บทบาทขององค์ประกอบต่างๆ ในโลหะผสมอะลูมิเนียม

ทองแดง

เมื่อส่วนที่อุดมด้วยอะลูมิเนียมของโลหะผสมอะลูมิเนียม-ทองแดงคือ 548 ความสามารถในการละลายสูงสุดของทองแดงในอะลูมิเนียมคือ 5.65% เมื่ออุณหภูมิลดลงถึง 302 ความสามารถในการละลายของทองแดงคือ 0.45% ทองแดงเป็นองค์ประกอบโลหะผสมที่สำคัญและมีฤทธิ์ในการเสริมความแข็งแกร่งให้กับสารละลายที่เป็นของแข็ง นอกจากนี้ CuAl2 ที่ตกตะกอนตามอายุยังส่งผลต่อการแก่ชราอย่างเห็นได้ชัด โดยทั่วไปปริมาณทองแดงในโลหะผสมอลูมิเนียมจะอยู่ระหว่าง 2.5% ถึง 5% และผลการเสริมความแข็งแกร่งจะดีที่สุดเมื่อปริมาณทองแดงอยู่ระหว่าง 4% ถึง 6.8% ดังนั้นปริมาณทองแดงของโลหะผสมดูราลูมินส่วนใหญ่จึงอยู่ในช่วงนี้ โลหะผสมอลูมิเนียม-ทองแดงอาจมีซิลิคอน แมกนีเซียม แมงกานีส โครเมียม สังกะสี เหล็ก และองค์ประกอบอื่นๆ น้อยกว่า

ซิลิคอน

เมื่อส่วนที่อุดมด้วยอะลูมิเนียมของระบบโลหะผสม Al-Si มีอุณหภูมิยูเทคติกเท่ากับ 577 ความสามารถในการละลายสูงสุดของซิลิคอนในสารละลายของแข็งคือ 1.65% แม้ว่าความสามารถในการละลายจะลดลงตามอุณหภูมิที่ลดลง แต่โดยทั่วไปแล้วโลหะผสมเหล่านี้ไม่สามารถเสริมกำลังได้ด้วยการบำบัดความร้อน โลหะผสมอลูมิเนียมซิลิกอนมีคุณสมบัติการหล่อที่ดีเยี่ยมและทนต่อการกัดกร่อน หากเติมแมกนีเซียมและซิลิคอนลงในอลูมิเนียมในเวลาเดียวกันเพื่อสร้างโลหะผสมอลูมิเนียม-แมกนีเซียม-ซิลิคอน ระยะการเสริมกำลังคือ MgSi อัตราส่วนมวลของแมกนีเซียมต่อซิลิคอนคือ 1.73:1 เมื่อออกแบบองค์ประกอบของโลหะผสม Al-Mg-Si ปริมาณแมกนีเซียมและซิลิคอนจะถูกกำหนดค่าไว้ในอัตราส่วนนี้บนเมทริกซ์ เพื่อปรับปรุงความแข็งแรงของโลหะผสม Al-Mg-Si บางชนิด จึงมีการเติมทองแดงในปริมาณที่เหมาะสม และเพิ่มโครเมียมในปริมาณที่เหมาะสมเพื่อชดเชยผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ของทองแดงต่อความต้านทานการกัดกร่อน

ความสามารถในการละลายสูงสุดของ Mg2Si ในอะลูมิเนียมในส่วนที่อุดมด้วยอะลูมิเนียมของแผนภาพเฟสสมดุลของระบบโลหะผสม Al-Mg2Si คือ 1.85% และการชะลอตัวจะมีน้อยเมื่ออุณหภูมิลดลง ในโลหะผสมอะลูมิเนียมที่มีรูปร่างผิดปกติ การเติมซิลิคอนเพียงอย่างเดียวลงในอะลูมิเนียมนั้นจำกัดอยู่เพียงวัสดุการเชื่อม และการเติมซิลิคอนลงในอะลูมิเนียมก็มีผลในการเสริมความแข็งแกร่งเช่นกัน

แมกนีเซียม

แม้ว่ากราฟความสามารถในการละลายจะแสดงให้เห็นว่าความสามารถในการละลายของแมกนีเซียมในอลูมิเนียมลดลงอย่างมากเมื่ออุณหภูมิลดลง แต่ปริมาณแมกนีเซียมในโลหะผสมอลูมิเนียมที่เสียรูปทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่จะน้อยกว่า 6% ปริมาณซิลิกอนก็ต่ำเช่นกัน โลหะผสมประเภทนี้ไม่สามารถเสริมกำลังด้วยความร้อนได้ แต่มีความสามารถในการเชื่อมที่ดี ทนต่อการกัดกร่อนได้ดี และมีความแข็งแรงปานกลาง การเสริมความแข็งแกร่งของอะลูมิเนียมด้วยแมกนีเซียมนั้นชัดเจน สำหรับแมกนีเซียมที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 1% ความต้านทานแรงดึงจะเพิ่มขึ้นประมาณ 34MPa หากเติมแมงกานีสน้อยกว่า 1% อาจเสริมผลการเสริมกำลังได้ ดังนั้นการเติมแมงกานีสสามารถลดปริมาณแมกนีเซียมและลดแนวโน้มของการแตกร้าวจากความร้อนได้ นอกจากนี้ แมงกานีสยังสามารถตกตะกอนสารประกอบ Mg5Al8 ได้อย่างสม่ำเสมอ ช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนและประสิทธิภาพการเชื่อม

แมงกานีส

เมื่ออุณหภูมิยูเทคติกของแผนภาพเฟสสมดุลแบนของระบบโลหะผสม Al-Mn เท่ากับ 658 ความสามารถในการละลายสูงสุดของแมงกานีสในสารละลายของแข็งคือ 1.82% ความแข็งแรงของโลหะผสมจะเพิ่มขึ้นตามความสามารถในการละลายที่เพิ่มขึ้น เมื่อเนื้อหาแมงกานีสอยู่ที่ 0.8% การยืดตัวจะถึงค่าสูงสุด โลหะผสม Al-Mn เป็นโลหะผสมที่ไม่ทำให้แข็งตัว กล่าวคือ ไม่สามารถเสริมกำลังด้วยการบำบัดความร้อนได้ แมงกานีสสามารถป้องกันกระบวนการตกผลึกซ้ำของโลหะผสมอลูมิเนียม เพิ่มอุณหภูมิในการตกผลึกซ้ำ และปรับแต่งเกรนที่ตกผลึกใหม่อย่างมีนัยสำคัญ การปรับแต่งเกรนที่ตกผลึกซ้ำมีสาเหตุหลักมาจากความจริงที่ว่าอนุภาคที่กระจายตัวของสารประกอบ MnAl6 ขัดขวางการเจริญเติบโตของเกรนที่ตกผลึกใหม่ ฟังก์ชั่นอีกประการหนึ่งของ MnAl6 คือการละลายเหล็กเจือปนให้กลายเป็น (Fe, Mn)Al6 ซึ่งช่วยลดผลกระทบที่เป็นอันตรายของธาตุเหล็ก แมงกานีสเป็นองค์ประกอบสำคัญในโลหะผสมอลูมิเนียม สามารถเพิ่มเพียงอย่างเดียวเพื่อสร้างโลหะผสมไบนารี Al-Mn บ่อยครั้งที่มีการเพิ่มองค์ประกอบการผสมอื่น ๆ เข้าด้วยกัน ดังนั้นอลูมิเนียมอัลลอยด์ส่วนใหญ่จึงมีแมงกานีส

สังกะสี

ความสามารถในการละลายของสังกะสีในอะลูมิเนียมอยู่ที่ 31.6% ที่ 275 ในส่วนที่อุดมด้วยอะลูมิเนียมของแผนภาพเฟสสมดุลของระบบโลหะผสม Al-Zn ในขณะที่ความสามารถในการละลายลดลงเหลือ 5.6% ที่ 125 การเติมสังกะสีเพียงอย่างเดียวลงในอลูมิเนียมมีการปรับปรุงที่จำกัดมาก ความแข็งแรงของโลหะผสมอลูมิเนียมภายใต้สภาวะการเปลี่ยนรูป ในเวลาเดียวกันก็มีแนวโน้มที่จะเกิดการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้น ดังนั้นจึงจำกัดการใช้งาน การเติมสังกะสีและแมกนีเซียมลงในอะลูมิเนียมในเวลาเดียวกันจะทำให้เกิดระยะการเสริมความแข็งแกร่ง Mg/Zn2 ซึ่งมีผลในการเสริมความแข็งแกร่งอย่างมีนัยสำคัญต่อโลหะผสม เมื่อปริมาณ Mg/Zn2 เพิ่มขึ้นจาก 0.5% เป็น 12% ความต้านทานแรงดึงและความแข็งแรงของผลผลิตจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ในอะลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีความแข็งยิ่งยวดซึ่งมีปริมาณแมกนีเซียมเกินปริมาณที่ต้องการเพื่อสร้างเฟส Mg/Zn2 เมื่อควบคุมอัตราส่วนของสังกะสีต่อแมกนีเซียมที่ประมาณ 2.7 ความต้านทานการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นจะยิ่งใหญ่ที่สุด ตัวอย่างเช่น การเพิ่มองค์ประกอบทองแดงลงใน Al-Zn-Mg จะทำให้เกิดโลหะผสมซีรีส์ Al-Zn-Mg-Cu ผลการเสริมความแข็งแกร่งของฐานนั้นใหญ่ที่สุดในบรรดาโลหะผสมอะลูมิเนียมทั้งหมด นอกจากนี้ยังเป็นวัสดุโลหะผสมอลูมิเนียมที่สำคัญในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ อุตสาหกรรมการบิน และอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้า

เหล็กและซิลิคอน

เหล็กถูกเพิ่มเป็นองค์ประกอบการผสมในอะลูมิเนียมผสมดัดซีรีส์ Al-Cu-Mg-Ni-Fe และซิลิคอนถูกเพิ่มเป็นองค์ประกอบผสมในอะลูมิเนียมดัดซีรีส์ Al-Mg-Si และในแท่งเชื่อมซีรีส์ Al-Si และการหล่ออะลูมิเนียม-ซิลิคอน โลหะผสม ในโลหะผสมอะลูมิเนียมฐาน ซิลิคอนและเหล็กเป็นองค์ประกอบที่ไม่บริสุทธิ์ทั่วไป ซึ่งมีผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติของโลหะผสม ส่วนใหญ่มีอยู่เป็น FeCl3 และซิลิคอนอิสระ เมื่อซิลิคอนมีขนาดใหญ่กว่าเหล็ก จะเกิดเฟส β-FeSiAl3 (หรือ Fe2Si2Al9) และเมื่อเหล็กมีขนาดใหญ่กว่าซิลิคอน จะเกิดเฟส α-Fe2SiAl8 (หรือ Fe3Si2Al12) เมื่ออัตราส่วนของเหล็กและซิลิกอนไม่เหมาะสมจะทำให้เกิดการแตกร้าวในการหล่อ เมื่อปริมาณเหล็กในอลูมิเนียมหล่อสูงเกินไป การหล่อจะเปราะ

ไทเทเนียมและโบรอน

ไทเทเนียมเป็นธาตุเติมแต่งที่ใช้กันทั่วไปในอะลูมิเนียมอัลลอยด์ โดยเติมในรูปแบบของอัลลอยด์หลัก Al-Ti หรือ Al-Ti-B ไทเทเนียมและอะลูมิเนียมก่อตัวเป็นเฟส TiAl2 ซึ่งกลายเป็นแกนที่ไม่เกิดขึ้นเองในระหว่างการตกผลึก และมีบทบาทในการปรับปรุงโครงสร้างการหล่อและโครงสร้างการเชื่อม เมื่อโลหะผสม Al-Ti เกิดปฏิกิริยาแบบแพ็คเกจ ปริมาณไทเทเนียมวิกฤตจะอยู่ที่ประมาณ 0.15% หากมีโบรอน การชะลอตัวจะมีขนาดเล็กเพียง 0.01%

โครเมียม

โครเมียมเป็นองค์ประกอบเสริมทั่วไปในโลหะผสมซีรีส์ Al-Mg-Si, ซีรีส์ Al-Mg-Zn และอัลลอยด์ซีรีส์ Al-Mg ที่อุณหภูมิ 600°C ความสามารถในการละลายของโครเมียมในอลูมิเนียมคือ 0.8% และโดยพื้นฐานแล้วจะไม่ละลายที่อุณหภูมิห้อง โครเมียมก่อให้เกิดสารประกอบระหว่างโลหะ เช่น (CrFe)Al7 และ (CrMn)Al12 ในอะลูมิเนียม ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อกระบวนการเกิดนิวเคลียสและการเจริญเติบโตของการตกผลึกซ้ำ และมีผลในการเสริมความแข็งแกร่งให้กับโลหะผสม นอกจากนี้ยังสามารถปรับปรุงความเหนียวของโลหะผสมและลดความไวต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเครียด

อย่างไรก็ตาม บริเวณดังกล่าวจะเพิ่มความไวในการดับ ทำให้ฟิล์มอะโนไดซ์มีสีเหลือง โดยทั่วไปปริมาณโครเมียมที่เติมลงในโลหะผสมอะลูมิเนียมจะไม่เกิน 0.35% และจะลดลงตามการเพิ่มขึ้นขององค์ประกอบการเปลี่ยนผ่านในโลหะผสม

ธาตุโลหะชนิดหนึ่ง

สตรอนเซียมเป็นองค์ประกอบที่ออกฤทธิ์ที่พื้นผิวซึ่งสามารถเปลี่ยนพฤติกรรมของเฟสของสารประกอบระหว่างโลหะในเชิงผลึกได้ ดังนั้นการปรับปรุงแก้ไขด้วยธาตุสตรอนเทียมจึงสามารถปรับปรุงความสามารถในการใช้งานพลาสติกของโลหะผสมและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายได้ เนื่องจากมีเวลาปรับเปลี่ยนที่มีประสิทธิภาพยาวนาน ให้ผลดีและทำซ้ำได้ สตรอนเทียมจึงเข้ามาแทนที่การใช้โซเดียมในโลหะผสมหล่อ Al-Si ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การเพิ่มสตรอนเทียม 0.015%~0.03% ให้กับอลูมิเนียมอัลลอยด์สำหรับการอัดขึ้นรูปจะเปลี่ยนเฟส β-AlFeSi ในแท่งโลหะเป็นเฟส α-AlFeSi ซึ่งช่วยลดเวลาการทำให้แท่งโลหะเป็นเนื้อเดียวกันได้ 60%~70% ปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลและความสามารถในการแปรรูปพลาสติกของวัสดุ ปรับปรุงความหยาบผิวของผลิตภัณฑ์

สำหรับโลหะผสมอลูมิเนียมที่มีซิลิคอนสูง (10% ~ 13%) การเพิ่มองค์ประกอบสตรอนเทียม 0.02% ~ 0.07% สามารถลดผลึกปฐมภูมิให้เหลือน้อยที่สุด และคุณสมบัติทางกลก็ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญเช่นกัน ความต้านทานแรงดึง бb เพิ่มขึ้นจาก 233MPa เป็น 236MPa และความแข็งแรงของผลผลิต б0.2 เพิ่มขึ้นจาก 204MPa เป็น 210MPa และการยืดตัว б5 เพิ่มขึ้นจาก 9% เป็น 12% การเติมสตรอนเซียมลงในอัลลอยด์ Al-Si ที่มีภาวะไฮเปอร์ยูเทคติกสามารถลดขนาดของอนุภาคซิลิคอนปฐมภูมิ ปรับปรุงคุณสมบัติในการแปรรูปพลาสติก และช่วยให้การรีดร้อนและเย็นเป็นไปอย่างราบรื่น

เซอร์โคเนียม

เซอร์โคเนียมยังเป็นสารเติมแต่งทั่วไปในโลหะผสมอลูมิเนียม โดยทั่วไป ปริมาณที่เติมลงในอะลูมิเนียมอัลลอยด์คือ 0.1%~0.3% เซอร์โคเนียมและอะลูมิเนียมก่อให้เกิดสารประกอบ ZrAl3 ซึ่งสามารถขัดขวางกระบวนการตกผลึกใหม่และปรับแต่งเกรนที่ตกผลึกใหม่ เซอร์โคเนียมยังสามารถปรับแต่งโครงสร้างการหล่อได้ แต่เอฟเฟกต์จะน้อยกว่าไททาเนียม การมีเซอร์โคเนียมจะช่วยลดผลการกลั่นเกรนของไทเทเนียมและโบรอน ในโลหะผสม Al-Zn-Mg-Cu เนื่องจากเซอร์โคเนียมมีผลต่อความไวในการดับน้อยกว่าโครเมียมและแมงกานีส จึงเหมาะสมที่จะใช้เซอร์โคเนียมแทนโครเมียมและแมงกานีสเพื่อปรับแต่งโครงสร้างที่ตกผลึกใหม่

ธาตุหายาก

ธาตุหายากจะถูกเพิ่มลงในอะลูมิเนียมอัลลอยด์เพื่อเพิ่มความเย็นของส่วนประกอบในระหว่างการหล่ออะลูมิเนียมอัลลอยด์ ปรับแต่งเกรน ลดระยะห่างของคริสตัลทุติยภูมิ ลดก๊าซและการรวมตัวในโลหะผสม และมีแนวโน้มที่จะทำให้เฟสการรวมเป็นทรงกลม นอกจากนี้ยังสามารถลดแรงตึงผิวของการหลอม เพิ่มการไหล และอำนวยความสะดวกในการหล่อเป็นแท่ง ซึ่งมีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของกระบวนการ ควรเพิ่มธาตุหายากต่างๆ ในปริมาณประมาณ 0.1% จะดีกว่า การเติมธาตุหายากผสม (La-Ce-Pr-Nd แบบผสม ฯลฯ) ช่วยลดอุณหภูมิวิกฤติสำหรับการก่อตัวของโซน G?P ที่มีอายุมากขึ้นในโลหะผสม Al-0.65%Mg-0.61%Si อลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีแมกนีเซียมสามารถกระตุ้นการแปรสภาพของธาตุหายากได้

สิ่งเจือปน

วานาเดียมก่อให้เกิดสารประกอบทนไฟ VAl11 ในโลหะผสมอลูมิเนียม ซึ่งมีบทบาทในการกลั่นเมล็ดพืชในระหว่างกระบวนการหลอมและการหล่อ แต่บทบาทของมันยังน้อยกว่าไทเทเนียมและเซอร์โคเนียม วานาเดียมยังมีผลต่อการปรับโครงสร้างการตกผลึกซ้ำและเพิ่มอุณหภูมิในการตกผลึกอีกครั้ง

ความสามารถในการละลายของแข็งของแคลเซียมในโลหะผสมอะลูมิเนียมนั้นต่ำมาก และทำให้เกิดสารประกอบ CaAl4 กับอะลูมิเนียม แคลเซียมเป็นองค์ประกอบซุปเปอร์พลาสติกของโลหะผสมอลูมิเนียม อลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีแคลเซียมประมาณ 5% และแมงกานีส 5% มีความเป็นพลาสติกยิ่งยวด แคลเซียมและซิลิคอนเกิดเป็น CaSi ซึ่งไม่ละลายในอลูมิเนียม เนื่องจากปริมาณสารละลายซิลิกอนที่เป็นของแข็งลดลง การนำไฟฟ้าของอลูมิเนียมบริสุทธิ์ทางอุตสาหกรรมจึงสามารถปรับปรุงได้เล็กน้อย แคลเซียมสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการตัดของโลหะผสมอลูมิเนียมได้ CaSi2 ไม่สามารถเสริมความแข็งแกร่งให้กับโลหะผสมอลูมิเนียมได้ด้วยการอบชุบด้วยความร้อน ปริมาณแคลเซียมปริมาณเล็กน้อยมีประโยชน์ในการกำจัดไฮโดรเจนออกจากอลูมิเนียมหลอมเหลว

ธาตุตะกั่ว ดีบุก และบิสมัทเป็นโลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ ความสามารถในการละลายของแข็งในอลูมิเนียมมีขนาดเล็ก ซึ่งทำให้ความแข็งแรงของโลหะผสมลดลงเล็กน้อย แต่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการตัดได้ บิสมัทจะขยายตัวในระหว่างการแข็งตัวซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการให้อาหาร การเติมบิสมัทลงในโลหะผสมแมกนีเซียมสูงสามารถป้องกันการแตกตัวของโซเดียมได้

พลวงส่วนใหญ่จะใช้เป็นตัวดัดแปลงในโลหะผสมอะลูมิเนียมหล่อ และไม่ค่อยมีการใช้ในโลหะผสมอลูมิเนียมที่มีรูปร่างผิดปกติ แทนที่บิสมัทในอลูมิเนียมอัลลอยด์ที่เปลี่ยนรูป Al-Mg เท่านั้นเพื่อป้องกันการเปราะของโซเดียม องค์ประกอบพลวงถูกเพิ่มเข้าไปในโลหะผสม Al-Zn-Mg-Cu บางชนิดเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการอัดร้อนและกระบวนการอัดเย็น

เบริลเลียมสามารถปรับปรุงโครงสร้างของฟิล์มออกไซด์ในโลหะผสมอลูมิเนียมที่มีรูปร่างผิดปกติและลดการสูญเสียจากการเผาไหม้และการรวมตัวระหว่างการหลอมและการหล่อ เบริลเลียมเป็นองค์ประกอบที่เป็นพิษที่สามารถทำให้เกิดอาการแพ้ในมนุษย์ได้ ดังนั้นเบริลเลียมจึงไม่สามารถบรรจุอยู่ในโลหะผสมอลูมิเนียมที่สัมผัสกับอาหารและเครื่องดื่มได้ โดยทั่วไปปริมาณเบริลเลียมในวัสดุเชื่อมจะถูกควบคุมต่ำกว่า 8μg/ml อลูมิเนียมอัลลอยด์ที่ใช้เป็นพื้นผิวการเชื่อมควรควบคุมปริมาณเบริลเลียมด้วย

โซเดียมแทบไม่ละลายในอลูมิเนียม และความสามารถในการละลายของแข็งสูงสุดคือน้อยกว่า 0.0025% จุดหลอมเหลวของโซเดียมต่ำ (97.8 ℃) เมื่อมีโซเดียมอยู่ในโลหะผสม มันถูกดูดซับบนพื้นผิวเดนไดรต์หรือขอบเขตของเกรนในระหว่างการแข็งตัว ในระหว่างการประมวลผลที่ร้อน โซเดียมบนขอบเขตของเกรนจะสร้างชั้นการดูดซับของเหลว ทำให้เกิดการแตกร้าวแบบเปราะ เกิดสารประกอบ NaAlSi ไม่มีโซเดียมอิสระ และไม่ทำให้เกิด “โซเดียมเปราะ”

เมื่อปริมาณแมกนีเซียมเกิน 2% แมกนีเซียมจะดึงซิลิคอนออกไปและตกตะกอนโซเดียมอิสระ ส่งผลให้ "โซเดียมเปราะ" ดังนั้นจึงไม่อนุญาตให้ใช้โลหะผสมอลูมิเนียมแมกนีเซียมสูงเพื่อใช้ฟลักซ์เกลือโซเดียม วิธีการป้องกัน "การเปราะของโซเดียม" ได้แก่ คลอรีน ซึ่งทำให้โซเดียมเกิด NaCl และถูกปล่อยลงในตะกรัน เติมบิสมัทเพื่อสร้าง Na2Bi และเข้าสู่เมทริกซ์โลหะ การเพิ่มพลวงเพื่อสร้าง Na3Sb หรือการเพิ่มธาตุหายากก็สามารถให้ผลเช่นเดียวกัน

เรียบเรียงโดย May Jiang จาก MAT Aluminium