บทบาทของธาตุต่างๆในโลหะผสมอะลูมิเนียม

ทองแดง

เมื่อส่วนที่อุดมไปด้วยอลูมิเนียมของโลหะผสมอลูมิเนียม-ทองแดงคือ 548 ความสามารถในการละลายสูงสุดของทองแดงในอลูมิเนียมคือ 5.65% เมื่ออุณหภูมิลดลงถึง 302 ความสามารถในการละลายของทองแดงคือ 0.45% ทองแดงเป็นองค์ประกอบโลหะผสมที่สำคัญและมีผลในการเสริมความแข็งแรงด้วยสารละลายของแข็งในระดับหนึ่ง นอกจากนี้ CuAl2 ที่ตกตะกอนโดยการบ่มยังมีผลในการเสริมความแข็งแรงด้วยการบ่มที่ชัดเจน ปริมาณทองแดงในโลหะผสมอลูมิเนียมโดยปกติจะอยู่ระหว่าง 2.5% ถึง 5% และผลการเสริมความแข็งแรงจะดีที่สุดเมื่อมีปริมาณทองแดงอยู่ระหว่าง 4% ถึง 6.8% ดังนั้นปริมาณทองแดงของโลหะผสมดูราลูมินส่วนใหญ่จึงอยู่ในช่วงนี้ โลหะผสมอลูมิเนียม-ทองแดงอาจมีซิลิกอน แมกนีเซียม แมงกานีส โครเมียม สังกะสี เหล็ก และธาตุอื่นๆ น้อยลง

ซิลิคอน

เมื่อส่วนที่มีอะลูมิเนียมสูงในระบบโลหะผสม Al-Si มีอุณหภูมิยูเทกติก 577 ความสามารถในการละลายสูงสุดของซิลิกอนในสารละลายของแข็งคือ 1.65% แม้ว่าความสามารถในการละลายจะลดลงเมื่ออุณหภูมิลดลง แต่โดยทั่วไปแล้วโลหะผสมเหล่านี้ไม่สามารถเสริมความแข็งแรงได้โดยการอบด้วยความร้อน โลหะผสมอลูมิเนียม-ซิลิกอนมีคุณสมบัติในการหล่อที่ยอดเยี่ยมและทนต่อการกัดกร่อน หากเติมแมกนีเซียมและซิลิกอนลงในอลูมิเนียมในเวลาเดียวกันเพื่อสร้างโลหะผสมอลูมิเนียม-แมกนีเซียม-ซิลิกอน เฟสการเสริมความแข็งแรงจะเป็น MgSi อัตราส่วนมวลของแมกนีเซียมต่อซิลิกอนคือ 1.73:1 เมื่อออกแบบองค์ประกอบของโลหะผสม Al-Mg-Si เนื้อหาของแมกนีเซียมและซิลิกอนจะถูกกำหนดค่าในอัตราส่วนนี้บนเมทริกซ์ เพื่อปรับปรุงความแข็งแรงของโลหะผสม Al-Mg-Si บางชนิด จึงเติมทองแดงในปริมาณที่เหมาะสมและเติมโครเมียมในปริมาณที่เหมาะสมเพื่อชดเชยผลกระทบเชิงลบของทองแดงต่อความต้านทานการกัดกร่อน

ความสามารถในการละลายสูงสุดของ Mg2Si ในอะลูมิเนียมในส่วนที่มีอะลูมิเนียมจำนวนมากในไดอะแกรมเฟสสมดุลของระบบโลหะผสม Al-Mg2Si คือ 1.85% และการชะลอตัวจะเล็กน้อยเมื่ออุณหภูมิลดลง ในโลหะผสมอะลูมิเนียมที่เสียรูป การเติมซิลิกอนเพียงอย่างเดียวลงในอะลูมิเนียมจะจำกัดอยู่แค่ในวัสดุเชื่อม และการเติมซิลิกอนลงในอะลูมิเนียมยังมีผลในการเสริมความแข็งแรงในระดับหนึ่งอีกด้วย

แมกนีเซียม

แม้ว่ากราฟความสามารถในการละลายจะแสดงให้เห็นว่าความสามารถในการละลายของแมกนีเซียมในอลูมิเนียมจะลดลงอย่างมากเมื่ออุณหภูมิลดลง แต่ปริมาณแมกนีเซียมในโลหะผสมอลูมิเนียมที่ผ่านการแปรรูปในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่มีน้อยกว่า 6% ปริมาณซิลิกอนยังต่ำอีกด้วย โลหะผสมประเภทนี้ไม่สามารถเสริมความแข็งแรงด้วยการอบด้วยความร้อนได้ แต่มีคุณสมบัติในการเชื่อมที่ดี ทนต่อการกัดกร่อนได้ดี และมีความแข็งแรงปานกลาง การเสริมความแข็งแรงของอลูมิเนียมด้วยแมกนีเซียมนั้นชัดเจน สำหรับแมกนีเซียมที่เพิ่มขึ้นทุก ๆ 1% ความแข็งแรงในการดึงจะเพิ่มขึ้นประมาณ 34MPa หากเพิ่มแมงกานีสน้อยกว่า 1% อาจเสริมประสิทธิภาพในการเสริมความแข็งแรงได้ ดังนั้น การเติมแมงกานีสจึงสามารถลดปริมาณแมกนีเซียมและลดแนวโน้มของการแตกร้าวจากความร้อนได้ นอกจากนี้ แมงกานีสยังสามารถตกตะกอนสารประกอบ Mg5Al8 ได้อย่างสม่ำเสมอ ซึ่งช่วยปรับปรุงความทนทานต่อการกัดกร่อนและประสิทธิภาพในการเชื่อม

แมงกานีส

เมื่ออุณหภูมิยูเทกติกของไดอะแกรมเฟสสมดุลแบบแบนของระบบโลหะผสม Al-Mn อยู่ที่ 658 ความสามารถในการละลายสูงสุดของแมงกานีสในสารละลายของแข็งคือ 1.82% ความแข็งแรงของโลหะผสมจะเพิ่มขึ้นตามความสามารถในการละลายที่เพิ่มขึ้น เมื่อปริมาณแมงกานีสอยู่ที่ 0.8% การยืดตัวจะถึงค่าสูงสุด โลหะผสม Al-Mn เป็นโลหะผสมที่ไม่ผ่านการชุบแข็ง นั่นคือ ไม่สามารถทำให้แข็งแรงขึ้นได้โดยการอบด้วยความร้อน แมงกานีสสามารถป้องกันกระบวนการตกผลึกซ้ำของโลหะผสมอะลูมิเนียม เพิ่มอุณหภูมิการตกผลึกซ้ำ และทำให้เมล็ดที่ตกผลึกซ้ำละเอียดขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ การทำให้เมล็ดที่ตกผลึกซ้ำละเอียดขึ้นส่วนใหญ่เกิดจากความจริงที่ว่าอนุภาคที่กระจัดกระจายของสารประกอบ MnAl6 ขัดขวางการเติบโตของเมล็ดที่ตกผลึกซ้ำ หน้าที่อีกอย่างหนึ่งของ MnAl6 คือการละลายเหล็กเจือปนเพื่อสร้าง (Fe, Mn)Al6 ซึ่งจะลดผลกระทบที่เป็นอันตรายของเหล็ก แมงกานีสเป็นองค์ประกอบสำคัญในโลหะผสมอะลูมิเนียม สามารถเติมลงไปเพียงอย่างเดียวเพื่อสร้างโลหะผสม Al-Mn ส่วนใหญ่แล้วมักจะเติมลงไปพร้อมกับธาตุโลหะผสมอื่นๆ ดังนั้นโลหะผสมอะลูมิเนียมส่วนใหญ่จึงมีแมงกานีสอยู่ด้วย

สังกะสี

ความสามารถในการละลายของสังกะสีในอลูมิเนียมอยู่ที่ 31.6% ที่ 275 ในส่วนที่มีอะลูมิเนียมจำนวนมากในไดอะแกรมเฟสสมดุลของระบบโลหะผสม Al-Zn ในขณะที่ความสามารถในการละลายของสังกะสีลดลงเหลือ 5.6% ที่ 125 การเติมสังกะสีเพียงอย่างเดียวลงในอลูมิเนียมทำให้ความแข็งแรงของโลหะผสมอลูมิเนียมภายใต้สภาวะการเสียรูปดีขึ้นได้จำกัดมาก ในขณะเดียวกันก็มีแนวโน้มที่จะเกิดการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้น จึงจำกัดการใช้งาน การเติมสังกะสีและแมกนีเซียมลงในอลูมิเนียมในเวลาเดียวกันจะสร้างเฟสเสริมความแข็งแรง Mg/Zn2 ซึ่งมีผลเสริมความแข็งแรงอย่างมีนัยสำคัญต่อโลหะผสม เมื่อเพิ่มปริมาณ Mg/Zn2 จาก 0.5% เป็น 12% ความแข็งแรงในการดึงและความแข็งแรงการยืดหยุ่นสามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างมาก ในโลหะผสมอลูมิเนียมที่มีความแข็งเป็นพิเศษซึ่งปริมาณแมกนีเซียมเกินปริมาณที่ต้องการเพื่อสร้างเฟส Mg/Zn2 เมื่ออัตราส่วนของสังกะสีต่อแมกนีเซียมถูกควบคุมไว้ที่ประมาณ 2.7 ความต้านทานการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นจะสูงสุด ตัวอย่างเช่น การเติมธาตุทองแดงลงใน Al-Zn-Mg จะทำให้ได้โลหะผสมซีรีส์ Al-Zn-Mg-Cu ซึ่งมีผลในการเสริมความแข็งแรงของฐานมากที่สุดในบรรดาโลหะผสมอะลูมิเนียมทั้งหมด นอกจากนี้ยังเป็นวัสดุโลหะผสมอะลูมิเนียมที่สำคัญในอุตสาหกรรมอวกาศ การบิน และอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าอีกด้วย

เหล็กและซิลิกอน

เหล็กจะถูกเติมลงไปเป็นธาตุผสมในโลหะผสมอะลูมิเนียมดัดซีรีส์ Al-Cu-Mg-Ni-Fe และซิลิกอนจะถูกเติมลงไปเป็นธาตุผสมในโลหะผสมอะลูมิเนียมดัดซีรีส์ Al-Mg-Si และในแท่งเชื่อมซีรีส์ Al-Si และโลหะผสมหล่ออะลูมิเนียม-ซิลิกอน ในโลหะผสมอะลูมิเนียมพื้นฐาน ซิลิกอนและเหล็กเป็นธาตุเจือปนทั่วไปซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติของโลหะผสม โดยส่วนใหญ่มีอยู่ในรูปของ FeCl3 และซิลิกอนอิสระ เมื่อซิลิกอนมีขนาดใหญ่กว่าเหล็ก จะเกิดเฟส β-FeSiAl3 (หรือ Fe2Si2Al9) และเมื่อเหล็กมีขนาดใหญ่กว่าซิลิกอน จะเกิดเฟส α-Fe2SiAl8 (หรือ Fe3Si2Al12) เมื่ออัตราส่วนของเหล็กและซิลิกอนไม่เหมาะสม จะทำให้เกิดรอยแตกร้าวในชิ้นงานหล่อ เมื่อปริมาณเหล็กในอะลูมิเนียมหล่อสูงเกินไป ชิ้นงานหล่อจะเปราะ

ไททาเนียมและโบรอน

ไททาเนียมเป็นธาตุที่ใช้กันทั่วไปในโลหะผสมอะลูมิเนียม โดยเติมลงในโลหะผสมหลัก Al-Ti หรือ Al-Ti-B ไททาเนียมและอะลูมิเนียมจะสร้างเฟส TiAl2 ซึ่งจะกลายเป็นแกนกลางที่ไม่เกิดขึ้นเองในระหว่างการตกผลึก และมีบทบาทในการปรับปรุงโครงสร้างการหล่อและโครงสร้างการเชื่อม เมื่อโลหะผสม Al-Ti เกิดปฏิกิริยาแบบแพ็คเกจ ปริมาณไททาเนียมที่สำคัญจะอยู่ที่ประมาณ 0.15% หากมีโบรอนอยู่ ปริมาณจะลดลงเหลือเพียง 0.01%

โครเมียม

โครเมียมเป็นธาตุที่ใช้เป็นสารเติมแต่งทั่วไปในโลหะผสมซีรีส์ Al-Mg-Si ซีรีส์ Al-Mg-Zn และซีรีส์ Al-Mg ที่อุณหภูมิ 600°C โครเมียมในอะลูมิเนียมสามารถละลายได้ 0.8% และโดยพื้นฐานแล้วไม่ละลายน้ำที่อุณหภูมิห้อง โครเมียมสร้างสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิก เช่น (CrFe)Al7 และ (CrMn)Al12 ในอะลูมิเนียม ซึ่งขัดขวางกระบวนการสร้างนิวเคลียสและการเติบโตของการตกผลึกใหม่ และมีผลในการเสริมความแข็งแรงให้กับโลหะผสมในระดับหนึ่ง นอกจากนี้ยังสามารถปรับปรุงความเหนียวของโลหะผสมและลดความอ่อนไหวต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นได้อีกด้วย

อย่างไรก็ตาม ไซต์ดังกล่าวจะเพิ่มความไวในการดับ ทำให้ฟิล์มอโนไดซ์มีสีเหลือง ปริมาณโครเมียมที่เติมลงในโลหะผสมอะลูมิเนียมโดยทั่วไปจะไม่เกิน 0.35% และจะลดลงเมื่อธาตุทรานสิชั่นในโลหะผสมเพิ่มขึ้น

สตรอนเซียม

สตรอนเซียมเป็นธาตุที่มีฤทธิ์กัดกร่อนซึ่งสามารถเปลี่ยนพฤติกรรมของเฟสของสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิกในเชิงผลึกศาสตร์ ดังนั้น การดัดแปลงด้วยธาตุสตรอนเซียมจึงสามารถปรับปรุงความสามารถในการทำงานของพลาสติกของโลหะผสมและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายได้ เนื่องจากระยะเวลาการดัดแปลงที่มีประสิทธิภาพยาวนาน ผลลัพธ์ที่ดี และความสามารถในการทำซ้ำได้ สตรอนเซียมจึงเข้ามาแทนที่การใช้โซเดียมในการหล่อโลหะผสม Al-Si ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การเติมสตรอนเซียม 0.015%~0.03% ลงในโลหะผสมอลูมิเนียมสำหรับการอัดขึ้นรูปจะเปลี่ยนเฟส β-AlFeSi ในแท่งให้เป็นเฟส α-AlFeSi ลดเวลาการทำให้แท่งเป็นเนื้อเดียวกันลง 60%~70% ปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลและความสามารถในการประมวลผลพลาสติกของวัสดุ ปรับปรุงความหยาบของพื้นผิวของผลิตภัณฑ์

สำหรับโลหะผสมอลูมิเนียมที่มีซิลิกอนสูง (10%~13%) การเติมธาตุสตรอนเซียม 0.02%~0.07% สามารถลดผลึกหลักให้เหลือน้อยที่สุด และคุณสมบัติเชิงกลยังได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญอีกด้วย ความแข็งแรงแรงดึง бb เพิ่มขึ้นจาก 233MPa เป็น 236MPa และความแข็งแรงผลผลิต б0.2 เพิ่มขึ้นจาก 204MPa เป็น 210MPa และการยืดตัว б5 เพิ่มขึ้นจาก 9% เป็น 12% การเติมสตรอนเซียมลงในโลหะผสม Al-Si ไฮเปอร์ยูเทคติกสามารถลดขนาดของอนุภาคซิลิกอนหลัก ปรับปรุงคุณสมบัติการประมวลผลพลาสติก และทำให้สามารถรีดร้อนและเย็นได้อย่างราบรื่น

เซอร์โคเนียม

เซอร์โคเนียมยังเป็นสารเติมแต่งทั่วไปในโลหะผสมอะลูมิเนียม โดยทั่วไป ปริมาณที่เติมลงในโลหะผสมอะลูมิเนียมคือ 0.1%~0.3% เซอร์โคเนียมและอะลูมิเนียมจะสร้างสารประกอบ ZrAl3 ซึ่งสามารถขัดขวางกระบวนการตกผลึกใหม่และทำให้เม็ดที่ตกผลึกใหม่ละเอียดขึ้น เซอร์โคเนียมยังสามารถทำให้โครงสร้างการหล่อละเอียดขึ้นได้ แต่ผลกระทบจะน้อยกว่าไททาเนียม การมีเซอร์โคเนียมอยู่จะลดผลกระทบต่อการทำให้เม็ดละเอียดของไททาเนียมและโบรอน ในโลหะผสม Al-Zn-Mg-Cu เนื่องจากเซอร์โคเนียมมีผลต่อความไวในการดับน้อยกว่าโครเมียมและแมงกานีส จึงเหมาะสมที่จะใช้เซอร์โคเนียมแทนโครเมียมและแมงกานีสเพื่อทำให้โครงสร้างที่ตกผลึกใหม่ละเอียดขึ้น

ธาตุหายาก

มีการเติมธาตุหายากลงในโลหะผสมอะลูมิเนียมเพื่อเพิ่มการระบายความร้อนของส่วนประกอบในระหว่างการหล่อโลหะผสมอะลูมิเนียม ปรับปรุงเกรน ลดระยะห่างระหว่างผลึกรอง ลดก๊าซและสิ่งที่เจือปนในโลหะผสม และมีแนวโน้มที่จะทำให้เฟสสิ่งที่เจือปนเป็นทรงกลม นอกจากนี้ยังสามารถลดแรงตึงผิวของของเหลวที่หลอมละลาย เพิ่มการไหลลื่น และอำนวยความสะดวกในการหล่อเป็นแท่งโลหะ ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของกระบวนการ ควรเติมธาตุหายากต่างๆ ในปริมาณประมาณ 0.1% การเติมธาตุหายากแบบผสม (La-Ce-Pr-Nd แบบผสม เป็นต้น) จะช่วยลดอุณหภูมิวิกฤตสำหรับการก่อตัวของโซน G?P ที่เสื่อมสภาพในโลหะผสม Al-0.65%Mg-0.61%Si โลหะผสมอะลูมิเนียมที่มีแมกนีเซียมสามารถกระตุ้นการแปรสภาพของธาตุหายากได้

สิ่งเจือปน

วาเนเดียมสร้างสารประกอบทนไฟ VAl11 ในโลหะผสมอะลูมิเนียม ซึ่งมีบทบาทในการทำให้เมล็ดละเอียดขึ้นระหว่างกระบวนการหลอมและหล่อ แต่มีบทบาทน้อยกว่าไททาเนียมและเซอร์โคเนียม วาเนเดียมยังมีผลในการปรับโครงสร้างการตกผลึกใหม่และเพิ่มอุณหภูมิการตกผลึกใหม่ด้วย

แคลเซียมในโลหะผสมอะลูมิเนียมมีความสามารถในการละลายของแข็งต่ำมาก และแคลเซียมจะสร้างสารประกอบ CaAl4 กับอะลูมิเนียม แคลเซียมเป็นธาตุที่มีคุณสมบัติพิเศษของโลหะผสมอะลูมิเนียม โลหะผสมอะลูมิเนียมที่มีแคลเซียมประมาณ 5% และแมงกานีส 5% จะมีความสามารถในการพิเศษ แคลเซียมและซิลิกอนจะสร้าง CaSi ซึ่งไม่ละลายในอะลูมิเนียม เนื่องจากปริมาณซิลิกอนในสารละลายของแข็งลดลง จึงสามารถปรับปรุงการนำไฟฟ้าของอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ในอุตสาหกรรมได้เล็กน้อย แคลเซียมสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการตัดของโลหะผสมอะลูมิเนียมได้ CaSi2 ไม่สามารถเสริมความแข็งแรงให้กับโลหะผสมอะลูมิเนียมผ่านการอบด้วยความร้อนได้ แคลเซียมในปริมาณเล็กน้อยมีประโยชน์ในการกำจัดไฮโดรเจนออกจากอะลูมิเนียมที่หลอมละลาย

ธาตุตะกั่ว ดีบุก และบิสมัท เป็นโลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ ความสามารถในการละลายของแข็งในอลูมิเนียมนั้นต่ำ ซึ่งทำให้ความแข็งแรงของโลหะผสมลดลงเล็กน้อย แต่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการตัดได้ บิสมัทขยายตัวในระหว่างการแข็งตัว ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการป้อน การเติมบิสมัทลงในโลหะผสมแมกนีเซียมสูงสามารถป้องกันการเปราะเนื่องจากโซเดียมได้

แอนติโมนีส่วนใหญ่ใช้เป็นตัวปรับเปลี่ยนในโลหะผสมอลูมิเนียมหล่อ และไม่ค่อยใช้ในโลหะผสมอลูมิเนียมที่เสียรูป ให้ใช้เฉพาะบิสมัทแทนในโลหะผสมอลูมิเนียมที่เสียรูป Al-Mg เท่านั้น เพื่อป้องกันการเปราะของโซเดียม ธาตุแอนติโมนีถูกเติมลงในโลหะผสม Al-Zn-Mg-Cu บางชนิดเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการอัดร้อนและอัดเย็น

เบริลเลียมสามารถปรับปรุงโครงสร้างของฟิล์มออกไซด์ในโลหะผสมอลูมิเนียมที่เสียรูป และลดการสูญเสียจากการเผาไหม้และสิ่งเจือปนระหว่างการหลอมและการหล่อ เบริลเลียมเป็นธาตุที่มีพิษซึ่งอาจทำให้เกิดพิษจากการแพ้ในมนุษย์ ดังนั้นจึงไม่สามารถบรรจุเบริลเลียมไว้ในโลหะผสมอลูมิเนียมที่สัมผัสกับอาหารและเครื่องดื่มได้ โดยปกติแล้ว ปริมาณเบริลเลียมในวัสดุเชื่อมจะควบคุมให้ต่ำกว่า 8μg/ml โลหะผสมอลูมิเนียมที่ใช้เป็นพื้นผิวในการเชื่อมควรควบคุมปริมาณเบริลเลียมด้วยเช่นกัน

โซเดียมแทบไม่ละลายในอะลูมิเนียม และความสามารถในการละลายของแข็งสูงสุดน้อยกว่า 0.0025% จุดหลอมเหลวของโซเดียมต่ำ (97.8℃) เมื่อโซเดียมมีอยู่ในโลหะผสม โซเดียมจะถูกดูดซับบนพื้นผิวเดนไดรต์หรือขอบเกรนระหว่างการแข็งตัว ในระหว่างการประมวลผลแบบใช้ความร้อน โซเดียมบนขอบเกรนจะสร้างชั้นการดูดซับของเหลว ส่งผลให้เกิดรอยแตกร้าวแบบเปราะ และการก่อตัวของสารประกอบ NaAlSi ไม่มีโซเดียมอิสระอยู่ และไม่ก่อให้เกิด "โซเดียมเปราะ"

เมื่อปริมาณแมกนีเซียมเกิน 2% แมกนีเซียมจะดึงซิลิกอนออกและตกตะกอนโซเดียมอิสระ ส่งผลให้เกิด “โซเดียมเปราะ” ดังนั้นจึงไม่อนุญาตให้ใช้โลหะผสมอลูมิเนียมที่มีแมกนีเซียมสูงในการไหลของเกลือโซเดียม วิธีการป้องกัน “โซเดียมเปราะ” ได้แก่ การเติมคลอรีน ซึ่งทำให้โซเดียมเกิดการก่อตัวเป็น NaCl และถูกระบายลงในตะกรัน การเติมบิสมัทเพื่อสร้าง Na2Bi และเข้าสู่เมทริกซ์ของโลหะ การเติมแอนติโมนีเพื่อสร้าง Na3Sb หรือการเติมแร่ธาตุหายากก็อาจให้ผลเช่นเดียวกัน

เรียบเรียงโดย เมย์ เจียง จาก MAT Aluminum