תפקידם של אלמנטים שונים בסגסוגות אלומיניום

נְחוֹשֶׁת

כאשר החלק העשיר באלומיניום של סגסוגת האלומיניום-נחושת הוא 548, המסיסות המקסימלית של נחושת באלומיניום היא 5.65%. כאשר הטמפרטורה יורדת ל-302, המסיסות של נחושת היא 0.45%. נחושת היא יסוד סגסוגת חשוב ויש לה אפקט חיזוק מסוים בתמיסה מוצקה. בנוסף, ל-CuAl2 הנוצר כתוצאה מהזדקנות יש אפקט חיזוק הזדקנות ברור. תכולת הנחושת בסגסוגות אלומיניום 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 ויסודות אחרים.

סִילִיקוֹן

כאשר החלק העשיר באלומיניום של מערכת סגסוגת ה-Al-Si הוא בעל טמפרטורה אוטקטית של 577 מעלות צלזיוס, המסיסות המקסימלית של סיליקון בתמיסה המוצקה היא 1.65%. למרות שהמסיסות יורדת עם ירידה בטמפרטורה, סגסוגות אלו בדרך כלל אינן ניתנות לחזקה באמצעות טיפול בחום. לסגסוגת אלומיניום-סיליקון 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 הרכב סגסוגת ה-Al-Mg-Si, תכולת המגנזיום והסיליקון מוגדרת ביחס זה על המטריצה. על מנת לשפר את חוזקם של חלק מסגסוגות ה-Al-Mg-Si, מוסיפים כמות מתאימה של נחושת, וכמות מתאימה של כרום מוסיפים כדי לקזז את ההשפעות השליליות של הנחושת על עמידות בפני קורוזיה.

המסיסות המקסימלית של Mg2Si באלומיניום בחלק העשיר באלומיניום של דיאגרמת הפאזה של שיווי המשקל של מערכת סגסוגת Al-Mg2Si היא 1.85%, וההאטה קטנה ככל שהטמפרטורה יורדת. בסגסוגות אלומיניום מעוותות, תוספת הסיליקון לבדה לאלומיניום מוגבלת לחומרי ריתוך, וגם לתוספת הסיליקון לאלומיניום יש אפקט חיזוק מסוים.

מגנזיום

למרות שעקומת המסיסות מראה כי מסיסות המגנזיום באלומיניום פוחתת במידה ניכרת ככל שהטמפרטורה יורדת, תכולת המגנזיום ברוב סגסוגות האלומיניום המעוותות התעשייתיות נמוכה מ-6%. גם תכולת הסיליקון נמוכה. סגסוגת מסוג זה אינה ניתנת לחזקה באמצעות טיפול בחום, אך בעלת יכולת ריתוך טובה, עמידות טובה בפני קורוזיה וחוזק בינוני. חיזוק האלומיניום על ידי מגנזיום ברור. עבור כל עלייה של 1% במגנזיום, חוזק המתיחה עולה בכ-34MPa. אם מוסיפים פחות מ-1% מנגן, ניתן להוסיף את אפקט החיזוק. לכן, הוספת מנגן יכולה להפחית את תכולת המגנזיום ולהפחית את הנטייה לסדיקה בחום. בנוסף, מנגן יכול גם לזרז באופן אחיד תרכובות Mg5Al8, ולשפר את עמידות הקורוזיה ואת ביצועי הריתוך.

מַנגָן

כאשר הטמפרטורה האוטקטית של דיאגרמת הפאזה השטוחה של שיווי המשקל של מערכת סגסוגת Al-Mn היא 658, המסיסות המקסימלית 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 מתקשחת, כלומר, לא ניתן לחזק אותה באמצעות טיפול בחום. מנגן יכול למנוע את תהליך ההתגבשות מחדש של סגסוגות אלומיניום, להעלות את טמפרטורת ההתגבשות מחדש ולשפר משמעותית את הגרגירים שהתגבשו מחדש. עידון הגרגירים שהתגבשו מחדש נובע בעיקר מהעובדה שחלקיקים מפוזרים של תרכובות MnAl6 מעכבים את צמיחת הגרגירים שהתגבשו מחדש. תפקיד נוסף של MnAl6 הוא להמיס ברזל טומאה ליצירת (Fe, Mn)Al6, ובכך להפחית את ההשפעות המזיקות של ברזל. מנגן הוא יסוד חשוב בסגסוגות אלומיניום. ניתן להוסיף אותו לבד ליצירת סגסוגת בינארית Al-Mn. לעתים קרובות יותר, הוא מוסיף יחד עם יסודות סגסוגת אחרים. לכן, רוב סגסוגות האלומיניום מכילות מנגן.

אָבָץ

מסיסות האבץ באלומיניום היא 31.6% ב-275 מעלות צלזיוס בחלק העשיר באלומיניום של דיאגרמת הפאזה של שיווי המשקל של מערכת סגסוגת Al-Zn, בעוד שהמסיסות שלו יורדת ל-5.6% ב-125 מעלות צלזיוס. הוספת אבץ לבדה לאלומיניום שיפורה מוגבל מאוד בחוזק סגסוגת האלומיניום בתנאי דפורמציה. יחד עם זאת, קיימת נטייה לסדיקה בקורוזיית מאמץ, ובכך מגבילה את יישומה. הוספת אבץ ומגנזיום לאלומיניום בו זמנית יוצרת את פאזת החיזוק Mg/Zn2, אשר לה השפעה משמעותית של חיזוק על הסגסוגת. כאשר תכולת Mg/Zn2 עולה מ-0.5% ל-12%, ניתן להגדיל משמעותית את חוזק המתיחה ואת חוזק הכניעה. בסגסוגות אלומיניום קשות במיוחד שבהן תכולת המגנזיום עולה על הכמות הנדרשת ליצירת פאזת Mg/Zn2, כאשר יחס האבץ למגנזיום נשלט על כ-2.7, עמידות הסדיקה בקורוזיית מאמץ היא הגדולה ביותר. לדוגמה, הוספת יסוד 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, ובתעשיית החשמל.

ברזל וסיליקון

ברזל מתווסף כסגסוגות בסגסוגות אלומיניום יצוק מסדרת Al-Cu-Mg-Ni-Fe, וסיליקון מתווסף כסגסוגות סגסוגת באלומיניום יצוק מסדרת Al-Mg-Si ובמוטות ריתוך מסדרת Al-Si ובסגסוגות יציקה מאלומיניום-סיליקון. בסגסוגות אלומיניום בסיסיות, סיליקון וברזל הם יסודות טומאה נפוצים, אשר משפיעים באופן משמעותי על תכונות הסגסוגת. הם קיימים בעיקר כ-FeCl3 וסיליקון חופשי. כאשר הסיליקון גדול מברזל, נוצר פאזה β-FeSiAl3 (או Fe2Si2Al9), וכאשר ברזל גדול מסיליקון, נוצר α-Fe2SiAl8 (או Fe3Si2Al12). כאשר היחס בין ברזל לסיליקון אינו תקין, הדבר יגרום לסדקים ביציקה. כאשר תכולת הברזל באלומיניום יצוק גבוהה מדי, היציקה תהפוך לשבירה.

טיטניום ובורון

טיטניום הוא אלמנט תוסף נפוץ בסגסוגות אלומיניום, המוסף בצורת סגסוגת אב Al-Ti או Al-Ti-B. טיטניום ואלומיניום יוצרים את פאזת TiAl2, ההופכת לליבה לא ספונטנית במהלך התגבשות ומשחקת תפקיד בשיפור מבנה היציקה ומבנה הריתוך. כאשר סגסוגות Al-Ti עוברות תגובת חבילה, התכולה הקריטית של טיטניום היא כ-0.15%. אם בורון קיים, ההאטה קטנה עד 0.01%.

כְּרוֹם

כרום הוא יסוד תוסף נפוץ בסגסוגות מסדרות Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn ו-Al-Mg. בטמפרטורה של 600 מעלות צלזיוס, מסיסותו של כרום באלומיניום היא 0.8%, והוא כמעט בלתי מסיס בטמפרטורת החדר. כרום יוצר תרכובות בין-מתכתיות כמו (CrFe)Al7 ו-(CrMn)Al12 באלומיניום, דבר המעכב את תהליך ההתגרענות והצמיחה של התגבשות מחדש ויש לו השפעה מחזקת מסוימת על הסגסוגת. הוא יכול גם לשפר את קשיחות הסגסוגת ולהפחית את הרגישות לסדיקה בקורוזיית מאמץ.

עם זאת, האתר מגביר את רגישות הכיבוי, מה שהופך את הסרט האנודייז לצהוב. כמות הכרום שנוספת לסגסוגות אלומיניום בדרך כלל אינה עולה על 0.35%, ויורדת עם העלייה באלמנטים המעבר בסגסוגת.

סטרונציום

סטרונציום הוא יסוד פעיל שטח שיכול לשנות את התנהגותן של פאזות תרכובות בין-מתכתיות באופן קריסטלוגרפי. לכן, טיפול מודיפיקציה עם יסוד סטרונציום יכול לשפר את יכולת העיבוד הפלסטית של הסגסוגת ואת איכות המוצר הסופי. בשל זמן המודיפיקציה הארוך והיעיל שלו, האפקט הטוב והיכולת לשחזור שלו, סטרונציום החליף את השימוש בנתרן בסגסוגות יציקה מ-Al-Si בשנים האחרונות. הוספת 0.015%~0.03% סטרונציום לסגסוגת האלומיניום לצורך שיחול הופכת את פאזת β-AlFeSi במטיל לפאזת α-AlFeSi, מה שמפחית את זמן ההומוגניזציה של המטיל ב-60%~70%, משפר את התכונות המכניות ואת יכולת העיבוד הפלסטית של החומרים; ומשפר את חספוס פני השטח של המוצרים.

עבור סגסוגות אלומיניום מעוותות עתירות סיליקון (10%~13%), הוספת יסוד סטרונציום של 0.02%~0.07% יכולה להפחית את הגבישים הראשוניים למינימום, וגם התכונות המכניות משתפרות משמעותית. חוזק המתיחה бb גדל מ-233MPa ל-236MPa, וחוזק הכניעה б0.2 גדל מ-204MPa ל-210MPa, וההתארכות б5 גדלה מ-9% ל-12%. הוספת סטרונציום לסגסוגת Al-Si היפר-אוטקטית יכולה להפחית את גודל חלקיקי הסיליקון הראשוני, לשפר את תכונות עיבוד הפלסטיק ולאפשר גלגול חם וקר חלק.

זירקוניום

זירקוניום הוא גם תוסף נפוץ בסגסוגות אלומיניום. באופן כללי, הכמות שנוספת לסגסוגות אלומיניום היא 0.1%~0.3%. זירקוניום ואלומיניום יוצרים תרכובות ZrAl3, אשר יכולות לעכב את תהליך ההתגבשות מחדש ולעדן את הגרגירים שהתגבשו מחדש. זירקוניום יכול גם לעדן את מבנה היציקה, אך ההשפעה קטנה יותר מטיטניום. נוכחות זירקוניום תפחית את אפקט זיקוק הגרגירים של טיטניום ובורון. בסגסוגות Al-Zn-Mg-Cu, מכיוון שלזירקוניום יש השפעה קטנה יותר על רגישות הכיבוי מאשר כרום ומנגן, ראוי להשתמש בזירקוניום במקום כרום ומנגן כדי לעדן את המבנה שהתגבש מחדש.

יסודות אדמה נדירים

יסודות אדמה נדירים מתווספים לסגסוגות אלומיניום כדי להגביר את קירור-העל של הרכיבים במהלך יציקת סגסוגת האלומיניום, לעדן גרגירים, להפחית את המרווח בין גבישים משניים, להפחית גזים ותכלילים בסגסוגת, ולנוטה ליצור כדוריות בשלב התכלילים. זה יכול גם להפחית את מתח הפנים של החומר המותך, להגביר את הנזילות ולהקל על היציקה למטילים, דבר שיש לו השפעה משמעותית על ביצועי התהליך. עדיף להוסיף מגוון יסודות אדמה נדירים בכמות של כ-0.1%. הוספת יסודות אדמה נדירים מעורבים (La-Ce-Pr-Nd מעורב וכו') מפחיתה את הטמפרטורה הקריטית להיווצרות אזור הזדקנות G?P בסגסוגת Al-0.65%Mg-0.61%Si. סגסוגות אלומיניום המכילות מגנזיום יכולות לעורר את המטמורפיזם של יסודות אדמה נדירים.

טוּמאָה

ונדיום יוצר תרכובת עקשן VAl11 בסגסוגות אלומיניום, אשר ממלאת תפקיד בזיקוק גרגירים במהלך תהליך ההיתוך והיציקה, אך תפקידה קטן יותר מזה של טיטניום וזירקוניום. ונדיום משפיע גם על זיקוק המבנה המחודש והעלאת טמפרטורת ההתגבשות מחדש.

המסיסות המוצקה של סידן בסגסוגות אלומיניום נמוכה ביותר, והוא יוצר תרכובת CaAl4 עם אלומיניום. סידן הוא יסוד סופר-פלסטי של סגסוגות אלומיניום. סגסוגת אלומיניום עם כ-5% סידן ו-5% מנגן היא בעלת סופר-פלסטיות. סידן וסיליקון יוצרים CaSi, שאינו מסיס באלומיניום. מכיוון שכמות הסיליקון בתמיסה המוצקה 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 זעירות של סידן מועילות בהסרת מימן מאלומיניום מותך.

יסודות עופרת, בדיל וביסמוט הם מתכות בעלות נקודת התכה נמוכה. מסיסותם המוצקה באלומיניום קטנה, מה שמפחית מעט את חוזק הסגסוגת, אך יכול לשפר את ביצועי החיתוך. ביסמוט מתרחב במהלך התמצקות, דבר המועיל להזנה. הוספת ביסמוט לסגסוגות מגנזיום גבוהות יכולה למנוע שבירות נתרן.

אנטימון משמש בעיקר כחומר משנה בסגסוגות אלומיניום יצוקות, ולעיתים רחוקות משמש בסגסוגות אלומיניום מעוותות. יש להחליף ביסמוט רק בסגסוגת אלומיניום מעוותת מסוג Al-Mg כדי למנוע שבירות נתרן. יסוד האנטימון מתווסף לכמה סגסוגות Al-Zn-Mg-Cu כדי לשפר את ביצועי תהליכי הכבישה החמה והקרה.

בריליום יכול לשפר את מבנה שכבת התחמוצת בסגסוגות אלומיניום מעוותות ולהפחית אובדן שריפה ותכלילים במהלך ההיתוך והיציקה. בריליום הוא יסוד רעיל שיכול לגרום להרעלה אלרגית בבני אדם. לכן, בריליום לא יכול להיכלל בסגסוגות אלומיניום הבאות במגע עם מזון ומשקאות. תכולת הבריליום בחומרי ריתוך נשלטת בדרך כלל מתחת ל-8 מיקרוגרם/מ"ל. סגסוגות אלומיניום המשמשות כמצעי ריתוך צריכות גם הן לשלוט בתכולת הבריליום.

נתרן כמעט בלתי מסיס באלומיניום, והמסיסות המקסימלית במוצק היא פחות מ-0.0025%. נקודת ההיתוך של נתרן נמוכה (97.8 ℃). כאשר נתרן נוכח בסגסוגת, הוא נספג על פני הדנדריט או על גבול הגרעין במהלך ההתמצקות. במהלך עיבוד חם, הנתרן על גבול הגרעין יוצר שכבת ספיחה נוזלית, וכתוצאה מכך סדקים שבירים ויצירת תרכובות NaAlSi. אין נתרן חופשי, ואינו יוצר "שבירות נתרן".

כאשר תכולת המגנזיום עולה על 2%, מגנזיום מסיר סיליקון ומוציא נתרן חופשי, מה שגורם ל"שבירות נתרן". לכן, סגסוגת אלומיניום עתירת מגנזיום אינה מותרת להשתמש בשטף מלח נתרן. שיטות למניעת "שבירות נתרן" כוללות כלור, הגורם ליצירת NaCl של נתרן והוא נפלט לתוך הסיגים, הוספת ביסמוט ליצירת Na2Bi וחדירה למטריצת המתכת; הוספת אנטימון ליצירת Na3Sb או הוספת אדמה נדירה יכולה גם היא להיות בעלת אותה השפעה.

נערך על ידי מאי ג'יאנג מ-MAT Aluminum