合金元素在鋁合金中的作用

　1.合金元素影響

　　銅元素 Cu

　　鋁銅合金富鋁部分548時，銅在鋁中的*大溶解度為5.65％,溫度降到302時，銅的溶解度為0.45％。銅是重要的合金元素，有一定的固溶強化效果，此外時效析出的CuAl2有著明顯的時效強化效果。鋁合金中銅含量通常在2.5％ ~ 5％，銅含量在4％~6.8％時強化效果*好，所以大部分硬鋁合金的含銅量處于這范圍。

　　鋁銅合金中可以含有較少的硅、鎂、錳、鉻、鋅、鐵等元素。

　　硅元素 Si

　　Al—Si合金系富鋁部分在共晶溫度577 時，硅在固溶體中的*大溶解度為1.65％。盡管溶解度隨溫度降低而減少，介這類合金一般是不能熱處理強化的。鋁硅合金具有極好的鑄造性能和抗蝕性。

　　若鎂和硅同時加入鋁中形成鋁鎂硅系合金，強化相為MgSi。鎂和硅的質量比為1.73:1。設計Al-Mg-Si系合金成分時，基體上按此比例配置鎂和硅的含量。有的Al-Mg-Si合金，為了提高強度，加入適量的銅，同時加入適量的鉻以抵消銅對抗蝕性的不利影響。

　　Al-Mg2Si合金系合金平衡相圖富鋁部分Mg2Si 在鋁中的*大溶解度為1.85％，且隨溫度的降低而減速小。

　　變形鋁合金中，硅單獨加入鋁中只限于焊接材料，硅加入鋁中亦有一定的強化作用。

　　鎂元素 Mg

　　Al-Mg合金系平衡相圖富鋁部分盡管溶解度曲線表明，鎂在鋁中的溶解度隨溫度下降而大大地變小，但是在大部分工業用變形鋁合金中，鎂的含量均小于6％，而硅含量也低，這類合金是不能熱處理強化的，但是可焊性良好，抗蝕性也好，并有中等強度。

　　鎂對鋁的強化是明顯的，每增加1％鎂，抗拉強度大約升**遠34MPa。如果加入1％以下的錳，可能補充強化作用。因此加錳后可降低鎂含量，同時可降低熱裂傾向，另外錳還可以使Mg5Al8化合物均勻沉淀，改善抗蝕性和焊接性能。

　　錳元素 Mn

　　Al-Mn合金系平平衡相圖部分在共晶溫度658時，錳在固溶體中的*大溶解度為1.82％。合金強度隨溶解度增加不斷增加，錳含量為0.8％時，延伸率達*大值。Al-Mn合金是非時效硬化合金，即不可熱處理強化。

　　錳能阻止鋁合金的再結晶過程，提高再結晶溫度，并能顯著細化再結晶晶粒。再結晶晶粒的細化主要是通過MnAl6化合物彌散質點對再結晶晶粒長大起阻礙作用。MnAl6的另一作用是能溶解雜質鐵，形成（Fe、Mn）Al6，減小鐵的有害影響。

　　錳是鋁合金的重要元素，可以單獨加入形成Al-Mn二元合金，更多的是和其它合金元素一同加入，因此大多鋁合金中均含有錳。

　　鋅元素 Zn

　　Al-Zn合金系平衡相圖富鋁部分275時鋅在鋁中的溶解度為31.6％，而在125時其溶解度則下降到5.6％。

　　鋅單獨加入鋁中，在變形條件下對鋁合金強度的提高十分有限，同時存在應力腐蝕開裂、傾向，因而限制了它的應用。

　　在鋁中同時加入鋅和鎂，形成強化相Mg/Zn2，對合金產生明顯的強化作用。Mg/Zn2含量從0.5％提高到12％時，可明顯增加抗拉強度和屈服強度。鎂的含量超過形成Mg/Zn2相所需超硬鋁合金中，鋅和鎂的比例控制在2.7左右時，應力腐蝕開裂抗力*大。

　　如在Al-Zn-Mg基礎上加入銅元素，形成Al-Zn-Mg-Cu系合金，基強化效果在所有鋁合金中*大，也是航天、航空工業、電力工業上的重要的鋁合金材料。

　　2.微量元素的影響

　　鐵和硅 Fe-Si

　　鐵在Al-Cu-Mg-Ni-Fe系鍛鋁合金中，硅在Al-Mg-Si系鍛鋁中和在Al-Si系焊條及鋁硅鑄造合金中，均作為合金元素加的，在基它鋁合金中，硅和鐵是常見的雜質元素，對合金性能有明顯的影響。它們主要以FeCl3和游離硅存在。在硅大于鐵時，形成β-FeSiAl3(或Fe2Si2Al9)相，而鐵大于硅時，形成α-Fe2SiAl8(或Fe3Si2Al12)。當鐵和硅比例不當時，會引起鑄件產生裂紋，鑄鋁中鐵含量過高時會使鑄件產生脆性。

　　鈦和硼 Ti-B

　　鈦是鋁合金中常用的添加元素，以Al-Ti或Al-Ti-B中間合金形式加入。鈦與鋁形成TiAl2相，成為結晶時的非自發核心，起細化鑄造組織和焊縫組織的作用。Al-Ti系合金產生包反應時，鈦的臨界含量約為0.15％，如果有硼存在則減速小到0.01％。

　　鉻 Cr

　　鉻在Al-Mg-Si系、Al-Mg-Zn系、Al-Mg系合金中常見的添加元素。600℃時，鉻在鋁中溶解度為0.8％，室溫時基本上不溶解。

　　鉻在鋁中形成（CrFe）Al7和（CrMn）Al12等金屬間化合物，阻礙再結晶的形核和長大過程，對合金有一定的強化作用，還能改善合金韌性和降低應力腐蝕開裂敏感性。但會場增加淬火敏感性，使陽極氧化膜呈黃色。

　　鉻在鋁合金中的添加量一般不超過0.35％，并隨合金中過渡元素的增加而降低。

　　鍶 Sr

　　鍶是表面活性元素，在結晶學上鍶能改變金屬間化合物相的行為。因此用鍶元素進行變質處理能改善合金的塑性加工性和*終產品質量。由于鍶的變質有效時間長、效果和再現性好等優點，近年來在Al-Si鑄造合金中取代了鈉的使用。對擠壓用鋁合金中加入0.015％~0.03％鍶，使鑄錠中β-AlFeSi相變成漢字形α-AlFeSi相，減少了鑄錠均勻化時間60％~70％，提高材料力學性能和塑性加工性；改善制品表面粗糙度。對于高硅（10％~13％）變形鋁合金中加入0.02％~0.07％鍶元素，可使初晶減少至*低限度，力學性能也顯著提高，抗拉強度бb 由233MPa提高到236MPa，屈服強度б0.2由204MPa提高到210MPa，延伸率б5由9％增至12％。在過共晶Al-Si合金中加入鍶，能減小???晶硅粒子尺寸，改善塑性加工性能，可順利地熱軋和冷軋。

　　鋯元素 Zr

　　鋯也是鋁合金的常用添加劑。一般在鋁合金中加入量為0.1％~0.3％，鋯和鋁形成ZrAl3化合物，可阻礙再結晶過程，細化再結晶晶粒。鋯亦能細化鑄造組織，但比鈦的效果小。有鋯 存在時，會降低鈦和硼細化晶粒的效果。在Al-Zn-Mg-Cu系合金中，由于鋯對淬火敏感性的影響比鉻和錳的小，因此宜用鋯來代替鉻和錳細化再結晶組織。

　　雜質元素 Re

　　稀土元素加入鋁合金中，使鋁合金熔鑄時增加成分過冷，細化晶粒，減少二次晶間距，減少合金中的氣體和夾雜，并使夾雜相趨于球化。還可降低熔體表面張力，增加流動性，有利于澆注成錠，對工藝性能有著明顯的影響。各種稀土加入量約為0.1％at％為好。混合稀土（La-Ce-Pr-Nd等混合）的添加，使Al-0.65％Mg-0.61％Si合金時效G?P區形成的臨界溫度降低。含鎂的鋁合金，能激發稀土元素的變質作用。

　　3.雜質元素的影響

　　釩在鋁合金中形成VAl11難熔化合物，在熔鑄過程中起細化晶粒作用，但比鈦和鋯的作用小。釩也有細化再結晶組織、提高再結晶溫度的作用。

　　鈣在鋁合金中固溶度極低，與鋁形成CaAl4化合物，鈣又是鋁合金的超塑性元素，大約5％鈣和5％錳的鋁合金具有超塑性。鈣和硅形成CaSi，不溶于鋁，由于減小了硅的固溶量，可稍微提高工業純鋁的導電性能。鈣能改善鋁合金切削性能。CaSi2不能使鋁合金熱處理強化。微量鈣有利于去除鋁液中的氫。

　　鉛、錫、鉍元素是低熔點金屬，它們在鋁中固溶度不大，略降低合金強度，但能改善切削性能。鉍在凝固過程中膨脹，對補縮有利。高鎂合金中加入鉍可防止鈉脆。

　　銻主要用作鑄造鋁合金中的變質劑，變形鋁合金很少使用。僅在Al-Mg變形鋁合金中代替鉍防止鈉脆。銻元素加入某些Al-Zn-Mg-Cu系合金中，改善熱壓與冷壓工藝性能。

　　鈹在變形鋁合金中可改善氧化膜的結構，減少熔鑄時的燒損和夾雜。鈹是有毒元素，能使人產生過敏性中毒。因此，接觸食品和飲料的鋁合金中不能含有鈹。焊接材料中的鈹含量通常控制在8μg/ml以下。用作焊接基體的鋁合金也應控制鈹的含量。

　　鈉在鋁中幾乎不溶解，*大固溶度小于0.0025％，鈉的熔點低（97.8℃）,合金中存在鈉時，在凝固過程中吸附在枝晶表面或晶界，熱加工時，晶界上的鈉形成液態吸附層，產生脆性開裂時，形成NaAlSi化合物，無游離鈉存在，不產生“鈉脆”。當鎂含量超2％時，鎂奪取硅，析出游離鈉，產生“鈉脆”。因此高鎂鋁合金不允許使用鈉鹽熔劑。防止“鈉脆”的方法有氯化法，使鈉形成NaCl排入渣中，加鉍使之生成Na2Bi進入金屬基體；加銻生成Na3Sb或加入稀土亦可起到相同的作用。