談各種元素（sù）在鋁合金中的（de）作（zuò）用

1.合金元素影響

銅元（yuán）素 Cu

　　鋁銅合金富鋁部分548時，銅在鋁中（zhōng）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（yào）的合金（jīn）元素，有一定的固溶強化效果，此外時效析出的CuAl2有著明顯（xiǎn）的時效強化效果。鋁合金中銅含量通常在2.5％-5％，銅（tóng）含量在4％-6.8％時強化效果最好，所以大（dà）部分硬鋁合金的含銅量處於這（zhè）範圍。

　　鋁銅合金中可以含（hán）有較少的矽、鎂、錳、鉻、鋅、鐵（tiě）等（děng）元素。

矽元素 Si

　　Al-Si合金係富鋁部分在共晶溫度577時（shí），矽在固溶體中的最大（dà）溶解度為1.65％。盡管溶解度（dù）隨溫度降低而減少，這類（lèi）合金一般是不能熱處理強化的。鋁矽合（hé）金具有極好的鑄造性能和抗蝕性。

　　若（ruò）鎂和矽同時加入鋁中形成鋁鎂矽係合金，強化相為MgSi。鎂和矽的質量（liàng）比為1.73:1。設計Al-Mg-Si係合金成分時，基體上按此比（bǐ）例配置鎂和矽的含量。有的Al-Mg-Si合金（jīn），為了提高強度，加入適量的銅，同時加入適量的鉻以抵消銅對抗（kàng）蝕性的不利影響。

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

　　變形鋁合金中，矽單獨加入鋁中隻限於焊接材料，矽加入鋁中亦有一定的強化作用。

鎂元（yuán）素 Mg

　　Al-Mg合（hé）金係平衡相圖富鋁部分盡管溶解（jiě）度曲線表明，鎂在（zài）鋁（lǚ）中的溶解度（dù）隨溫度（dù）下降而大大地變小，但是在大部分工業用變形鋁合金中，鎂的（de）含量均小於6％，而矽含量也（yě）低，這類合金是不能熱處（chù）理（lǐ）強化的，但是（shì）可（kě）焊性良好，抗蝕性也（yě）好，並有中等強度。

　　鎂對鋁的強化是明顯的，每增加1％鎂，抗拉強度（dù）大約升高瞻遠34MPa。如果加入1％以下（xià）的錳，可能補（bǔ）充強化（huà）作用。因此加錳後（hòu）可降低（dī）鎂含量，同時可降低熱裂傾向，另外錳還可以使Mg5Al8化合物均勻沉澱，改善抗蝕性和焊接性能。

錳（měng）元素 Mn

　　Al-Mn合金係平平衡（héng）相圖部分在（zài）共晶溫度658時，錳在固溶體中（zhōng）的最大溶解度為1.82％。合金強度隨溶解度增（zēng）加不斷增加，錳含量為0.8％時，延伸率達最大值（zhí）。Al-Mn合金是非時效硬化合金（jīn），即（jí）不可（kě）熱（rè）處理強化（huà）。

　　錳能阻止鋁合金的再（zài）結晶（jīng）過（guò）程，提高再結（jié）晶溫度，並能顯著（zhe）細化再結晶（jīng）晶粒（lì）。再結晶晶粒的細化主要是（shì）通過MnAl6化（huà）合（hé）物彌散質點對再結晶晶粒長（zhǎng）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。

　　錳是鋁合金的重要元素，可以單獨加入形成Al-Mn二元合金，更多的是和其它合金元（yuán）素一同加入，因此大多鋁合（hé）金中均含有錳。

鋅元素 Zn

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

　　鋅單獨加入鋁中，在變形條件下（xià）對鋁合金強（qiáng）度的提高十分（fèn）有限，同時存在應（yīng）力腐蝕開裂、傾向，因而限製了它的應用。

　　在鋁中同時加入鋅和鎂，形成強化相Mg/Zn2，對合金產生明顯的（de）強化作用。Mg/Zn2含量從（cóng）0.5％提高（gāo）到12％時（shí），可明顯增加抗拉強度和屈服強（qiáng）度（dù）。鎂的含量超過形成Mg/Zn2相所需超硬（yìng）鋁合金中（zhōng），鋅和鎂（měi）的比例控製在2.7左右時，應力腐蝕開（kāi）裂抗力（lì）最大。

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

2.微量元素的影響（xiǎng）

鐵（tiě）和矽 Fe-Si

　　鐵在Al-Cu-Mg-Ni-Fe係鍛鋁合（hé）金中，矽在Al-Mg-Si係鍛鋁中和在Al-Si係焊條及鋁矽鑄造合金中，均作為合金元素（sù）加的，在基它（tā）鋁合金中，矽和鐵是常見的雜質元素，對（duì）合金（jīn）性能有（yǒu）明顯（xiǎn）的影響。它們主要（yào）以FeCl3和遊離矽存在。

　　在矽大於鐵時，形成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，鑄鋁中（zhōng）鐵含量過（guò）高時會使鑄（zhù）件產生脆性（xìng）。

鈦和硼 Ti-B

　　鈦是鋁（lǚ）合金中常用的（de）添加元素，以Al-Ti或Al-Ti-B中間合金形式加入。鈦與鋁形成TiAl2相，成為（wéi）結晶時的非自發核心，起細化鑄造組織和焊縫組織的作用。Al-Ti係合金產生包反應時，鈦的臨界含量約為0.15％，如果（guǒ）有硼存在則減速（sù）小到0.01％。

鉻 C

　　鉻在Al-Mg-Si係、Al-Mg-Zn係、Al-Mg係合金（jīn）中（zhōng）常見的添（tiān）加元素。600℃時，鉻在鋁中（zhōng）溶解（jiě）度為0.8％，室溫時基本上不溶解。

　　鉻在鋁中形成（CrFe）Al7和（CrMn）Al12等（děng）金屬（shǔ）間化合物，阻礙再結（jié）晶的（de）形核和長大過程，對合金有一定的強化作用，還（hái）能改善合金韌性和降低應（yīng）力腐（fǔ）蝕開（kāi）裂敏感性（xìng）。但會場（chǎng）增加淬（cuì）火敏感性，使陽極（jí）氧化膜呈（chéng）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（sī） Sr

　　鍶是表麵活性元素（sù），在（zài）結晶（jīng）學上鍶能改變金屬間化合物相（xiàng）的行為。因此用鍶元素（sù）進行變質處理能改（gǎi）善合金的塑性加工性和最終產品質量。由於鍶的變質有效時間長、效（xiào）果和再現性好等優點，近年來在Al-Si鑄（zhù）造合金中取代了鈉的使用。

　　對擠壓用鋁合金中（zhōng）加入0.015％~0.03％鍶，使鑄錠中β-AlFeSi相變成漢字形α-AlFeSi相，減少了鑄（zhù）錠均勻（yún）化時間60％~70％，提高材料力學（xué）性能和塑性加工性；改善製品表麵粗糙度。

　　對於高矽（10％~13％）變形鋁合金（jīn）中加入0.02％~0.07％鍶元素（sù），可使初晶減少至最低限度，力學性能也顯（xiǎn）著提高，抗拉強度бb由233MPa提高到236MPa，屈服強度б0.2由204MPa提高到210MPa，延伸率б5由9％增至12％。在過共晶Al-Si合金中加入鍶，能（néng）減小初晶矽粒子尺寸，改善塑性加工（gōng）性能，可順（shùn）利地熱軋和冷軋。

鋯元素 Zr

　　鋯（gào）也（yě）是鋁合金的常用添加劑。一（yī）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，細化再結晶晶粒。鋯亦能細化鑄造組織（zhī），但比鈦的效果小。有鋯存在時，會降低鈦和硼細化晶（jīng）粒的效果。在Al-Zn-Mg-Cu係合金中，由於鋯對淬火敏感（gǎn）性的影響比（bǐ）鉻和錳的（de）小，因此宜用鋯來代替鉻和錳細化再結晶組織。

稀土元素 Re

　　稀土元素（sù）加入鋁（lǚ）合金（jīn）中，使鋁合金熔鑄時增加成分過（guò）冷，細化晶粒，減少二次晶間距，減少合金中的氣體和夾雜，並使夾雜相趨於球化。還可降低熔體表麵張力，增（zēng）加流動性，有利於澆注成錠，對工藝性能有著明顯的（de）影響（xiǎng）。各種稀土加入量約為0.1％at％為好。混合（hé）稀土（La-Ce-Pr-Nd等混合）的添加（jiā），使Al-0.65％Mg-0.61％Si合金時效G?P區形成的臨界溫度降低。含鎂的鋁合金，能激發稀（xī）土元素的變質作用。

3.雜質元素的影響

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

　　鈣在鋁（lǚ）合金中固溶度極低，與鋁形成CaAl4化合物，鈣又是鋁（lǚ）合金的超（chāo）塑性元（yuán）素，大約5％鈣和5％錳的鋁合金（jīn）具有超（chāo）塑性。鈣和矽形成CaSi，不溶於鋁，由於減小了矽的固溶量（liàng），可稍微提（tí）高工業純鋁（lǚ）的導電性能。鈣能改善鋁合金切削性能。CaSi2不能使（shǐ）鋁合金熱處理強化。微量（liàng）鈣有（yǒu）利於去除鋁液中的氫

　　鉛、錫、鉍元素（sù）是低熔點（diǎn）金屬，它們在鋁中固溶度不大，略降低（dī）合金強（qiáng）度，但能改善切削性（xìng）能。鉍在凝固過程中膨脹（zhàng），對補縮有利。高鎂（měi）合金中加入鉍可防止鈉脆。

　　銻主要用作（zuò）鑄造鋁合金中的變質劑，變形鋁合金很少使用。僅在Al-Mg變形鋁合金中代替鉍防（fáng）止鈉脆。銻元素加入某些Al-Zn-Mg-Cu係合金中，改善（shàn）熱壓（yā）與（yǔ）冷壓工藝性能。

　　鈹在變形鋁合金中可（kě）改善氧（yǎng）化膜的結構，減少（shǎo）熔鑄時的燒損和（hé）夾雜。鈹是有毒元素，能使人（rén）產生過敏性中（zhōng）毒。因此（cǐ），接觸（chù）食品（pǐn）和（hé）飲料的鋁合金中不能含有鈹。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（de）含量。

　　鈉在鋁中（zhōng）幾乎不溶解，最（zuì）大固（gù）溶度小於0.0025％，鈉的熔點低（97.8℃）,合金中存在鈉時，在凝固過（guò）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，產生脆性開裂時，形成NaAlSi化合物，無遊離鈉存在，不產生“鈉脆”。

　　當鎂含量超2％時，鎂奪取矽，析出遊離鈉，產生“鈉脆”。因此高鎂鋁合金不允許使用鈉鹽熔劑。防（fáng）止“鈉脆”的方（fāng）法有氯化法，使鈉形成NaCl排入渣中，加鉍使（shǐ）之生成Na2Bi進（jìn）入金屬基體；加銻生成Na3Sb或（huò）加入稀土亦可起到相同的作用。