合金元素在铝合金中的作用

各位老师，在铝合金中Si,Mg,Cu,Fe,Cr,Zn,Mn,Ni,Ti这些元素起什么作用？影响哪些性能?硅(Si)是改善流动性能的主要成份。从共晶到过共晶都能得到最好的流动性。但结晶析出的硅 (Si)易形成硬点，使切削性变差，所以一般都不让它超过共晶点。另外，硅(Si)可改善抗拉强 度、硬度、切削性以及高温时强度，而使延伸率降低。在铝合金中固溶进铜(Cu),机械性能可以提高，切削性变好。不过，耐蚀性降低，容易发生热 间裂痕。作为杂质的铜(Cu)也是这样。增加合金的强度与硬度和耐热性。镁(Mg)铝镁合金的耐蚀性最好，因此ADC5、ADC6是耐蚀性合金，它的凝固范围很大，所以有热脆性， 铸件易产生裂纹，难以铸造。作为杂质的镁(Mg)，在AL-Cu-Si这种材料中，Mg2Si会使铸件变 脆，所以一般标准在0.3%以内。镁增加合金的强度与硬度和耐热性。铁(Fe)杂质的铁(Fe)会生成FeAl3的针状结晶，由于压铸是急冷，所以析出的晶体很细，不能说是有 害成份。含量低于0.7 %则有不易脱模的现象，所以含铁(Fe)0.8 1.0 %反而好压铸。含有大 量的铁(Fe)，会生成金属化合物，形成硬点。并且含铁(Fe)量过1.2 %时，降低合金流动性， 损害铸件的品质，缩短压铸设备中金属组件的寿命。镍(Ni)和铜(Cu) 一样，有增加抗拉强度和硬度的倾向，对耐蚀性影响很大。想要改善高温强度 耐热性，有时就加入镍(Ni)，但在耐蚀性及热导性方面有降低的影响锰(Mn)能改善含铜(Cu),含硅(Si)合金的高温强度。若超过一定限度，易生成Al-Si-Fe-P+o T*Tf;X Mn四元化合物，容易形成硬点以及降低导热性。锰(Mn)能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结 晶温度，并能显着细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化主要是通过MnAl6化合物弥散质点对再 结晶晶粒长大起阻碍作用。MnAl6的另一作用是能溶解杂质铁(Fe)，形成(Fe, Mn)Al6减小铁的 有害影响。锰(Mn)是铝合金的重要元素，可以单独加入Al-Mn二元合金，更多的是和其他合金 元素一同加入，因此大多铝合金中均含有锰(Mn)。锌(Zn)若含有杂质锌(Zn)，高温脆性大，但与汞(Hg)形成强化HgZn2对合金产生明显强度作用。JIS 中规定在1.0%以内，但外国标准有到3%的，这里所讲的当然不是合金成份的锌(Zn)，而是以杂 质锌(Zn)的角色来说，它有使铸件产生裂纹的倾向。铬(Cr)铬(Cr)在铝中形成(CrFe)Al7和(CrMn)All2等金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程， 对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。但会增加淬火敏感 性。钛(Ti)在合金中只需微量可使机械性能提高，但导电率却下降。Al-Ti系合金产生包晶反应时，钛(Ti) 的临界含量约为 0.15%，如有硼存在可以减少。在铝合金中有时还存在钙(Ca)，铅(Pb)，锡(Sn)等杂质元素。这些元素由于熔点高低不一，结 构不同，与铝(A 1)形成的化合物亦不相同，因而对铝合金性能的影响各不一样。钙(Ca)在铝中 固溶度极低，与铝(A1)形成CaA14化合物，钙(Ca)能改善铝合金切削性能。铅(Pb)，锡(Sn) 是低熔点金属，它们在铝(A1)中固溶度不大，降低合金强度，但能改善切削性能。压铸铝合金中各元素的作用和影响1. 硅(Si)硅是大多数压铸铝合金的主要元素。它能改善合金的铸造性能。硅与铝能组成固溶体。 在577C时，硅在铝中的溶解度为1.65%，室温时为0.2%、含硅量至11.7%时，硅与铝形成 共晶体。提高合金的高温造型性，减少收缩率，无热裂倾向。二元铝基合金有高的耐蚀性。当 合金中含硅量超过共晶成分，而铜、铁等杂质又多时，即出现游离硅的硬质点，使切削加工困 难，高硅铝合金对铸件坩埚的熔蚀作用严重。2. 铜( Cu)铜和铝组成固溶体，当温度在548 C时，铜在铝中的溶解度应为5.65%，室温时降至 0.1%左右，增加含铜量，能提高合金的流动性，抗拉强度和硬度，但降低了耐蚀性和塑性， 热裂倾向增大。3. 镁(Mg)在高硅铝合金中加入少量(约0.20.3%)的镁，可提高强度和屈服极限，提高了合金的 切削加工性。含镁 8%的铝合金具有优良的耐蚀性，但其铸造性能差，在高温下的强度和塑性都低，冷 却时收缩大，故易产生热裂和形成疏松。4. 锌(Zn)锌在铝合金中能提高流动性，增加热脆性，降低耐蚀性，故应控制锌的含量在规定范围 中。至于含锌量很高的ZL401铝合金却具有较好的铸造性能和机械性能，切削加工也比较好。5. 铁(Fe)在所有铝合金中都含有害杂质。因铝合金中含铁量太高时，铁以FeAl3、Fe2Al 和Al-Si-Fe的片状或针状组织存在于合金中，降低机械性能，这种组织还会使合金的流动性 减低，热裂性增大，但由于铝合金对模具的粘附作用十分强烈，当铁含量在 0.6%以下时尤为 强烈。当超过0.6%后，粘模现象便大为减轻，故含铁量一般应控制在0.61%范围内对压铸 是有好处的，但最高不能超过 1.5%。6. 锰(Mn)锰在铝合金中能减少铁的有害影响，能使铝合金中由铁形成的片状或针状组织变为细密 的晶体组织，故一般铝合金允许有0.5%以下的锰存在。含锰量过高时，会引起偏析。7. 镍(Ni)镍在铝合金中能提高合金的强度和硬度，降低耐蚀性。镍与铁的作用一样，能减少合金 对模具的熔蚀，同时又能中和铁的有害影响，提高合金的焊接性能。当镍含量在11.5%时， 铸件经抛光能获得光洁的表面。由于镍的来源缺乏，应尽量少采用含镍的铝合金。8. 钛(Ti)铝合金中加入微量的钛，能显著细化铝合金的晶粒组织，提高合金的机械性能，降低合 金的热裂倾向。根据铝合金的成分和生产工艺特点 ,通常分为形变与铸造铝合金两大类 .工业上应用的主要有铝-锰,铝-镁,铝-镁-铜,铝-镁-硅-铜,铝-锌-镁-铜等合金.变形铝合金也叫熟铝合金,据其 成分和性能特点又分为防锈铝,硬铝,超硬铝,锻铝和特殊铝等五种.铝合金是纯铝加入一些合金元素制成的，如铝锰合金、铝铜合金、铝铜镁系硬铝合 金、铝锌镁铜系超硬铝合金。铝合金比纯铝具有更好的物理力学性能：易加工、耐久性 高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富。铝合金分为防锈铝、硬铝、超硬铝等种类，各种类 均有各自的使用范围，并有各自的代号，以供使用者选用。2A80，原先叫LD-8，化学成分如下：Si:0.5-1.2 Fe:1.0-1.6 Cu:1.9-2.5 Mn:0.2Mg:1.4-1.8 Ni:0.9-1.5 Zn:0.3 Ti:0.15 其他单个 0.05 合计 0.15 Al:余量铝合金各元素的含量要看合金的性质的，如上面例子 牌号 化学成分（质量分数） /%AL 不小于 杂质 不大于Fe Si Cu Ga Mg Zn 其他每种 总和AL99.90 99.90 0.07 0.05 0.005 0.020 0.01 0.025 0.016 0.10AL99.85 99.85 0.12 0.08 0.005 0.030 0.02 0.030 0.015 0.15AL99.7A99.700.200.100.010.030.020.030.030.30AL99.7099.700.200.120.010.030.030.030.030.30AL99.6099.600.250.160.010.030.030.030.030.49AL99.5099.500.300.220.020.030.050.050.030.50AL99.0099.000.500.420.020.050.050.050.051.00 鋁合金基本常識一、分類 ：展伸材料分非熱處理合金及熱處理合金1.1非熱處理合金：純鋁一1000系，鋁錳系合金一3000系，鋁矽系合金一4000系，鋁鎂系合 金一5000系。1.2 熱處理合金： 鋁銅鎂系合金一2000系，鋁鎂矽系合金一6000系，鋁鋅鎂系合金一7000 系。、合金編號：我國目前通用的是美國鋁業協會Aluminium Association的編號。茲舉 例說明如下：1070-H14（純鋁）2017-T4（熱處理合金）3004-H32（非熱處理合金）2.1 第一位數：表示主要添加合金元素。1 ：純鋁2：主要添加合金元素為銅3：主要添加合金元素為錳或錳與鎂4：主要添加合金元素為矽5：主要添加合金元素為鎂6：主要添加合金元素為矽與鎂7：主要添加合金元素為鋅與鎂8：不屬於上列合金系的新合金2.2 第二 位數： 表示原合金 中主 要添加合金元 素含 量或雜質 成 分含量經修 改 的合 金。0：表原合金1：表原合金經第一次修改 2：表原合金經第二次修改2.3 第三及四位數：純鋁：表示原合金 合金：表示個別合金的代號：後面的Hn或Tn表示加工硬化的狀態或熱處理狀態的鍊度符號-Hn ：表示非熱處理合金的鍊度符號-Tn ：表示熱處理合金的鍊度符號2 鋁及鋁合金的熱處理一、鍊度符號 ： 若添加合金元素尚不足於完全符合要求，尚須藉冷加工、淬水、時效 處理及軟燒等處理，以獲取所需要的強度及性能。這些處理的過程稱 之為調質，調質的結果 便是鍊度。鍊度符號 定 義F 製造狀態的鍊度 無特定鍊度下製造的成品，如擠壓、熱軋、鍛造品等。H112 未刻意控制加工硬化程度的製造狀態成品，但須保證機械性質。O 軟燒鍊度 完全再結晶而且最軟狀態。如係熱處理合金，則須從軟燒溫度緩慢冷卻，完全防止淬水效果。H 加工硬化的鍊度H1n：施以冷加工而加工硬化者H2n：經加工硬化後再施以適度的軟燒處理H3n：經加工硬化後再施以安定化處理n以19的數字表示加工硬化的程度n=2 表示 1/4 硬質n=4 表示1/2硬質n=6 表示 3/4 硬質n=8 表示硬質n=9 表示超硬質T T1： 高溫加工冷卻後自然時效。擠型從熱加工後急速冷卻，再經常溫十效硬化處理。亦可 施以不影響強度的矯正加工，這種調質適合於熱加工後冷卻便有淬水效果的合金如： 6063。T3： 溶體化處理後經冷加工的目的在提高強度、平整度及尺寸精度。T36： T3 經 6%冷加工者。T361：冷加工度較T3大者。T4： 溶體化處理後經自然時效處理。T5： 熱加工後急冷再施以人工時效處理。人工時效處理的目的在提高材料的機械性質及尺寸的安定性適用於熱加工冷卻便有淬水效果的 合金如： 6063。T6： 溶體化處理後施以人工時效處理。此為熱處理合金代表性的熱處理，無須施以冷加工便能獲得優越的強度。於溶體化處理後為提 高尺寸精度或矯正而施以冷加工，如不保證更高的強度時，亦可當作是T6鍊度。T61： 溶體化處理後施以溫水淬水再經人工時效處理，溫水淬水的目的在防止發生變形。T7：溶體化處理後施以安定化處理（亦及人工時效處理的溫度或時間較T6處理高或長）。 其目的在改善耐硬力腐蝕裂及防止淬水時發生變形。T7352：溶體化處理後除去殘餘應力再施以過時效處理（亦及人工時效處理的溫度或時間較T6 處理高或長）。目的在改善耐硬力腐蝕裂。於溶體化處理後施以15%永久變形的壓縮加工，以消除殘餘應力。 T8：溶體化處理後施以冷加工再施以人工時效處理，冷加工時斷面減少率為3%及6%各為T83 及 T86。T9： 溶體化處理後人工時效處理，最後施以冷加工，最後冷加工 的目的在增加強度。铝中合金元素和杂质对性能的影响1 合金元素影响铜元素铝铜合金富铝部分平衡相图如图 所示。 548 时，铜在铝中的最大溶解度为 5.65%,温度降到 302时，铜的溶解度为0.45%。铜是重要的合金元素，有一定的固溶强化效果，此外时效析出 的CuAl2有着明显的时效强化效果。铝合金中铜含量通常在2.5% 5%，铜含量在4%6.8%时 强化效果最好，所以大部分硬铝合金的含铜量处于这范围。铝铜合金中可以含有较少的硅、镁、锰、铬、锌、铁等元素。硅元素AlSi合金系平衡相图富铝部分如图所示。在共晶温度577时，硅在固溶体中的最大溶解度 为 1.65%。尽管溶解度随温度降低而减少，介这类合金一般是不能热处理强化的。铝硅合金具 有极好 的铸造性能和抗蚀性。若镁和硅同时加入铝中形成铝镁硅系合金，强化相为MgSi。镁和硅的质量比为1.73:1。设计 Al-Mg-Si系合金成分时，基体上按此比例配置镁和硅的含量。有的Al-Mg-Si合金，为了提高 强度，加入适量的铜，同时加入适量的铬以抵消铜对抗蚀性的不利影响。Al-Mg2Si合金系合金平衡相图富铝部分如图所示。Mg2Si在铝中的最大溶解度为1.85%，且随 温度的降低而减速小。变形铝合金中，硅单独加入铝中只限于焊接材料，硅加入铝中亦有一定的强化作用。镁元素Al-Mg合金系平衡相图富铝部分如图所示。尽管溶解度曲线表明，镁在铝中的溶解度随温度下 降而大大地变小，但是在 大部分工业用变形铝合金中，镁的含量均小于 6%，而硅含量也低， 这类合金是不能热处理强化的，但是可焊性良好，抗蚀性也好，并有中等强度。镁对铝的强化是明显的，每增加1%镁，抗拉强度大约升高瞻远34MPa。如果加入1%以下的 锰，可能补充强化作用。因此加锰后可降低镁含量，同时可降低热裂倾向，另外锰还可以使 Mg5Al8 化合物均匀沉淀，改善抗蚀性和焊接性能。锰元素Al-Mn合金系平平衡相图部分如图所示。在共晶温度658时，锰在固溶体中的最大溶解度为 1.82%。合金强度随溶解度增加不断增加，锰含量为0.8%时，延伸率达最大值。Al-Mn合金是非 时效硬化合金， 即不可热处理强化。锰能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细 化 主要是通过MnAl6 化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。 MnAl6 的另一作用是能溶解杂质铁，形 成（Fe、Mn）Al6，减小铁的有害影响。锰是铝合金的重要元素，可以单独加入形成Al-M n二元合金，更多的是和其它合金元素一同加 入，因此大多铝合金中均含有锰。锌元素Al-Zn合金系平衡相图富铝部分如图所示。275时锌在铝中的溶解度为31.6%，而在125时其溶 解度则下降到5.6%。锌单独加入铝中，在变形条件下对铝合金强度的提高十分有限，同时存在应力腐蚀开裂、倾 向，因而限制了它的应用。在铝中同时加入锌和镁，形成强化相Mg/Zn2,对合金产生明显的强化作用。Mg/Zn2含量 从 0.5%提高到12%时，可明显增加抗拉强度和屈服强度。镁的含量超过形成Mg/Zn2相所需超硬铝 合金中，锌和镁的比例控制在2.7左右时，应力腐蚀 开裂抗力最大。如在Al-Zn-Mg基础上加入铜元素，形成Al-Zn-Mg-Cu系合金，基强化效果在所有铝合金中最 大，也是航天、航空工业、电力工业上的重要的铝合金材料。2微量元素的影响铁和硅铁在Al-Cu-Mg-Ni-Fe系锻铝合金中，硅在Al-Mg-Si系锻铝中和在Al-S i系焊条及铝硅铸造合金 中，均作为合金元素加的，在基它铝合金 中，硅和铁是常见的杂质元素，对合金性能有明显 的影响。它们主要以FeCl3和游离硅存在。在硅大于铁时，形成B -FeSiAl3（或Fe2Si2Al9） 相，而铁大于硅时，形成a -Fe2SiAl8（或Fe3Si2Al12）。当铁和硅比例不当时，会引起铸件产 生裂纹，铸铝中铁含量过 高时会使铸件产生脆性。钛和硼钛是铝合金中常用的添加元素，以Al-Ti或Al-Ti-B中间合金形式加入。钛与铝形成TiAl2相, 成为结晶时的非自发核心，起细化铸造组织和焊缝组织的作用。Al-Ti系合金产生包反应时, 钛的临界含量约为0.15%，如果有硼存在则减 速小到0.01%。铬铬在Al-Mg-Si系、Al-Mg-Zn系、Al-Mg系合金中常见的添加元素。600C时，铬在铝中溶解度为 0.8%，室温时基本上不溶解。铬在铝中形成（CrFe） Al7和（CrMn） Al12等金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过 程，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。但会场增加淬 火敏感性，使阳极氧化膜呈黄色。铬在铝合金中的添加量一般不超过0.35%，并随合金中过渡元素的增加而降低。锶锶是表面活性元素，在结晶学上锶能改变金属间 化合物相的行为。因此用锶元素进行变质处 理能改善合金的塑性加工性和最终产品质量。由于锶的变质有效时间长、效果和再现性好等优 点，近年来在Al-Si铸 造合金中取代了钠的使用。对挤压用铝合金中加入0.015%0.03%锶，使 铸锭中B -AlFeSi相变成汉字形a -AlFeSi相，减少了铸锭均匀化时间60%70%，提高材料力学 性能和塑性加工性；改善制品表面粗糙度。对于高硅（10%13%）变形铝合金中加入0.02%0.07% 锶元素，可使初晶减少至最低限度，力学性能也显著提高，抗拉强度6 b由233MPa提高到 236MPa,屈服强度6 0.2由204MPa提高到210MPa，延伸率6 5由9%增至12%。在过共晶Al-Si 合金中加入锶，能减小初晶硅粒子尺寸，改善塑性加工性能，可顺利地热轧和冷轧。锆元素锆也是铝合金的常用添加剂。一般在铝合金中加入量为0.1%0.3%,锆和铝形成ZrAl3化合 物，可阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒。锆亦能细化铸造组织，但比钛的效果小。有锆 存 在时，会降低钛和硼细化晶粒的效果。在Al-Zn-Mg-C u系合金中，由于锆对淬火敏感性的影响 比铬和锰的小，因此宜用锆来代替铬和锰细化再结晶组织。杂质元素稀土元素加入铝合金中，使铝合金熔铸时增加成分过冷，细化晶粒，减少二次晶间距，减少合 金中的气体和夹杂，并使夹杂相趋于球化。还可降低熔体表面张力，增加流动性，有利于浇注 成锭，对工艺性能有着明显的影响。各种稀土加入量约为0.1%at%为好。混合稀土（ La-Ce-Pr-Nd等混合）的添加，使 Al-0.65%Mg-0.61%Si合金时效G 区形成的临界温度降低。含镁的铝合金，能激发稀土元素的变 质作用。杂质元素的影响钒在铝合金中形成VA111难熔化合物，在熔铸过程中起细化晶粒作用，但比钛和锆的作用小。 钒也有细化再结晶组织、提高再结晶温度的作用。钙在铝合金中固溶度极低，与铝形成CaAl4化合物，钙又是铝合金的超塑性元素，大约5%钙和 5%锰的铝合金具有超塑性。钙和硅形成CaSi，不溶于铝，由于减小了硅的固溶量，可稍微提 高工业纯铝的导电性能。钙能改善铝合金切削性能。 CaSi2 不能使铝合金热处理强化。微量钙 有利于去除铝液中的氢。铅、锡、铋元素是低熔点金属，它们在铝中固溶度不大，略降低合金强度，但能改善切削性能。铋在凝固过程中膨胀，对补缩有利。高镁合金中加入铋可防止钠脆。锑主要用作铸造铝合金中的变质剂，变形铝合金很少使用。仅在Al-Mg变形铝合金中代替铋防 止钠脆。锑元素加入某些Al-Zn-Mg-Cu系合金中，改善热压与冷压工艺性能。铍在变形铝合金中可改善氧化膜的结构，减少熔铸时的烧损和夹杂。铍是有毒元素，能使人产 生过敏性中毒。因此，接触食品和饮料的铝合金中不能含有铍。焊接材料中的铍含量通常控制 在8Ag/ml以下。用作焊接基体的铝合金也应控制铍的含量。钠在铝中几乎不溶解，最大固溶度小于0.0025%,钠的熔点低（97.8C），合金中存在钠时，在 凝固过程中吸附在枝晶表面或晶界，热加工时，晶界上的 钠形成液态吸附层，产生脆性开裂 时，形成NaAlSi化合物，无游离钠存在，不产生“钠脆”。当镁含量超2%时，镁夺取硅，析出 游离钠，产生“钠脆”。因 此高镁铝合金不允许使用钠盐熔剂。防止“钠脆”的方法有氯化 法，使钠形成NaCl排入渣中，加铋使之生成Na2Bi进入金属基体；加锑生成Na3Sb或加入稀土 亦可起到相同的作用合金元素在铝合金中的作用