Đồng
Khi phần giàu nhôm của hợp kim nhôm-đồng là 548, độ hòa tan tối đa của đồng trong nhôm là 5,65%. Khi nhiệt độ giảm xuống 302, độ hòa tan của đồng là 0,45%. Đồng là một nguyên tố hợp kim quan trọng và có tác dụng tăng cường dung dịch rắn nhất định. Ngoài ra, CuAl2 kết tủa do lão hóa có tác dụng tăng cường lão hóa rõ ràng. Hàm lượng đồng trong hợp kim nhôm thường nằm trong khoảng từ 2,5% đến 5% và hiệu quả tăng cường tốt nhất khi hàm lượng đồng nằm trong khoảng từ 4% đến 6,8%, do đó hàm lượng đồng trong hầu hết các hợp kim duralumin đều nằm trong phạm vi này. Hợp kim nhôm-đồng có thể chứa ít silic, magie, mangan, crom, kẽm, sắt và các nguyên tố khác.
Silic
Khi phần giàu nhôm của hệ hợp kim Al-Si có nhiệt độ eutectic là 577, độ hòa tan tối đa của silic trong dung dịch rắn là 1,65%. Mặc dù độ hòa tan giảm khi nhiệt độ giảm, nhưng các hợp kim này thường không thể được gia cường bằng cách xử lý nhiệt. Hợp kim nhôm-silicon có đặc tính đúc và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời. Nếu magie và silic được thêm vào nhôm cùng lúc để tạo thành hợp kim nhôm-magiê-silicon, pha gia cường là MgSi. Tỷ lệ khối lượng của magie với silic là 1,73:1. Khi thiết kế thành phần của hợp kim Al-Mg-Si, hàm lượng magie và silic được cấu hình theo tỷ lệ này trên ma trận. Để cải thiện độ bền của một số hợp kim Al-Mg-Si, một lượng đồng thích hợp được thêm vào và một lượng crom thích hợp được thêm vào để bù lại tác động bất lợi của đồng đối với khả năng chống ăn mòn.
Độ hòa tan tối đa của Mg2Si trong nhôm ở phần giàu nhôm của sơ đồ pha cân bằng của hệ hợp kim Al-Mg2Si là 1,85%, và tốc độ giảm dần khi nhiệt độ giảm. Trong hợp kim nhôm biến dạng, việc thêm silic riêng vào nhôm chỉ giới hạn ở vật liệu hàn, và việc thêm silic vào nhôm cũng có tác dụng gia cường nhất định.
Magiê
Mặc dù đường cong độ hòa tan cho thấy độ hòa tan của magie trong nhôm giảm đáng kể khi nhiệt độ giảm, nhưng hàm lượng magie trong hầu hết các hợp kim nhôm biến dạng công nghiệp đều nhỏ hơn 6%. Hàm lượng silic cũng thấp. Loại hợp kim này không thể gia cường bằng nhiệt luyện, nhưng có khả năng hàn tốt, khả năng chống ăn mòn tốt và độ bền trung bình. Việc gia cường nhôm bằng magie là rõ ràng. Cứ tăng 1% magie thì độ bền kéo tăng khoảng 34MPa. Nếu thêm mangan dưới 1%, hiệu quả gia cường có thể được bổ sung. Do đó, việc thêm mangan có thể làm giảm hàm lượng magie và giảm xu hướng nứt nóng. Ngoài ra, mangan cũng có thể kết tủa đồng đều các hợp chất Mg5Al8, cải thiện khả năng chống ăn mòn và hiệu suất hàn.
Mangan
Khi nhiệt độ eutectic của giản đồ pha cân bằng phẳng của hệ hợp kim Al-Mn là 658, độ hòa tan cực đại của mangan trong dung dịch rắn là 1,82%. Độ bền của hợp kim tăng theo độ hòa tan. Khi hàm lượng mangan là 0,8%, độ giãn dài đạt giá trị cực đại. Hợp kim Al-Mn là hợp kim tôi không lão hóa, tức là không thể gia cường bằng nhiệt luyện. Mangan có thể ngăn cản quá trình kết tinh lại của hợp kim nhôm, tăng nhiệt độ kết tinh lại và làm mịn đáng kể các hạt kết tinh lại. Việc làm mịn các hạt kết tinh lại chủ yếu là do các hạt phân tán của hợp chất MnAl6 cản trở sự phát triển của các hạt kết tinh lại. Một chức năng khác của MnAl6 là hòa tan tạp chất sắt để tạo thành (Fe, Mn)Al6, làm giảm tác hại của sắt. Mangan là một nguyên tố quan trọng trong hợp kim nhôm. Nó có thể được thêm vào một mình để tạo thành hợp kim nhị phân Al-Mn. Thông thường, nó được thêm vào cùng với các nguyên tố hợp kim khác. Do đó, hầu hết các hợp kim nhôm đều chứa mangan.
Kẽm
Độ hòa tan của kẽm trong nhôm là 31,6% ở 275 trong phần giàu nhôm của sơ đồ pha cân bằng của hệ hợp kim Al-Zn, trong khi độ hòa tan của nó giảm xuống còn 5,6% ở 125. Chỉ thêm kẽm vào nhôm có rất ít cải thiện về độ bền của hợp kim nhôm trong điều kiện biến dạng. Đồng thời, có xu hướng nứt ăn mòn ứng suất, do đó hạn chế ứng dụng của nó. Thêm kẽm và magiê vào nhôm cùng lúc tạo thành pha gia cường Mg/Zn2, có tác dụng gia cường đáng kể cho hợp kim. Khi hàm lượng Mg/Zn2 tăng từ 0,5% đến 12%, độ bền kéo và giới hạn chảy có thể tăng đáng kể. Trong hợp kim nhôm siêu cứng, khi hàm lượng magiê vượt quá lượng cần thiết để tạo thành pha Mg/Zn2, khi tỷ lệ kẽm so với magiê được kiểm soát ở mức khoảng 2,7, khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất là lớn nhất. Ví dụ, thêm nguyên tố đồng vào Al-Zn-Mg sẽ tạo thành hợp kim loạt Al-Zn-Mg-Cu. Hiệu ứng gia cường cơ sở là lớn nhất trong tất cả các hợp kim nhôm. Đây cũng là vật liệu hợp kim nhôm quan trọng trong ngành hàng không vũ trụ, hàng không dân dụng và điện lực.
Sắt và silic
Sắt được thêm vào như các nguyên tố hợp kim trong hợp kim nhôm rèn loạt Al-Cu-Mg-Ni-Fe, và silic được thêm vào như các nguyên tố hợp kim trong nhôm rèn loạt Al-Mg-Si và trong que hàn loạt Al-Si và hợp kim đúc nhôm-silicon. Trong hợp kim nhôm cơ bản, silic và sắt là các nguyên tố tạp chất phổ biến, có tác động đáng kể đến các tính chất của hợp kim. Chúng chủ yếu tồn tại dưới dạng FeCl3 và silic tự do. Khi silic lớn hơn sắt, pha β-FeSiAl3 (hoặc Fe2Si2Al9) được hình thành, và khi sắt lớn hơn silic, pha α-Fe2SiAl8 (hoặc Fe3Si2Al12) được hình thành. Khi tỷ lệ sắt và silic không phù hợp, nó sẽ gây ra các vết nứt trong vật đúc. Khi hàm lượng sắt trong nhôm đúc quá cao, vật đúc sẽ trở nên giòn.
Titan và Bo
Titan là một nguyên tố phụ gia thường được sử dụng trong hợp kim nhôm, được thêm vào dưới dạng hợp kim chính Al-Ti hoặc Al-Ti-B. Titan và nhôm tạo thành pha TiAl2, trở thành lõi không tự phát trong quá trình kết tinh và đóng vai trò tinh chế cấu trúc đúc và cấu trúc mối hàn. Khi hợp kim Al-Ti trải qua phản ứng đóng gói, hàm lượng titan tới hạn khoảng 0,15%. Nếu có bo, sự chậm lại chỉ còn 0,01%.
Crom
Crom là một nguyên tố phụ gia phổ biến trong các hợp kim họ Al-Mg-Si, họ Al-Mg-Zn và họ Al-Mg. Ở 600°C, độ hòa tan của crom trong nhôm là 0,8%, và về cơ bản là không tan ở nhiệt độ phòng. Crom tạo thành các hợp chất liên kim loại như (CrFe)Al7 và (CrMn)Al12 trong nhôm, cản trở quá trình hình thành và phát triển của quá trình kết tinh lại, đồng thời có tác dụng gia cường nhất định cho hợp kim. Nó cũng có thể cải thiện độ dẻo dai của hợp kim và giảm khả năng bị nứt do ăn mòn ứng suất.
Tuy nhiên, vị trí này làm tăng độ nhạy dập tắt, khiến màng anot hóa chuyển sang màu vàng. Lượng crom bổ sung vào hợp kim nhôm thường không vượt quá 0,35% và giảm dần khi hàm lượng các nguyên tố chuyển tiếp trong hợp kim tăng lên.
Stronti
Stronti là một nguyên tố hoạt động bề mặt có thể thay đổi hành vi của các pha hợp chất liên kim loại về mặt tinh thể học. Do đó, xử lý biến tính bằng nguyên tố stronti có thể cải thiện tính gia công dẻo của hợp kim và chất lượng sản phẩm cuối cùng. Nhờ thời gian biến tính hiệu quả dài, hiệu quả tốt và khả năng tái tạo cao, stronti đã thay thế natri trong hợp kim đúc Al-Si trong những năm gần đây. Việc bổ sung stronti 0,015%~0,03% vào hợp kim nhôm trong quá trình đùn ép sẽ biến pha β-AlFeSi trong thỏi thành pha α-AlFeSi, giảm thời gian đồng nhất thỏi 60%~70%, cải thiện tính chất cơ học và khả năng gia công dẻo của vật liệu; cải thiện độ nhám bề mặt của sản phẩm.
Đối với hợp kim nhôm biến dạng hàm lượng silic cao (10%~13%), việc bổ sung stronti 0,02%~0,07% có thể giảm thiểu tối đa tinh thể sơ cấp, đồng thời cải thiện đáng kể các tính chất cơ học. Độ bền kéo бb tăng từ 233MPa lên 236MPa, giới hạn chảy б0,2 tăng từ 204MPa lên 210MPa, và độ giãn dài б5 tăng từ 9% lên 12%. Việc bổ sung stronti vào hợp kim Al-Si siêu eutectic có thể giảm kích thước hạt silic sơ cấp, cải thiện tính chất gia công nhựa và cho phép cán nóng và cán nguội trơn tru.
Zirconi
Zirconi cũng là một phụ gia phổ biến trong hợp kim nhôm. Thông thường, lượng phụ gia được thêm vào hợp kim nhôm là 0,1%~0,3%. Zirconi và nhôm tạo thành hợp chất ZrAl3, có thể cản trở quá trình kết tinh lại và làm mịn các hạt kết tinh lại. Zirconi cũng có thể làm mịn cấu trúc đúc, nhưng hiệu quả kém hơn titan. Sự hiện diện của zirconi sẽ làm giảm hiệu quả làm mịn hạt của titan và boron. Trong hợp kim Al-Zn-Mg-Cu, do zirconi có ảnh hưởng đến độ nhạy cảm với nhiệt độ tôi nhỏ hơn crom và mangan, nên sử dụng zirconi thay vì crom và mangan để làm mịn cấu trúc kết tinh lại là phù hợp.
Nguyên tố đất hiếm
Các nguyên tố đất hiếm được thêm vào hợp kim nhôm để tăng quá trình siêu nguội linh kiện trong quá trình đúc hợp kim nhôm, tinh luyện hạt, giảm khoảng cách tinh thể thứ cấp, giảm khí và tạp chất trong hợp kim, đồng thời có xu hướng cầu hóa pha tạp chất. Nó cũng có thể làm giảm sức căng bề mặt của hỗn hợp nóng chảy, tăng tính lưu động và tạo điều kiện thuận lợi cho việc đúc thành thỏi, điều này có tác động đáng kể đến hiệu suất quy trình. Tốt nhất nên thêm các loại đất hiếm khác nhau với lượng khoảng 0,1%. Việc bổ sung các loại đất hiếm hỗn hợp (hỗn hợp La-Ce-Pr-Nd, v.v.) làm giảm nhiệt độ tới hạn hình thành vùng G?P lão hóa trong hợp kim Al-0,65%Mg-0,61%Si. Hợp kim nhôm chứa magiê có thể kích thích quá trình biến chất của các nguyên tố đất hiếm.
tạp chất
Vanadi tạo thành hợp chất chịu lửa VAl11 trong hợp kim nhôm, có vai trò tinh luyện hạt trong quá trình nấu chảy và đúc, nhưng vai trò này nhỏ hơn titan và zirconi. Vanadi cũng có tác dụng tinh luyện cấu trúc kết tinh lại và tăng nhiệt độ kết tinh lại.
Độ hòa tan rắn của canxi trong hợp kim nhôm cực kỳ thấp, và nó tạo thành hợp chất CaAl4 với nhôm. Canxi là một nguyên tố siêu dẻo của hợp kim nhôm. Hợp kim nhôm với khoảng 5% canxi và 5% mangan có tính siêu dẻo. Canxi và silic tạo thành CaSi, không hòa tan trong nhôm. Do lượng silic trong dung dịch rắn giảm, độ dẫn điện của nhôm nguyên chất công nghiệp có thể được cải thiện đôi chút. Canxi có thể cải thiện hiệu suất cắt của hợp kim nhôm. CaSi2 không thể tăng cường độ bền cho hợp kim nhôm thông qua xử lý nhiệt. Một lượng nhỏ canxi có tác dụng loại bỏ hydro khỏi nhôm nóng chảy.
Chì, thiếc và bismuth là những kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp. Độ hòa tan rắn của chúng trong nhôm thấp, làm giảm nhẹ độ bền của hợp kim, nhưng có thể cải thiện hiệu suất cắt. Bismuth nở ra trong quá trình đông đặc, có lợi cho việc nạp liệu. Việc thêm bismuth vào hợp kim magiê cao có thể ngăn ngừa hiện tượng giòn natri.
Antimon chủ yếu được sử dụng làm chất biến tính trong hợp kim nhôm đúc, và hiếm khi được sử dụng trong hợp kim nhôm biến dạng. Chỉ thay thế bismuth trong hợp kim nhôm biến dạng Al-Mg để ngăn ngừa hiện tượng giòn natri. Nguyên tố antimon được thêm vào một số hợp kim Al-Zn-Mg-Cu để cải thiện hiệu suất của quá trình ép nóng và ép nguội.
Beryllium có thể cải thiện cấu trúc màng oxit trong hợp kim nhôm biến dạng, đồng thời giảm tổn thất do cháy và tạp chất trong quá trình nấu chảy và đúc. Beryllium là một nguyên tố độc hại có thể gây ngộ độc dị ứng ở người. Do đó, không được phép chứa berili trong hợp kim nhôm tiếp xúc với thực phẩm và đồ uống. Hàm lượng berili trong vật liệu hàn thường được kiểm soát dưới 8μg/ml. Hợp kim nhôm được sử dụng làm vật liệu hàn cũng nên được kiểm soát hàm lượng berili.
Natri hầu như không tan trong nhôm, độ tan rắn tối đa nhỏ hơn 0,0025%. Điểm nóng chảy của natri thấp (97,8℃), khi có natri trong hợp kim, nó được hấp phụ trên bề mặt dendrite hoặc ranh giới hạt trong quá trình đông đặc, trong quá trình xử lý nóng, natri trên ranh giới hạt tạo thành lớp hấp phụ lỏng, dẫn đến nứt giòn, hình thành hợp chất NaAlSi, không có natri tự do và không tạo ra "natri giòn".
Khi hàm lượng magie vượt quá 2%, magie sẽ lấy đi silic và kết tủa natri tự do, dẫn đến “độ giòn natri”. Do đó, hợp kim nhôm có hàm lượng magie cao không được phép sử dụng muối natri. Các phương pháp ngăn ngừa “độ giòn natri” bao gồm clo hóa, tạo ra natri tạo thành NaCl và thải vào xỉ, thêm bismuth tạo thành Na2Bi và đi vào nền kim loại; thêm antimon tạo thành Na3Sb hoặc thêm đất hiếm cũng có thể có tác dụng tương tự.
Biên tập bởi May Jiang từ MAT Aluminum
Thời gian đăng: 08-08-2024
