Měď
Pokud je složka slitiny hliníku a mědi bohatá na hliník 548, maximální rozpustnost mědi v hliníku je 5,65 %. Při poklesu teploty na 302 °C je rozpustnost mědi 0,45 %. Měď je důležitým prvkem slitiny a má určitý účinek zpevnění pevného roztoku. Kromě toho má CuAl2 vysrážený stárnutím zřejmý účinek zpevnění stárnutím. Obsah mědi v hliníkových slitinách je obvykle mezi 2,5 % a 5 % a účinek zpevnění je nejlepší, když je obsah mědi mezi 4 % a 6,8 %, takže obsah mědi ve většině duralových slitin je v tomto rozmezí. Slitiny hliníku a mědi mohou obsahovat méně křemíku, hořčíku, manganu, chromu, zinku, železa a dalších prvků.
Křemík
Pokud má hliníkem bohatá část slitiny Al-Si eutektickou teplotu 577 °C, maximální rozpustnost křemíku v pevném roztoku je 1,65 %. Ačkoli rozpustnost s klesající teplotou klesá, tyto slitiny obecně nelze zpevnit tepelným zpracováním. Slitina hliníku a křemíku má vynikající slévárenské vlastnosti a odolnost proti korozi. Pokud se k hliníku současně přidá hořčík a křemík za vzniku slitiny hliníku, hořčíku a křemíku, zpevňující fází je MgSi. Hmotnostní poměr hořčíku a křemíku je 1,73:1. Při navrhování složení slitiny Al-Mg-Si se obsah hořčíku a křemíku v tomto poměru na matrici konfiguruje. Pro zlepšení pevnosti některých slitin Al-Mg-Si se přidává vhodné množství mědi a pro kompenzaci nepříznivých účinků mědi na odolnost proti korozi se přidává vhodné množství chromu.
Maximální rozpustnost Mg2Si v hliníku v části rovnovážného fázového diagramu slitiny Al-Mg2Si bohaté na hliník je 1,85 % a zpomalení je s klesající teplotou malé. U deformovaných hliníkových slitin je přidání samotného křemíku k hliníku omezeno na svařovací materiály a přidání křemíku k hliníku má také určitý zpevňující účinek.
Hořčík
Ačkoli křivka rozpustnosti ukazuje, že rozpustnost hořčíku v hliníku s klesající teplotou výrazně klesá, obsah hořčíku ve většině průmyslově deformovaných hliníkových slitin je menší než 6 %. Obsah křemíku je také nízký. Tento typ slitiny nelze tepelně zpevnit, ale má dobrou svařitelnost, dobrou odolnost proti korozi a střední pevnost. Zpevnění hliníku hořčíkem je zřejmé. S každým 1% zvýšením hořčíku se pevnost v tahu zvýší přibližně o 34 MPa. Pokud se přidá méně než 1 % manganu, lze účinek zpevnění doplnit. Přidání manganu proto může snížit obsah hořčíku a snížit tendenci k praskání za tepla. Mangan může navíc rovnoměrně vysrážet sloučeniny Mg5Al8, což zlepšuje odolnost proti korozi a svařovací vlastnosti.
Mangan
Pokud je eutektická teplota fázového diagramu rovnováhy v rovině slitiny Al-Mn 658 °C, maximální rozpustnost manganu v pevném roztoku je 1,82 %. Pevnost slitiny se zvyšuje se zvyšující se rozpustností. Pokud je obsah manganu 0,8 %, prodloužení dosahuje maximální hodnoty. Slitina Al-Mn je slitina, která se netvrdí stárnutím, to znamená, že ji nelze zpevnit tepelným zpracováním. Mangan může zabránit procesu rekrystalizace hliníkových slitin, zvýšit teplotu rekrystalizace a výrazně zjemnit rekrystalizovaná zrna. Zjemnění rekrystalizovaných zrn je způsobeno především tím, že dispergované částice sloučenin MnAl6 brání růstu rekrystalizovaných zrn. Další funkcí MnAl6 je rozpouštění nečistot ve železe za vzniku (Fe, Mn)Al6, čímž se snižuje škodlivé účinky železa. Mangan je důležitým prvkem v hliníkových slitinách. Může být přidán samostatně za vzniku binární slitiny Al-Mn. Častěji se přidává společně s dalšími legujícími prvky. Většina hliníkových slitin proto obsahuje mangan.
Zinek
Rozpustnost zinku v hliníku je při 275 °C v části rovnovážného fázového diagramu systému slitiny Al-Zn bohaté na hliník 31,6 %, zatímco jeho rozpustnost klesá na 5,6 % při 125 °C. Přidání samotného zinku do hliníku má velmi omezené zlepšení pevnosti hliníkové slitiny za deformačních podmínek. Zároveň existuje tendence k praskání korozí pod napětím, což omezuje jeho použití. Současné přidání zinku a hořčíku do hliníku vytváří zpevňující fázi Mg/Zn2, která má významný zpevňující účinek na slitinu. Když se obsah Mg/Zn2 zvýší z 0,5 % na 12 %, lze výrazně zvýšit pevnost v tahu a mez kluzu. U supertvrdých hliníkových slitin, kde obsah hořčíku překračuje požadované množství pro vytvoření fáze Mg/Zn2, je při poměru zinku k hořčíku kolem 2,7 odolnost proti praskání korozí pod napětím největší. Například přidání prvku mědi do slitiny Al-Zn-Mg vytváří slitinu řady Al-Zn-Mg-Cu. Zpevňovací účinek základny je největší ze všech hliníkových slitin. Je také důležitým materiálem hliníkových slitin v leteckém a kosmickém průmyslu a elektroenergetickém průmyslu.
Železo a křemík
Železo se přidává jako legující prvek do tvářených hliníkových slitin řady Al-Cu-Mg-Ni-Fe a křemík se přidává jako legující prvek do tvářeného hliníku řady Al-Mg-Si a do svařovacích drátů řady Al-Si a slitin hliníku a křemíku pro odlévání. V základních hliníkových slitinách jsou křemík a železo běžnými nečistotami, které mají významný vliv na vlastnosti slitiny. Vyskytují se hlavně jako FeCl3 a volný křemík. Pokud je křemík větší než železo, tvoří se fáze β-FeSiAl3 (nebo Fe2Si2Al9), a pokud je železo větší než křemík, tvoří se α-Fe2SiAl8 (nebo Fe3Si2Al12). Pokud je poměr železa a křemíku nesprávný, způsobí to praskliny v odlitku. Pokud je obsah železa v odlitém hliníku příliš vysoký, odlitek se stane křehkým.
Titan a bor
Titan je běžně používaný aditivní prvek v hliníkových slitinách, přidávaný ve formě předslitin Al-Ti nebo Al-Ti-B. Titan a hliník tvoří fázi TiAl2, která se během krystalizace stává nespontánním jádrem a hraje roli při zjemňování struktury odlitku a svaru. Když slitiny Al-Ti procházejí reakcí shlukování, kritický obsah titanu je asi 0,15 %. Pokud je přítomen bor, zpomalení je pouhých 0,01 %.
Chrom
Chrom je běžným aditivní prvkem ve slitinách řady Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn a Al-Mg. Při 600 °C je rozpustnost chromu v hliníku 0,8 % a při pokojové teplotě je v podstatě nerozpustný. Chrom tvoří v hliníku intermetalické sloučeniny, jako je (CrFe)Al7 a (CrMn)Al12, které brání nukleaci a růstu při rekrystalizaci a mají určitý zpevňující účinek na slitinu. Může také zlepšit houževnatost slitiny a snížit náchylnost k praskání v důsledku koroze v důsledku napětí.
Toto místo však zvyšuje citlivost na kalení, v důsledku čehož eloxovaný film žlutě zbarvuje. Množství chromu přidaného do hliníkových slitin obvykle nepřesahuje 0,35 % a klesá se zvyšujícím se obsahem přechodných prvků ve slitině.
Stroncium
Stroncium je povrchově aktivní prvek, který může krystalograficky měnit chování intermetalických sloučenin. Modifikační úprava stronciem proto může zlepšit plastickou zpracovatelnost slitiny a kvalitu konečného produktu. Díky dlouhé efektivní době modifikace, dobrému účinku a reprodukovatelnosti stroncium v posledních letech nahradilo použití sodíku ve slitinách Al-Si. Přidání 0,015 % až 0,03 % stroncia do hliníkové slitiny pro extruzi přemění fázi β-AlFeSi v ingotu na fázi α-AlFeSi, čímž se zkrátí doba homogenizace ingotu o 60 % až 70 %, zlepší se mechanické vlastnosti a plastická zpracovatelnost materiálů a zlepší se drsnost povrchu výrobků.
U deformovaných hliníkových slitin s vysokým obsahem křemíku (10 % až 13 %) může přidání 0,02 % až 0,07 % stroncia minimalizovat množství primárních krystalů a výrazně se zlepší i mechanické vlastnosti. Pevnost v tahu bb se zvýší z 233 MPa na 236 MPa, mez kluzu b0,2 se zvýší z 204 MPa na 210 MPa a prodloužení b5 se zvýší z 9 % na 12 %. Přidání stroncia do hypereutektické slitiny Al-Si může zmenšit velikost primárních křemíkových částic, zlepšit vlastnosti při zpracování plastů a umožnit hladké válcování za tepla i za studena.
Zirkonium
Zirkonium je také běžnou přísadou v hliníkových slitinách. Obecně se množství přidávané do hliníkových slitin pohybuje v rozmezí 0,1 % až 0,3 %. Zirkonium a hliník tvoří sloučeniny ZrAl3, které mohou bránit procesu rekrystalizace a zjemňovat rekrystalizovaná zrna. Zirkonium může také zjemňovat strukturu odlitku, ale jeho účinek je menší než u titanu. Přítomnost zirkonia snižuje účinek titanu a boru na zjemňování zrn. U slitin Al-Zn-Mg-Cu má zirkonium menší vliv na citlivost na kalení než chrom a mangan, proto je vhodné použít zirkonium místo chromu a manganu k zjemnění rekrystalizované struktury.
Prvky vzácných zemin
Prvky vzácných zemin se do hliníkových slitin přidávají za účelem zvýšení podchlazení součástí během odlévání hliníkových slitin, zjemnění zrn, snížení vzdálenosti sekundárních krystalů, snížení množství plynů a vměstků ve slitině a za účelem dosažení sféroidizace fáze vměstků. Mohou také snížit povrchové napětí taveniny, zvýšit tekutost a usnadnit odlévání do ingotů, což má významný vliv na výkon procesu. Je lepší přidávat různé prvky vzácných zemin v množství asi 0,1 %. Přidání směsi vzácných zemin (směs La-Ce-Pr-Nd atd.) snižuje kritickou teplotu pro vznik stárnoucí zóny G⁻P ve slitině Al-0,65%Mg-0,61%Si. Hliníkové slitiny obsahující hořčík mohou stimulovat metamorfózu prvků vzácných zemin.
Nečistota
Vanad tvoří v hliníkových slitinách žáruvzdornou sloučeninu VA11, která hraje roli při zjemňování zrn během procesu tavení a odlévání, ale její role je menší než u titanu a zirkonia. Vanad má také vliv na zjemňování rekrystalizované struktury a zvyšování teploty rekrystalizace.
Rozpustnost vápníku v hliníkových slitinách je extrémně nízká a s hliníkem tvoří sloučeninu CaAl4. Vápník je superplastický prvek hliníkových slitin. Hliníková slitina s přibližně 5 % vápníku a 5 % manganu má superplasticitu. Vápník a křemík tvoří CaSi, který je v hliníku nerozpustný. Vzhledem k tomu, že množství křemíku v pevném roztoku je sníženo, lze mírně zlepšit elektrickou vodivost průmyslového čistého hliníku. Vápník může zlepšit řezný výkon hliníkových slitin. CaSi2 nemůže hliníkové slitiny zpevnit tepelným zpracováním. Stopové množství vápníku pomáhá odstraňovat vodík z roztaveného hliníku.
Olovo, cín a vizmut jsou kovy s nízkým bodem tání. Jejich rozpustnost v hliníku v pevném stavu je malá, což mírně snižuje pevnost slitiny, ale může zlepšit řezný výkon. Vizmut během tuhnutí expanduje, což je výhodné pro podávání. Přidání bizmutu do slitin s vysokým obsahem hořčíku může zabránit křehnutí sodíku.
Antimon se používá hlavně jako modifikátor v litých hliníkových slitinách a zřídka v deformovaných hliníkových slitinách. V deformovaných hliníkových slitinách Al-Mg nahrazuje vizmut pouze proto, aby se zabránilo křehnutí sodíku. Antimon se přidává do některých slitin Al-Zn-Mg-Cu pro zlepšení výkonu při lisování za tepla a za studena.
Berylium může zlepšit strukturu oxidového filmu v deformovaných hliníkových slitinách a snížit ztráty při hoření a vměstky během tavení a odlévání. Berylium je toxický prvek, který může u lidí způsobit alergickou otravu. Proto berylium nesmí být obsaženo v hliníkových slitinách, které přicházejí do styku s potravinami a nápoji. Obsah berylia ve svařovacích materiálech je obvykle kontrolován pod 8 μg/ml. Hliníkové slitiny používané jako svařovací substráty by měly také kontrolovat obsah berylia.
Sodík je v hliníku téměř nerozpustný a maximální rozpustnost v pevném stavu je menší než 0,0025 %. Teplota tání sodíku je nízká (97,8 °C). Pokud je sodík přítomen ve slitině, adsorbuje se během tuhnutí na povrchu dendritů nebo na hranicích zrn. Během zpracování za tepla tvoří sodík na hranicích zrn vrstvu adsorpce kapaliny, což vede ke křehkému praskání a tvorbě sloučenin NaAlSi. Volný sodík neexistuje a nevznikají „sodíkové křehkosti“.
Pokud obsah hořčíku přesáhne 2 %, hořčík odebírá křemík a vysráží volný sodík, což vede k „sodíkové křehkosti“. Proto se u hliníkových slitin s vysokým obsahem hořčíku nesmí používat tavidlo se sodnou solí. Mezi metody, které zabraňují „sodíkové křehkosti“, patří chlorace, která způsobuje, že sodík tvoří NaCl a uvolňuje se do strusky, přidání bizmutu za vzniku Na2Bi a jeho vstupu do kovové matrice; stejný účinek může mít také přidání antimonu za vzniku Na3Sb nebo přidání kovů vzácných zemin.
Upraveno May Jiang z MAT Aluminum
Čas zveřejnění: 8. srpna 2024
