常见微量合金元素对铝合金性能的影响

常见微量合金元素对铝合金性能的影响
作者：郭新汝
来源：《中国化工贸易·下旬刊》2019年第06期
摘要：铝合金在工业中应用广泛，特别是在航空航天、汽车、机械、船舶等工业中有大量应用。

但纯铝的力学、腐蚀性能不高，不适宜制作结构零件。

为了提高其性能会加入一些合金元素制成合金，以提高其力学、腐蚀性能等。

关键词：铝合金;微量元素;性能
1 铝合金材料分类
按照加工方法，铝合金可分为形变铝合金和铸造铝合金。

形变铝合金能加工成各种形态和规格的铝合金材，主要应用于航空、建筑等。

其又包括不可热处理强化型和可热处理强化型两种。

铸造铝合金按化学成分可分为Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn和Al-稀土合金等。

2 分类及对应牌号组成
铝合金分为1系～9系，主要成分特点及性能如下：
高纯铝：Al≥99.8%。

具有变形抗力低、电导率高、塑形好等特点。

1系：纯铝，Al≥99.00%。

具有较好的导电性、耐腐蚀性、焊接性，强度低，不可熱处理强化;
2系：铜为主要合金元素。

强度高，2014合金可以热处理强化，但晶间腐蚀严重;
3系：锰为主要合金元素。

不可热处理强化，但具有较好的耐腐蚀性、焊接性、塑性。

虽然强度低，但可以进行冷加工硬化以加强强度;
4系：硅为主要合金元素。

部分可热处理强化，但也有部分不可热处理强化;
5系：镁为主要合金元素。

具有较好的焊接性能和疲劳强度，只能通过冷加工来提高强度;
6系：镁硅为主要合金元素并且以Mg2Si为主要强化相。

强度中等，耐腐蚀性、焊接性和工艺性能好，氧化着色性能好;
7系：锌为主要合金元素。

挤压速度较6系慢，焊接性能好;
8系：其他合金元素;
9系：备用合金。

3 铝合金材料系列牌号的检测方法
①GB/T 20975系列铝及铝合金化学分析方法;②GB/T 7999 铝及铝合金光电直读光谱分析法;③ASTM E 1251 Standard Test Method for Analysis of Aluminum and Aluminum Alloys by Spark Atomic Emission Spectrometry;④ASTM E 3061 Standard Test Method for Analysis of Aluminum and Aluminum Alloys by Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry。

4 各元素的强化方式
铝合金中常加入的合金元素有Cu、Mg、Cr、Zn、Si、Mn、Ni、Co、Ti、Sr以及稀土元素等。

这些合金元素的加入可以通过固溶强化、时效强化、过剩项强化、细化组织强化、冷变形强化等方式对铝进行强化。

4.1 Cu和Ni
固溶铜（Cu）及杂质铜可提高铝合金机械性能、切削性。

但会降低耐腐蚀性，易发生热间裂痕。

镍（Ni）和铜（Cu）一样，可以增加抗拉强度以及硬度、改善材料的高温强度耐热性，但会降低耐蚀性和热导性。

4.2 Mn
锰（Mn）能提高含铜、硅合金的高温强度。

但过量时会形成硬点、降低导热性。

能阻止铝合金的再结晶、提高再结晶温度、细化再结晶晶粒。

4.3 Si和Fe
硅（Si）能改善铝合金流动性，但结晶析出的硅容易形成硬点、降低材料切削性。

硅可提高材料的抗拉硬度、强度、切削性及高温时的强度、降低延伸率。

杂质铁（Fe）含量小于0.7%有不易脱模的现象;含铁（Fe）0.8～1.0%使合金好压铸;含铁量较大时，会形成硬点;含铁量大于1.2%时，使合金流动性降低。

当硅和铁以杂质元素添加时，主要以游离硅和FeCl3的形式存在，可明显影响铝合金的性能。

但若比例不当，则会引起铸件裂纹，铸铝中铁过高会使铸件产生脆性。

4.4 Mg
铝镁合金的耐腐蚀性最好，但有热脆性，铸件易裂而难铸造。

杂质镁（Mg），如Mg2Si 会使铸件变脆，所以镁含量标准一般在0.3%以内。

4.5 Zn
杂质锌（Zn）会使材料高温脆性大，但HgZn2会明显的使合金强化，使铸件易有裂纹。

4.6 Cr
铬（Cr）可使合金一定程度的强化，并可提高合金韧性、降低应力腐蚀开裂敏感性，但会增加淬火敏感性。

4.7 Ti和B
合金中的微量钛（Ti）即可提高机械性能，降低电导率。

钛可以与铝形成TiAl2，可细化铸造组织及焊缝组织。

当Al-Ti合金产生包晶反应时，其临界含量约为0.15%，但若有硼（B）可以减少。

4.8 Sr
锶（Sr）是表面活性元素，可使金属间化合物相的行为发生改变，可改善合金的塑性加工性并影响产品的最终质量。

4.9 Zr
铝合金中加入0.1%-0.3%锆（Zr），可形成ZrAl3，阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒。

锆还能使铸造组织细化。

4.10 稀土元素
稀土元素可使晶粒细化、二次晶间间距减少、气体和夹杂减少并使夹杂相趋于球化。

还可降低熔体表面张力、增加流动性、易浇注成锭。