Kupari
Kun alumiini-kupari-seoksen alumiinipitoinen osa on 548, kuparin suurin liukoisuus alumiiniin on 5,65 %. Kun lämpötila laskee 302 asteeseen, kuparin liukoisuus on 0,45 %. Kupari on tärkeä seosaine ja sillä on tietty kiinteän liuoksen lujittava vaikutus. Lisäksi vanhentamisessa saostuneella CuAl2:lla on selvä vanhenemista lujittava vaikutus. Alumiiniseosten kuparipitoisuus on yleensä 2,5–5 %, ja lujittava vaikutus on paras, kun kuparipitoisuus on 4–6,8 %, joten useimpien duralumiiniseosten kuparipitoisuus on tällä alueella. Alumiini-kupari-seokset voivat sisältää vähemmän piitä, magnesiumia, mangaania, kromia, sinkkiä, rautaa ja muita alkuaineita.
Pii
Kun Al-Si-seosjärjestelmän alumiinipitoisen osan eutektinen lämpötila on 577 °C, piin suurin liukoisuus kiinteään liuokseen on 1,65 %. Vaikka liukoisuus pienenee lämpötilan laskiessa, näitä seoksia ei yleensä voida lujittaa lämpökäsittelyllä. Alumiini-pii-seoksella on erinomaiset valuominaisuudet ja korroosionkestävyys. Jos alumiiniin lisätään magnesiumia ja piitä samanaikaisesti alumiini-magnesium-pii-seoksen muodostamiseksi, lujittava faasi on MgSi. Magnesiumin ja piin massasuhde on 1,73:1. Al-Mg-Si-seoksen koostumusta suunniteltaessa magnesiumin ja piin pitoisuudet matriisissa konfiguroidaan tässä suhteessa. Joidenkin Al-Mg-Si-seosten lujuuden parantamiseksi lisätään sopiva määrä kuparia ja sopiva määrä kromia kuparin korroosionkestävyyteen kohdistuvien haitallisten vaikutusten kompensoimiseksi.
Mg2Si:n suurin liukoisuus alumiiniin Al-Mg2Si-seosjärjestelmän tasapainofaasidiagrammin alumiinirikkaassa osassa on 1,85 %, ja hidastuvuus on pieni lämpötilan laskiessa. Muodonmuutoksissa alumiiniseoksissa piin lisääminen alumiiniin yksinään rajoittuu hitsausmateriaaleihin, ja piin lisäämisellä alumiiniin on myös tietty lujittava vaikutus.
Magnesium
Vaikka liukoisuuskäyrä osoittaa, että magnesiumin liukoisuus alumiiniin vähenee huomattavasti lämpötilan laskiessa, useimpien teollisesti muovattujen alumiiniseosten magnesiumpitoisuus on alle 6 %. Myös piipitoisuus on alhainen. Tämän tyyppistä seosta ei voida vahvistaa lämpökäsittelyllä, mutta sillä on hyvä hitsattavuus, hyvä korroosionkestävyys ja keskilujuus. Magnesiumin vahvistama alumiini on ilmeinen. Jokaista 1 %:n magnesiumin lisäystä kohden vetolujuus kasvaa noin 34 MPa. Jos mangaania lisätään alle 1 %, vahvistava vaikutus voi täydentyä. Siksi mangaanin lisääminen voi vähentää magnesiumpitoisuutta ja vähentää kuumahalkeilun taipumusta. Lisäksi mangaani voi myös saostaa tasaisesti Mg5Al8-yhdisteitä, mikä parantaa korroosionkestävyyttä ja hitsausominaisuuksia.
Mangaani
Kun Al-Mn-seosjärjestelmän tasaisen tasapainofaasidiagrammin eutektinen lämpötila on 658, mangaanin suurin liukoisuus kiinteään liuokseen on 1,82 %. Seoksen lujuus kasvaa liukoisuuden kasvaessa. Kun mangaanipitoisuus on 0,8 %, venymä saavuttaa maksimiarvon. Al-Mn-seos on ikääntymätön kovettuva seos, eli sitä ei voida lujittaa lämpökäsittelyllä. Mangaani voi estää alumiiniseosten uudelleenkiteytymisprosessin, nostaa uudelleenkiteytymislämpötilaa ja jauhaa merkittävästi uudelleenkiteytyneitä rakeita. Uudelleenkiteytyneiden rakeiden jauhautuminen johtuu pääasiassa siitä, että MnAl6-yhdisteiden dispergoituneet hiukkaset estävät uudelleenkiteytyneiden rakeiden kasvua. MnAl6:n toinen tehtävä on liuottaa epäpuhtausrautaa (Fe, Mn)Al6:ksi, mikä vähentää raudan haitallisia vaikutuksia. Mangaani on tärkeä alkuaine alumiiniseoksissa. Sitä voidaan lisätä yksinään Al-Mn-binääriseoksen muodostamiseksi. Useimmiten se lisätään yhdessä muiden seosaineiden kanssa. Siksi useimmat alumiiniseokset sisältävät mangaania.
Sinkki
Sinkin liukoisuus alumiiniin on 31,6 % Al-Zn-seosjärjestelmän tasapainofaasidiagrammin alumiinirikkaalla alueella lämpötilassa 275 °C, kun taas sen liukoisuus laskee 5,6 %:iin lämpötilassa 125 °C. Pelkän sinkin lisääminen alumiiniin parantaa alumiiniseoksen lujuutta hyvin vähän muodonmuutosolosuhteissa. Samalla on taipumus jännityskorroosiohalkeiluun, mikä rajoittaa sen käyttöä. Sinkin ja magnesiumin lisääminen alumiiniin samanaikaisesti muodostaa lujittavan faasin Mg/Zn2, jolla on merkittävä lujittava vaikutus seokseen. Kun Mg/Zn2-pitoisuutta nostetaan 0,5 prosentista 12 prosenttiin, vetolujuutta ja myötölujuutta voidaan merkittävästi lisätä. Superkovissa alumiiniseoksissa, joissa magnesiumpitoisuus ylittää Mg/Zn2-faasin muodostamiseen vaadittavan määrän, jännityskorroosiohalkeilun kestävyys on suurin, kun sinkin ja magnesiumin suhde pidetään noin 2,7:ssä. Esimerkiksi kuparin lisääminen Al-Zn-Mg-seokseen muodostaa Al-Zn-Mg-Cu-sarjan seoksen. Emäslujittava vaikutus on suurin kaikista alumiiniseoksista. Se on myös tärkeä alumiiniseosmateriaali ilmailu-, ilmailu- ja sähköteollisuudessa.
Rauta ja pii
Rautaa lisätään seosaineena Al-Cu-Mg-Ni-Fe-sarjan taottuihin alumiiniseoksiin, ja piitä seosaineena Al-Mg-Si-sarjan taottuihin alumiiniin sekä Al-Si-sarjan hitsauspuikkoihin ja alumiini-pii-valuseoksiin. Perusalumiiniseoksissa pii ja rauta ovat yleisiä epäpuhtausalkuaineita, joilla on merkittävä vaikutus seoksen ominaisuuksiin. Ne esiintyvät pääasiassa FeCl3:na ja vapaana piinä. Kun pii on suurempaa kuin rauta, muodostuu β-FeSiAl3 (tai Fe2Si2Al9) -faasi, ja kun rauta on suurempaa kuin pii, muodostuu α-Fe2SiAl8 (tai Fe3Si2Al12). Kun raudan ja piin suhde on väärä, se aiheuttaa halkeamia valuun. Kun valetun alumiinin rautapitoisuus on liian korkea, valusta tulee hauras.
Titaani ja boori
Titaani on yleisesti käytetty lisäaine alumiiniseoksissa, jota lisätään Al-Ti- tai Al-Ti-B-pääseoksen muodossa. Titaani ja alumiini muodostavat TiAl2-faasin, josta kiteytymisen aikana tulee ei-spontaani ydin ja jolla on merkitystä valurakenteen ja hitsausrakenteen jalostuksessa. Kun Al-Ti-seokset läpikäyvät pakkausreaktion, titaanin kriittinen pitoisuus on noin 0,15 %. Jos booria on läsnä, hidastuminen on niinkin pieni kuin 0,01 %.
Kromi
Kromi on yleinen lisäaine Al-Mg-Si-, Al-Mg-Zn- ja Al-Mg-sarjan seoksissa. 600 °C:ssa kromin liukoisuus alumiiniin on 0,8 %, ja se on periaatteessa liukenematonta huoneenlämmössä. Kromi muodostaa alumiiniin metallien välisiä yhdisteitä, kuten (CrFe)Al7 ja (CrMn)Al12, jotka estävät uudelleenkiteytymisen ydintymis- ja kasvuprosessia ja joilla on tietty vahvistava vaikutus seokseen. Se voi myös parantaa seoksen sitkeyttä ja vähentää jännityskorroosiohalkeilun alttiutta.
Kohta kuitenkin lisää sammutusherkkyyttä, jolloin anodisoitu kalvo muuttuu keltaiseksi. Alumiiniseoksiin lisätyn kromin määrä ei yleensä ylitä 0,35 %, ja seos vähentää siirtymäalkuaineiden määrän kasvaessa.
Strontium
Strontium on pinta-aktiivinen alkuaine, joka voi muuttaa metallien välisten yhdistefaasien käyttäytymistä kristallografisesti. Siksi strontiumilla tehtävä modifiointikäsittely voi parantaa seoksen plastista työstettävyyttä ja lopputuotteen laatua. Pitkän tehokkaan modifiointiaikansa, hyvän vaikutuksensa ja toistettavuutensa ansiosta strontium on viime vuosina korvannut natriumin käytön Al-Si-valuseoksissa. 0,015–0,03 % strontiumin lisääminen alumiiniseokseen ekstruusiota varten muuttaa valanteen β-AlFeSi-faasin α-AlFeSi-faasiksi, mikä lyhentää valanteen homogenisointiaikaa 60–70 %, parantaa materiaalien mekaanisia ominaisuuksia ja plastista työstettävyyttä sekä parantaa tuotteiden pinnan karheutta.
Korkean piipitoisuuden (10–13 %) omaavissa deformoituneissa alumiiniseoksissa 0,02–0,07 % strontiumelementin lisääminen voi minimoida primaarikiteiden määrän ja parantaa merkittävästi mekaanisia ominaisuuksia. Vetolujuus bb kasvaa 233 MPa:sta 236 MPa:han, myötölujuus b0,2 kasvaa 204 MPa:sta 210 MPa:han ja venymä b5 kasvaa 9 %:sta 12 %:iin. Strontiumin lisääminen hypereutektiseen Al-Si-seokseen voi pienentää primaaripiihiukkasten kokoa, parantaa muovin prosessointiominaisuuksia ja mahdollistaa tasaisen kuuma- ja kylmävalssauksen.
Zirkonium
Zirkonium on myös yleinen lisäaine alumiiniseoksissa. Yleensä alumiiniseoksiin lisätään sitä 0,1–0,3 %. Zirkonium ja alumiini muodostavat ZrAl3-yhdisteitä, jotka voivat haitata uudelleenkiteytymisprosessia ja hienontaa uudelleenkiteytyneitä rakeita. Zirkonium voi myös hienontaa valurakennetta, mutta vaikutus on pienempi kuin titaanilla. Zirkoniumin läsnäolo vähentää titaanin ja boorin rakeiden hienontumista. Al-Zn-Mg-Cu-seoksissa, koska zirkoniumilla on pienempi vaikutus sammutusherkkyyteen kuin kromilla ja mangaanilla, on tarkoituksenmukaista käyttää zirkoniumia kromin ja mangaanin sijaan uudelleenkiteytyneen rakenteen hienontamiseksi.
Harvinaiset maametallit
Harvinaisia maametalleja lisätään alumiiniseoksiin komponenttien alijäähdytyksen lisäämiseksi alumiiniseoksen valun aikana, rakeiden hienontamiseksi, sekundääristen kidevälien pienentämiseksi, seoksen kaasujen ja sulkeumien vähentämiseksi sekä sulkeumafaasin pallomaiseksi muuttamiseksi. Ne voivat myös pienentää sulan pintajännitystä, lisätä juoksevuutta ja helpottaa valamista harkoiksi, mikä vaikuttaa merkittävästi prosessin suorituskykyyn. On parempi lisätä erilaisia harvinaisia maametalleja noin 0,1 %. Sekoitettujen harvinaisten maametallien (esim. La-Ce-Pr-Nd) lisääminen alentaa kriittistä lämpötilaa ikääntyvän G?P-vyöhykkeen muodostumiselle Al-0,65%Mg-0,61%Si-seoksessa. Magnesiumia sisältävät alumiiniseokset voivat stimuloida harvinaisten maametallien metamorfoosia.
Epäpuhtaus
Vanadiini muodostaa alumiiniseoksissa tulenkestävää VAl11-yhdistettä, jolla on rooli rakeiden jalostuksessa sulatus- ja valuprosessissa, mutta sen rooli on pienempi kuin titaanilla ja zirkoniumilla. Vanadiinilla on myös uudelleenkiteytyneen rakenteen jalostus ja uudelleenkiteytymislämpötilan nousu.
Kalsiumin kiinteän aineen liukoisuus alumiiniseoksissa on erittäin alhainen, ja se muodostaa CaAl4-yhdisteen alumiinin kanssa. Kalsium on alumiiniseosten superplastinen alkuaine. Alumiiniseos, jossa on noin 5 % kalsiumia ja 5 % mangaania, on superplastinen. Kalsium ja pii muodostavat CaSi:tä, joka ei liukene alumiiniin. Koska piin määrä kiinteässä liuoksessa pienenee, teollisen puhtaan alumiinin sähkönjohtavuutta voidaan hieman parantaa. Kalsium voi parantaa alumiiniseosten leikkausominaisuuksia. CaSi2 ei voi lujittaa alumiiniseoksia lämpökäsittelyllä. Pienet kalsiummäärät ovat hyödyllisiä vedyn poistamisessa sulasta alumiinista.
Lyijy, tina ja vismutti ovat alhaisen sulamispisteen omaavia metalleja. Niiden kiinteän aineen liukoisuus alumiiniin on heikko, mikä heikentää hieman seoksen lujuutta, mutta voi parantaa leikkausominaisuuksia. Vismutti laajenee jähmettyessään, mikä on hyödyllistä syötön kannalta. Vismutin lisääminen runsaasti magnesiumia sisältäviin seoksiin voi estää natriumin haurastumista.
Antimonia käytetään pääasiassa modifiointiaineena valetuissa alumiiniseoksissa, ja sitä käytetään harvoin deformoituneissa alumiiniseoksissa. Al-Mg-deformoituneissa alumiiniseoksissa sitä käytetään vismutin korvaamiseen vain natriumhaurastumisen estämiseksi. Antimonia lisätään joihinkin Al-Zn-Mg-Cu-seoksiin kuuma- ja kylmäpuristusprosessien suorituskyvyn parantamiseksi.
Beryllium voi parantaa oksidikalvon rakennetta epämuodostuneissa alumiiniseoksissa ja vähentää palamishäviöitä ja sulkeumia sulamisen ja valun aikana. Beryllium on myrkyllinen alkuaine, joka voi aiheuttaa allergisen myrkytyksen ihmisille. Siksi berylliumia ei saa sisältää alumiiniseoksissa, jotka joutuvat kosketuksiin elintarvikkeiden ja juomien kanssa. Hitsausmateriaalien berylliumpitoisuus pidetään yleensä alle 8 μg/ml. Myös hitsausalustoina käytettävien alumiiniseosten berylliumpitoisuutta tulisi rajoittaa.
Natrium on lähes liukenematonta alumiiniin, ja sen suurin kiinteän aineen liukoisuus on alle 0,0025 %. Natriumin sulamispiste on alhainen (97,8 °C). Kun seoksessa on natriumia, se adsorboituu jähmettymisen aikana dendriittipintaan tai raerajaan. Kuumakäsittelyn aikana raerajan natrium muodostaa nestemäisen adsorptiokerroksen, mikä johtaa hauraaseen halkeiluun ja NaAlSi-yhdisteiden muodostumiseen. Vapaata natriumia ei ole, eikä "natriumhaurautta" synny.
Kun magnesiumpitoisuus ylittää 2 %, magnesium vie mukanaan piitä ja saostaa vapaata natriumia, mikä johtaa natriumin haurauteen. Siksi korkean magnesiumin omaavissa alumiiniseoksissa ei saa käyttää natriumsuolafluksiainetta. Natriumhaurastumisen estämiseen käytettäviä menetelmiä ovat klooraus, jossa natrium muodostaa NaCl:a ja joutuu kuonaan, vismutin lisääminen Na2Bi:n muodostamiseksi ja metallimatriisiin pääsy; antimonin lisääminen Na3Sb:n muodostamiseksi tai harvinaisten maametallien lisääminen voi myös vaikuttaa samalla tavalla.
Toimittanut May Jiang MAT Aluminiumista
Julkaisun aika: 08.08.2024
