Cobre
Cuando la parte rica en aluminio de la aleación de aluminio-cobre es 548, la solubilidad máxima del cobre en aluminio es del 5,65 %. Cuando la temperatura desciende a 302 °C, la solubilidad del cobre es del 0,45 %. El cobre es un elemento importante de la aleación y posee un cierto efecto de endurecimiento en solución sólida. Además, el CuAl₂ precipitado por envejecimiento tiene un efecto de endurecimiento evidente. El contenido de cobre en las aleaciones de aluminio suele estar entre el 2,5 % y el 5 %, y el efecto de endurecimiento es óptimo cuando el contenido de cobre está entre el 4 % y el 6,8 %, por lo que el contenido de cobre de la mayoría de las aleaciones de duraluminio se encuentra dentro de este rango. Las aleaciones de aluminio-cobre pueden contener menos silicio, magnesio, manganeso, cromo, zinc, hierro y otros elementos.
Silicio
Cuando la parte rica en aluminio del sistema de aleación Al-Si tiene una temperatura eutéctica de 577, la solubilidad máxima del silicio en la solución sólida es del 1,65 %. Aunque la solubilidad disminuye con la disminución de la temperatura, estas aleaciones generalmente no pueden reforzarse mediante tratamiento térmico. La aleación de aluminio-silicio tiene excelentes propiedades de fundición y resistencia a la corrosión. Si se añaden magnesio y silicio al aluminio al mismo tiempo para formar una aleación de aluminio-magnesio-silicio, la fase de refuerzo es MgSi. La relación másica de magnesio a silicio es de 1,73:1. Al diseñar la composición de la aleación Al-Mg-Si, los contenidos de magnesio y silicio se configuran en esta relación en la matriz. Para mejorar la resistencia de algunas aleaciones de Al-Mg-Si, se añade una cantidad adecuada de cobre y una cantidad adecuada de cromo para compensar los efectos adversos del cobre en la resistencia a la corrosión.
La solubilidad máxima del Mg₂Si en aluminio en la parte rica en aluminio del diagrama de fases de equilibrio del sistema de aleación Al-Mg₂Si es del 1,85 %, y la desaceleración es pequeña al disminuir la temperatura. En aleaciones de aluminio deformadas, la adición de silicio solo al aluminio se limita a materiales de soldadura, y la adición de silicio al aluminio también tiene cierto efecto de refuerzo.
Magnesio
Aunque la curva de solubilidad muestra que la solubilidad del magnesio en aluminio disminuye considerablemente con la temperatura, el contenido de magnesio en la mayoría de las aleaciones industriales de aluminio deformado es inferior al 6 %. El contenido de silicio también es bajo. Este tipo de aleación no se puede reforzar mediante tratamiento térmico, pero presenta buena soldabilidad, buena resistencia a la corrosión y resistencia media. El fortalecimiento del aluminio mediante magnesio es evidente. Por cada 1 % de aumento en el magnesio, la resistencia a la tracción aumenta aproximadamente 34 MPa. Si se añade menos del 1 % de manganeso, se puede complementar el efecto de refuerzo. Por lo tanto, la adición de manganeso puede reducir el contenido de magnesio y la tendencia al agrietamiento en caliente. Además, el manganeso también puede precipitar uniformemente los compuestos de Mg₄Al₄, mejorando la resistencia a la corrosión y el rendimiento de la soldadura.
Manganeso
Cuando la temperatura eutéctica del diagrama de fases de equilibrio plano del sistema de aleación Al-Mn es de 658 °C, la solubilidad máxima del manganeso en la solución sólida es del 1,82 %. La resistencia de la aleación aumenta con el aumento de la solubilidad. Cuando el contenido de manganeso es del 0,8 %, la elongación alcanza su valor máximo. La aleación Al-Mn no se endurece por envejecimiento, es decir, no se puede fortalecer mediante tratamiento térmico. El manganeso puede prevenir el proceso de recristalización de las aleaciones de aluminio, aumentar la temperatura de recristalización y refinar significativamente los granos recristalizados. Este refinamiento de los granos recristalizados se debe principalmente a que las partículas dispersas de compuestos de MnAl₂ impiden el crecimiento de los granos recristalizados. Otra función del MnAl₂ es disolver el hierro impuro para formar (Fe, Mn)Al₂, lo que reduce los efectos nocivos del hierro. El manganeso es un elemento importante en las aleaciones de aluminio. Puede añadirse solo para formar una aleación binaria Al-Mn. Con mayor frecuencia, se añade junto con otros elementos de aleación. Por lo tanto, la mayoría de las aleaciones de aluminio contienen manganeso.
Zinc
La solubilidad del zinc en aluminio es del 31,6 % a 275 °C en la parte rica en aluminio del diagrama de fases de equilibrio del sistema de aleación Al-Zn, mientras que su solubilidad disminuye al 5,6 % a 125 °C. La adición de zinc solo al aluminio tiene una mejora muy limitada en la resistencia de la aleación de aluminio bajo condiciones de deformación. Al mismo tiempo, existe una tendencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión, lo que limita su aplicación. La adición simultánea de zinc y magnesio al aluminio forma la fase de fortalecimiento Mg/Zn₂, que tiene un efecto de fortalecimiento significativo en la aleación. Cuando el contenido de Mg/Zn₂ se incrementa del 0,5 % al 12 %, la resistencia a la tracción y el límite elástico pueden aumentar significativamente. En aleaciones de aluminio superduros donde el contenido de magnesio excede la cantidad requerida para formar la fase Mg/Zn₂, cuando la relación de zinc a magnesio se controla en alrededor de 2,7, la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión es máxima. Por ejemplo, al añadir cobre al Al-Zn-Mg se forma una aleación de la serie Al-Zn-Mg-Cu. El efecto de refuerzo de la base es el mayor entre todas las aleaciones de aluminio. También es un material de aleación de aluminio importante en las industrias aeroespacial, aeronáutica y eléctrica.
Hierro y silicio
El hierro se añade como elementos de aleación en las aleaciones de aluminio forjado de la serie Al-Cu-Mg-Ni-Fe, y el silicio se añade como elementos de aleación en el aluminio forjado de la serie Al-Mg-Si y en las varillas de soldadura de la serie Al-Si y en las aleaciones de fundición de aluminio-silicio. En las aleaciones de aluminio base, el silicio y el hierro son elementos de impureza comunes, que tienen un impacto significativo en las propiedades de la aleación. Existen principalmente como FeCl3 y silicio libre. Cuando el silicio es más grande que el hierro, se forma la fase β-FeSiAl3 (o Fe2Si2Al9), y cuando el hierro es más grande que el silicio, se forma α-Fe2SiAl8 (o Fe3Si2Al12). Cuando la proporción de hierro y silicio es inadecuada, provocará grietas en la fundición. Cuando el contenido de hierro en el aluminio fundido es demasiado alto, la fundición se volverá quebradiza.
Titanio y boro
El titanio es un aditivo de uso común en las aleaciones de aluminio, que se añade en forma de aleación maestra Al-Ti o Al-Ti-B. El titanio y el aluminio forman la fase TiAl₂, que se convierte en un núcleo no espontáneo durante la cristalización y contribuye al refinamiento de la estructura de la fundición y de la soldadura. Cuando las aleaciones Al-Ti experimentan una reacción de empaquetamiento, el contenido crítico de titanio es de aproximadamente el 0,15 %. Si hay boro, la disminución es de tan solo el 0,01 %.
Cromo
El cromo es un aditivo común en las aleaciones de las series Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn y Al-Mg. A 600 °C, su solubilidad en aluminio es del 0,8 % y es prácticamente insoluble a temperatura ambiente. El cromo forma compuestos intermetálicos como (CrFe)Al₁₄ y (CrMn)Al₁₂ en el aluminio, lo que dificulta la nucleación y el crecimiento de la recristalización y tiene cierto efecto reforzante en la aleación. Además, puede mejorar la tenacidad de la aleación y reducir la susceptibilidad al agrietamiento por corrosión bajo tensión.
Sin embargo, este sitio aumenta la sensibilidad al temple, lo que amarillea la película anodizada. La cantidad de cromo añadido a las aleaciones de aluminio generalmente no supera el 0,35 % y disminuye con el aumento de elementos de transición en la aleación.
Estroncio
El estroncio es un elemento tensioactivo que puede modificar cristalográficamente el comportamiento de las fases de compuestos intermetálicos. Por lo tanto, el tratamiento de modificación con estroncio puede mejorar la trabajabilidad plástica de la aleación y la calidad del producto final. Gracias a su largo tiempo de modificación, su buen efecto y su reproducibilidad, el estroncio ha sustituido al sodio en las aleaciones de fundición de Al-Si en los últimos años. La adición de 0,015 % a 0,03 % de estroncio a la aleación de aluminio para extrusión transforma la fase β-AlFeSi del lingote en fase α-AlFeSi, lo que reduce el tiempo de homogeneización del lingote entre un 60 % y un 70 %, mejorando las propiedades mecánicas y la procesabilidad plástica de los materiales, y mejorando la rugosidad superficial de los productos.
En aleaciones de aluminio deformado con alto contenido de silicio (10%~13%), la adición de estroncio entre un 0,02% y un 0,07% puede minimizar los cristales primarios, mejorando significativamente las propiedades mecánicas. La resistencia a la tracción αb aumenta de 233 MPa a 236 MPa, el límite elástico α0,2 aumenta de 204 MPa a 210 MPa y el alargamiento α5 aumenta del 9% al 12%. La adición de estroncio a la aleación hipereutéctica de Al-Si puede reducir el tamaño de las partículas de silicio primario, mejorar las propiedades de procesamiento de plásticos y facilitar un laminado suave en caliente y en frío.
Circonio
El circonio también es un aditivo común en las aleaciones de aluminio. Generalmente, la cantidad añadida a las aleaciones de aluminio es de entre el 0,1 % y el 0,3 %. El circonio y el aluminio forman compuestos de ZrAl₃, que pueden dificultar el proceso de recristalización y refinar los granos recristalizados. El circonio también puede refinar la estructura de la pieza fundida, pero su efecto es menor que el del titanio. La presencia de circonio reduce el efecto de refinación del grano del titanio y el boro. En las aleaciones de Al-Zn-Mg-Cu, dado que el circonio tiene un menor efecto sobre la sensibilidad al temple que el cromo y el manganeso, es adecuado utilizar circonio en lugar de cromo y manganeso para refinar la estructura recristalizada.
Elementos de tierras raras
Las tierras raras se añaden a las aleaciones de aluminio para aumentar el sobreenfriamiento de los componentes durante su fundición, refinar los granos, reducir el espaciamiento de los cristales secundarios, reducir los gases y las inclusiones en la aleación y tender a esferoidizar la fase de inclusión. También pueden reducir la tensión superficial de la masa fundida, aumentar la fluidez y facilitar la fundición en lingotes, lo que tiene un impacto significativo en el rendimiento del proceso. Es recomendable añadir diversas tierras raras en una cantidad de aproximadamente el 0,1 %. La adición de tierras raras mixtas (mezcla de La-Ce-Pr-Nd, etc.) reduce la temperatura crítica para la formación de la zona de envejecimiento G?P en la aleación Al-0,65 % Mg-0,61 % Si. Las aleaciones de aluminio que contienen magnesio pueden estimular el metamorfismo de las tierras raras.
Impureza
El vanadio forma el compuesto refractario VAl₁₄ en aleaciones de aluminio, que contribuye al refinamiento de los granos durante el proceso de fundición y colada, aunque su papel es menor que el del titanio y el circonio. El vanadio también refina la estructura recristalizada y aumenta la temperatura de recristalización.
La solubilidad sólida del calcio en las aleaciones de aluminio es extremadamente baja y forma un compuesto de CaAl₄ con el aluminio. El calcio es un elemento superplástico de las aleaciones de aluminio. Una aleación de aluminio con aproximadamente un 5 % de calcio y un 5 % de manganeso presenta superplasticidad. El calcio y el silicio forman CaSi₁, que es insoluble en aluminio. Al reducirse la cantidad de silicio en solución sólida, se puede mejorar ligeramente la conductividad eléctrica del aluminio puro industrial. El calcio puede mejorar el rendimiento de corte de las aleaciones de aluminio. El CaSi₂ no puede fortalecer las aleaciones de aluminio mediante tratamiento térmico. Las trazas de calcio son útiles para eliminar el hidrógeno del aluminio fundido.
El plomo, el estaño y el bismuto son metales con bajo punto de fusión. Su solubilidad en aluminio es baja, lo que reduce ligeramente la resistencia de la aleación, pero puede mejorar el rendimiento de corte. El bismuto se expande durante la solidificación, lo cual favorece la alimentación. Añadir bismuto a aleaciones con alto contenido de magnesio puede prevenir la fragilización por sodio.
El antimonio se utiliza principalmente como modificador en aleaciones de aluminio fundido y rara vez se utiliza en aleaciones de aluminio deformado. Sustituya el bismuto únicamente en aleaciones de aluminio deformado de Al-Mg para evitar la fragilización por sodio. El antimonio se añade a algunas aleaciones de Al-Zn-Mg-Cu para mejorar el rendimiento de los procesos de prensado en caliente y en frío.
El berilio puede mejorar la estructura de la película de óxido en aleaciones de aluminio deformadas y reducir las pérdidas por combustión y las inclusiones durante la fusión y la fundición. El berilio es un elemento tóxico que puede causar intoxicación alérgica en humanos. Por lo tanto, no debe contenerse berilio en aleaciones de aluminio que entren en contacto con alimentos y bebidas. El contenido de berilio en los materiales de soldadura suele controlarse por debajo de 8 μg/ml. Las aleaciones de aluminio utilizadas como sustratos de soldadura también deben controlar el contenido de berilio.
El sodio es prácticamente insoluble en aluminio y su solubilidad sólida máxima es inferior al 0,0025 %. Su punto de fusión es bajo (97,8 °C). Cuando el sodio está presente en la aleación, se adsorbe en la superficie de la dendrita o en el límite de grano durante la solidificación. Durante el procesamiento en caliente, el sodio en el límite de grano forma una capa de adsorción líquida, lo que provoca agrietamiento frágil y la formación de compuestos de NaAlSi. No existe sodio libre y no se produce "sodio quebradizo".
Cuando el contenido de magnesio supera el 2%, este elimina el silicio y precipita el sodio libre, lo que provoca fragilidad sódica. Por lo tanto, no se permite el uso de fundentes de sal sódica en aleaciones de aluminio con alto contenido de magnesio. Los métodos para prevenir la fragilización sódica incluyen la cloración, que provoca la formación de NaCl en el sodio y su descarga en la escoria; la adición de bismuto para formar Na₂Bi y su entrada en la matriz metálica; la adición de antimonio para formar Na₃Sb o la adición de tierras raras también pueden tener el mismo efecto.
Editado por May Jiang de MAT Aluminum
Hora de publicación: 08-ago-2024
