دور العناصر المختلفة في سبائك الألومنيوم

نحاس

عندما يكون الجزء الغني بالألمنيوم من سبائك الألومنيوم والنحاس 548، فإن الحد الأقصى للذوبان في النحاس في الألومنيوم هو 5.65%. عندما تنخفض درجة الحرارة إلى 302، ذوبان النحاس هو 0.45٪. يعد النحاس عنصرًا مهمًا في السبائك وله تأثير تقوية معين للمحلول الصلب. بالإضافة إلى ذلك، فإن CuAl2 المترسب بسبب الشيخوخة له تأثير واضح على تقوية الشيخوخة. يتراوح محتوى النحاس في سبائك الألومنيوم عادةً بين 2.5% و5%، ويكون تأثير التقوية أفضل عندما يتراوح محتوى النحاس بين 4% و6.8%، وبالتالي فإن محتوى النحاس في معظم سبائك الدورالومين يكون ضمن هذا النطاق. يمكن أن تحتوي سبائك الألومنيوم والنحاس على كميات أقل من السيليكون والمغنيسيوم والمنغنيز والكروم والزنك والحديد وعناصر أخرى.

السيليكون

عندما يكون الجزء الغني بالألمنيوم من نظام سبائك Al-Si لديه درجة حرارة سهلة الانصهار تبلغ 577، فإن الحد الأقصى لقابلية ذوبان السيليكون في المحلول الصلب هو 1.65%. على الرغم من أن قابلية الذوبان تتناقص مع انخفاض درجة الحرارة، إلا أنه لا يمكن تقوية هذه السبائك بشكل عام عن طريق المعالجة الحرارية. تتميز سبائك الألومنيوم والسيليكون بخصائص صب ممتازة ومقاومة للتآكل. إذا تمت إضافة المغنيسيوم والسيليكون إلى الألومنيوم في نفس الوقت لتشكيل سبيكة الألومنيوم والمغنيسيوم والسيليكون، فإن مرحلة التقوية هي MgSi. نسبة كتلة المغنيسيوم إلى السيليكون هي 1.73:1. عند تصميم تركيبة سبيكة Al-Mg-Si، يتم تكوين محتويات المغنيسيوم والسيليكون بهذه النسبة على المصفوفة. من أجل تحسين قوة بعض سبائك Al-Mg-Si، يتم إضافة كمية مناسبة من النحاس، وإضافة كمية مناسبة من الكروم لتعويض التأثيرات الضارة للنحاس على مقاومة التآكل.

الحد الأقصى للذوبان في Mg2Si في الألومنيوم في الجزء الغني بالألمنيوم من مخطط طور التوازن لنظام سبائك Al-Mg2Si هو 1.85٪، ويكون التباطؤ صغيرًا مع انخفاض درجة الحرارة. في سبائك الألومنيوم المشوهة، تقتصر إضافة السيليكون وحده إلى الألومنيوم على مواد اللحام، كما أن إضافة السيليكون إلى الألومنيوم له أيضًا تأثير تقوية معين.

المغنيسيوم

على الرغم من أن منحنى الذوبان يوضح أن ذوبان المغنيسيوم في الألومنيوم يتناقص بشكل كبير مع انخفاض درجة الحرارة، إلا أن محتوى المغنيسيوم في معظم سبائك الألومنيوم المشوهة الصناعية أقل من 6٪. محتوى السيليكون منخفض أيضًا. لا يمكن تقوية هذا النوع من السبائك عن طريق المعالجة الحرارية، ولكنه يتمتع بقابلية لحام جيدة، ومقاومة جيدة للتآكل، وقوة متوسطة. إن تقوية الألومنيوم بالمغنيسيوم أمر واضح. لكل زيادة بنسبة 1% في المغنيسيوم، تزيد قوة الشد بحوالي 34MPa. إذا تمت إضافة أقل من 1% منجنيز، فقد يتم استكمال التأثير المقوي. ولذلك، فإن إضافة المنغنيز يمكن أن يقلل من محتوى المغنيسيوم ويقلل من ميل التكسير الساخن. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمنغنيز أيضًا ترسيب مركبات Mg5Al8 بشكل موحد، مما يحسن مقاومة التآكل وأداء اللحام.

المنغنيز

عندما تكون درجة الحرارة سهلة الانصهار لمخطط طور التوازن المسطح لنظام سبائك المنغنيز 658، فإن الحد الأقصى للذوبان في المنجنيز في المحلول الصلب هو 1.82٪. تزداد قوة السبيكة مع زيادة قابلية الذوبان. عندما يكون محتوى المنغنيز 0.8%، تصل الاستطالة إلى القيمة القصوى. سبيكة المن هي سبيكة غير قابلة للتصلب، أي أنه لا يمكن تقويتها بالمعالجة الحرارية. يمكن للمنجنيز أن يمنع عملية إعادة تبلور سبائك الألومنيوم، ويزيد من درجة حرارة إعادة التبلور، ويحسن بشكل كبير الحبوب المعاد بلورتها. يرجع تحسين الحبوب المعاد بلورتها بشكل رئيسي إلى حقيقة أن الجزيئات المشتتة من مركبات MnAl6 تعيق نمو الحبوب المعاد بلورتها. وظيفة أخرى لـ MnAl6 هي إذابة شوائب الحديد لتكوين (Fe, Mn)Al6، مما يقلل من التأثيرات الضارة للحديد. المنغنيز عنصر مهم في سبائك الألومنيوم. ويمكن إضافته بمفرده لتكوين سبيكة ثنائية المن. في كثير من الأحيان يتم إضافته مع عناصر صناعة السبائك الأخرى. ولذلك فإن معظم سبائك الألومنيوم تحتوي على المنغنيز.

الزنك

تبلغ قابلية ذوبان الزنك في الألومنيوم 31.6% عند 275 في الجزء الغني بالألمنيوم من مخطط طور التوازن لنظام سبائك الزنك، بينما تنخفض قابلية ذوبانه إلى 5.6% عند 125. إن إضافة الزنك وحده إلى الألومنيوم له تحسن محدود للغاية في قوة سبائك الألومنيوم تحت ظروف التشوه. وفي الوقت نفسه، هناك ميل للتشقق الناتج عن التآكل الإجهادي، مما يحد من تطبيقه. تؤدي إضافة الزنك والمغنيسيوم إلى الألومنيوم في نفس الوقت إلى تشكيل مرحلة التقوية Mg/Zn2، والتي لها تأثير تقوية كبير على السبيكة. عندما يتم زيادة محتوى Mg/Zn2 من 0.5% إلى 12%، يمكن زيادة قوة الشد ومقاومة الخضوع بشكل ملحوظ. في سبائك الألومنيوم فائقة الصلابة حيث يتجاوز محتوى المغنيسيوم الكمية المطلوبة لتكوين مرحلة Mg/Zn2، عندما يتم التحكم في نسبة الزنك إلى المغنيسيوم عند حوالي 2.7، تكون مقاومة التشقق والتآكل الإجهادي أكبر. على سبيل المثال، إضافة عنصر النحاس إلى Al-Zn-Mg يشكل سبيكة من سلسلة Al-Zn-Mg-Cu. يعد تأثير تقوية القاعدة هو الأكبر بين جميع سبائك الألومنيوم. وهي أيضًا مادة سبائك الألومنيوم المهمة في صناعة الطيران، وصناعة الطيران، وصناعة الطاقة الكهربائية.

الحديد والسيليكون

تتم إضافة الحديد كعناصر صناعة السبائك في سبائك الألومنيوم المطاوع من سلسلة Al-Cu-Mg-Ni-Fe، ويتم إضافة السيليكون كعناصر صناعة السبائك في سلسلة Al-Mg-Si من الألومنيوم المطاوع وفي قضبان اللحام وصب الألومنيوم والسيليكون من سلسلة Al-Si. سبائك. في سبائك الألومنيوم الأساسية، يعد السيليكون والحديد من العناصر الشائعة للشوائب، والتي لها تأثير كبير على خصائص السبائك. وهي موجودة بشكل أساسي على شكل FeCl3 والسيليكون الحر. عندما يكون السيليكون أكبر من الحديد، يتكون الطور β-FeSiAl3 (أو Fe2Si2Al9)، وعندما يكون الحديد أكبر من السيليكون، يتكون الطور α-Fe2SiAl8 (أو Fe3Si2Al12). عندما تكون نسبة الحديد والسيليكون غير مناسبة، فإنها سوف تسبب تشققات في الصب. عندما يكون محتوى الحديد في الألومنيوم المصبوب مرتفعًا جدًا، سوف يصبح الصب هشًا.

التيتانيوم والبورون

التيتانيوم هو عنصر مضاف شائع الاستخدام في سبائك الألومنيوم، ويضاف على شكل سبيكة رئيسية Al-Ti أو Al-Ti-B. يشكل التيتانيوم والألمنيوم مرحلة TiAl2، والتي تصبح نواة غير تلقائية أثناء التبلور وتلعب دورًا في تحسين هيكل الصب وهيكل اللحام. عندما تخضع سبائك Al-Ti لتفاعل الحزمة، يكون المحتوى الحرج للتيتانيوم حوالي 0.15%. إذا كان البورون موجودا، فإن التباطؤ صغير يصل إلى 0.01٪.

الكروم

يعد الكروم عنصرًا مضافًا شائعًا في سلسلة Al-Mg-Si، وسلسلة Al-Mg-Zn، وسبائك سلسلة Al-Mg. عند 600 درجة مئوية، تبلغ قابلية ذوبان الكروم في الألومنيوم 0.8%، وهو غير قابل للذوبان بشكل أساسي في درجة حرارة الغرفة. يشكل الكروم مركبات بين المعادن مثل (CrFe)Al7 و(CrMn)Al12 في الألومنيوم، مما يعيق عملية التنوي والنمو لإعادة البلورة وله تأثير تقوية معين على السبيكة. ويمكنه أيضًا تحسين صلابة السبيكة وتقليل التعرض للتشقق الناتج عن التآكل الإجهادي.

ومع ذلك، فإن الموقع يزيد من حساسية التبريد، مما يجعل الفيلم المؤكسد أصفر. كمية الكروم المضافة إلى سبائك الألومنيوم بشكل عام لا تتجاوز 0.35%، وتتناقص مع زيادة العناصر الانتقالية في السبيكة.

السترونتيوم

السترونتيوم هو عنصر نشط سطحيًا يمكنه تغيير سلوك أطوار المركب بين المعادن بشكل بلوري. لذلك، يمكن أن تؤدي معالجة التعديل باستخدام عنصر السترونتيوم إلى تحسين قابلية التشغيل البلاستيكي للسبيكة وجودة المنتج النهائي. نظرًا لوقت التعديل الفعال الطويل والتأثير الجيد وقابلية التكرار، فقد حل السترونتيوم محل استخدام الصوديوم في سبائك صب السي في السنوات الأخيرة. تؤدي إضافة 0.015% ~ 0.03% من السترونتيوم إلى سبائك الألومنيوم للبثق إلى تحويل مرحلة β-AlFeSi في السبيكة إلى مرحلة α-AlFeSi، مما يقلل وقت تجانس السبائك بنسبة 60% ~ 70%، مما يحسن الخواص الميكانيكية وقابلية معالجة البلاستيك للمواد؛ تحسين خشونة السطح للمنتجات.

بالنسبة لسبائك الألومنيوم المشوهة عالية السيليكون (10% ~ 13%)، فإن إضافة عنصر السترونتيوم 0.02% ~ 0.07% يمكن أن يقلل البلورات الأولية إلى الحد الأدنى، كما يتم تحسين الخواص الميكانيكية بشكل كبير. تمت زيادة قوة الشد бb من 233MPa إلى 236MPa، وزادت قوة الخضوع б0.2 من 204MPa إلى 210MPa، وزادت الاستطالة б5 من 9% إلى 12%. يمكن أن تؤدي إضافة السترونتيوم إلى سبيكة Al-Si مفرطة الانصهار إلى تقليل حجم جزيئات السيليكون الأولية، وتحسين خصائص معالجة البلاستيك، وتمكين التدحرج السلس على الساخن والبارد.

الزركونيوم

الزركونيوم هو أيضًا مادة مضافة شائعة في سبائك الألومنيوم. بشكل عام، الكمية المضافة إلى سبائك الألومنيوم هي 0.1%~0.3%. يشكل الزركونيوم والألومنيوم مركبات ZrAl3، والتي يمكن أن تعيق عملية إعادة التبلور وتنقية الحبوب المعاد تبلورها. يمكن للزركونيوم أيضًا تحسين هيكل الصب، لكن التأثير أصغر من التيتانيوم. إن وجود الزركونيوم سيقلل من تأثير تكرير الحبوب للتيتانيوم والبورون. في سبائك Al-Zn-Mg-Cu، نظرًا لأن الزركونيوم له تأثير أقل على حساسية التبريد من الكروم والمنغنيز، فمن المناسب استخدام الزركونيوم بدلاً من الكروم والمنغنيز لتحسين البنية المعاد بلورتها.

العناصر الأرضية النادرة

تتم إضافة عناصر أرضية نادرة إلى سبائك الألومنيوم لزيادة التبريد الفائق للمكونات أثناء صب سبائك الألومنيوم، وصقل الحبوب، وتقليل التباعد البلوري الثانوي، وتقليل الغازات والشوائب في السبائك، وتميل إلى جعل مرحلة التضمين كروية. يمكنه أيضًا تقليل التوتر السطحي للمصهور، وزيادة السيولة، وتسهيل الصب في السبائك، مما له تأثير كبير على أداء العملية. من الأفضل إضافة العديد من العناصر الأرضية النادرة بكمية تبلغ حوالي 0.1٪. تؤدي إضافة أتربة نادرة مختلطة (مختلطة La-Ce-Pr-Nd، وما إلى ذلك) إلى تقليل درجة الحرارة الحرجة لتكوين منطقة G?P المتقادمة في سبيكة Al-0.65%Mg-0.61%Si. يمكن لسبائك الألومنيوم التي تحتوي على المغنيسيوم أن تحفز تحول العناصر الأرضية النادرة.

النجاسة

يشكل الفاناديوم مركبًا حراريًا VAl11 في سبائك الألومنيوم، والذي يلعب دورًا في تكرير الحبوب أثناء عملية الصهر والصب، إلا أن دوره أصغر من دور التيتانيوم والزركونيوم. للفاناديوم أيضًا تأثير في تحسين البنية المعاد بلورتها وزيادة درجة حرارة إعادة التبلور.

الذوبان الصلب للكالسيوم في سبائك الألومنيوم منخفض للغاية، ويشكل مركب CaAl4 مع الألومنيوم. الكالسيوم هو عنصر فائق اللدونة في سبائك الألومنيوم. تتميز سبيكة الألومنيوم التي تحتوي على ما يقرب من 5% كالسيوم و5% منجنيز بمرونة فائقة. يشكل الكالسيوم والسيليكون CaSi، وهو غير قابل للذوبان في الألومنيوم. نظرًا لتقليل كمية المحلول الصلب من السيليكون، يمكن تحسين التوصيل الكهربائي للألمنيوم النقي الصناعي قليلاً. يمكن للكالسيوم تحسين أداء القطع لسبائك الألومنيوم. لا يمكن لـ CaSi2 تقوية سبائك الألومنيوم من خلال المعالجة الحرارية. تساعد الكميات الضئيلة من الكالسيوم في إزالة الهيدروجين من الألومنيوم المنصهر.

عناصر الرصاص والقصدير والبزموت هي معادن ذات نقطة انصهار منخفضة. إن قابلية ذوبانها الصلبة في الألومنيوم صغيرة، مما يقلل قليلاً من قوة السبيكة، ولكن يمكن أن يحسن أداء القطع. يتمدد البزموت أثناء التصلب وهو مفيد للتغذية. إضافة البزموت إلى سبائك المغنيسيوم العالية يمكن أن يمنع تقصف الصوديوم.

يستخدم الأنتيمون بشكل رئيسي كمعدل في سبائك الألومنيوم المصبوبة، ونادرا ما يستخدم في سبائك الألومنيوم المشوهة. يتم استبدال البزموت فقط في سبائك الألومنيوم المشوهة Al-Mg لمنع تقصف الصوديوم. تم إضافة عنصر الأنتيمون إلى بعض سبائك Al-Zn-Mg-Cu لتحسين أداء عمليات الضغط الساخن والضغط البارد.

يمكن للبريليوم تحسين بنية طبقة الأكسيد في سبائك الألومنيوم المشوهة وتقليل فقد الاحتراق والشوائب أثناء الصهر والصب. البريليوم عنصر سام يمكن أن يسبب التسمم التحسسي لدى البشر. لذلك، لا يمكن احتواء البريليوم في سبائك الألومنيوم التي تتلامس مع الأطعمة والمشروبات. عادةً ما يتم التحكم في محتوى البريليوم في مواد اللحام بأقل من 8 ميكروجرام/مل. يجب أيضًا أن تتحكم سبائك الألومنيوم المستخدمة كركائز لحام في محتوى البريليوم.

الصوديوم غير قابل للذوبان تقريبًا في الألومنيوم، والحد الأقصى للذوبان الصلب أقل من 0.0025%. نقطة انصهار الصوديوم منخفضة (97.8 درجة مئوية)، عندما يكون الصوديوم موجودًا في السبائك، يتم امتصاصه على سطح التشعبات أو حدود الحبوب أثناء التصلب، أثناء المعالجة الساخنة، يشكل الصوديوم الموجود على حدود الحبوب طبقة امتصاص سائلة، مما يؤدي إلى تكسير هش، وتكوين مركبات NaAlSi، ولا يوجد صوديوم حر، ولا ينتج "صوديوم هش".

عندما يتجاوز محتوى المغنيسيوم 2%، فإن المغنيسيوم يسحب السيليكون ويترسب الصوديوم الحر، مما يؤدي إلى "هشاشة الصوديوم". لذلك، لا يسمح لسبائك الألومنيوم عالية المغنيسيوم باستخدام تدفق ملح الصوديوم. تشمل طرق منع "تقصف الصوديوم" الكلورة، التي تتسبب في تكوين الصوديوم NaCl ويتم تفريغه في الخبث، وإضافة البزموت لتكوين Na2Bi ودخول المصفوفة المعدنية؛ إضافة الأنتيمون لتكوين Na3Sb أو إضافة أتربة نادرة يمكن أن يكون له نفس التأثير أيضًا.

حرره ماي جيانغ من MAT Aluminium