תפקידם של אלמנטים שונים בסגסוגות אלומיניום

נְחוֹשֶׁת

כאשר החלק העשיר באלומיניום של סגסוגת האלומיניום-נחושת הוא 548, המסיסות המרבית של נחושת באלומיניום היא 5.65%. כאשר הטמפרטורה יורדת ל-302, מסיסות הנחושת היא 0.45%. נחושת היא יסוד סגסוגת חשוב ויש לה אפקט חיזוק מסוים של פתרון מוצק. בנוסף, ל-CuAl2 הנגזרת על ידי ההזדקנות יש השפעה ברורה לחיזוק ההזדקנות. תכולת הנחושת בסגסוגות האלומיניום היא בדרך כלל בין 2.5% ל-5%, ואפקט החיזוק הוא הטוב ביותר כאשר תכולת הנחושת היא בין 4% ל-6.8%, כך שתכולת הנחושת של רוב סגסוגות הדוראלומין נמצאת בטווח זה. סגסוגות אלומיניום-נחושת יכולות להכיל פחות סיליקון, מגנזיום, מנגן, כרום, אבץ, ברזל ואלמנטים אחרים.

סִילִיקוֹן

כאשר לחלק העשיר באלומיניום של מערכת סגסוגת Al-Si יש טמפרטורה אוקטית של 577, המסיסות המקסימלית של סיליקון בתמיסה המוצקה היא 1.65%. למרות שהמסיסות יורדת עם ירידה בטמפרטורה, לא ניתן לחזק סגסוגות אלו בדרך כלל על ידי טיפול בחום. סגסוגת אלומיניום-סיליקון בעלת תכונות יציקה מצוינות ועמידות בפני קורוזיה. אם מוסיפים מגנזיום וסיליקון לאלומיניום בו זמנית ליצירת סגסוגת אלומיניום-מגנזיום-סיליקון, שלב החיזוק הוא MgSi. יחס המסה של מגנזיום לסיליקון הוא 1.73:1. בעת תכנון ההרכב של סגסוגת Al-Mg-Si, תכולת המגנזיום והסיליקון מוגדרת ביחס זה על המטריצה. על מנת לשפר את החוזק של כמה סגסוגות Al-Mg-Si, מוסיפים כמות מתאימה של נחושת, ומוסיפים כמות מתאימה של כרום כדי לקזז את ההשפעות השליליות של נחושת על עמידות בפני קורוזיה.

המסיסות המרבית של Mg2Si באלומיניום בחלק העשיר באלומיניום של דיאגרמת פאזות שיווי המשקל של מערכת סגסוגת Al-Mg2Si היא 1.85%, וההאטה קטנה ככל שהטמפרטורה יורדת. בסגסוגות אלומיניום מעוותות, התוספת של סיליקון בלבד לאלומיניום מוגבלת לחומרי ריתוך, וגם להוספת סיליקון לאלומיניום יש אפקט חיזוק מסוים.

מגנזיום

למרות שעקומת המסיסות מראה שמסיסות המגנזיום באלומיניום יורדת מאוד ככל שהטמפרטורה יורדת, תכולת המגנזיום ברוב סגסוגות האלומיניום המעוותות התעשייתיות היא פחות מ-6%. גם תכולת הסיליקון נמוכה. לא ניתן לחזק סוג זה של סגסוגת על ידי טיפול בחום, אך יש לו יכולת ריתוך טובה, עמידות טובה בפני קורוזיה וחוזק בינוני. החיזוק של האלומיניום על ידי מגנזיום ברור. על כל עלייה של 1% במגנזיום, חוזק המתיחה עולה בכ-34MPa. אם מוסיפים פחות מ-1% מנגן, ניתן להוסיף את האפקט המחזק. לכן, הוספת מנגן יכולה להפחית את תכולת המגנזיום ולהפחית את הנטייה לפיצוח חם. בנוסף, מנגן יכול גם לזרז באופן אחיד תרכובות Mg5Al8, לשפר את עמידות בפני קורוזיה וביצועי ריתוך.

מַנגָן

כאשר הטמפרטורה האוטקטית של דיאגרמת פאזות שיווי משקל שטוחה של מערכת סגסוגת Al-Mn היא 658, המסיסות המרבית של מנגן בתמיסה המוצקה היא 1.82%. חוזק הסגסוגת עולה עם העלייה במסיסות. כאשר תכולת המנגן היא 0.8%, ההתארכות מגיעה לערך המקסימלי. סגסוגת Al-Mn היא סגסוגת שאינה מתקשה בגיל, כלומר, לא ניתן לחזק אותה על ידי טיפול בחום. מנגן יכול למנוע את תהליך ההתגבשות של סגסוגות אלומיניום, להגביר את טמפרטורת ההתגבשות, ולעדן באופן משמעותי את הגרגירים המתגבשים מחדש. השכלול של גרגירים מתגבשים נובע בעיקר מהעובדה שהחלקיקים המפוזרים של תרכובות MnAl6 מעכבים את צמיחת הגרגרים המחודשים. תפקיד נוסף של MnAl6 הוא להמיס ברזל לטומאה ליצירת (Fe, Mn)Al6, להפחית את ההשפעות המזיקות של ברזל. מנגן הוא מרכיב חשוב בסגסוגות אלומיניום. ניתן להוסיף אותו לבד ליצירת סגסוגת בינארית Al-Mn. לעתים קרובות יותר, זה מתווסף יחד עם אלמנטים סגסוגת אחרים. לכן, רוב סגסוגות האלומיניום מכילות מנגן.

אָבָץ

המסיסות של אבץ באלומיניום היא 31.6% ב-275 בחלק העשיר באלומיניום של דיאגרמת פאזות שיווי המשקל של מערכת סגסוגת Al-Zn, בעוד שמסיסותו יורדת ל-5.6% ב-125. להוספת אבץ לבדו לאלומיניום יש שיפור מוגבל מאוד ב החוזק של סגסוגת האלומיניום בתנאי דפורמציה. יחד עם זאת, קיימת נטייה לסדיקת קורוזיה במתח ובכך מגבילה את היישום שלה. הוספת אבץ ומגנזיום לאלומיניום בו זמנית יוצרת את שלב החיזוק Mg/Zn2, בעל השפעה מחזקת משמעותית על הסגסוגת. כאשר תכולת Mg/Zn2 מוגברת מ-0.5% ל-12%, ניתן להגדיל משמעותית את חוזק המתיחה וחוזק התפוקה. בסגסוגות אלומיניום סופר-קשות בהן תכולת המגנזיום עולה על הכמות הנדרשת ליצירת שלב Mg/Zn2, כאשר היחס בין אבץ למגנזיום נשלט בסביבות 2.7, העמידות בפני פיצוח קורוזיה במתח היא הגדולה ביותר. לדוגמה, הוספת אלמנט נחושת ל-Al-Zn-Mg יוצרת סגסוגת מסדרת Al-Zn-Mg-Cu. אפקט חיזוק הבסיס הוא הגדול ביותר מבין כל סגסוגות האלומיניום. זהו גם חומר סגסוגת אלומיניום חשוב בתעשיית התעופה והחלל, תעשיית התעופה ותעשיית החשמל.

ברזל וסיליקון

ברזל מתווסף כאלמנטים סגסוגים בסגסוגות אלומיניום מחושלות מסדרת Al-Cu-Mg-Ni-Fe, וסיליקון מתווסף כאלמנטים מתגזרים באלומיניום מחושל מסדרת Al-Mg-Si ובמוטות ריתוך מסדרת Al-Si ויציקת אלומיניום-סיליקון. סגסוגות. בסגסוגות אלומיניום בסיס, סיליקון וברזל הם יסודות טומאה נפוצים, שיש להם השפעה משמעותית על תכונות הסגסוגת. הם קיימים בעיקר בתור FeCl3 וסיליקון חופשי. כאשר הסיליקון גדול יותר מברזל, נוצר שלב β-FeSiAl3 (או Fe2Si2Al9), וכאשר הברזל גדול מסיליקון, נוצר α-Fe2SiAl8 (או Fe3Si2Al12). כאשר היחס בין ברזל וסיליקון אינו תקין, הדבר יגרום לסדקים ביציקה. כאשר תכולת הברזל באלומיניום יצוק גבוהה מדי, היציקה תהפוך לשבירה.

טיטניום ובורון

טיטניום הוא יסוד תוסף נפוץ בסגסוגות אלומיניום, המתווסף בצורה של Al-Ti או Al-Ti-B מאסטר סגסוגת. טיטניום ואלומיניום יוצרים את שלב TiAl2, אשר הופך לליבה לא ספונטנית במהלך התגבשות וממלא תפקיד בחידוד מבנה היציקה ומבנה הריתוך. כאשר סגסוגות Al-Ti עוברות תגובת אריזה, התוכן הקריטי של טיטניום הוא כ-0.15%. אם קיים בורון, ההאטה קטנה עד 0.01%.

כְּרוֹם

כרום הוא יסוד תוסף נפוץ בסדרת Al-Mg-Si, סדרת Al-Mg-Zn וסגסוגות מסדרת Al-Mg. ב-600 מעלות צלזיוס, המסיסות של כרום באלומיניום היא 0.8%, והוא בעצם בלתי מסיס בטמפרטורת החדר. כרום יוצר באלומיניום תרכובות בין-מתכתיות כמו (CrFe)Al7 ו-(CrMn)Al12, מה שמפריע לתהליך הגרעין והצמיחה של התגבשות מחדש ויש לו השפעה מחזקת מסוימת על הסגסוגת. זה גם יכול לשפר את הקשיחות של הסגסוגת ולהפחית את הרגישות לסדיקת קורוזיה.

עם זאת, האתר מגביר את רגישות ההמרה, מה שהופך את הסרט האנודייז לצהוב. כמות הכרום המוסף לסגסוגות האלומיניום בדרך כלל אינה עולה על 0.35%, ויורדת עם עליית מרכיבי המעבר בסגסוגת.

סטרונציום

סטרונציום הוא יסוד פעיל פני השטח שיכול לשנות את ההתנהגות של שלבי תרכובות בין-מתכתיות מבחינה גבישית. לכן, טיפול בשינויים באלמנט סטרונציום יכול לשפר את יכולת העבודה הפלסטית של הסגסוגת ואת איכות המוצר הסופי. בשל זמן השינוי האפקטיבי הארוך שלו, ההשפעה הטובה ויכולת השחזור שלו, סטרונציום החליף את השימוש בנתרן בסגסוגות יציקת Al-Si בשנים האחרונות. הוספת 0.015%~0.03% סטרונציום לסגסוגת האלומיניום לשחול הופכת את שלב β-AlFeSi במטיל לשלב α-AlFeSi, מפחית את זמן ההומוגיזציה של המטיל ב-60%~70%, משפר את התכונות המכניות ויכולת העיבוד הפלסטית של חומרים; שיפור חספוס פני השטח של מוצרים.

עבור סגסוגות אלומיניום מעוותות בסיליקון גבוה (10%~13%), הוספת 0.02%~0.07% אלמנט סטרונציום יכולה להפחית את הגבישים הראשוניים למינימום, וגם התכונות המכניות משתפרות באופן משמעותי. חוזק המתיחה бb גדל מ-233MPa ל-236MPa, וחוזק התפוקה б0.2 גדל מ-204MPa ל-210MPa, וההתארכות б5 גדלה מ-9% ל-12%. הוספת סטרונציום לסגסוגת Al-Si היפראוטקטית יכולה להקטין את גודלם של חלקיקי סיליקון ראשוניים, לשפר את תכונות העיבוד הפלסטי ולאפשר גלגול חם וקר חלק.

זירקוניום

זירקוניום הוא גם תוסף נפוץ בסגסוגות אלומיניום. בדרך כלל, הכמות הנוספת לסגסוגות אלומיניום היא 0.1% ~ 0.3%. זירקוניום ואלומיניום יוצרים תרכובות ZrAl3, שיכולות לעכב את תהליך ההתגבשות מחדש ולעדן את הגרגירים המתגבשים מחדש. זירקוניום יכול גם לעדן את מבנה היציקה, אבל ההשפעה קטנה יותר מטיטניום. הנוכחות של זירקוניום תפחית את השפעת זיקוק התבואה של טיטניום ובור. בסגסוגות Al-Zn-Mg-Cu, מאחר לזירקוניום השפעה קטנה יותר על רגישות ההמרה מאשר לכרום ומנגן, ראוי להשתמש בזירקוניום במקום כרום ומנגן כדי לעדן את המבנה המחודש.

יסודות אדמה נדירים

יסודות אדמה נדירים מתווספים לסגסוגות האלומיניום כדי להגביר את קירור העל של הרכיבים במהלך יציקת סגסוגת אלומיניום, לעדן גרגירים, להקטין את מרווח הגבישים המשני, להפחית גזים ותכלילים בסגסוגת, ונוטים ליצור ספירואידיזציה של שלב ההכלה. זה יכול גם להפחית את מתח הפנים של ההיתוך, להגביר את הנזילות ולהקל על יציקה למטילים, שיש לו השפעה משמעותית על ביצועי התהליך. עדיף להוסיף כדורי אדמה נדירים שונים בכמות של כ-0.1%. תוספת של אדמה נדירה מעורבת (מעורבת La-Ce-Pr-Nd וכו') מפחיתה את הטמפרטורה הקריטית להיווצרות אזור G?P מזדקן בסגסוגת Al-0.65%Mg-0.61%Si. סגסוגות אלומיניום המכילות מגנזיום יכולות לעורר את המטמורפיזם של יסודות אדמה נדירים.

טוּמאָה

ונדיום יוצר תרכובת עקשנית VAl11 בסגסוגות אלומיניום, אשר ממלאת תפקיד בזיקוק הדגנים בתהליך ההיתוך והיציקה, אך תפקידה קטן מזה של טיטניום וזירקוניום. ונדיום משפיע גם על עידון המבנה המחודש והעלאת טמפרטורת ההתגבשות מחדש.

המסיסות המוצקה של סידן בסגסוגות אלומיניום נמוכה ביותר, והיא יוצרת תרכובת CaAl4 עם אלומיניום. סידן הוא יסוד סופר-פלסטי של סגסוגות אלומיניום. לסגסוגת אלומיניום עם כ-5% סידן ו-5% מנגן יש פלסטיק-על. סידן וסיליקון יוצרים CaSi, שאינו מסיס באלומיניום. מכיוון שכמות הסיליקון בתמיסה מוצקה מצטמצמת, ניתן לשפר מעט את המוליכות החשמלית של אלומיניום טהור תעשייתי. סידן יכול לשפר את ביצועי החיתוך של סגסוגות אלומיניום. CaSi2 אינו יכול לחזק סגסוגות אלומיניום באמצעות טיפול בחום. כמויות קורט של סידן מועילות בהסרת מימן מאלומיניום מותך.

יסודות עופרת, פח וביסמוט הם מתכות בנקודת התכה נמוכה. המסיסות המוצקה שלהם באלומיניום קטנה, מה שמפחית מעט את חוזק הסגסוגת, אך יכול לשפר את ביצועי החיתוך. ביסמוט מתרחב במהלך התמצקות, וזה מועיל להאכלה. הוספת ביסמוט לסגסוגות גבוהות של מגנזיום יכולה למנוע התפרקות נתרן.

אנטימון משמש בעיקר כחומר משנה בסגסוגות אלומיניום יצוק, ורק לעתים רחוקות נעשה בו שימוש בסגסוגות אלומיניום מעוותות. החלף רק ביסמוט בסגסוגת אלומיניום מעוותת Al-Mg כדי למנוע התפרקות נתרן. אלמנט אנטימון מתווסף לכמה סגסוגות Al-Zn-Mg-Cu כדי לשפר את הביצועים של תהליכי כבישה חמה וכבישה קרה.

בריליום יכול לשפר את המבנה של סרט התחמוצת בסגסוגות אלומיניום מעוותות ולהפחית את אובדן השריפה והתכלילים במהלך ההיתוך והיציקה. בריליום הוא יסוד רעיל שעלול לגרום להרעלה אלרגית בבני אדם. לכן לא ניתן להכיל בריליום בסגסוגות אלומיניום הבאות במגע עם מזון ומשקאות. תכולת הבריליום בחומרי ריתוך נשלטת בדרך כלל מתחת ל-8μg/ml. סגסוגות אלומיניום המשמשות כמצעי ריתוך צריכות גם לשלוט בתכולת הבריליום.

נתרן כמעט בלתי מסיס באלומיניום, והמסיסות המוצקה המרבית היא פחות מ-0.0025%. נקודת ההיתוך של נתרן נמוכה (97.8℃), כאשר נתרן קיים בסגסוגת, הוא נספג על פני הדנדריט או על גבול התבואה במהלך התמצקות, במהלך עיבוד חם, הנתרן על גבול התבואה יוצר שכבת ספיחה נוזלית, וכתוצאה מכך פיצוח שביר, היווצרות תרכובות NaAlSi, לא קיים נתרן חופשי ואינו מייצר "שביר נתרן".

כאשר תכולת המגנזיום עולה על 2%, המגנזיום מוציא סיליקון ומשקע נתרן חופשי, וכתוצאה מכך "שבריריות נתרן". לכן, סגסוגת אלומיניום גבוהה מגנזיום אסור להשתמש בשטף מלח נתרן. שיטות למניעת "התפוררות נתרן" כוללות הכלרה, הגורמת לנתרן ליצור NaCl ונפלט לתוך הסיגים, הוספת ביסמוט ליצירת Na2Bi וכניסה למטריצת המתכת; גם הוספת אנטימון ליצירת Na3Sb או הוספת כדורי אדמה נדירים יכולה להיות בעלת אותה השפעה.

עריכה מאי ג'יאנג מ-MAT Aluminium