 高到210MPa，延伸率б5由9%增至12%。在過(guò)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?

　　鋯元素
　　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(guò)程，細(xì)化再結(jié)晶晶粒。鋯亦能細(xì)化鑄造組織，但比鈦的效果小。有鋯 存在時(shí)，會(huì)降低鈦和硼細(xì)化晶粒的效果。 在Al-Zn-Mg-Cu系合金中，由于鋯對(duì)淬火敏感性的影響比鉻和錳的小，因此宜用鋯來(lái)代替鉻和錳細(xì)化再結(jié)晶組織。

　　雜質(zhì)元素
　　稀土元素加入鋁合金中，使鋁合金熔鑄時(shí)增加成分過(guò)冷，細(xì)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(dòng)性，有利于澆注成錠，對(duì)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。混合稀土（La-Ce-Pr-Nd等混合）的添加，使Al-0.65%Mg-0.61%Si合金時(shí)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)元素的影響
　　釩在鋁合金中形成VAl11難熔化合物，在熔鑄過(guò)程中起細(xì)化晶粒作用，但比鈦和鋯的作用小。釩也有細(xì)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(qiáng)化。微量鈣有利于去除鋁液中的氫。
　　鉛、錫、鉍元素是低熔點(diǎn)金屬，它們?cè)阡X中固溶度不大，略降低合金強(qiáng)度，但能改善切削性能。鉍在凝固過(guò)程中膨脹，對(duì)補(bǔ)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(shí)的燒損和夾雜。鈹是有毒元素，能使人產(chǎn)生過(guò)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 料中的鈹含量通常控制在8μg/ml以下。用作焊接基體的鋁合金也應(yīng)控制鈹?shù)暮�量�?
　　鈉在鋁中幾乎不溶解，最大固溶度小于0.0025%，鈉的熔點(diǎn)低（97.8℃）,合金中存在鈉時(shí)，在凝固過(guò)程中吸附在枝晶表面或晶界，熱加工時(shí)，晶界上的 鈉形成液態(tài)吸附層，產(chǎn)生脆性開(kāi)裂時(shí)，形成NaAlSi化合物，無(wú)游離鈉存在，不產(chǎn)生“鈉脆”。當(dāng)鎂含量超2%時(shí)，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(jìn)入金屬基體；加銻生成Na3Sb或加 入稀土亦可起到相同的作用。