铝合金的微量元素

铝 合金 的 微 量 元 素 东北轻合金加工厂　　苏 北 华　沈 韵 琪 　　【摘要】　铝合金的微量元素分变质剂、抗再结晶元素、改变时效行为添加剂、熔 体净化剂和赋与合金特殊性能元素等五类。指出加入微量元素改变铝合金性能是当 前的发展方向。 关键词　铝合金　微量元素　变质剂　再结晶　时效　耐热性　强度 1　前　言 铝合金的化学组成包括主要组元、微量 元素和杂质三部分。主要组元有铜、锰、硅、 镁、锌、锂等, 分别组成 Al-Cu ( -M g )、Al- M n、Al-Si、Al-M g、Al-Mg-Si、Al-Zn-Mg ( - Cu)和 Al-Li( -Cu 或-M g)等合金系。一般加 入量较多,合金性能和用途主要由这些元素 决定。铁和硅为铝合金中常见杂质,其含量对 合金性能产生明显影响,因此必须根据用途 对合金中铁硅含量分别加以严格限制。微量 元素是指那些特意加入的, 加入量很少(小于 1% ) , 而对合金性能产生很大影响的添加元 素,例如锡、铟、硼、锑、铍、钠、锶、银、镉、钅加、 铅、钅必以及部分过渡族元素均属此类。应该 指出, 合金成分的三部分组成不是绝对不变 的,某一组元在这一合金中为主要组元,而在 另一合金中则为微量元素甚至为杂质。 铝合金中的微量元素种类繁多, 分类方 法也各异。按其用途可将它们分为五类,即: 变质剂、抗再结晶元素、改变时效行为添加 剂、溶体净化剂和赋与合金特殊性能元素。其 中一种元素可有多种用途, 使合金获得多种 性能。为了使合金获得某种性能,也可单独使 用一种或联合加入几种微量元素。 苏北华——哈尔滨东北轻合金加工厂助理工 程师,沈韵琪——高级工程师(邮编: 150060) 2　变质剂 细化铝合金铸锭组织的变质剂有两种, 一种细化铝基固溶体晶粒, 另一种细化第二 相晶体。 固溶体晶粒细化剂有钪、锆、钛、锰、硼和 铌等。其中钪的作用最有效,是铝固溶体晶粒 的强烈变质剂,可获得非树枝状组织的铝合 金半连续铸造铸锭。锆仅次于钅元,是常用的 铝合金铸锭组织最佳变质剂。铌加入量较少, 且能抗衰减, 一般加入 0. 05%铌生成 NbAl3 就能成为铝的长效多机成核剂。近期来, 以 Al-T i-B 合金丝或粉状添加剂作为商品变质 剂得到广泛应用。铝溶体中加入 0. 01%钛和 0. 005%铍, 使溶体中引入直径为 0. 5～ 2LmT iB2质点和直径不大于 100LmT iAl3 颗 粒,联合作用成为非自发结晶核心,获得铸锭 晶粒细化率达 70%～80%( LC4合金除外, 细化率仅为 20% )。且原始晶粒越粗大,细化 作用越明显,细化率越高。至于 Al-Ti-B添加 剂的细化机理, 众说不一。多数人认为, Al- T i-B 加入铝熔体时, T iAl3 颗粒逐渐溶入铝 熔体中, T iB2 质点则不熔化, 不溶解,以固体 微粒悬浮在铝熔体中。结晶时,由于 TiB2不 能被铝熔体润湿,固态 T iB2颗粒不能直接成 为铝固溶体结晶时的非自发核心。可是,含高 钛的铝熔体可在 TiB2 质点上结晶, 形成以 T iB2为核心周围包以富钛 A( Al )的细小晶 351997, Vol . 25, №6 轻　合　金　加　工　技　术 　　 体。这种晶体即可成为 A( Al)的结晶核心, 最 终使铝固溶体晶体得以细化。 第二相晶体的细化主要指高硅铝合金中 单质硅的细化。通常单质硅晶体十分粗大, 且 硬而脆, 变形时易形成应力集中, 优先开裂, 导致材料低应力脆断, 明显降低合金塑性。工 业生产中, 经常以添加 NaF 的方式加入微量 钠来减少 Al-Si合金中的初晶硅和细化 Al- Si 共晶中的硅晶体。如 LD11合金中加入 0. 005%钠,硅晶体可充分细化,制品塑性提 高近一倍。硅晶体是在 A( Al)结晶前优先在 熔体中生成的。当 A l-Si 合金中加变质剂 NaF 时, NaF 与铝熔体反应生成钠,钠能溶 入铝熔体,但几乎不溶于硅晶体中。因此, 当 硅晶体在铝熔体中结晶时, 钠便立即被排除, 富集在硅晶体周围的液相中, 这样就阻止了 硅晶体的继续长大,使硅晶体细化。近年来在 Al-7～12Si 合金中加入 0. 2%～0. 05%锶, 不但细化效果显著,而且作用十分稳定,是一 种长效变质剂。 3　抗再结晶元素 大多数过渡族元素均能提高铝合金再结 晶温度( T再 ) , 是铝合金理想的抗再结晶元 素。这些元素分别加入铝中达到最大过饱和 时提高 T 再的大小见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1。 　　从表中可发现,按对铝合金 T 再提高的 　表 1　　添加过渡族元素对铝 再结晶温度( T 再)的影响 元素 最大过饱和浓度, % T 始再 最大增加,℃ T 终再 最大增加,℃ Zr 0. 30 105 240 T i 0. 45 5 180 Mo 0. 28 70 45 Nb 0. 40 35 35 Cr 0. 68 45 30 Mn 1. 53 30 25 V 0. 41 15 15 幅度从大到小依次顺序是: 锆、钛、钼、铌、铬、 锰和钒。其中锆提高 T 再最显著,可使 T 始再提 高 105℃, T 终再提高 240℃。在工业生产中经常 使用的抗再结晶元素为锆、钛、铬和锰, 其他 元素使用较少。钪是效果极佳的抗再结晶添 加剂, 可使铝合金的 T再提高到高于固相线, 加入 0. 1%～0. 3%的钪, 能使< 1mm 的铝 合金板( 85%变形)淬火或退火后仍保留全部 非再结晶组织。但由于金属钪价格昂贵,很少 应用。 过渡族元素能提高铝的 T 再主要取决于 从固溶体中析出的大量弥散金属间化合物粒 子的存在, 如: ScAl3、ZrAl3、TiAl3、CrAl7 和 MnAl 6等, 这些粒子能钉扎位错, 使位错运 动受阻,再结晶难以进行。由于过渡族元素在 铝中扩散速度小,在半连续铸造快速结晶时, 合金元素的散开扩散往往进行不完全, 产生 无扩散结晶,生成合金元素超过极限溶解度 的异常过饱和固溶体。这种异常过饱和固溶 体在随后的铸锭均匀化、热变形和热处理等 热操作过程中,产生分解,析出弥散粒子。很 显然,过渡族金属不充 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 出,继续保留在固 溶体中,对提高 T 再的作用甚小,只有充分析 出形成弥散的化合物粒子后, 才能有效发挥 提高 T 再的作用。同时对析出物的弥散程度 也有一定要求,析出物弥散细小, 且很稳定, 提高T 再最有效。当析出物较粗大,并产生聚 集长大时作用较小,有时甚至降低 T再。例如 ZrAl 3化合物弥散粒子大小为 10～60nm, 粒 子间距为 0. 3～1. 0Lm 时, 出现 T 再最大值。 当粒子粗大, 粒子间距增大到 1. 0～1. 5Lm 时,这些粗大粒子将成为再结晶核心,反而使 T 再下降。 4　改变时效行为的添加剂 加入微量元素对铝合金时效行为的影响 多种多样。铝合金时效时的组织变化分 G. P 区、共格中间相和非共格稳定相三个阶段,发 生时效组织变化的条件是淬火后的固溶体中 36　　 轻　合　金　加　工　技　术 1997, Vol. 25,№6 存在大量的过饱和溶质原子和过饱和空位。 微量元素锡、镉、铟和硅与空位结合能高, 能 有效捕捉空位, 减少空位浓度,抑制 G. P 区 形成,延缓时效进程,适用于生产铆钉线材的 长孕育期合金, 常用加入这些微量元素而获 得。银则相反,以它为主形成的化合物起核心 作用,作为 G. P 区核心, 促进 G. P 区形成, 成为中间相形成场所, 加快中间相析出,加速 时效进程,提高铝合金时效强化效果。微量元 素镉能加快 Al-Cu 合金时效速度,因为镉能 在 Al-Cu 合金的时效强化相 H相的界面富 集,降低其界面能,加快H相析出。锆、铬和钛 能细化晶粒和亚晶,保持大位错密度,使空位 易消灭,与锡、铟和硅的效果一样,抑制 G. P 区形成,延缓合金低温时效进程。但这些地方 正是高温时效时中间相成核的场所, 它们的 分布不均匀将引起中间相分布不均匀并粗大 化,有害于高温时效强化。因而加入锆、铬和 钛的合金,自然时效速度缓慢,人工时效效果 下降。加入微量银还能改变某些铝合金时效 相的性质和结构, 强化时效行为。Al-M g 合 金的 G. P 区是在室温以下形成的,所以在室 温时不能期待 G. P 区强化合金,同时中间相 生核也不均匀,强化效果极差。加银后则生成 析出相为 Mg 32 ( Al. Ag ) 49, 室温时 G. P 区和 高温时中间相均可形成,并起时效硬化作用, 使 Al-M g 合金成为可热处理强化铝合金。 5　熔体净化剂 铝熔体中常见夹杂有气体夹杂(主要为 氢气)、有害金属夹杂(主要为碱金属钠)和非 金属固体夹渣(主要为金属氧化物) ,铝熔体 的净化包括除气、除钠和除渣。熔体净化方法 很多, 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 研制了专门的设备、熔剂和工艺, 加入适当的微量元素,也是常被广泛采用的 铝熔体净化措施之一。 锆和稀土元素是铝熔体的良好除气剂, 这些元素与氢的亲合力特别大,能形成稳定 的氢化物,清除熔体中的氢。 铍可防止含镁铝合金中镁在熔铸时氧 化,这些合金中只要加入 0. 005%以下的铍, 就能有效抑制镁的氧化烧损, 减少熔体中的 氧化镁夹杂。在熔化温度下,铍能扩散至铝熔 体表面,生成致密的氧化膜,从而减少合金熔 体中镁的氧化。 钠是铝合金中的有害金属杂质, 钠在铝 中溶解度极小 ( < 0. 0025% ) , 熔点低 ( 97. 8℃)。合金中存在钠时,凝固过程中钠吸附在 枝晶表面或晶界上,热轧时产生钠脆。当合金 中有硅时,硅与钠生成 NaAlSi化合物,不产 生钠脆。但当合金中含镁时,镁夺取硅,产生 游离钠: AlNaSi+ 2M g→Mg2Si+ Na+ Al 即出现钠脆。合金中含镁量超过4%时, Na> 20ppm 即发生上述反应, 产生钠脆现象。高 镁铝合金中加入微量元素锑、铋和镓可消除 钠脆, LF12 合金中加入 > 6ppm 锑生成 Na3Sb 进入基体金属,去除了单质钠, 防止了 钠脆,若加入铋生成Na2Bi,有相同效果。LF6 合金中加入 0. 01%～0. 04%镓可使热塑性 提高两倍, 镓与钠形成 N a5Ga8 和 NaGa3, 它 们的熔点很高, 分别为 565℃和 497℃, 避免 了低熔点金属钠的危害。 6　赋与合金特殊性能的元素 有些微量元素的加入, 可赋与铝合金某 些特殊性能,满足特殊用途的需要。 原子反应堆或使用的核燃料中会放出热 中子。铝合金中加入镉和硼,可增加吸收热中 子能力, 成为核反应堆或核燃料的有效屏敝 材料。与此相反, 锆和钛等元素热中子吸收截 面很小, 铝中加入这些微量元素可制成反应 堆中包复核燃料的工艺管。 锡和铟增加铝的表面活性,使铝成为阴 极保护材料。 钕、铬、镉、钠、硼和钛可提高铝箔表面 ( 001) < 100> 织构含量,显著提高铝箔表面 (下转第 30页) 371997, Vol . 25, №6 轻　合　金　加　工　技　术 　　 　表 2 DX45NC电火花成型机加工上模工作带的参数 放电间隙 出口 Lm 入口 Lm 加工 速度 mm /m in 电极 损耗 % I P T on T o f f R cp S enx 加工 电压 V 加工 电流 A 14 19 13 4～6 1 5 1 0 3 25 2 上控制系统程序的输入,也只能以键盘输入 存于机床电脑中, 而没有转存接口,故其存贮 量受到限制,从而也限制了 CAM 的应用; 模 具设计未标准化, 而 CAM 是离不开标准化 的,由于挤压模具的外形尺寸厚度多种多样, 这给我们实现 CAM 带来许多困难。未标准 定型的加工件同样限制了 CAM 的应用。 5　结 束语 通过 CAM 的初步应用,给我们今后的 工作提供了经验, 同时也给我们日益完善的 模具制造工艺提供了良好的条件。 尽管我们 CAM 的应用只是单机控制, 但为我们实现电加工系统的群控打下了坚实 的基础, 对实现整个模具制造工艺的 CAM 提供了方便条件。 本文在邹静同志帮助下完成,深表谢意。 收稿日期: 1996- 11- 08 　　(上接第 37页) 腐蚀系数 K 值, 提高比电容, 使之成为高 K 值电容器铝箔。 在铝合金中加入微量铅、铋和锡,可使之 成为易切削合金。这些低熔点金属在合金中 被吸附在晶界上, 切削加工时,产生的热量使 局部晶界液化, 产生热脆性, 使切屑容易脆 断,提高合金切削性能,特别适用于要求切屑 分离性高的自动切削机床使用。 7　结 束语 控制微量元素的种类和数量,充分发挥 微量元素的作用, 是当前铝合金发展的方向。 它能净化熔体和细化晶粒, 改善合金可变形 性和焊接性能,提高再结晶温度,增加合金耐 热性、耐蚀性和强度, 改变时效形为, 延缓时 效进程, 提高合金淬透性, 增加时效强化效 果,改变合金电、化学性能, 制造各种高电导 材料、高 K 值电容器材料、高耐蚀材料和牺 牲阳极材料。 与主要组元不同, 微量元素加入量很少 对铝合金性能的影响却十分显著,应该花大 力气开发利用。然而在我国,微量元素在铝合 金中的应用还研究得很不充分。特别是像锆、 锶、钪和银等高效微量添加元素,由于资源昂 贵或添加工艺复杂等原因, 研究尚未进行或 刚刚开始。这些都需要我国从事铝合金研究 者进行长期不懈努力,争取在短时间内使微 量元素在铝合金中的应用研究赶上世界先进 水平。 (收稿日期: 1997- 02- 28) (上接第 43页) 1t 中频炉每筑一次炉用炉料 500kg , 5 人用 12h 筑完。改进前, 1个月筑 3次炉; 改 进后, 平均 25个月筑一次炉。筑炉材料 800 元/ t ,工人每个工时按厂内定价为 8元,一年 可节约: 〔500×0. 8+ 5×12×8〕×〔12×3 - 12 2. 5 〕= 27456(元) (洛阳铜加工厂机电设备修造公司齐春 艳、朱书宏供稿　邮编: 471003) (收稿日期: 1996- 11- 18) 30　　 轻　合　金　加　工　技　术 1997, Vol. 25,№6