談各（gè）種元素在鋁合金中（zhōng）的作用

1.合金元素影響

銅（tóng）元素 Cu

　　鋁銅合金富鋁部分（fèn）548時，銅在鋁中的最大溶解度為 5.65％，溫度降到302時，銅的溶解度為0.45％。銅是重要的合金元素，有一定（dìng）的固溶強化效果，此外（wài）時效析出的CuAl2有著明顯的時效強化（huà）效果。鋁合金（jīn）中銅含量（liàng）通常在2.5％-5％，銅含量在（zài）4％-6.8％時強化效果最好，所以大部分硬鋁合金的（de）含銅量處（chù）於這（zhè）範圍。

　　鋁銅合金中可以含有（yǒu）較少的矽、鎂、錳、鉻、鋅、鐵等元素（sù）。

矽元素 Si

　　Al-Si合金係（xì）富鋁部分在共晶（jīng）溫度577時，矽在固溶體中的最大溶解度為1.65％。盡管溶（róng）解度隨溫度降低而減少，這類合（hé）金一般是不能熱處理（lǐ）強化的。鋁矽合金具有極好（hǎo）的鑄造性能和（hé）抗蝕性。

　　若（ruò）鎂和矽同時加入鋁中形（xíng）成鋁鎂矽係合金，強化相為MgSi。鎂和（hé）矽的質量比（bǐ）為1.73:1。設計Al-Mg-Si係合金（jīn）成分時，基（jī）體上按此比例配置鎂和矽的含（hán）量。有的Al-Mg-Si合金，為了（le）提高強度，加入（rù）適量的銅，同時（shí）加入適量的鉻以抵消銅對抗蝕（shí）性的不利影響。

　　Al-Mg2Si合金係合（hé）金平衡相圖富鋁部分Mg2Si 在鋁中的最大溶解（jiě）度為1.85％，且隨溫度的降低而減速小。

　　變形鋁合金中（zhōng），矽單獨（dú）加入鋁中隻（zhī）限於焊接（jiē）材料，矽加入鋁中亦有一定的強化作用。

鎂元素 Mg

　　Al-Mg合（hé）金係平衡相圖富鋁部分盡管溶解度曲線（xiàn）表明，鎂在鋁中的溶解度隨溫度下降而大大地變（biàn）小，但是在大部分工業用變（biàn）形鋁合金中，鎂的含量均小於6％，而矽含量也低，這類合金是（shì）不能熱處（chù）理強化的，但是（shì）可焊性良好，抗蝕性也好（hǎo），並（bìng）有中等強度。

　　鎂對鋁（lǚ）的強化是明顯的，每增加1％鎂，抗（kàng）拉強度（dù）大約（yuē）升高瞻（zhān）遠（yuǎn）34MPa。如果加入1％以下的錳，可能補充強化作用。因此加錳後可降低鎂含量，同時可降低熱裂傾向，另（lìng）外錳（měng）還可以使Mg5Al8化合物均勻沉澱（diàn），改善抗蝕性和（hé）焊接（jiē）性能。

錳（měng）元素 Mn

　　Al-Mn合金係平平衡相圖部分在共晶溫度658時，錳（měng）在固溶體中的最（zuì）大溶解度為1.82％。合金強度隨（suí）溶解（jiě）度增加不斷增加，錳含（hán）量為0.8％時，延伸率達最大值。Al-Mn合金（jīn）是非時效硬化（huà）合金，即不可熱處（chù）理強化。

　　錳能阻止鋁（lǚ）合金的再結晶過程，提高再結晶溫度，並能顯著細化再結晶晶粒（lì）。再結（jié）晶晶粒的（de）細化主要是通過MnAl6化合物（wù）彌散質點對再結晶晶粒長大起阻礙作用。MnAl6的另一作用是能溶解雜質鐵，形成（Fe、Mn）Al6，減小鐵的有害影響。

　　錳是鋁合金的（de）重要元素，可以（yǐ）單獨加入形成（chéng）Al-Mn二元合金，更多的是和其它合金元素一同加入（rù），因此大多鋁合金中均含有（yǒu）錳。

鋅元素 Zn

　　Al-Zn合金係平衡相圖富鋁部分（fèn）275時鋅在鋁（lǚ）中的溶解度為31.6％，而（ér）在125時其溶解度則下降到5.6％。

　　鋅單獨加入（rù）鋁中，在變形條件下對鋁合金強度的提高十分有限，同時存在應力腐蝕開裂、傾向，因而限製了（le）它的應用。

　　在（zài）鋁中同時加（jiā）入鋅和（hé）鎂，形成強化相Mg/Zn2，對合金產生明顯的強化作用。Mg/Zn2含量從0.5％提高到12％時，可明顯增加抗拉強度和屈服強度。鎂的含量超過（guò）形成Mg/Zn2相所需超硬鋁合金中，鋅和鎂的（de）比（bǐ）例控（kòng）製（zhì）在2.7左右時，應力腐蝕開裂抗力最大。

　　如在Al-Zn-Mg基礎上加入銅元素，形成Al-Zn-Mg-Cu係合金，基強化效果在（zài）所有鋁合金中最大，也是航天、航空工業、電力工業上的重要的鋁合金材料。

2.微量元素的影響

鐵和（hé）矽 Fe-Si

　　鐵在（zài）Al-Cu-Mg-Ni-Fe係鍛（duàn）鋁合金中，矽在Al-Mg-Si係鍛鋁中和在Al-Si係焊條及鋁矽鑄造合（hé）金中（zhōng），均作為合金元素加的，在（zài）基它（tā）鋁合金中，矽和鐵是常見的雜質元素，對合金性（xìng）能有明顯的影響。它們主要以（yǐ）FeCl3和遊離矽存在。

　　在矽大於鐵時，形成（chéng）β-FeSiAl3（或Fe2Si2Al9）相，而鐵大於矽時，形成α-Fe2SiAl8（或Fe3Si2Al12）。當鐵和矽比例不當時，會引起鑄件產生裂紋，鑄鋁（lǚ）中鐵含（hán）量過高時會使鑄件產生脆性。

鈦和硼 Ti-B

　　鈦（tài）是鋁合金中常用的添加元素，以Al-Ti或Al-Ti-B中間（jiān）合金形式加入。鈦與鋁形成TiAl2相，成為結晶時的非自發（fā）核心（xīn），起細化鑄造組織和焊縫組織的作用（yòng）。Al-Ti係（xì）合金產生包反應時，鈦的（de）臨界（jiè）含量約為0.15％，如果有（yǒu）硼存在則減速小（xiǎo）到0.01％。

鉻 C

　　鉻在Al-Mg-Si係、Al-Mg-Zn係、Al-Mg係合金中常見的添加元素。600℃時，鉻在鋁中溶解度為0.8％，室溫時基本上不溶解。

　　鉻在鋁中形成（chéng）（CrFe）Al7和（CrMn）Al12等金（jīn）屬間化合物，阻礙（ài）再結晶的形核（hé）和長大過程，對合金有一定的強化作用，還（hái）能改善合金韌性和降低應力腐（fǔ）蝕開裂敏感性。但會場增加淬火敏感性，使陽極氧化膜呈黃色。

　　鉻在（zài）鋁合金中的添加量一般不超過0.35％，並隨合金中過渡元素的增加而降低。

鍶 Sr

　　鍶是（shì）表麵活性元素，在結晶學上鍶能改變金屬間化合物相的行為。因此用鍶元素（sù）進行變質處理能改（gǎi）善合金的塑性加（jiā）工性和最終產品質量。由於鍶（sī）的變質有效時（shí）間長、效果和再（zài）現性好等優點（diǎn），近年（nián）來在Al-Si鑄造合金中取代了（le）鈉的使用。

　　對擠壓用鋁合金中加入0.015％~0.03％鍶，使（shǐ）鑄錠中β-AlFeSi相變成漢字形α-AlFeSi相，減少了（le）鑄錠均勻化時間60％~70％，提高材料力學性能和塑性加工性（xìng）；改善製品表麵（miàn）粗糙度。

　　對於高矽（10％~13％）變形鋁合金中加入0.02％~0.07％鍶元素，可使初晶減少至最低限度，力學性能也顯著（zhe）提高，抗拉強度бb由233MPa提高到236MPa，屈（qū）服強度б0.2由204MPa提高到（dào）210MPa，延伸率б5由9％增至12％。在過共晶Al-Si合金中加入鍶，能減小初晶矽（guī）粒子尺寸，改（gǎi）善塑性加（jiā）工性能，可順利地熱軋和冷軋。

鋯元素 Zr

　　鋯也是鋁合金的常用添加劑。一般在鋁合金（jīn）中加入量為0.1％~0.3％，鋯和鋁形成ZrAl3化合物，可阻礙再結晶過程，細（xì）化再結晶晶粒。鋯亦（yì）能細化鑄造組（zǔ）織，但比鈦的效果小。有鋯存在時，會降低鈦和硼細化晶粒的效果。在Al-Zn-Mg-Cu係合金（jīn）中（zhōng），由於鋯對淬火敏感（gǎn）性的影響比鉻和（hé）錳的小，因此宜用鋯來代替鉻和錳細化再結晶組織。

稀土元（yuán）素 Re

　　稀土元素加入鋁合金中，使鋁合金（jīn）熔（róng）鑄時增加（jiā）成分過冷，細化晶粒（lì），減少二次晶間距，減少合金中的氣體和夾（jiá）雜，並使夾雜相趨於球化。還可降低熔體表麵張力，增加流動性，有利於澆注成（chéng）錠，對工藝（yì）性能有著明顯的影響（xiǎng）。各種稀土加入量約（yuē）為0.1％at％為好。混合稀土（La-Ce-Pr-Nd等（děng）混合）的添加（jiā），使Al-0.65％Mg-0.61％Si合（hé）金時效G?P區形成的臨界溫度降低。含鎂的（de）鋁合金（jīn），能激發（fā）稀土元素的變質作用。

3.雜質元素的影響

　　釩在鋁合（hé）金中形成VAl11難熔化合物，在熔鑄過程中起（qǐ）細化晶粒作用，但比鈦和鋯的作用小。釩也有細化再（zài）結晶組織、提高再結晶溫度的作用。

　　鈣在鋁合金中固溶度極（jí）低（dī），與鋁形成CaAl4化合物，鈣又是鋁合金的超（chāo）塑性元素，大約5％鈣和5％錳的鋁合金具有超塑性（xìng）。鈣和矽形（xíng）成CaSi，不溶於鋁，由於減小了矽的固溶量，可稍微提高（gāo）工業純鋁的導電性能。鈣（gài）能改（gǎi）善鋁合金切削（xuē）性能。CaSi2不能使鋁（lǚ）合金熱處理強化。微量鈣有利於（yú）去除鋁（lǚ）液中的氫

　　鉛、錫、鉍元素是低熔點金屬，它們在鋁中固溶度不大（dà），略降低合金強度，但能（néng）改（gǎi）善切削性能。鉍在凝固過程中膨（péng）脹，對補縮有利（lì）。高鎂合金中加入鉍可防（fáng）止鈉脆。

　　銻主要用作鑄造鋁合金中的變質劑，變形（xíng）鋁合金很少使（shǐ）用。僅在Al-Mg變形鋁合金中代替鉍防止鈉脆。銻元素加入某些Al-Zn-Mg-Cu係合金中，改善熱壓與冷壓工（gōng）藝性能。

　　鈹在變形鋁合金（jīn）中可改善氧化膜的結構，減少熔鑄時的燒損（sǔn）和夾雜。鈹是有（yǒu）毒元素，能使人產生過敏（mǐn）性中毒。因此，接觸食品和飲料的鋁合金中（zhōng）不能含有鈹。焊接材料中的鈹含量通常控製在8μg/ml以下。用作焊接基體的鋁合金也應控製鈹的含量。

　　鈉在鋁中幾乎不溶解，最大固溶度小於0.0025％，鈉的熔點低（97.8℃）,合金中存在鈉時，在（zài）凝固過程中吸附在枝晶表麵或晶界，熱加工時，晶界上的鈉形成液態吸附層，產生脆性（xìng）開裂時（shí），形成NaAlSi化合物，無遊離鈉存在，不產生“鈉脆”。

　　當鎂含量超2％時，鎂奪取（qǔ）矽，析出遊離鈉（nà），產生“鈉脆”。因此高鎂（měi）鋁合金不允許使用（yòng）鈉鹽熔劑。防止“鈉（nà）脆”的方法有氯化法，使鈉形成NaCl排入渣中，加鉍使之生成Na2Bi進入金屬（shǔ）基體；加銻生成Na3Sb或加入稀土亦可起到相同的作（zuò）用。