铝合金元素作用知多少？

2021-03-27 07:48:54, 言午君羊珀金埃尔默企业管理（上海）有限公司

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金属铝（Al）以其独有的特性广泛应用于众多各领域，铝的大多数工业应用为铝合金，由Al与硅（Si）、铁（Fe）、铜（Cu）、镁（Mg）、锰（Mn）、钛（Ti）、锌（Zn）以及稀土元素等结合制成。与纯铝相比，铝合金的物理特性得到明显增强，如具有更好的强度，更优异的导电性和焊接性等；也可添加不同量的其它元素，得到具有特殊性质的铝合金。

铜元素

铜是重要的合金元素，铝铜合金中铜含量通常在2.5%~5%，起到固溶强化效果。铝铜合金中可以含有较少的硅、镁、锰、铬、锌、铁等元素。

硅元素

铝硅合金具有极好的铸造性能和抗蚀性。硅单独加入铝中只限于焊接材料，有一定的强化作用。若镁和硅同时加入铝中形成铝镁硅系合金，强化相为MgSi，具有更高的强度和刚度。为了进一步提高强度，加入适量铜，同时加入适量铬以抵消铜对抗蚀性的不利影响。

镁元素

工业用变形铝合金中，镁的含量小于6%，这类合金是不能热处理强化，但可焊性、抗蚀性较好，并有中等强度。

锰元素

锰是铝合金的重要元素，可以单独加入形成Al-Mn二元合金，更多的是和其它合金元素一同加入，因此大多铝合金中均含有锰。Al-Mn合金是不可热处理强化。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。MnAl₆晶体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。

锌元素

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。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。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。

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。

铬元素

铬是Al-Mg-Si系、Al-Mg-Zn系、Al-Mg系合金中常见的添加元素。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。

锶元素

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。在挤压用铝合金中加入锶元素，可以提高材料力学性能和塑性加工性，改善制品表面粗糙度；在高硅变形铝合金中锶元素，可使初晶减少至最低限度，力学性能也显著提高；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-Cu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。

稀土元素

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。

杂质元素

钒在铝合金中形成VAl₁₁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，可提高工业纯铝的导电性能；钙能改善铝合金切削性能。

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8μg/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，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。

铁和硅：铁和硅在Al-Cu-Mg-Ni-Fe系锻铝合金、Al-Mg-Si系锻铝、Al-Si系焊条及铝硅铸造合金中是作为添加元素的。在其它铝合金中，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。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。

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