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各元素对铝合金性能影响.doc

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1 合 金 元 素 影 响 铜 元 素 铝 铜 合 金 富 铝 部 分 平 衡 相 图 如 图 所 示 。 548 时 , 铜 在 铝 中 的 最 大 溶 解 度为 5.65%,温 度 降 到 302 时 , 铜 的 溶 解 度 为 0.45%。 铜 是 重 要 的 合 金 元 素 , 有一 定 的 固 溶 强 化 效 果 , 此 外 时 效 析 出 的 CuAl2 有 着 明 显 的 时 效 强 化 效 果 。 铝 合 金 中 铜 含 量 通 常 在 2.5% ~ 5%, 铜 含 量 在 4%~6.8%时 强 化 效 果 最 好 , 所以 大 部 分 硬 铝 合 金 的 含 铜 量 处 于 这 范 围 。 铝 铜 合 金 中 可 以 含 有 较 少 的 硅 、 镁 、 锰 、 铬 、 锌 、 铁 等 元 素 。 硅 元 素 Al—Si 合 金 系 平 衡 相 图 富 铝 部 分 如 图 所 示 。 在 共 晶 温 度 577 时 , 硅在 固 溶 体 中 的 最 大 溶 解 度 为 1.65%。 尽 管 溶 解 度 随 温 度 降 低 而 减 少 , 介 这 类合 金 一 般 是 不 能 热 处 理 强 化 的 。 铝 硅 合 金 具 有 极 好 的 铸 造 性 能 和 抗 蚀 性 。 若 镁 和 硅 同 时 加 入 铝 中 形 成 铝 镁 硅 系 合 金 , 强 化 相 为 MgSi。 镁 和 硅 的质 量 比 为 1.73:1。 设 计 Al-Mg-Si 系 合 金 成 分 时 , 基 体 上 按 此 比 例 配 置 镁 和 硅 的 含 量 。 有 的 Al-Mg-Si 合 金 , 为 了 提 高 强 度 , 加 入 适 量 的 铜 , 同 时 加 入 适 量 的铬 以 抵 消 铜 对 抗 蚀 性 的 不 利 影 响 。 Al-Mg2Si 合 金 系 合 金 平 衡 相 图 富 铝 部 分 如 图 所 示 。 Mg2Si 在 铝 中 的最 大 溶 解 度 为 1.85%, 且 随 温 度 的 降 低 而 减 速 小 。 变 形 铝 合 金 中 , 硅 单 独 加 入 铝 中 只 限 于 焊 接 材 料 , 硅 加 入 铝 中 亦 有 一 定 的 强化 作 用 。 镁 元 素 Al-Mg 合 金 系 平 衡 相 图 富 铝 部 分 如 图 所 示 。 尽 管 溶 解 度 曲 线 表 明 , 镁 在铝 中 的 溶 解 度 随 温 度 下 降 而 大 大 地 变 小 , 但 是 在 大 部 分 工 业 用 变 形 铝 合 金中 , 镁 的 含 量 均 小 于 6%, 而 硅 含 量 也 低 , 这 类 合 金 是 不 能 热 处 理 强 化 的 , 但 是可 焊 性 良 好 , 抗 蚀 性 也 好 , 并 有 中 等 强 度 。 镁 对 铝 的 强 化 是 明 显 的 , 每 增 加 1%镁 , 抗 拉 强 度 大 约 升 高 瞻 远34MPa。 如 果 加 入 1%以 下 的 锰 , 可 能 补 充 强 化 作 用 。 因 此 加 锰 后 可 降 低 镁 含量 , 同 时 可 降 低 热 裂 倾 向 , 另 外 锰 还 可 以 使 Mg5Al8 化 合 物 均 匀 沉 淀 , 改 善抗 蚀 性 和 焊 接 性 能 。 锰 元 素 Al-Mn 合 金 系 平 平 衡 相 图 部 分 如 图 所 示 。 在 共 晶 温 度 658 时 , 锰 在 固 溶 体 中 的 最 大 溶 解 度 为 1.82%。 合 金 强 度 随 溶 解 度 增 加 不 断 增 加 , 锰 含 量 为0.8%时 , 延 伸 率 达 最 大 值 。 Al-Mn 合 金 是 非 时 效 硬 化 合 金 , 即 不 可 热 处 理强 化 。 锰 能 阻 止 铝 合 金 的 再 结 晶 过 程 , 提 高 再 结 晶 温 度 , 并 能 显 著 细 化 再 结 晶 晶 粒 。再 结 晶 晶 粒 的 细 化 主 要 是 通 过 MnAl6 化 合 物 弥 散 质 点 对 再 结 晶 晶 粒 长 大 起 阻 碍 作 用 。 MnAl6 的 另 一作 用 是 能 溶 解 杂 质 铁 , 形 成 ( Fe、 Mn) Al6, 减 小 铁 的 有 害 影 响 。 锰 是 铝 合 金 的 重 要 元 素 , 可 以 单 独 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 铝 合 金 中 均 含 有 锰 。 锌 元 素 Al-Zn 合 金 系 平 衡 相 图 富 铝 部 分 如 图 所 示 。 275 时 锌 在 铝 中 的 溶 解 度 为31.6%, 而 在 125 时 其 溶 解 度 则 下 降 到 5.6%。 锌 单 独 加 入 铝 中 , 在 变形 条 件 下 对 铝 合 金 强 度 的 提 高 十 分 有 限 , 同 时 存 在 应 力 腐 蚀 开 裂 、 倾 向 , 因 而 限 制了 它 的 应 用 。 在 铝 中 同 时 加 入 锌 和 镁 , 形 成 强 化 相 Mg/Zn2, 对 合 金 产 生 明 显 的 强 化作 用 。 Mg/Zn2 含 量 从 0.5%提 高 到 12%时 , 可 明 显 增 加 抗 拉 强 度 和 屈 服 强 度 。镁 的 含 量 超 过 形 成 Mg/Zn2 相 所 需 超 硬 铝 合 金 中 , 锌 和 镁 的 比 例 控 制 在2.7 左 右 时 , 应 力 腐 蚀 开 裂 抗 力 最 大 。 如 在 Al-Zn-Mg 基 础 上 加 入 铜 元 素 , 形 成 Al-Zn-Mg-Cu 系 合 金 , 基 强 化效 果 在 所 有 铝 合 金 中 最 大 , 也 是 航 天 、 航 空 工 业 、 电 力 工 业 上 的 重 要 的 铝 合 金 材 料 。2. 微 量 元 素 的 影 响 铁 和 硅 铁 在 Al-Cu-Mg-Ni-Fe 系 锻 铝 合 金 中 , 硅 在 Al-Mg-Si 系 锻 铝 中 和 在Al-Si 系 焊 条 及 铝 硅 铸 造 合 金 中 , 均 作 为 合 金 元 素 加 的 , 在 基 它 铝 合 金 中 , 硅 和 铁 是 常 见 的 杂 质 元 素 , 对 合 金 性 能 有 明 显 的 影 响 。 它 们 主 要 以FeCl3 和 游 离 硅 存 在 。 在 硅 大 于 铁 时 , 形 成 β-FeSiAl3(或 Fe2Si2Al9)相 ,而 铁 大 于 硅 时 , 形 成 α-Fe2SiAl8(或 Fe3Si2Al12)。 当 铁 和 硅 比 例 不 当 时 , 会引 起 铸 件 产 生 裂 纹 , 铸 铝 中 铁 含 量 过 高 时 会 使 铸 件 产 生 脆 性 。 钛 和 硼 钛 是 铝 合 金 中 常 用 的 添 加 元 素 , 以 Al-Ti 或 Al-Ti-B 中 间 合 金 形 式 加 入 。钛 与 铝 形 成 TiAl2 相 , 成 为 结 晶 时 的 非 自 发 核 心 , 起 细 化 铸 造 组 织 和 焊 缝 组 织的 作 用 。 Al-Ti 系 合 金 产 生 包 反 应 时 , 钛 的 临 界 含 量 约 为 0.15%, 如 果 有 硼存 在 则 减 速 小 到 0.01%。 铬 铬 在 Al-Mg-Si 系 、 Al-Mg-Zn 系 、 Al-Mg 系 合 金 中 常 见 的 添 加 元 素 。600℃ 时 , 铬 在 铝 中 溶 解 度 为 0.8%, 室 温 时 基 本 上 不 溶 解 。 铬 在 铝 中 形 成 ( CrFe) Al7 和 ( CrMn) Al12 等 金 属 间 化 合 物 , 阻 碍 再 结晶 的 形 核 和 长 大 过 程 , 对 合 金 有 一 定 的 强 化 作 用 , 还 能 改 善 合 金 韧 性 和 降 低 应 力 腐蚀 开 裂 敏 感 性 。 但 会 场 增 加 淬 火 敏 感 性 , 使 阳 极 氧 化 膜 呈 黄 色 。 铬 在 铝 合 金 中 的 添 加 量 一 般 不 超 过 0.35%, 并 随 合 金 中 过 渡 元 素 的 增 加而 降 低 。 锶 锶 是 表 面 活 性 元 素 , 在 结 晶 学 上 锶 能 改 变 金 属 间 化 合 物 相 的 行 为 。 因此 用 锶 元 素 进 行 变 质 处 理 能 改 善 合 金 的 塑 性 加 工 性 和 最 终 产 品 质 量 。 由 于 锶 的 变 质有 效 时 间 长 、 效 果 和 再 现 性 好 等 优 点 , 近 年 来 在 Al-Si 铸 造 合 金 中 取 代 了钠 的 使 用 。 对 挤 压 用 铝 合 金 中 加 入 0.015%~0.03%锶 , 使 铸 锭 中 β-AlFeSi相 变 成 汉 字 形 α-AlFeSi 相 , 减 少 了 铸 锭 均 匀 化 时 间 60%~70%, 提 高 材 料力 学 性 能 和 塑 性 加 工 性 ; 改 善 制 品 表 面 粗 糙 度 。 对 于 高 硅 ( 10%~13%) 变形 铝 合 金 中 加 入 0.02%~0.07%锶 元 素 , 可 使 初 晶 减 少 至 最 低 限 度 , 力 学 性 能也 显 著 提 高 , 抗 拉 强 度 бb 由 233MPa 提 高 到 236MPa, 屈 服 强 度 б0.2 由204MPa 提 高 到 210MPa, 延 伸 率 б5 由 9%增 至 12%。 在 过 共 晶 Al-Si 合金 中 加 入 锶 , 能 减 小 初 晶 硅 粒 子 尺 寸 , 改 善 塑 性 加 工 性 能 , 可 顺 利 地 热 轧 和 冷 轧 。 锆 元 素 锆 也 是 铝 合 金 的 常 用 添 加 剂 。 一 般 在 铝 合 金 中 加 入 量 为 0.1%~0.3%,锆 和 铝 形 成 ZrAl3 化 合 物 , 可 阻 碍 再 结 晶 过 程 , 细 化 再 结 晶 晶 粒 。 锆 亦 能 细 化铸 造 组 织 , 但 比 钛 的 效 果 小 。 有 锆 存 在 时 , 会 降 低 钛 和 硼 细 化 晶 粒 的 效 果 。 在 Al-Zn-Mg-Cu 系 合 金 中 , 由 于 锆 对 淬 火 敏 感 性 的 影 响 比 铬 和 锰 的 小 , 因 此 宜 用锆 来 代 替 铬 和 锰 细 化 再 结 晶 组 织 。 杂 质 元 素 稀 土 元 素 加 入 铝 合 金 中 , 使 铝 合 金 熔 铸 时 增 加 成 分 过 冷 , 细 化 晶 粒 , 减 少 二次 晶 间 距 , 减 少 合 金 中 的 气 体 和 夹 杂 , 并 使 夹 杂 相 趋 于 球 化 。 还 可 降 低 熔 体 表 面 张力 , 增 加 流 动 性 , 有 利 于 浇 注 成 锭 , 对 工 艺 性 能 有 着 明 显 的 影 响 。 各 种 稀 土 加 入 量 约 为 0.1%at%为 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 时 效 G?P 区 形 成 的 临 界 温 度 降 低 。 含镁 的 铝 合 金 , 能 激 发 稀 土 元 素 的 变 质 作 用 。 3.杂 质 元 素 的 影 响 钒 在 铝 合 金 中 形 成 VAl11 难 熔 化 合 物 , 在 熔 铸 过 程 中 起 细 化 晶 粒 作 用 , 但比 钛 和 锆 的 作 用 小 。 钒 也 有 细 化 再 结 晶 组 织 、 提 高 再 结 晶 温 度 的 作 用 。 钙 在 铝 合 金 中 固 溶 度 极 低 , 与 铝 形 成 CaAl4 化 合 物 , 钙 又 是 铝 合 金 的 超塑 性 元 素 , 大 约 5%钙 和 5%锰 的 铝 合 金 具 有 超 塑 性 。 钙 和 硅 形 成 CaSi,不 溶 于 铝 , 由 于 减 小 了 硅 的 固 溶 量 , 可 稍 微 提 高 工 业 纯 铝 的 导 电 性 能 。 钙 能 改善 铝 合 金 切 削 性 能 。 CaSi2 不 能 使 铝 合 金 热 处 理 强 化 。 微 量 钙 有 利 于 去 除 铝 液中 的 氢 。 铅 、 锡 、 铋 元 素 是 低 熔 点 金 属 , 它 们 在 铝 中 固 溶 度 不 大 , 略 降 低 合 金 强 度 ,但 能 改 善 切 削 性 能 。 铋 在 凝 固 过 程 中 膨 胀 , 对 补 缩 有 利 。 高 镁 合 金 中 加 入 铋 可 防 止钠 脆 。 锑 主 要 用 作 铸 造 铝 合 金 中 的 变 质 剂 , 变 形 铝 合 金 很 少 使 用 。 仅 在 Al-Mg 变 形 铝 合 金 中 代 替 铋 防 止 钠 脆 。 锑 元 素 加 入 某 些 Al-Zn-Mg-Cu 系 合 金中 , 改 善 热 压 与 冷 压 工 艺 性 能 。 铍 在 变 形 铝 合 金 中 可 改 善 氧 化 膜 的 结 构 , 减 少 熔 铸 时 的 烧 损 和 夹 杂 。 铍 是 有毒 元 素 , 能 使 人 产 生 过 敏 性 中 毒 。 因 此 , 接 触 食 品 和 饮 料 的 铝 合 金 中 不 能 含 有 铍 。焊 接 材 料 中 的 铍 含 量 通 常 控 制 在 8μg/ml 以 下 。 用 作 焊 接 基 体 的 铝 合 金 也 应控 制 铍 的 含 量 。 钠 在 铝 中 几 乎 不 溶 解 , 最 大 固 溶 度 小 于 0.0025%, 钠 的 熔 点 低( 97.8℃ ) ,合 金 中 存 在 钠 时 , 在 凝 固 过 程 中 吸 附 在 枝 晶 表 面 或 晶 界 , 热 加 工 时 ,晶 界 上 的 钠 形 成 液 态 吸 附 层 , 产 生 脆 性 开 裂 时 , 形 成 NaAlSi 化 合 物 , 无游 离 钠 存 在 , 不 产 生 “钠 脆 ”。 当 镁 含 量 超 2%时 , 镁 夺 取 硅 , 析 出 游 离 钠 , 产生 “钠 脆 ”。 因 此 高 镁 铝 合 金 不 允 许 使 用 钠 盐 熔 剂 。 防 止 “钠 脆 ”的 方 法 有 氯化 法 , 使 钠 形 成 NaCl 排 入 渣 中 , 加 铋 使 之 生 成 Na2Bi 进 入 金 属 基 体 ; 加 锑生 成 Na3Sb 或 加 入 稀 土 亦 可 起 到 相 同 的 作 用 。
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