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請問鑄造鋁合金各種元素的作用及特點

請問鑄造鋁合金各種元素的作用及特點：硅，鎂，鋯,錳，銅，鋅，鎳，鈦,鐵,等元素在鋁合金中的作用？: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-02-24

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重金屬，特別是汞、鎘、鉛、鉻等具有顯著和生物毒性。它們在水體中不能被微生物降解，而只能發(fā)生各種形態(tài)相互轉(zhuǎn)化和分散、富集過程(即遷移)。重金屬污染的特點是：(1)除被懸浮物帶走的外，會因吸附沉淀作用而富集于排污口附近的底泥中，成為長期的次生污染源；(2)水中各種無機配位體(氯離子、硫酸離子、氫氧離子等)和有機配位體(腐蝕質(zhì)等)會與其生成絡(luò)合物或螯合物，導(dǎo)致重金屬有更大的水溶解度而使已進入底泥的重金屬又可能重新釋放出來；(3)重金屬的價態(tài)不同，其活性與毒性不同。其形態(tài)又隨pH和氧化還原條件而轉(zhuǎn)化。(4)在其危害環(huán)境方面的特點是：微量濃度即可產(chǎn)生毒性(一般為1～10毫克/升，汞、鎘為0.01～0.001毫克/升)；在微生物作用會轉(zhuǎn)化為毒性更強的有機金屬化合物(如洋－甲基汞)；可被生物富集，通過食物鏈進入人體，造成慢性路線。親硫重金屬元素(汞、鎘、鉛、鋅、硒、銅、砷等)與人體組織某些酶的巰基(-SH)有特別大的親合力，能抑制酶的活性，親鐵元素(鐵、鎳)可在人體的腎、脾、肝內(nèi)累積，抑制精氨酶的活性。六價鉻可能是蛋白質(zhì)和核酸的沉淀劑，可抑制細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽還原酶，導(dǎo)致高鐵血紅蛋白，可能致癌，過量的釩和錳(親巖元素)則能損害神經(jīng)系統(tǒng)的機能鈦和鈦的合金大量用于航空工業(yè)，有"空間金屬"之稱；另外，在造船工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、制造機械部件、電訊器材、硬質(zhì)合金等方面有著日益廣泛的應(yīng)用。純鋁的強度低，不宜用來制作承受載荷的結(jié)構(gòu)零件。向鋁中加入適量的硅、銅、鎂、錳等合金元素，可制成強度較高的鋁合金，若在經(jīng)冷變形強化或熱處理，可進一步提高強度。根據(jù)鋁合金的成分和生產(chǎn)工藝特點,通常分為形變與鑄造鋁合金兩大類.工業(yè)上應(yīng)用的主要有鋁-錳,鋁-鎂,鋁-鎂-銅,鋁-鎂-硅-銅,鋁-鋅-鎂-銅等合金.變形鋁合金也叫熟鋁合金,據(jù)其成分和性能特點又分為防銹鋁,硬鋁,超硬鋁,鍛鋁和特殊鋁等五種. 鋁合金是純鋁加入一些合金元素制成的，如鋁—錳合金、鋁—銅合金、鋁—銅—鎂系硬鋁合金、鋁—鋅—鎂—銅系超硬鋁合金。鋁合金比純鋁具有更好的物理力學(xué)性能：易加工、耐久性高、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富。鋁合金分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁等種類，各種類均有各自的使用范圍，并有各自的代號，以供使用者選用。 2A80，原先叫LD-8，化學(xué)成分如下： Si:0.5-1.2 Fe:1.0-1.6 Cu:1.9-2.5 Mn:0.2 Mg:1.4-1.8 Ni:0.9-1.5 Zn:0.3 Ti:0.15 其他單個0.05合計0.15 Al:余量鋁合金各元素的含量要看合金的性質(zhì)的，如上面例子牌號化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） /% AL 不小于雜質(zhì) 不大于 Fe Si Cu Ga Mg Zn 其他每種總和 AL99.90 99.90 0.07 0.05 0.005 0.020 0.01 0.025 0.016 0.10 AL99.85 99.85 0.12 0.08 0.005 0.030 0.02 0.030 0.015 0.15 AL99.7A 99.70 0.20 0.10 0.01 0.03 0.02 0.03 0.03 0.30 AL99.70 99.70 0.20 0.12 0.01 0.03 0.03 0.03 0.03 0.30 AL99.60 99.60 0.25 0.16 0.01 0.03 0.03 0.03 0.03 0.49 AL99.50 99.50 0.30 0.22 0.02 0.03 0.05 0.05 0.03 0.50 AL99.00 99.00 0.50 0.42 0.02 0.05 0.05 0.05 0.05 1.00 鋁合金基本常識一、分類：展伸材料分非熱處理合金及熱處理合金 1.1 非熱處理合金：純鋁─1000系，鋁錳系合金─3000系，鋁矽系合金─4000系，鋁鎂系合金─5000系。 1.2 　熱處理合金：鋁銅鎂系合金─2000系，鋁鎂矽系合金─6000系，鋁鋅鎂系合金─7000系。二、合金編號：我國目前通用的是美國鋁業(yè)協(xié)會〈Aluminium Association〉的編號。茲舉　　　　　　　　例說明如下： 1070-H14(純鋁) 　　　　　　　　　　　　　　 2017-T4(熱處理合金) 　　　　　　　　　　　　　　 3004-H32(非熱處理合金) 　2.1第一位數(shù)：表示主要添加合金元素。　　　　　　　1：純鋁　　　　　　　2：主要添加合金元素為銅　　　　　　　3：主要添加合金元素為錳或錳與鎂　　　　　　　4：主要添加合金元素為矽　　　　　　　5：主要添加合金元素為鎂　　　　　　　6：主要添加合金元素為矽與鎂　　　　　　　7：主要添加合金元素為鋅與鎂　　　　　　　8：不屬於上列合金系的新合金　2.2第二位數(shù)：表示原合金中主要添加合金元素含量或雜質(zhì)成分含量經(jīng)修改的合金　　　　　　　　。　　　　　　　0：表原合金　　　　　　　1：表原合金經(jīng)第一次修改　　　　　　　2：表原合金經(jīng)第二次修改　2.3第三及四位數(shù)：　　　　　純鋁：表示原合金　　　　　合金：表示個別合金的代號　　　　　〝-〞：後面的Hn或Tn表示加工硬化的狀態(tài)或熱處理狀態(tài)的鍊度符號　　　　　 -Hn ：表示非熱處理合金的鍊度符號　　　　　 -Tn ：表示熱處理合金的鍊度符號 2 鋁及鋁合金的熱處理一、鍊度符號：若添加合金元素尚不足於完全符合要求，尚須藉冷加工、淬水、時效　處理及軟燒等處理，以獲取所需要的強度及性能。這些處理的過程稱之為調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)的結(jié)果便是鍊度。鍊度符號定　義 F 製造狀態(tài)的鍊度無特定鍊度下製造的成品，如擠壓、熱軋、鍛造品等。 H112 未刻意控制加工硬化程度的製造狀態(tài)成品，但須保證機械性質(zhì)。 O 軟燒鍊度完全再結(jié)晶而且最軟狀態(tài)。如係熱處理合金，則須從軟燒溫度緩慢冷卻，完全防止淬水效果。 H 加工硬化的鍊度 H1n：施以冷加工而加工硬化者 H2n：經(jīng)加工硬化後再施以適度的軟燒處理 H3n：經(jīng)加工硬化後再施以安定化處理 n以1~9的數(shù)字表示加工硬化的程度 n=2 表示1/4硬質(zhì) n=4 表示1/2硬質(zhì) n=6 表示3/4硬質(zhì) n=8 表示硬質(zhì) n=9 表示超硬質(zhì) T T1：高溫加工冷卻後自然時效。擠型從熱加工後急速冷卻，再經(jīng)常溫十效硬化處理。亦可施以不影響強度的矯正加工，這種調(diào)質(zhì)適合於熱加工後冷卻便有淬水效果的合金如：6063。 T3：溶體化處理後經(jīng)冷加工的目的在提高強度、平整度及尺寸精度。 T36： T3經(jīng)6%冷加工者。 T361：冷加工度較T3大者。 T4：溶體化處理後經(jīng)自然時效處理。 T5：熱加工後急冷再施以人工時效處理。人工時效處理的目的在提高材料的機械性質(zhì)及尺寸的安定性適用於熱加工冷卻便有淬水效果的合金如：6063。 T6：溶體化處理後施以人工時效處理。此為熱處理合金代表性的熱處理，無須施以冷加工便能獲得優(yōu)越的強度。於溶體化處理後為提高尺寸精度或矯正而施以冷加工，如不保證更高的強度時，亦可當(dāng)作是T6鍊度。 T61：溶體化處理後施以溫水淬水再經(jīng)人工時效處理，溫水淬水的目的在防止發(fā)生變形。 T7：溶體化處理後施以安定化處理(亦及人工時效處理的溫度或時間較T6處理高或長)。其目的在改善耐硬力腐蝕裂及防止淬水時發(fā)生變形。 T7352：溶體化處理後除去殘餘應(yīng)力再施以過時效處理(亦及人工時效處理的溫度或時間較T6處理高或長)。目的在改善耐硬力腐蝕裂。於溶體化處理後施以1~5%永久變形的壓縮加工，以消除殘餘應(yīng)力。 T8：溶體化處理後施以冷加工再施以人工時效處理，冷加工時斷面減少率為3%及6% 各為T83 及T86。 T9：溶體化處理後人工時效處理，最後施以冷加工，最後冷加工的目的在增加強度。鋁中合金元素和雜質(zhì)對性能的影響 1 合金元素影響銅元素鋁銅合金富鋁部分平衡相圖如圖所示。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，有一定的固溶強化效果，此外時效析出的CuAl2有著明顯的時效強化效果。鋁合金中銅含量通常在2.5% ~ 5%，銅含量在4%~6.8%時強化效果最好，所以大部分硬鋁合金的含銅量處于這范圍。鋁銅合金中可以含有較少的硅、鎂、錳、鉻、鋅、鐵等元素。硅元素 Al—Si合金系平衡相圖富鋁部分如圖所示。在共晶溫度577 時，硅在固溶體中的最大溶解度為1.65%。盡管溶解度隨溫度降低而減少，介這類合金一般是不能熱處理強化的。鋁硅合金具有極好的鑄造性能和抗蝕性。若鎂和硅同時加入鋁中形成鋁鎂硅系合金，強化相為MgSi。鎂和硅的質(zhì)量比為1.73:1。設(shè)計Al-Mg-Si系合金成分時，基體上按此比例配置鎂和硅的含量。有的Al-Mg-Si合金，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蝕性的不利影響。 Al-Mg2Si合金系合金平衡相圖富鋁部分如圖所示。Mg2Si 在鋁中的最大溶解度為1.85%，且隨溫度的降低而減速小。變形鋁合金中，硅單獨加入鋁中只限于焊接材料，硅加入鋁中亦有一定的強化作用。鎂元素 Al-Mg合金系平衡相圖富鋁部分如圖所示。盡管溶解度曲線表明，鎂在鋁中的溶解度隨溫度下降而大大地變小，但是在大部分工業(yè)用變形鋁合金中，鎂的含量均小于6%，而硅含量也低，這類合金是不能熱處理強化的，但是可焊性良好，抗蝕性也好，并有中等強度。鎂對鋁的強化是明顯的，每增加1%鎂，抗拉強度大約升高瞻遠(yuǎn)34MPa。如果加入1%以下的錳，可能補充強化作用。因此加錳后可降低鎂含量，同時可降低熱裂傾向，另外錳還可以使Mg5Al8化合物均勻沉淀，改善抗蝕性和焊接性能。錳元素 Al-Mn合金系平平衡相圖部分如圖所示。在共晶溫度658時，錳在固溶體中的最大溶解度為1.82%。合金強度隨溶解度增加不斷增加，錳含量為0.8%時，延伸率達最大值。Al-Mn合金是非時效硬化合金，即不可熱處理強化。錳能阻止鋁合金的再結(jié)晶過程，提高再結(jié)晶溫度，并能顯著細(xì)化再結(jié)晶晶粒。再結(jié)晶晶粒的細(xì)化主要是通過 MnAl6化合物彌散質(zhì)點對再結(jié)晶晶粒長大起阻礙作用。MnAl6的另一作用是能溶解雜質(zhì)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素一同加入，因此大多鋁合金中均含有錳。鋅元素 Al-Zn合金系平衡相圖富鋁部分如圖所示。275時鋅在鋁中的溶解度為31.6%，而在125時其溶解度則下降到5.6%。鋅單獨加入鋁中，在變形條件下對鋁合金強度的提高十分有限，同時存在應(yīng)力腐蝕開裂、傾向，因而限制了它的應(yīng)用。在鋁中同時加入鋅和鎂，形成強化相Mg/Zn2，對合金產(chǎn)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。鎂的含量超過形成Mg/Zn2相所需超硬鋁合金中，鋅和鎂的比例控制在2.7左右時，應(yīng)力腐蝕開裂抗力最大。如在Al-Zn-Mg基礎(chǔ)上加入銅元素，形成Al-Zn-Mg-Cu系合金，基強化效果在所有鋁合金中最大，也是航天、航空工業(yè)、電力工業(yè)上的重要的鋁合金材料。 2．微量元素的影響鐵和硅鐵在Al-Cu-Mg-Ni-Fe系鍛鋁合金中，硅在Al-Mg-Si系鍛鋁中和在Al-Si系焊條及鋁硅鑄造合金中，均作為合金元素加的，在基它鋁合金中，硅和鐵是常見的雜質(zhì)元素，對合金性能有明顯的影響。它們主要以FeCl3和游離硅存在。在硅大于鐵時，形成β-FeSiAl3(或 Fe2Si2Al9)相，而鐵大于硅時，形成α-Fe2SiAl8(或Fe3Si2Al12)。當(dāng)鐵和硅比例不當(dāng)時，會引起鑄件產(chǎn)生裂紋，鑄鋁中鐵含量過高時會使鑄件產(chǎn)生脆性。鈦和硼鈦是鋁合金中常用的添加元素，以Al-Ti或Al-Ti-B中間合金形式加入。鈦與鋁形成 TiAl2相，成為結(jié)晶時的非自發(fā)核心，起細(xì)化鑄造組織和焊縫組織的作用。Al-Ti系合金產(chǎn)生包反應(yīng)時，鈦的臨界含量約為0.15%，如果有硼存在則減速小到0.01%。鉻鉻在Al-Mg-Si系、Al-Mg-Zn系、Al-Mg系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（CrFe）Al7和（CrMn）Al12等金屬間化合物，阻礙再結(jié)晶的形核和長大過程，對合金有一定的強化作用，還能改善合金韌性和降低應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。但會場增加淬火敏感性，使陽極氧化膜呈黃色。鉻在鋁合金中的添加量一般不超過0.35%，并隨合金中過渡元素的增加而降低。鍶鍶是表面活性元素，在結(jié)晶學(xué)上鍶能改變金屬間化合物相的行為。因此用鍶元素進行變質(zhì)處理能改善合金的塑性加工性和最終產(chǎn)品質(zhì)量。由于鍶的變質(zhì)有效時間長、效果和再現(xiàn)性好等優(yōu)點，近年來在Al-Si鑄造合金中取代了鈉的使用。對擠壓用鋁合金中加入0.015%~0.03%鍶，使鑄錠中β-AlFeSi相變成漢字形α-AlFeSi相，減少了鑄錠均勻化時間60%~70%，提高材料力學(xué)性能和塑性加工性；改善制品表面粗糙度。對于高硅（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(xué)性能也顯著提高，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，能減小初晶硅粒子尺寸，改善塑性加工性能，可順利地?zé)彳埡屠滠垺? 鋯元素鋯也是鋁合金的常用添加劑。一般在鋁合金中加入量為0.1%~0.3%，鋯和鋁形成ZrAl3化合物，可阻礙再結(jié)晶過程，細(xì)化再結(jié)晶晶粒。鋯亦能細(xì)化鑄造組織，但比鈦的效果小。有鋯存在時，會降低鈦和硼細(xì)化晶粒的效果。在Al-Zn-Mg-Cu系合金中，由于鋯對淬火敏感性的影響比鉻和錳的小，因此宜用鋯來代替鉻和錳細(xì)化再結(jié)晶組織。雜質(zhì)元素稀土元素加入鋁合金中，使鋁合金熔鑄時增加成分過冷，細(xì)化晶粒，減少二次晶間距，減少合金中的氣體和夾雜，并使夾雜相趨于球化。還可降低熔體表面張力，增加流動性，有利于澆注成錠，對工藝性能有著明顯的影響。各種稀土加入量約為0.1%at%為好?；旌舷⊥粒↙a-Ce-Pr-Nd等混合）的添加，使Al-0.65%Mg-0.61%Si合金時效G•區(qū)形成的臨界溫度降低。含鎂的鋁合金，能激發(fā)稀土元素的變質(zhì)作用。雜質(zhì)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(xì)化晶粒作用，但比鈦和鋯的作用小。釩也有細(xì)化再結(jié)晶組織、提高再結(jié)晶溫度的作用。鈣在鋁合金中固溶度極低，與鋁形成CaAl4化合物，鈣又是鋁合金的超塑性元素，大約5%鈣和5%錳的鋁合金具有超塑性。鈣和硅形成CaSi，不溶于鋁，由于減小了硅的固溶量，可稍微提高工業(yè)純鋁的導(dǎo)電性能。鈣能改善鋁合金切削性能。CaSi2不能使鋁合金熱處理強化。微量鈣有利于去除鋁液中的氫。鉛、錫、鉍元素是低熔點金屬，它們在鋁中固溶度不大，略降低合金強度，但能改善切削性能。鉍在凝固過程中膨脹，對補縮有利。高鎂合金中加入鉍可防止鈉脆。銻主要用作鑄造鋁合金中的變質(zhì)劑，變形鋁合金很少使用。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系合金中，改善熱壓與冷壓工藝性能。鈹在變形鋁合金中可改善氧化膜的結(jié)構(gòu)，減少熔鑄時的燒損和夾雜。鈹是有毒元素，能使人產(chǎn)生過敏性中毒。因此，接觸食品和飲料的鋁合金中不能含有鈹。焊接材料中的鈹含量通常控制在8µg/ml以下。用作焊接基體的鋁合金也應(yīng)控制鈹?shù)暮俊? 鈉在鋁中幾乎不溶解，最大固溶度小于0.0025%，鈉的熔點低（97.8℃）,合金中存在鈉時，在凝固過程中吸附在枝晶表面或晶界，熱加工時，晶界上的鈉形成液態(tài)吸附層，產(chǎn)生脆性開裂時，形成NaAlSi化合物，無游離鈉存在，不產(chǎn)生“鈉脆”。當(dāng)鎂含量超2%時，鎂奪取硅，析出游離鈉，產(chǎn)生“鈉脆”。因此高鎂鋁合金不允許使用鈉鹽熔劑。防止“鈉脆”的方法有氯化法，使鈉形成NaCl排入渣中，加鉍使之生成Na2Bi進入金屬基體；加銻生成Na3Sb或加入稀土亦可起到相同的作用。: 回答者：網(wǎng)友

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