《铝合金熔铸加工技术原理》（二）

梅flower梦 2017-05-25

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二、主合金元素在铝合金中的作用和机理

在铝合金中，主合金元素是合金强化的主体，它们在铝中的表现不尽相同，于是有了铝合金的分类和牌号。现将它们在铝合金中的作用进行介绍。

1、锰（Mn）的作用：

大多数铝合金中都含有锰，自然状态的锰为灰红色金属，纯电解锰为片状，密度7.20、熔点1244± 3℃、晶相结构为体心立方或四方、有同素异构转变，锰有三种形态、原子半径各为α=1.24Ao、γ=1.366Ao、δ=1.334Ao（1Ao=0.1nm）。

在3xxx系合金中锰是主要合金元素。在共晶温度685℃时，锰在铝中的最大溶解度为1.82%、室温时为0.06%。锰在铝合金中存在的形式：一是熔于固溶体，二是形成化合物MnAL６。由于MnAL6的电极电位与铝基体电位相当。

因此，合金有很好的耐蚀性，该系与部分AL-Mg系合金一起称为防锈铝。合金强度随溶解度增加而增加，但一般用量不超过１.６％。当锰含量为0.8%时，合金的延伸率达到最大值，使合金具有优良的深冲性和变薄拉伸性能。如3004、3105罐料合金，在包装领域中大量使用．3xxx系合金也是世界上使用量最大的合金品种。锰可以提高合金的再结晶温度，产生挤压效应。

在3系合金中铁和硅是主要杂质，铁、硅元素的含量对合金的相成分和显微组织有很大影响。当铝合金中铁和锰同时存在时，互相有影响，易生成铝铁锰粗大化合物（MnFe）AL6，恶化材料性能。因此，在铝合金中当铁为合金元素时，不应加锰。3xxx系铝锰合金易产生偏析组织，材料加热退火后容易产生粗大组织。严重影响合金性能，故铝锰合金一般不进行用来提高合金强度的热处理。实际生成中应注意对铁杂质的控制。另外，铝锰合金在锭坯的半连续铸造时，冷却水的冷却速度不宜过大，以防止产生成分偏析。

2、镁（Mg）的作用

镁是5xxx系合金的主要元素，镁是银白色金属、有光泽、密度1.74、原子半径1.60Аo（铝的原子半径为1.431?）、熔点648.8℃、沸点1107℃、密排六方结构。商品镁为块状（6-10Kg/块）、表面涂黄油或包油纸防锈，镁在铝中的溶解度很大，在共晶温度451℃时镁的溶解度高达14.9%，随温度降低，溶解度很快下降，在室温时约为0.34—1.7%。但是，镁在过饱和固溶体中扩散和析出很慢，在半连续铸造时冷却速度又很大。因此，Al-Mg合金（成分在镁<6.0%时）在室温下也极易生成过饱和的固溶体组织。而且在室温下相当稳定。

如果将合金进行变形加工再进行加热，过饱和固溶体将析出β（Al3Mg2）相化合物。由于β相强化效果不大（显微硬度HRv﹦64.7），而且沿晶界或剪切带析出恶化了合金的强度和抗蚀性。β相不析出合金的性能反而更好。所以，高镁合金加工变形后，一般不进行热处理强化。镁在铝中形成固溶体后，固溶强化效果比锰高。就强度而言，加入0.8%的镁相当1.25%的锰。因此，铝-镁系合金比铝-锰系合金强度高。

另外，铝-镁固溶体型合金抗蚀性好（在大气及海洋条件下），有良好的焊接性能，但随着含镁量的增加，合金强度提高，抗蚀性、焊接性和表面光泽变坏。

镁在铝合金的加入量<7.0%，当含镁量>3.0%时称为高镁合金，随着含镁量的增加合金表面氧化膜组成发生变化，使合金在熔炼时易氧化、易吸气、易烧损、易产生夹渣。在熔炼高镁合金时加入微量的铍（0.002-0.0002%）可改变氧化膜性质，消除上述缺陷。合金浇铸温度偏高时，表面呈黑色，造成铸锭表面质量下降。

当高镁合金原料中含有金属鈉时，易产生“鈉脆”，在合金铸造及热轧工艺中毛坯出现裂纹。为了防止“鈉脆”的产生，在熔炼高镁合金时，不能用鈉盐做熔剂。如把鈉盐含量控制在<0.001%，则不产生“鈉脆”性。

在所有的铝镁合金中都加有锰，含量在0.15-0.8%之间，锰的主要作用是防止合金的晶粒长大，同时还可增加合金强度，用Cr、V也可替代锰的作用。

铝镁系合金加入铍是为了改善氧化膜的性质，但是铍的加入引起合金晶粒粗大，应加入钛来抵消铍的影响。

铁和硅对铝镁合金的塑性、抗蚀性、延伸率和强度有不良影响，做拉伸或线材使用时，要控制铁、硅的含量。但适当增加硅的含量0.5-0.8%，可改善合金的焊接性能。如5A03（LF3）合金。铜和锌都是降低合金抗蚀性的元素。

3、铜（Cu）的作用

铜的颜色为紫红色，有光泽。面心立方晶格、密度8.92、熔点1083.4℃、原子半径1.278Ao。548℃时，铜在铝中的最大溶解度为5.67%，室温下为0.2%。铜是热处理可强化铝合金中，最重要的基本合金元素。是2xxx系合金的主要组元，铜在铝合金中强化作用强大，比镁强化效果大1.5-2.0倍，含4.0%Cu、1.0%Mg合金经过时效处理后，合金的抗拉强度可达470Mpa（2A12）。铝-铜为基的合金又称为硬铝。因为，这种强化效果是用热处理的方法得到的。所以，称为可强化热处理合金。

铜加入铝合金后由于铸造时的急冷，形成了过饱和α固溶体，通过淬火和时效处理，可溶解或析出金属二元化合物θ相CuAl2（HRv547Kg/㎜2）。在有镁、锰存在时形成三元的金属化合物及强化相（S相Al2CuMg、T相Al6Mg4Cu、β相Cu3Mg2），明显地提高合金强度和耐热性的作用。其中θ相、S相强化效果最大，β相、T相强化效果微弱。2xxx系（Al-Cu-Mg）热处理可强化合金就是人为控制强化相的析出，来达到通过热处理工艺提高合金强度的目的。附铝铜系合金时效强化机理：

铝铜合金的时效强化过程分为以下四个阶段：

第一阶段：

在过饱和α固溶体的某一晶面上产生铜原子偏聚现象，形成铜原子富集区（GP[Ⅰ]区），从而使α固溶体产生严重的晶格畸变，位错运动受到阻碍，合金强度提高。
第二阶段：

随时间延长，GP[Ⅰ]区进一步扩大，并发生有序化，便形成有序的富铜区，称为GP[Ⅱ]区，其成分接近CuAl2（θ相），成为中间状态，常用θ″表示。θ″的析出，进一步加重了α相的晶格畸变，使合金强度进一步提高。
第三阶段：

随着时效过程的进一步发展，铜原子在GP[Ⅱ]区继续偏聚。当铜与铝原子之比为1:2时，形成与母相保持共格关系的过渡相θ′。θ′相出现的初期，母相的晶格畸变达到最大，合金强度达到峰值。
第四阶段：

时效后期，过渡相θ′从铝基固溶体中完全脱落，形成与基体有明显相界面的独立的稳定相CuAl2，称为θ相。此时，θ相与基体的共格关系完全破坏，共格畸变也随之消失，随着θ相质点的聚集长大，合金明显软化，强度、硬度降低。为了保证强化效果，应在θ相脱溶前降低温度结束热处理过程。

铝--铜--镁系耐热性能比较好，如α+θ+S相区，含3.8--4.9%Cu、1.2—1.8%Mg（2A12、LY12）合金在150℃以下，具有最高强度。α+S相区含3.2%--4.3%Cu（2A02、2A06）合金可在150℃--250℃有较高的强度。在航空领域有广泛用途。含铜合金抗蚀性较差，板材加工时，在板坯大面两端包覆纯铝，称为“包铝”工艺。另外，铝铜合金的焊接性不好。

4、锌（Zn）的作用

锌是青白色金属，有光泽。晶体结构为密排六方、密度7.14、熔点419.6℃、沸点907℃、原子半径1.332Ao。锌在铝中的溶解度很大382℃时为82.8%、275℃时为31.6%、室温下为5.6%。锌是7xxx系(Al-Zn-Mg) 合金的主要强化元素。当加入少量镁时，合金的强化效果更佳，所以铝锌合金都含有1.0-3.0%的镁。