Baker
Ko je del zlitine aluminija in bakra bogat z aluminijem, je 548, je največja topnost bakra v aluminiju 5,65 %. Ko temperatura pade na 302 °F, je topnost bakra 0,45 %. Baker je pomemben element zlitine in ima določen učinek utrjevanja trdne raztopine. Poleg tega ima CuAl2, ki se izloča s staranjem, očiten učinek utrjevanja s staranjem. Vsebnost bakra v aluminijevih zlitinah je običajno med 2,5 % in 5 %, učinek utrjevanja pa je najboljši, ko je vsebnost bakra med 4 % in 6,8 %, zato je vsebnost bakra v večini duraluminijevih zlitin v tem območju. Zlitine aluminija in bakra lahko vsebujejo manj silicija, magnezija, mangana, kroma, cinka, železa in drugih elementov.
Silicij
Ko ima del sistema zlitine Al-Si, bogat z aluminijem, evtektično temperaturo 577, je največja topnost silicija v trdni raztopini 1,65 %. Čeprav se topnost z zniževanjem temperature zmanjšuje, teh zlitin na splošno ni mogoče utrditi s toplotno obdelavo. Zlitina aluminija in silicija ima odlične livarske lastnosti in odpornost proti koroziji. Če se aluminiju hkrati doda magnezij in silicij, da se tvori zlitina aluminija, magnezija in silicija, je utrjevalna faza MgSi. Masno razmerje med magnezijem in silicijem je 1,73:1. Pri načrtovanju sestave zlitine Al-Mg-Si se vsebnost magnezija in silicija na matrici konfigurira v tem razmerju. Za izboljšanje trdnosti nekaterih zlitin Al-Mg-Si se doda ustrezna količina bakra in ustrezna količina kroma, da se izravnajo negativni učinki bakra na odpornost proti koroziji.
Največja topnost Mg2Si v aluminiju v delu ravnotežnega faznega diagrama sistema zlitine Al-Mg2Si, bogatem z aluminijem, je 1,85 %, upočasnitev pa je majhna z zniževanjem temperature. Pri deformiranih aluminijevih zlitinah je dodajanje samega silicija aluminiju omejeno na varilne materiale, dodajanje silicija aluminiju pa ima tudi določen učinek ojačitve.
Magnezij
Čeprav krivulja topnosti kaže, da se topnost magnezija v aluminiju močno zmanjšuje z zniževanjem temperature, je vsebnost magnezija v večini industrijsko deformiranih aluminijevih zlitin manjša od 6 %. Tudi vsebnost silicija je nizka. Te vrste zlitine ni mogoče okrepiti s toplotno obdelavo, vendar ima dobro varivost, dobro odpornost proti koroziji in srednjo trdnost. Okrepitev aluminija z magnezijem je očitna. Za vsako 1-odstotno povečanje magnezija se natezna trdnost poveča za približno 34 MPa. Če dodamo manj kot 1 % mangana, se lahko učinek ojačitve izboljša. Zato lahko dodajanje mangana zmanjša vsebnost magnezija in zmanjša nagnjenost k vročim razpokam. Poleg tega lahko mangan enakomerno izloča spojine Mg5Al8, kar izboljša odpornost proti koroziji in varilne lastnosti.
Mangan
Ko je evtektična temperatura faznega diagrama ravnotežja sistema zlitine Al-Mn 658, je največja topnost mangana v trdni raztopini 1,82 %. Trdnost zlitine se povečuje z naraščajočo topnostjo. Ko je vsebnost mangana 0,8 %, raztezek doseže največjo vrednost. Zlitina Al-Mn se ne utrjuje s staranjem, kar pomeni, da je ni mogoče okrepiti s toplotno obdelavo. Mangan lahko prepreči proces rekristalizacije aluminijevih zlitin, zviša temperaturo rekristalizacije in znatno prečisti rekristalizirana zrna. Prečiščevanje rekristaliziranih zrn je predvsem posledica dejstva, da dispergirani delci spojin MnAl6 ovirajo rast rekristaliziranih zrn. Druga funkcija MnAl6 je raztapljanje nečistoč železa, da se tvori (Fe, Mn)Al6, kar zmanjšuje škodljive učinke železa. Mangan je pomemben element v aluminijevih zlitinah. Lahko se doda sam, da se tvori binarna zlitina Al-Mn. Pogosteje se doda skupaj z drugimi legirnimi elementi. Zato večina aluminijevih zlitin vsebuje mangan.
Cink
Topnost cinka v aluminiju je pri 275 °C v delu ravnotežnega faznega diagrama sistema zlitine Al-Zn, bogatem z aluminijem, 31,6 %, medtem ko se njegova topnost pri 125 °C zmanjša na 5,6 %. Dodatek samega cinka aluminiju ima zelo omejeno izboljšanje trdnosti aluminijeve zlitine v deformacijskih pogojih. Hkrati obstaja nagnjenost k razpokam zaradi napetostne korozije, kar omejuje njegovo uporabo. Hkratno dodajanje cinka in magnezija aluminiju tvori ojačevalno fazo Mg/Zn2, ki ima pomemben ojačevalni učinek na zlitino. Ko se vsebnost Mg/Zn2 poveča z 0,5 % na 12 %, se lahko natezna trdnost in meja tečenja znatno povečata. Pri supertrdih aluminijevih zlitinah, kjer vsebnost magnezija presega potrebno količino za tvorbo faze Mg/Zn2, je odpornost proti razpokam zaradi napetostne korozije največja, ko je razmerje med cinkom in magnezijem nadzorovano na približno 2,7. Na primer, dodajanje bakra Al-Zn-Mg tvori zlitino serije Al-Zn-Mg-Cu. Učinek krepitve podlage je največji med vsemi aluminijevimi zlitinami. Je tudi pomemben material iz aluminijevih zlitin v vesoljski, letalski in elektroenergetski industriji.
Železo in silicij
Železo se dodaja kot legirni element v kovane aluminijeve zlitine serije Al-Cu-Mg-Ni-Fe, silicij pa kot legirni element v kovane aluminijeve zlitine serije Al-Mg-Si ter v varilne palice serije Al-Si in zlitine za litje aluminija in silicija. V osnovnih aluminijevih zlitinah sta silicij in železo pogosta nečistoča, ki pomembno vplivata na lastnosti zlitine. Večinoma obstajata kot FeCl3 in prosti silicij. Ko je silicij večji od železa, nastane faza β-FeSiAl3 (ali Fe2Si2Al9), ko pa je železo večje od silicija, nastane α-Fe2SiAl8 (ali Fe3Si2Al12). Če je razmerje med železom in silicijem nepravilno, se v ulitku pojavijo razpoke. Če je vsebnost železa v ulitem aluminiju previsoka, postane ulitek krhek.
Titan in bor
Titan je pogosto uporabljen aditivni element v aluminijevih zlitinah, ki se dodaja v obliki glavne zlitine Al-Ti ali Al-Ti-B. Titan in aluminij tvorita fazo TiAl2, ki med kristalizacijo postane nespontano jedro in igra vlogo pri izpopolnjevanju strukture ulitka in strukture zvara. Ko zlitine Al-Ti prehajajo v reakcijo pakiranja, je kritična vsebnost titana približno 0,15 %. Če je prisoten bor, je upočasnitev le 0,01 %.
Krom
Krom je pogost aditivni element v zlitinah serij Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn in Al-Mg. Pri 600 °C je topnost kroma v aluminiju 0,8 % in je pri sobni temperaturi v bistvu netopen. Krom v aluminiju tvori intermetalne spojine, kot sta (CrFe)Al7 in (CrMn)Al12, kar ovira proces nukleacije in rasti pri rekristalizaciji ter ima določen učinek utrjevanja zlitine. Prav tako lahko izboljša žilavost zlitine in zmanjša dovzetnost za napetostno korozijsko razpokanje.
Vendar pa mesto poveča občutljivost na kaljenje, zaradi česar eloksirana plast porumeni. Količina kroma, dodanega aluminijevim zlitinam, običajno ne presega 0,35 % in se zmanjšuje z naraščanjem prehodnih elementov v zlitini.
Stroncij
Stroncij je površinsko aktivni element, ki lahko kristalografsko spremeni obnašanje intermetalnih spojin. Zato lahko modifikacijska obdelava s stroncijem izboljša plastično obdelavo zlitine in kakovost končnega izdelka. Zaradi dolgega efektivnega časa modifikacije, dobrega učinka in ponovljivosti je stroncij v zadnjih letih nadomestil uporabo natrija v livarskih zlitinah Al-Si. Z dodajanjem 0,015 % do 0,03 % stroncija aluminijevi zlitini za ekstruzijo se faza β-AlFeSi v ingotu spremeni v fazo α-AlFeSi, kar skrajša čas homogenizacije ingota za 60 % do 70 %, izboljša mehanske lastnosti in plastično obdelavo materialov ter izboljša hrapavost površine izdelkov.
Pri deformiranih aluminijevih zlitinah z visoko vsebnostjo silicija (10 % do 13 %) lahko dodatek 0,02 % do 0,07 % stroncija zmanjša primarne kristale na minimum, mehanske lastnosti pa se tudi znatno izboljšajo. Natezna trdnost bb se poveča z 233 MPa na 236 MPa, meja tečenja b0,2 se poveča z 204 MPa na 210 MPa, raztezek b5 pa se poveča z 9 % na 12 %. Dodatek stroncija hiperevtektični zlitini Al-Si lahko zmanjša velikost primarnih silicijevih delcev, izboljša lastnosti predelave plastike in omogoči gladko vroče in hladno valjanje.
Cirkonij
Cirkonij je tudi pogost dodatek v aluminijevih zlitinah. Na splošno je količina, dodana aluminijevim zlitinam, 0,1 % do 0,3 %. Cirkonij in aluminij tvorita spojine ZrAl3, ki lahko ovirajo proces rekristalizacije in prečistijo rekristalizirana zrna. Cirkonij lahko prečisti tudi strukturo ulitka, vendar je učinek manjši kot pri titanu. Prisotnost cirkonija zmanjša učinek titana in bora na prečiščevanje zrn. Ker ima cirkonij v zlitinah Al-Zn-Mg-Cu manjši vpliv na občutljivost na kaljenje kot krom in mangan, je za prečiščevanje rekristalizirane strukture primerneje uporabiti cirkonij namesto kroma in mangana.
Redki zemeljski elementi
Redkozemeljski elementi se dodajajo aluminijevim zlitinam za povečanje podhlajanja komponent med ulivanjem aluminijevih zlitin, prečiščevanje zrn, zmanjšanje razmika med sekundarnimi kristali, zmanjšanje plinov in vključkov v zlitini ter za sferoidizacijo vključkovne faze. Prav tako lahko zmanjša površinsko napetost taline, poveča fluidnost in olajša ulivanje v ingote, kar pomembno vpliva na delovanje procesa. Različne redke zemlje je bolje dodati v količini približno 0,1 %. Dodatek mešanih redkih zemelj (mešanica La-Ce-Pr-Nd itd.) zniža kritično temperaturo za nastanek starajočega se območja G⁻P v zlitini Al-0,65%Mg-0,61%Si. Aluminijeve zlitine, ki vsebujejo magnezij, lahko spodbudijo metamorfozo redkozemeljskih elementov.
Nečistoča
Vanadij v aluminijevih zlitinah tvori ognjevzdržno spojino VA11, ki ima vlogo pri rafiniranju zrn med taljenjem in litjem, vendar je njegova vloga manjša kot pri titanu in cirkoniju. Vanadij ima tudi učinek rafiniranja rekristalizirane strukture in zvišanja temperature rekristalizacije.
Topnost kalcija v trdnih zlitinah je izjemno nizka, z aluminijem pa tvori spojino CaAl4. Kalcij je superplastičen element aluminijevih zlitin. Aluminijeva zlitina s približno 5 % kalcija in 5 % mangana ima superplastičnost. Kalcij in silicij tvorita CaSi, ki je netopen v aluminiju. Ker se količina silicija v trdni raztopini zmanjša, se lahko električna prevodnost industrijskega čistega aluminija nekoliko izboljša. Kalcij lahko izboljša rezalno zmogljivost aluminijevih zlitin. CaSi2 ne more okrepiti aluminijevih zlitin s toplotno obdelavo. Sledi kalcija so koristne pri odstranjevanju vodika iz staljenega aluminija.
Svinec, kositer in bizmut so kovine z nizkim tališčem. Njihova trdna topnost v aluminiju je majhna, kar nekoliko zmanjša trdnost zlitine, vendar lahko izboljša rezalno zmogljivost. Bizmut se med strjevanjem širi, kar je koristno za dovajanje. Dodajanje bizmuta zlitinam z visoko vsebnostjo magnezija lahko prepreči krhkost zaradi natrija.
Antimon se uporablja predvsem kot modifikator v litih aluminijevih zlitinah in se redko uporablja v deformiranih aluminijevih zlitinah. V deformiranih aluminijevih zlitinah Al-Mg nadomešča bizmutov element, da se prepreči krhkost zaradi natrija. Antimon se nekaterim zlitinam Al-Zn-Mg-Cu doda za izboljšanje učinkovitosti vročega in hladnega stiskanja.
Berilij lahko izboljša strukturo oksidnega filma v deformiranih aluminijevih zlitinah ter zmanjša izgube pri gorenju in vključke med taljenjem in ulivanjem. Berilij je strupen element, ki lahko pri ljudeh povzroči alergijsko zastrupitev. Zato berilij ne sme biti v aluminijevih zlitinah, ki pridejo v stik s hrano in pijačo. Vsebnost berilija v varilnih materialih je običajno pod 8 μg/ml. Vsebnost berilija je treba nadzorovati tudi v aluminijevih zlitinah, ki se uporabljajo kot varilni substrati.
Natrij je v aluminiju skoraj netopen, največja topnost v trdni snovi pa je manjša od 0,0025 %. Tališče natrija je nizko (97,8 ℃). Ko je natrij prisoten v zlitini, se med strjevanjem adsorbira na površino dendritov ali mejo zrn. Med vročo obdelavo natrij na meji zrn tvori tekočo adsorpcijsko plast, kar povzroči krhke razpoke in nastanek spojin NaAlSi. Prosti natrij ne obstaja in ne povzroča "krhkosti natrija".
Ko vsebnost magnezija preseže 2 %, magnezij odvzame silicij in izloči prosti natrij, kar povzroči "krhkost natrija". Zato se za aluminijeve zlitine z visoko vsebnostjo magnezija ne sme uporabljati talila z natrijevo soljo. Metode za preprečevanje "krhkosti natrija" vključujejo kloriranje, pri katerem natrij tvori NaCl, ki se sprošča v žlindro, dodajanje bizmuta, ki tvori Na2Bi in vstopa v kovinsko matrico; dodajanje antimona, ki tvori Na3Sb, ali dodajanje redkih zemelj ima lahko tudi enak učinek.
Uredil May Jiang iz MAT Aluminum
Čas objave: 8. avg. 2024
