常見(jiàn)微量合金元素對(duì)鋁合金性能的影響

郭新汝

摘 要：鋁合金在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，特別是在航空航天、汽車(chē)、機(jī)械、船舶等工業(yè)中有大量應(yīng)用。但純鋁的力學(xué)、腐蝕性能不高，不適宜制作結(jié)構(gòu)零件。為了提高其性能會(huì)加入一些合金元素制成合金，以提高其力學(xué)、腐蝕性能等。

關(guān)鍵詞：鋁合金;微量元素;性能

1 鋁合金材料分類

按照加工方法，鋁合金可分為形變鋁合金和鑄造鋁合金。形變鋁合金能加工成各種形態(tài)和規(guī)格的鋁合金材，主要應(yīng)用于航空、建筑等。其又包括不可熱處理強(qiáng)化型和可熱處理強(qiáng)化型兩種。鑄造鋁合金按化學(xué)成分可分為Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn和Al-稀土合金等。

2 分類及對(duì)應(yīng)牌號(hào)組成

鋁合金分為1系～9系，主要成分特點(diǎn)及性能如下：

高純鋁：Al≥99.8%。具有變形抗力低、電導(dǎo)率高、塑形好等特點(diǎn)。

1系：純鋁，Al≥99.00%。具有較好的導(dǎo)電性、耐腐蝕性、焊接性，強(qiáng)度低，不可熱處理強(qiáng)化;

2系：銅為主要合金元素。強(qiáng)度高，2014合金可以熱處理強(qiáng)化，但晶間腐蝕嚴(yán)重;

3系：錳為主要合金元素。不可熱處理強(qiáng)化，但具有較好的耐腐蝕性、焊接性、塑性。雖然強(qiáng)度低，但可以進(jìn)行冷加工硬化以加強(qiáng)強(qiáng)度;

4系：硅為主要合金元素。部分可熱處理強(qiáng)化，但也有部分不可熱處理強(qiáng)化;

5系：鎂為主要合金元素。具有較好的焊接性能和疲勞強(qiáng)度，只能通過(guò)冷加工來(lái)提高強(qiáng)度;

6系：鎂硅為主要合金元素并且以Mg2Si為主要強(qiáng)化相。強(qiáng)度中等，耐腐蝕性、焊接性和工藝性能好，氧化著色性能好;

7系：鋅為主要合金元素。擠壓速度較6系慢，焊接性能好;

8系：其他合金元素;

9系：備用合金。

3 鋁合金材料系列牌號(hào)的檢測(cè)方法

①GB/T 20975系列 鋁及鋁合金化學(xué)分析方法;②GB/T 7999 鋁及鋁合金光電直讀光譜分析法;③ASTM E 1251 Standard Test Method for Analysis of Aluminum and Aluminum Alloys by Spark Atomic Emission Spectrometry;④ASTM E 3061 Standard Test Method for Analysis of Aluminum and Aluminum Alloys by Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry。

4 各元素的強(qiáng)化方式

鋁合金中常加入的合金元素有Cu、Mg、Cr、Zn、Si、Mn、Ni、Co、Ti、Sr以及稀土元素等。這些合金元素的加入可以通過(guò)固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化、過(guò)剩項(xiàng)強(qiáng)化、細(xì)化組織強(qiáng)化、冷變形強(qiáng)化等方式對(duì)鋁進(jìn)行強(qiáng)化。

4.1 Cu和Ni

固溶銅（Cu）及雜質(zhì)銅可提高鋁合金機(jī)械性能、切削性。但會(huì)降低耐腐蝕性，易發(fā)生熱間裂痕。

鎳（Ni）和銅（Cu）一樣，可以增加抗拉強(qiáng)度以及硬度、改善材料的高溫強(qiáng)度耐熱性，但會(huì)降低耐蝕性和熱導(dǎo)性。

4.2 Mn

錳（Mn）能提高含銅、硅合金的高溫強(qiáng)度。但過(guò)量時(shí)會(huì)形成硬點(diǎn)、降低導(dǎo)熱性。能阻止鋁合金的再結(jié)晶、提高再結(jié)晶溫度、細(xì)化再結(jié)晶晶粒。

4.3 Si和Fe

硅（Si）能改善鋁合金流動(dòng)性，但結(jié)晶析出的硅容易形成硬點(diǎn)、降低材料切削性。硅可提高材料的抗拉硬度、強(qiáng)度、切削性及高溫時(shí)的強(qiáng)度、降低延伸率。

雜質(zhì)鐵（Fe）含量小于0.7%有不易脫模的現(xiàn)象;含鐵（Fe）0.8～1.0%使合金好壓鑄;含鐵量較大時(shí)，會(huì)形成硬點(diǎn);含鐵量大于1.2%時(shí)，使合金流動(dòng)性降低。

當(dāng)硅和鐵以雜質(zhì)元素添加時(shí)，主要以游離硅和FeCl3的形式存在，可明顯影響鋁合金的性能。但若比例不當(dāng)，則會(huì)引起鑄件裂紋，鑄鋁中鐵過(guò)高會(huì)使鑄件產(chǎn)生脆性。

4.4 Mg

鋁鎂合金的耐腐蝕性最好，但有熱脆性，鑄件易裂而難鑄造。雜質(zhì)鎂（Mg），如Mg2Si會(huì)使鑄件變脆，所以鎂含量標(biāo)準(zhǔn)一般在0.3%以內(nèi)。

4.5 Zn

雜質(zhì)鋅（Zn）會(huì)使材料高溫脆性大，但HgZn2會(huì)明顯的使合金強(qiáng)化，使鑄件易有裂紋。

4.6 Cr

鉻（Cr）可使合金一定程度的強(qiáng)化，并可提高合金韌性、降低應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性，但會(huì)增加淬火敏感性。

4.7 Ti和B

合金中的微量鈦（Ti）即可提高機(jī)械性能，降低電導(dǎo)率。鈦可以與鋁形成TiAl2，可細(xì)化鑄造組織及焊縫組織。當(dāng)Al-Ti合金產(chǎn)生包晶反應(yīng)時(shí)，其臨界含量約為0.15%，但若有硼（B）可以減少。

4.8 Sr

鍶（Sr）是表面活性元素，可使金屬間化合物相的行為發(fā)生改變，可改善合金的塑性加工性并影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量。

4.9 Zr

鋁合金中加入0.1%-0.3%鋯（Zr），可形成ZrAl3，阻礙再結(jié)晶過(guò)程，細(xì)化再結(jié)晶晶粒。鋯還能使鑄造組織細(xì)化。

4.10 稀土元素

稀土元素可使晶粒細(xì)化、二次晶間間距減少、氣體和夾雜減少并使夾雜相趨于球化。還可降低熔體表面張力、增加流動(dòng)性、易澆注成錠。