アルミニウム合金における様々な元素の役割

1.合金元素の影響

銅元素Cu

アルミニウム-銅合金のアルミニウムリッチ部分が548である場合、アルミニウム中の銅の最大溶解度は5.65% である。 温度が302に低下すると、銅の溶解度は0.45% である。 銅は重要な合金元素であり、特定の固溶体強化効果を有する。 さらに、老化によって沈殿するCuAl2は明らかな老化強化効果を有する。 アルミニウム合金の銅含有量は通常2.5% から5% の間であり、強化効果は銅含有量が4% から6.8% の間であるときに最もよく、そのため、ほとんどの硬質アルミニウム合金の銅含有量はこの範囲内です。

アルミニウム-銅合金は、シリコン、マグネシウム、マンガン、クロム、亜鉛、鉄、その他の元素を少なく含むことができます。

シリコン元素Si

Al-Si合金系のアルミニウムリッチ部分が577の共晶温度を有するとき、固溶体中のシリコンの最大溶解度は1.65% である。 溶解度は温度の低下とともに低下するが、これらの合金は一般に熱処理によって強化することはできない。 アルミニウム-シリコン合金は、優れた鋳造特性と耐食性を持っています。

マグネシウムとシリコンを同時にアルミニウムに添加してアルミニウム-マグネシウム-シリコン合金を形成する場合、強化相はMgSiである。 シリコンに対するマグネシウムの質量比は1.73:1である。 Al-Mg-Si合金の組成を設計するとき、マグネシウムとシリコンの含有量はマトリックス上でこの比率で構成されます。 いくつかのAl-Mg-Si合金の強度を向上させるために、適切な量の銅が添加され、そして、耐食性に対する銅の悪影響を相殺するために、適切な量のクロムが添加されます。

Al-Mg2Si合金系の平衡相図のアルミニウムリッチ部分におけるアルミニウム中のMg2Siの最大溶解度は1.85% であり、温度が低下するにつれて減速度は小さい。

変形したアルミニウム合金では、アルミニウムにシリコンを単独で添加することは溶接材料に限られる。 アルミニウムにシリコンを加えることにも一定の強化効果があります。

マグネシウム元素Mg

溶解度曲線は、温度が下がるにつれてアルミニウムへのマグネシウムの溶解度が大幅に低下することを示していますが、ほとんどの工業用変形アルミニウム合金のマグネシウム含有量は6% 未満です。 シリコン含有量も低い。 このタイプの合金は熱処理によって強化することはできませんが、優れた溶接性、優れた耐食性、および中程度の強度を持っています。

マグネシウムによるアルミニウムの強化は明らかです。 マグネシウムが1% 増加するごとに、引張強度は約34MPa増加します。 1% 未満のマンガンを添加すると、強化効果を補うことができる。 したがって、マンガンを添加すると、マグネシウム含有量を減らし、高温割れの傾向を減らすことができます。 さらに、マンガンはMg5Al8化合物を均一に沈殿させ、耐食性と溶接性能を向上させることもできます。

マンガン元素Mn

Al-Mn合金系の平坦平衡相図の共晶温度が658である場合、固溶体中のマンガンの最大溶解度は1.82% である。 合金の強度は、溶解度の増加と共に増加する。 マンガン含有量が0.8% のとき、伸びは最大値に達する。 Al-Mn合金は、非加齢硬化合金であり、すなわち、熱処理によって強化することはできない。

マンガンは、アルミニウム合金の再結晶プロセスを防ぎ、再結晶温度を高め、再結晶粒子を大幅に精製することができます。 再結晶粒子の改良は、主にMnAl6化合物の分散粒子が再結晶粒子の成長を妨げるという事実によるものです。 MnAl6のもう1つの機能は、不純物鉄を溶解して (Fe、Mn)Al6を形成し、鉄の有害な影響を減らすことです。

マンガンはアルミニウム合金の重要な元素です。 それはAl-Mn binaを形成するために単独で加えることができますRy合金。 多くの場合、それは他の合金元素と一緒に追加されます。 したがって、ほとんどのアルミニウム合金はマンガンを含んでいます。

亜鉛元素Zn

Al-Zn合金系の平衡相図のアルミニウムが豊富な部分におけるアルミニウムへの亜鉛の溶解度は275で31.6% ですが、その溶解度は125で5.6% に低下します。

亜鉛をアルミニウム単独に添加すると、変形条件下でのアルミニウム合金の強度の向上は非常に限られています。 同時に、その用途を制限する応力腐食割れの傾向があります。

亜鉛とマグネシウムをアルミニウムに同時に加えると、強化相Mg/Zn2が形成され、合金に大きな強化効果があります。 Mg/Zn2の含有量を0.5% から12% に増加させると、引張強度および降伏強度を大幅に増加させることができる。 マグネシウム含有量がMg/Zn2相を形成するのに必要な量を超える超硬アルミニウム合金では、亜鉛とマグネシウムの比率が約2.7に制御されている場合、応力腐食割れ抵抗は最大です。

たとえば、Al-Zn-Mgに銅元素を添加してAl-Zn-Mg-Cuシリーズ合金を形成すると、すべてのアルミニウム合金の中で最大の塩基強化効果があります。 また、航空宇宙、航空業界、および電力業界で重要なアルミニウム合金材料です。

2.微量元素の影響

鉄とシリコンFe-Si

鉄はAl-Cu-Mg-Ni-Feシリーズ錬鉄アルミニウム合金の合金元素として加えられます、シリコンは、Al-Mg-Siシリーズの鍛造アルミニウムおよびAl-Siシリーズの溶接棒およびアルミニウム-シリコン鋳造合金の合金元素として追加されます。 他のアルミニウム合金では、シリコンと鉄が一般的な不純物元素であり、合金の特性に大きな影響を与えます。 それらは主にFeCl3および自由シリコンとして存在する。

シリコンが鉄より大きい場合、 β − FeSiAl3 (またはFe2Si2Al9) 相が形成され、鉄がシリコンより大きい場合、 α − Fe2SiAl8 (またはFe3Si2Al12) が形成される。 鉄とシリコンの比率が不適切な場合、鋳造物に亀裂が生じます。 鋳造アルミニウムの鉄含有量が高すぎると、鋳造物は脆くなる。

チタンとホウ素Ti-B

チタンは、アルミニウム合金で一般的に使用される添加元素であり、Al-TiまたはAl-Ti-Bマスター合金の形で添加されます。 チタンとアルミニウムはTiAl2相を形成します。TiAl2相は、結晶化中に非自発的なコアになり、鋳造構造と溶接構造を改良する役割を果たします。 Al − Ti合金がパッケージ反応を受けるとき、チタンの臨界含有量は約0.15% である。 ホウ素が存在する場合、減速は0.01% と小さい。

クロムC

クロムは、Al-Mg-Siシリーズ、Al-Mg-Znシリーズ、およびAl-Mgシリーズ合金の一般的な添加元素です。 600 ℃ では、アルミニウム中のクロムの溶解度は0.8% であり、室温では基本的に不溶性である。

クロムは、アルミニウム中に (CrFe)Al7や (CrMn)Al12などの金属間化合物を形成します。これは、再結晶の核形成と成長プロセスを妨げ、合金に一定の強化効果をもたらします。 それはまた合金の靭性を改善し、応力腐食割れに対する感受性を減らすことができます。 ただし、この部位は焼入れ感度を高め、陽極酸化フィルムを黄色にします。

アルミニウム合金に添加されるクロムの量は、一般に0.35% を超えず、合金中の遷移元素の増加とともに減少する。

ストロンチウムSr

ストロンチウムは、結晶学における金属間化合物相の挙動を変えることができる表面活性元素です。 したがって、ストロンチウム元素による修正処理はimppすることができます合金のプラスチック加工性と最終製品の品質を変えます。 その長い有効な修正時間、優れた効果と再現性のために、ストロンチウムは近年、Al-Si鋳造合金でのナトリウムの使用に取って代わりました。

押し出しのためにアルミニウム合金に0.015% 〜0.03% のストロンチウムを加えると、インゴット内の β-AlFeSi相が中国型の α-AlFeSi相に変わり、インゴットの均質化時間が60% 〜70% 短縮されます。材料の機械的特性とプラスチック加工性の向上。製品の表面粗さを改善します。

高シリコン (10% 〜13%) の変形アルミニウム合金の場合、0.02% 〜0.07% のストロンチウム元素を追加すると、一次結晶を最小限に抑えることができ、機械的特性も大幅に向上します。 引張強度 б bは233MPaから236MPaに増加し、降伏強度 б 0.2は204MPaから210MPaに増加し、伸び б 5は9% から12% に増加しました。 高共晶Al-Si合金にストロンチウムを追加すると、一次シリコン粒子のサイズを縮小し、プラスチック加工特性を向上させ、スムーズな熱間圧延と冷間圧延を可能にします。

ジルコニウム元素Zr

ジルコニウムはまた、アルミニウム合金において一般的に使用される添加剤である。 一般に、アルミニウム合金への添加量は0.1% 〜0.3% である。 ジルコニウムとアルミニウムはZrAl3化合物を形成し、再結晶プロセスを妨げ、再結晶粒子を精製する可能性があります。 ジルコニウムも鋳造構造を精製することができますが、効果はチタンよりも小さいです。 ジルコニウムの存在は、チタンおよびホウ素の粒精制効果を低下させる。 Al-Zn-Mg-Cu合金では、ジルコニウムはクロムやマンガンよりも焼入れ感度に影響を与えないため、再結晶構造を精製するには、クロムとマンガンの代わりにジルコニウムを使用するのが適切です。

レアアース要素Re

アルミニウム合金に希土類元素を添加して、アルミニウム合金鋳造中の部品の過冷却を増やし、粒子を精製し、二次結晶間隔を減らし、合金中のガスと含有物を減らします。そして、包含段階を回転させる傾向があります。 また、溶融物の表面張力を低下させ、流動性を高め、インゴットへの鋳造を容易にすることができ、プロセス性能に大きな影響を与えます。 さまざまな希土類の添加量は約0.1% である。 混合希土類 (混合La-Ce-Pr-Ndなど) を追加すると、Al-0.65 % Mg-0.61 % Si合金の老朽化したG?Pゾーンを形成するための臨界温度が低下します。 マグネシウムを含むアルミニウム合金は、希土類元素の変成作用を刺激することができる。

3.不純物元素の影響

バナジウムはアルミニウム合金でVAl11耐火化合物を形成し、溶融および鋳造プロセス中に粒子を精製する役割を果たしますが、その効果はチタンやジルコニウムよりも小さいです。 バナジウムには、再結晶構造を精緻化し、再結晶温度を上げる効果もあります。

カルシウムはアルミニウム合金への固体溶解度が非常に低く、アルミニウムとCaAl4化合物を形成します。 カルシウムはまた、アルミニウム合金の超塑性元素でもある。 約5% のカルシウムと5% のマンガンを含むアルミニウム合金は超可塑性を持っています。 カルシウムとシリコンは、アルミニウムに不溶性のCaSiを形成します。 シリコンの固溶体量が減少するため、工業用純アルミニウムの電気伝導率をわずかに向上させることができます。 カルシウムはアルミニウム合金の切断性能を改善できます。 CaSi2は熱処理によってアルミニウム合金を強化できません。 微量のカルシウムは、溶融アルミニウムから水素を除去するのに役立つ。

鉛、スズ、ビスマス元素は低融点金属です。 アルミニウムに対するそれらの固体溶解度は小さく、これは合金の強度をわずかに低下させるが、切断性能を改善することができる。 ビスマスは凝固中に膨張し、摂食に有益です。 高マグネシウム合金にビスマスを加えると、ナトリウムの脆化を防ぐことができます。

アンチモンは主に鋳造アルミニウム合金の改質剤として使用され、変形したアルミニウム合金ではめったに使用されません。 ナトリウム脆化を防ぐために、Al-Mg変形アルミニウム合金のビスマスのみを交換してください。 アンチモン元素は、ホットプレスおよびコールドプレスプロセスの性能を向上させるために、いくつかのAl-Zn-Mg-Cu合金に添加されています。

ベリリウムは、変形したアルミニウム合金の酸化膜の構造を改善し、溶融および鋳造中の燃焼損失および介在物を減らすことができます。 ベリリウムは、ヒトにアレルギー中毒を引き起こす可能性のある有毒元素です。 したがって、ベリリウムはできませんbE食品や饮料と接触するアルミニウム合金に含まれています。 溶接材料におけるベリリウム含有量は、通常、8 μ g/ml未満に制御される。 溶接基板として使用されるアルミニウム合金もベリリウム含有量を制御する必要があります。

ナトリウムはアルミニウムにほとんど不溶性であり、最大固体溶解度は0.0025% 未満である。 ナトリウムの融点は低い (97.8 ℃)。 ナトリウムが合金中に存在する場合、ナトリウムは凝固プロセス中にデンドライト表面または粒界に吸着されます。 熱処理中、粒界表面のナトリウムは液体吸着層を形成します。 脆性クラッキングが発生すると、NaAlSi化合物が形成されます。 遊離ナトリウムはなく、「ナトリウム脆化」は起こりません。

マグネシウム含有量が2% を超えると、マグネシウムはシリコンを取り除き、遊離ナトリウムを沈殿させ、「ナトリウム脆化」をもたらします。 したがって、ナトリウム塩フラックスは、高マグネシウムアルミニウム合金では許可されていません。 「ナトリウム脆化」を防ぐ方法には、ナトリウムがNaClを形成してスラグに排出される塩素化、ビスマスを添加してNa2Biを形成し、金属マトリックスに入ることが含まれます。アンチモンを加えてNa3Sbを形成したり、希土類を加えたりすることも同じ効果があります。

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