铝中合金元素和杂质对器材性能的影响分析.doc

1铝中合金元素和杂质对器材性能的影响 分析摘 要:钛、铬、锂等铝合金密度低,但强度比较高,接近或超过优质钢,塑性好,可加工成各种型材,具有优良的导电性、导热性和抗蚀性,工业上广泛使用,使用量仅次于钢铝合金分两大类:铸造铝合金,在铸态下使用;变形铝合金,能承受压力加工,力学性能高于铸态可加工成各种形态、规格的铝合金材主要用于制造航空器材、日常生活用品、建筑用门窗等铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金变形铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金强化型不能通过热处理来提高机械性能,只能通过冷加工变形来实现强化,它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能,它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等 关键词:铝合金;杂质;性能;加工 1 合金元素对器材性能的影响 1.1 铜元素 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 1.2 硅元素 2Al—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 1.3 镁元素 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 1.4 锰元素 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。

1.5 锌元素 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 2 微量元素和杂质对器材性能的的影响 32.1 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2.2 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%。

2.3 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 2.4 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-AlFeSi4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 2.5 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 2.6 稀土元素 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 2.7 杂质元素 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5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 8g/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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