Rame
Quando la parte ricca di alluminio della lega alluminio-rame è 548, la massima solubilità del rame nell'alluminio è del 5,65%. Quando la temperatura scende a 302, la solubilità del rame è dello 0,45%. Il rame è un importante elemento di lega e ha un certo effetto di rafforzamento in soluzione solida. Inoltre, il CuAl₂ precipitato dall'invecchiamento ha un evidente effetto di rafforzamento. Il contenuto di rame nelle leghe di alluminio è solitamente compreso tra il 2,5% e il 5% e l'effetto di rafforzamento è migliore quando il contenuto di rame è compreso tra il 4% e il 6,8%, quindi il contenuto di rame della maggior parte delle leghe di duralluminio rientra in questo intervallo. Le leghe alluminio-rame possono contenere meno silicio, magnesio, manganese, cromo, zinco, ferro e altri elementi.
Silicio
Quando la parte ricca di alluminio del sistema di lega Al-Si ha una temperatura eutettica di 577 °C, la solubilità massima del silicio nella soluzione solida è dell'1,65%. Sebbene la solubilità diminuisca con il diminuire della temperatura, queste leghe generalmente non possono essere rinforzate mediante trattamento termico. La lega alluminio-silicio ha eccellenti proprietà di fusione e resistenza alla corrosione. Se magnesio e silicio vengono aggiunti contemporaneamente all'alluminio per formare una lega alluminio-magnesio-silicio, la fase di rinforzo è MgSi. Il rapporto in massa tra magnesio e silicio è di 1,73:1. Quando si progetta la composizione della lega Al-Mg-Si, il contenuto di magnesio e silicio viene configurato in questo rapporto sulla matrice. Per migliorare la resistenza di alcune leghe Al-Mg-Si, viene aggiunta una quantità appropriata di rame e una quantità appropriata di cromo per compensare gli effetti negativi del rame sulla resistenza alla corrosione.
La massima solubilità di Mg₂Si nell'alluminio nella parte ricca di alluminio del diagramma di fase di equilibrio del sistema di leghe Al-Mg₂Si è dell'1,85% e la decelerazione è minima al diminuire della temperatura. Nelle leghe di alluminio deformabili, l'aggiunta di solo silicio all'alluminio è limitata ai materiali di saldatura e l'aggiunta di silicio all'alluminio ha anche un certo effetto rinforzante.
Magnesio
Sebbene la curva di solubilità mostri che la solubilità del magnesio nell'alluminio diminuisce notevolmente al diminuire della temperatura, il contenuto di magnesio nella maggior parte delle leghe di alluminio deformate a livello industriale è inferiore al 6%. Anche il contenuto di silicio è basso. Questo tipo di lega non può essere rinforzato mediante trattamento termico, ma presenta una buona saldabilità, una buona resistenza alla corrosione e una resistenza media. Il rinforzo dell'alluminio con il magnesio è evidente. Per ogni aumento dell'1% di magnesio, la resistenza alla trazione aumenta di circa 34 MPa. Aggiungendo meno dell'1% di manganese, l'effetto rinforzante può essere potenziato. Pertanto, l'aggiunta di manganese può ridurre il contenuto di magnesio e la tendenza alla criccatura a caldo. Inoltre, il manganese può anche precipitare uniformemente i composti di Mg5Al8, migliorando la resistenza alla corrosione e le prestazioni di saldatura.
Manganese
Quando la temperatura eutettica del diagramma di fase di equilibrio piatto del sistema di lega Al-Mn è 658, la massima solubilità del manganese in soluzione solida è dell'1,82%. La resistenza della lega aumenta con l'aumentare della solubilità. Quando il contenuto di manganese è dello 0,8%, l'allungamento raggiunge il valore massimo. La lega Al-Mn è una lega non indurente per invecchiamento, ovvero non può essere rinforzata mediante trattamento termico. Il manganese può impedire il processo di ricristallizzazione delle leghe di alluminio, aumentare la temperatura di ricristallizzazione e raffinare significativamente i grani ricristallizzati. La raffinazione dei grani ricristallizzati è dovuta principalmente al fatto che le particelle disperse di composti di MnAl6 ostacolano la crescita dei grani ricristallizzati. Un'altra funzione di MnAl6 è quella di dissolvere le impurità di ferro per formare (Fe, Mn)Al6, riducendo gli effetti nocivi del ferro. Il manganese è un elemento importante nelle leghe di alluminio. Può essere aggiunto da solo per formare una lega binaria Al-Mn. Più spesso, viene aggiunto insieme ad altri elementi di lega. Pertanto, la maggior parte delle leghe di alluminio contiene manganese.
Zinco
La solubilità dello zinco nell'alluminio è del 31,6% a 275°C nella parte ricca di alluminio del diagramma di fase di equilibrio del sistema di lega Al-Zn, mentre la sua solubilità scende al 5,6% a 125°C. L'aggiunta di solo zinco all'alluminio comporta un miglioramento molto limitato della resistenza della lega di alluminio in condizioni di deformazione. Allo stesso tempo, vi è una tendenza alla criccatura da corrosione sotto sforzo, che ne limita quindi l'applicazione. L'aggiunta contemporanea di zinco e magnesio all'alluminio forma la fase rinforzante Mg/Zn₂, che ha un significativo effetto rinforzante sulla lega. Aumentando il contenuto di Mg/Zn₂ dallo 0,5% al 12%, è possibile aumentare significativamente la resistenza a trazione e lo snervamento. Nelle leghe di alluminio superdure, in cui il contenuto di magnesio supera la quantità necessaria per formare la fase Mg/Zn₂, quando il rapporto zinco/magnesio è mantenuto a circa 2,7, la resistenza alla criccatura da corrosione sotto sforzo è massima. Ad esempio, l'aggiunta di rame ad Al-Zn-Mg forma una lega della serie Al-Zn-Mg-Cu. L'effetto di rinforzo della base è il maggiore tra tutte le leghe di alluminio. È anche un importante materiale in lega di alluminio per l'industria aerospaziale, aeronautica e dell'energia elettrica.
Ferro e silicio
Il ferro viene aggiunto come elemento di lega nelle leghe di alluminio per lavorazione plastica della serie Al-Cu-Mg-Ni-Fe, mentre il silicio viene aggiunto come elemento di lega nell'alluminio per lavorazione plastica della serie Al-Mg-Si e nelle bacchette di saldatura della serie Al-Si e nelle leghe di fusione alluminio-silicio. Nelle leghe di alluminio di base, il silicio e il ferro sono impurità comuni, che hanno un impatto significativo sulle proprietà della lega. Sono presenti principalmente come FeCl3 e silicio libero. Quando il silicio è più grande del ferro, si forma la fase β-FeSiAl3 (o Fe2Si2Al9), mentre quando il ferro è più grande del silicio, si forma la fase α-Fe2SiAl8 (o Fe3Si2Al12). Un rapporto ferro-silicio inadeguato causa la formazione di crepe nel getto. Un contenuto di ferro troppo elevato nell'alluminio fuso rende il getto fragile.
Titanio e boro
Il titanio è un elemento additivo comunemente utilizzato nelle leghe di alluminio, aggiunto sotto forma di lega madre Al-Ti o Al-Ti-B. Titanio e alluminio formano la fase TiAl₂, che forma un nucleo non spontaneo durante la cristallizzazione e contribuisce all'affinamento della struttura del getto e della saldatura. Quando le leghe Al-Ti subiscono una reazione di impacchettamento, il contenuto critico di titanio è di circa lo 0,15%. In presenza di boro, il rallentamento è pari solo allo 0,01%.
Cromo
Il cromo è un elemento additivo comune nelle leghe Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn e Al-Mg. A 600 °C, la solubilità del cromo nell'alluminio è dello 0,8%, ed è praticamente insolubile a temperatura ambiente. Il cromo forma composti intermetallici come (CrFe)Al7 e (CrMn)Al12 nell'alluminio, che ostacolano il processo di nucleazione e crescita della ricristallizzazione e hanno un certo effetto rinforzante sulla lega. Può anche migliorare la tenacità della lega e ridurre la suscettibilità alla criccabilità da corrosione sotto sforzo.
Tuttavia, il sito aumenta la sensibilità alla tempra, rendendo il film anodizzato giallo. La quantità di cromo aggiunta alle leghe di alluminio generalmente non supera lo 0,35% e diminuisce con l'aumento degli elementi di transizione nella lega.
Stronzio
Lo stronzio è un elemento tensioattivo in grado di modificare il comportamento cristallografico delle fasi dei composti intermetallici. Pertanto, il trattamento di modifica con stronzio può migliorare la lavorabilità plastica della lega e la qualità del prodotto finale. Grazie al suo lungo tempo di modificazione, al buon effetto e alla riproducibilità, lo stronzio ha sostituito l'uso del sodio nelle leghe di fusione Al-Si negli ultimi anni. L'aggiunta di stronzio dallo 0,015% allo 0,03% alla lega di alluminio per estrusione trasforma la fase β-AlFeSi nel lingotto in fase α-AlFeSi, riducendo il tempo di omogeneizzazione del lingotto del 60%-70%, migliorando le proprietà meccaniche e la lavorabilità plastica dei materiali e migliorando la rugosità superficiale dei prodotti.
Per le leghe di alluminio deformate ad alto contenuto di silicio (10%~13%), l'aggiunta di stronzio (0,02%~0,07%) può ridurre al minimo i cristalli primari e migliorare significativamente anche le proprietà meccaniche. La resistenza a trazione αb è aumentata da 233 MPa a 236 MPa, il limite di snervamento α0,2 è aumentato da 204 MPa a 210 MPa e l'allungamento α5 è aumentato dal 9% al 12%. L'aggiunta di stronzio alla lega ipereutettica Al-Si può ridurre le dimensioni delle particelle di silicio primario, migliorare le proprietà di lavorazione della plastica e consentire una laminazione a caldo e a freddo fluida.
Zirconio
Lo zirconio è anche un additivo comune nelle leghe di alluminio. Generalmente, la quantità aggiunta alle leghe di alluminio è compresa tra lo 0,1% e lo 0,3%. Zirconio e alluminio formano composti ZrAl3, che possono ostacolare il processo di ricristallizzazione e affinare i grani ricristallizzati. Lo zirconio può anche affinare la struttura del getto, ma l'effetto è inferiore a quello del titanio. La presenza di zirconio riduce l'effetto di affinatura del grano di titanio e boro. Nelle leghe Al-Zn-Mg-Cu, poiché lo zirconio ha un effetto minore sulla sensibilità alla tempra rispetto a cromo e manganese, è opportuno utilizzare lo zirconio al posto di cromo e manganese per affinare la struttura ricristallizzata.
Elementi delle terre rare
Gli elementi delle terre rare vengono aggiunti alle leghe di alluminio per aumentare il sottoraffreddamento dei componenti durante la fusione, raffinare i grani, ridurre la spaziatura dei cristalli secondari, ridurre i gas e le inclusioni nella lega e tendere a sferoidizzare la fase di inclusione. Possono anche ridurre la tensione superficiale del fuso, aumentare la fluidità e facilitare la fusione in lingotti, con un impatto significativo sulle prestazioni del processo. È preferibile aggiungere diverse terre rare in una quantità di circa lo 0,1%. L'aggiunta di terre rare miste (miscela di La-Ce-Pr-Nd, ecc.) riduce la temperatura critica per la formazione della zona di invecchiamento G₂P nella lega Al-0,65%Mg-0,61%Si. Le leghe di alluminio contenenti magnesio possono stimolare il metamorfismo degli elementi delle terre rare.
Impurità
Il vanadio forma il composto refrattario VAl11 nelle leghe di alluminio, che svolge un ruolo nella raffinazione dei grani durante il processo di fusione e colata, ma il suo ruolo è minore rispetto a quello del titanio e dello zirconio. Il vanadio ha anche l'effetto di raffinare la struttura ricristallizzata e aumentare la temperatura di ricristallizzazione.
La solubilità solida del calcio nelle leghe di alluminio è estremamente bassa e forma un composto CaAl4 con l'alluminio. Il calcio è un elemento superplastico delle leghe di alluminio. Una lega di alluminio con circa il 5% di calcio e il 5% di manganese presenta superplasticità. Calcio e silicio formano CaSi, che è insolubile in alluminio. Poiché la quantità di silicio in soluzione solida è ridotta, la conduttività elettrica dell'alluminio puro industriale può essere leggermente migliorata. Il calcio può migliorare le prestazioni di taglio delle leghe di alluminio. CaSi2 non può rinforzare le leghe di alluminio tramite trattamento termico. Tracce di calcio sono utili per rimuovere l'idrogeno dall'alluminio fuso.
Piombo, stagno e bismuto sono metalli a basso punto di fusione. La loro solubilità solida nell'alluminio è bassa, il che riduce leggermente la resistenza della lega, ma può migliorarne le prestazioni di taglio. Il bismuto si espande durante la solidificazione, il che è vantaggioso per l'alimentazione. L'aggiunta di bismuto alle leghe ad alto contenuto di magnesio può prevenire l'infragilimento da sodio.
L'antimonio è utilizzato principalmente come modificatore nelle leghe di alluminio fuse, ma raramente nelle leghe di alluminio deformate. Il bismuto va sostituito solo nelle leghe di alluminio deformate Al-Mg per prevenire l'infragilimento da sodio. L'antimonio viene aggiunto ad alcune leghe Al-Zn-Mg-Cu per migliorare le prestazioni dei processi di stampaggio a caldo e a freddo.
Il berillio può migliorare la struttura del film di ossido nelle leghe di alluminio deformate e ridurre le perdite per combustione e le inclusioni durante la fusione e la colata. Il berillio è un elemento tossico che può causare avvelenamento allergico negli esseri umani. Pertanto, il berillio non può essere contenuto nelle leghe di alluminio a contatto con alimenti e bevande. Il contenuto di berillio nei materiali di saldatura è generalmente controllato al di sotto di 8 μg/ml. Anche le leghe di alluminio utilizzate come substrati di saldatura dovrebbero tenere sotto controllo il contenuto di berillio.
Il sodio è quasi insolubile nell'alluminio e la massima solubilità solida è inferiore allo 0,0025%. Il punto di fusione del sodio è basso (97,8 °C), quando il sodio è presente nella lega, viene adsorbito sulla superficie dei dendriti o sul bordo del grano durante la solidificazione, durante la lavorazione a caldo, il sodio sul bordo del grano forma uno strato di adsorbimento liquido, con conseguente formazione di crepe fragili, formazione di composti NaAlSi, non esiste sodio libero e non produce "fragilità al sodio".
Quando il contenuto di magnesio supera il 2%, il magnesio asporta il silicio e precipita il sodio libero, causando la "fragilità da sodio". Pertanto, nelle leghe di alluminio ad alto contenuto di magnesio non è consentito l'uso di fondenti di sali di sodio. I metodi per prevenire la "fragilità da sodio" includono la clorazione, che induce il sodio a formare NaCl e viene scaricato nelle scorie, l'aggiunta di bismuto per formare Na₂Bi e il suo ingresso nella matrice metallica; anche l'aggiunta di antimonio per formare Na₂Sb o l'aggiunta di terre rare possono avere lo stesso effetto.
A cura di May Jiang di MAT Aluminum
Data di pubblicazione: 08-08-2024
