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详述各系铝合金特点、各合金及杂质元素对合金所起的作用及影响(一)

中南轻金属2021-09-04 10:55:43

1×××铝合金


1×××系铝合金属于工业纯铝,具有密度小、导电性好、导热性高、熔解潜热大、光反射系数大、热中子吸收界面积较小以及外表色泽美观等特性。


铝在空气中其表面能形成致密而坚固的氧化膜,阻止氧的侵入,因而具有较好的抗腐蚀性。


1×××系铝合金用热处理方法不能达到强化效果,只能采用冷作硬化方法来提高强度,因此强度较低。


微量元素在1×××系铝合金中的作用


1×××系铝合金中的主要杂质是Fe和Si,其次是Cu、Mg、Zn、Mn、Cr、Ti、B等以及一些稀土元素,这些微量元素在部分1×××系铝合金中还起合金化的作用,并且对合金的组织和性能均有一定的影响。


  • Fe:Fe与Al可以生成FeAl3,Fe和Si与Al可以生成三元化合物α(Al、Fe、Si)和β(Al、Fe、Si),它们是1×××系铝合金中的主要相,性硬而脆,对力学性能影响较大,一般是使强度略有提高,而塑性降低,并可以提高再结晶温度。

  • Si:Si与Fe是铝中的共存元素。当硅过剩时,以游离硅状态存在,性硬而脆,使合金强度略有提高,而塑性降低,并对高纯铝的二次再结晶晶粒度有明显影响。

  • Cu:Cu在1×××系铝合金中主要以固溶状态存在,对合金的强度和再结晶温度都有影响。

  • Mg:Mg在1×××系铝合金中可以是添加元素,并主要以固溶状态存在,其作用是提高强度,对再结晶温度的影响较小。

  • Mn、Cr:Mn、Cr可以明显提高再结晶温度,但细化晶粒的作用不大。

  • Ti、B:Ti、B是1×××系铝合金的主要变质元素,既可以细化铸锭晶粒,又可以提高再结晶温度并细化晶粒。但钛对再结晶温度的影响与Fe和Si的含量有关,当含有铁时,其影响非常显著;若含有少量的硅时,其作用减小;但当硅含量达到0.48%(质量分数)时,钛又可以使再结晶温度显著提高。


添加元素和杂质对1×××系铝合金的电学性能影响较大,一般均使导电性能降低,其中Ni、Cu、Fe、Zn、Si降低较少,而V、Cr、Mn、Ti则降低较多。此外,杂质的存在破坏了铝表面形成氧化膜的连续性,使铝的抗蚀性降低。





3×××系铝合金


3×××系铝合金是以锰为主要合金元素的铝合金,属于热处理不可强化铝合金。


3×××系铝合金塑性高,焊接性能好,强度比1×××系铝合金高,而耐蚀性能与1×××系铝合金相近,是一种耐腐蚀性能良好的重点能强度铝合金,用途广,用量大。


合金元素和杂志元素在3×××系铝合金中的作用


  • Mn:Mn是3×××系铝合金中唯一的主元素,其含量一般在1.0%~1.6%范围内,合金的强度、塑性和工艺性能良好,Mn与Al可以生成MnAl6相。合金的强度随Mn含量的增加而提高,当Mn含量高于1.6%时,合金强度随之提高,但由于形成大量脆性化合物MnAl6,合金变形时容易开裂。随着Mn含量的增加,合金的再结晶温度相应地提高。该系合金由于具有很大的过冷能力,因此在快速冷却结晶时,产生很大的晶内偏析,Mn的浓度在枝晶的中心部位低,而在边缘部位高,当冷加工产品存在明显的Mn偏析时,在退火后容易形成粗大晶粒。

  • Fe:Fe能溶于MnAl6中形成(FeMn)Al6化合物,从而降低Mn在Al中的溶解度。在合金中加入0.4%~0.7%Fe,但Fe+Mn要保证不大于1.85%,可以有效的细化板材退火后的晶粒,否则,形成大量的粗大片状(FeMn)Al6化合物,会显著降低合金的力学性能和工艺性能。

  • Si:Si是有害杂质。Si与Mn形成复杂三元T(Al12Fe3Si2)或β(Al9Fe2Si2)相,破坏了Fe的有利影响。故合金中的Si应控制在0.6%一下。Si也能降低Mn在Al中的溶解度,而且比Fe的影响大。Fe和Si可以加速Mn在热变形时从过饱和固体溶液中的分解过程,也可以提高一些力学性能。

  • Mg:少量的Mg(约为0.3%)能显著的细化该系合金退火后的晶粒,并稍许提高其抗拉强度。但同时也损害了退火材料的表面光泽。Mg也可以是Al-Mg合金中的合金化元素,添加0.3%~1.3%Mg,合金强度提高,伸长率(退火状态)降低,因此发展出Al-Mg-Mn系合金。

  • Cu:合金中含有0.05%~0.5%Cu,可以显著提高其抗拉强度。但含有少量的铜(0.1%),便能使合金的耐蚀性能降低,故合金中Cu含量应控制在0.2%以下。

  • Zn:Zn含量低于0.5%时,对合金的力学性能和耐蚀性能无明显影响,考虑到合金的焊接性能,Zn的含量限制在0.2%以下。






4×××系铝合金


4×××系铝合金是以硅为主要合金元素的铝合金,其大多数合金属于热处理不可强化铝合金,只有含Cu、Mg和Ni的合金,以及焊接热处理强化合金后吸取了某些元素时,才可以通过热处理强化。


该系合金由于含硅量高,熔点低,熔体流动性好,容易补缩,并且不会使最终产品产生脆性,因此主要用于制造铝合金焊接的添加材料,如钎焊板、焊条和焊丝等。另外,由于一些该系合金的耐磨性能和高温性能好,也被用来制造活塞及耐热零件。含硅5%左右的合金,经阳极氧化上色后呈黑灰色,因此适宜做建筑材料以及制造装饰件。


合金元素和杂质元素在4×××系铝合金中的作用


  • Si:Si是该系合金中的主要合金成分,含量最低为4.5%,最高可达到14.5%。Si在合金中主要以α+Si共晶体和β(Al3FeSi)形式存在,Si含量增加,其共晶体增加,合金熔体的流动性增加,同时合金的强度和耐磨性也随之提高。

  • Ni和Fe:Ni和Fe可以形成不溶于铝和金属间化合物,能提高合金的高温强度和硬度,而又不降低其线型膨胀系数。

  • Cu和Mg:Cu和Mg可以生成Mg2Si、CuAl2和S相,提高合金的强度。

  • Cr和Ti:Cr和Ti可以细化晶粒,改善合金的气密性。







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