合金元素和杂质对铝合金性能的影响

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：wSi小于11%的称为亚共晶Al-Si合金，wSi大于13%的称为过共晶Al-Si合金。有的Al-Si-Mg合金，为了提高强度，可加入适量的铜，同时加入适量的铬以抵消铜对耐蚀性的不利影响。在变形铝合金中，Fe在Al-Cu-Mg-Ni-Fe系锻铝合金中，Si在Al-Mg-Si系锻铝中和在Al-Si系焊条中均是作为合金元素加入的，在其他变形铝合金中，Si和Fe是常见的杂质元素，对合金性能有明显的影响。

1.Si

Al-Si合金具有简单的共晶型相图，其共晶点成分的w_Si为12.6%，共晶温度为577℃。共晶反应：L→α（Al）+β（Si），在室温下形成α和β两相。α是Si溶入Al中的固溶体，由于溶解度很小（室温时仅为0.05%的Si），因而性能和纯铝相似。β是Al溶入Si的固溶体，其溶解度也极微小，可忽略不计。故在大多数情况下，也可将β相视作纯硅。

工业上应用的Al-Si合金，w_Si通常在5%～23%范围内，其中w_Si在11%～13%的称为共晶Al-Si合金。w_Si小于11%的称为亚共晶Al-Si合金，w_Si大于13%的称为过共晶Al-Si合金。铝硅合金的流动性好，铸造性能好。

若要通过热处理强化Al-Si合金，需要同时加入少量的Mg，生成Mg₂Si固溶强化相。镁和硅的质量比为1.73∶1。设计Al-Si-Mg系变形合金成分时，基本上按此比例配置镁和硅的含量。有的Al-Si-Mg合金，为了提高强度，可加入适量的铜，同时加入适量的铬以抵消铜对耐蚀性的不利影响。

2.Mg

铝镁合金是简单的共晶型合金。因为Mg在铝合金中的固溶强化效果最好，所以Al-Mg合金的比强度很高，广泛应用于航空工业。铝合金中w_Mg＜35%时，只出现α和β（Mg₅Al₈）两相。Mg在铝中有很大的固溶度，在共晶温度（451℃）时，最大固溶度可达14.9%。由于Mg的原子半径比Al大13%，Mg大量溶入α后，晶格产生畸变，力学性能得到较大提高，w_Mg每增加1%，抗拉强度大约提高34MPa。

由于Al-Mg合金的结晶范围很大，因此合金的铸造性能很差，形成热裂和缩松的倾向很大。

3.Cu

Al-Cu合金可以通过固溶强化提高室温和高温力学性能，因为Cu在α-Al固溶体中有较大的固溶度，且溶解度随温度下降而显著降低。在共晶温度548℃时Cu的固溶度为5.65%，在室温时降至0.10%以下。

Cu在Al-Cu合金中的强化作用，主要是由于经淬火和时效后合金组织中出现大量弥散分布的θ相细微质点（CuAl₂）的过渡相，使α固溶体的结晶点阵扭曲（畸变），并封闭了晶粒间的滑移面。研究表明，w_Cu>含量超过6.0%就使合金淬火效果降低。所以w_Cu>7%时，仅在铸态下使用。w_Cu=4%～6%时，强化效果最好。所以工业应用的铝铜合金w_Cu多为2.5%～5%。

由于Al-Cu合金的结晶温度间隔较宽，液态下的粘度较大，所以铸造性能较差。此外，含铜相与α基体间一般都有较显著的电位差，易引起电化学腐蚀，所以铝铜合金的耐蚀性也较差，需经表面阳极化处理。

4.Zn

Zn在铝中有很大的固溶度，在共晶温度（382℃）时固溶度可达84%，而在室温时仅为2%左右。因此，在铸造冷却条件下，Al-Zn合金能“自动淬火”，并在室温下自然时效，大幅度提高力学性能。这对减少热处理工艺，降低成本，缩短生产周期和避免铸件淬火变形及开裂等方面，均有较大优越性，对压铸生产尤为适宜。用Mg对Al-Zn合金进行合金化，如Zn、Mg用量适当，将形成T[Mg₃₂（Zn·Al）₄]、η（MgZn₂）和β（Mg₂Al₃）等化合物。它们都是合金的强化相，经淬火处理，可全部溶入α相，起到强化作用。

5.Mn

在Al-Mn共晶温度658℃时，Mn在α固溶体中的最大溶解度为1.82%。

Mn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。再结晶晶粒的细化主要是通过MnAl₆化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。MnAl₆的另一作用是能溶解杂质Fe，形成（Fe、Mn）Al₆，减小Fe的有害影响。

Mn是铝合金的重要元素，虽可以单独加入形成Al-Mn二元合金，但更多的是和其他合金元素一同加入，因此大多铝合金中均含有少量Mn。

6.微量元素和杂质

（1）Fe和Si

Fe在铸造铝合金中通常都是杂质元素，Si是作为合金元素加入的。

在变形铝合金中，Fe在Al-Cu-Mg-Ni-Fe系锻铝合金中，Si在Al-Mg-Si系锻铝中和在Al-Si系焊条中均是作为合金元素加入的，在其他变形铝合金中，Si和Fe是常见的杂质元素，对合金性能有明显的影响。它们主要以FeAl₃和游离Si存在。当Si量大于Fe时，形成针状β-FeSiAl₅（或Fe₂Si₂Al₉）相，而Fe大于Si时，形成α-Fe₂SiAl₈（或Fe₃SiAl₁₂）。当Fe和Si比例不当时，会引起铸件产生裂纹，铸铝中Fe含量过高时会使铸件产生脆性。

（2）Ti和B

Ti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。Ti与Al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系合金产生包晶反应时，Ti的临界含量约为0.15%（质量分数），如果有硼存在则减小到0.01%。

（3）Cr

Cr是Al-Mg-Si系、Al-Mg-Zn系、Al-Mg系合金中常见的添加元素。在600℃时，Cr在铝中溶解度为0.8%，室温时基本上不溶解。Cr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，但会增加淬火敏感性，使阳极氧化膜呈黄色。

Cr在铝合金中的添加量一般不超过0.35%（质量分数），并随合金中过渡族元素含量的增加而降低。

（4）Sr

Sr是熔体的表面活性元素，在结晶学上Sr能改变金属间化合物相的行为。因此用Sr进行熔体变质处理能改善合金的塑性加工性能和最终产品质量。由于Sr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Na的使用，在铸造铝硅合金中加Sr进行共晶硅的变质处理。对挤压用铝合金中加入0.015%～0.03%（质量分数）的Sr，可使铸锭中β-FeSiAl₅相变成汉字状β-FeSiAl₅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。在高硅（10%～13%Si）变形铝合金中加入0.02%～0.07%（质量分数）的Sr，可使初晶硅减少，力学性能显著提高。

（5）Zr

Zr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%（质量分数），Zr和Al形成ZrAl₃化合物，可阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒。Zr亦能细化铸造组织，但比Ti的效果小。有Zr存在时，会降低Ti和B的细化晶粒效果。在Al-Zn_- Mg-Cu系合金中，由于Zr对淬火敏感性的影响比Cr和Mn的小，因此宜用Zr来代替Cr和Mn细化再结晶组织。

（6）RE

稀土元素（RE）加入铝合金中，使铝合金熔铸时增加成分过冷，细化晶粒，减少二次枝晶间距，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。

在变形铝合金中，稀土加入量约0.1%（质量分数）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GP区形成的临界温度降低。含Mg的铝合金，能激发稀土元素的变质作用。

（7）其他杂质元素

铝合金中有时还存在Ca、Sn、Pb、Bi、V、Sb、Be及Na等杂质元素。这些杂质元素由于熔点高低不一，结构不同，与铝形成的化合物亦不相同，因而对铝合金性能的影响各不相同。

Ca在铝中固溶度极低，与铝形成CaAl₄化合物。Ca又是铝合金的超塑性元素，w_Ca≈5%、w_Mn≈5%的铝合金具有超塑性。Ca和Si形成CaSi₂，不溶于铝，由于减小了Si的固溶量，可稍微提高工业纯铝的导电性能。Ca能改善铝合金切削加工性能。CaSi₂不能使铝合金热处理强化。微量Ca有利于去除铝液中的H。

Sn、Pb、Bi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。Bi在凝固过程中膨胀，对补缩有利。高镁合金中加入Bi可防止钠脆。

V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Ti和Zr的作用小。V也有细化再结晶组织、提高再结晶温度的作用。

Be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。Be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Be。焊接材料中的Be含量通常控制在8μg/cm³以下。用作焊接基体的铝合金也应控制Be的含量。

Sb主要用作铸造铝合金的变质剂，变形铝合金中很少使用，仅在Al-Mg变形铝合金中代替Na防止钠脆。Sb元素加入某些Al-Zn-Mg-Cu系合金中，可改善热压与冷压工艺性能。

Na在铝中几乎不溶解，最大固溶度小于0.0025%，Na的熔点低（97.8℃），合金中存在Na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Na形成液态吸附层，产生脆性开裂即为“钠脆”。当有Si存在时，形成NaAlSi化合物，无游离Na存在，不产生“钠脆”。当w_Mg超过2%时，Mg夺取Si，析出游离Na，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Na形成NaCl排入渣中，加Bi使之生成Na₂Bi进入金属基体；加Sb生成Na₃Sb，或加入稀土亦可起到相同的作用。

合金元素和杂质对铝合金性能的影响

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