სხვადასხვა ელემენტების როლი ალუმინის შენადნობებში

სპილენძი

როდესაც ალუმინ-სპილენძის შენადნობის ალუმინით მდიდარი ნაწილი 548-ია, სპილენძის მაქსიმალური ხსნადობა ალუმინში 5.65%-ია. როდესაც ტემპერატურა 302-მდე ეცემა, სპილენძის ხსნადობა 0.45%-ია. სპილენძი მნიშვნელოვანი შენადნობის ელემენტია და აქვს გარკვეული მყარი ხსნარის გამაძლიერებელი ეფექტი. გარდა ამისა, დაძველებით დალექილ CuAl2-ს აშკარა დაძველებით გამაძლიერებელი ეფექტი აქვს. ალუმინის შენადნობებში სპილენძის შემცველობა ჩვეულებრივ 2.5%-დან 5%-მდეა, ხოლო გამაძლიერებელი ეფექტი საუკეთესოა, როდესაც სპილენძის შემცველობა 4%-დან 6.8%-მდეა, ამიტომ დურალუმინის შენადნობების უმეტესობაში სპილენძის შემცველობა ამ დიაპაზონშია. ალუმინ-სპილენძის შენადნობები შეიძლება შეიცავდეს ნაკლებ სილიციუმს, მაგნიუმს, მანგანუმს, ქრომს, თუთიას, რკინას და სხვა ელემენტებს.

სილიკონი

როდესაც Al-Si შენადნობის სისტემის ალუმინით მდიდარ ნაწილს 577° ევტექტიკური ტემპერატურა აქვს, სილიციუმის მაქსიმალური ხსნადობა მყარ ხსნარში 1.65%-ია. მიუხედავად იმისა, რომ ხსნადობა ტემპერატურის კლებასთან ერთად მცირდება, ამ შენადნობების გამაგრება, როგორც წესი, თერმული დამუშავებით შეუძლებელია. ალუმინ-სილიციუმის შენადნობს აქვს შესანიშნავი ჩამოსხმის თვისებები და კოროზიისადმი მდგრადობა. თუ ალუმინს მაგნიუმს და სილიციუმს ერთდროულად დავუმატებთ ალუმინ-მაგნიუმის-სილიციუმის შენადნობის შესაქმნელად, გამაგრების ფაზა იქნება MgSi. მაგნიუმისა და სილიციუმის მასის თანაფარდობაა 1.73:1. Al-Mg-Si შენადნობის შემადგენლობის შექმნისას, მაგნიუმისა და სილიციუმის შემცველობა მატრიცაზე ამ თანაფარდობით არის კონფიგურირებული. ზოგიერთი Al-Mg-Si შენადნობის სიმტკიცის გასაუმჯობესებლად, ემატება სპილენძის შესაბამისი რაოდენობა და ქრომის შესაბამისი რაოდენობა, რათა კომპენსირებული იყოს სპილენძის კოროზიისადმი მდგრადობაზე უარყოფითი გავლენა.

Al-Mg2Si შენადნობის სისტემის წონასწორობის ფაზური დიაგრამის ალუმინით მდიდარ ნაწილში ალუმინში Mg2Si-ის მაქსიმალური ხსნადობა 1.85%-ია, ხოლო ტემპერატურის კლებასთან ერთად შენელება მცირეა. დეფორმირებულ ალუმინის შენადნობებში, ალუმინში მხოლოდ სილიციუმის დამატება შემოიფარგლება შედუღების მასალებით და ალუმინში სილიციუმის დამატებას ასევე აქვს გარკვეული გამაძლიერებელი ეფექტი.

მაგნიუმი

მიუხედავად იმისა, რომ ხსნადობის მრუდი აჩვენებს, რომ მაგნიუმის ხსნადობა ალუმინში მნიშვნელოვნად მცირდება ტემპერატურის კლებასთან ერთად, მაგნიუმის შემცველობა სამრეწველო დეფორმირებული ალუმინის შენადნობების უმეტესობაში 6%-ზე ნაკლებია. სილიციუმის შემცველობაც დაბალია. ამ ტიპის შენადნობის გამაგრება თერმული დამუშავებით შეუძლებელია, მაგრამ მას აქვს კარგი შედუღებადობა, კარგი კოროზიისადმი მდგრადობა და საშუალო სიმტკიცე. ალუმინის მაგნიუმით გამაგრება აშკარაა. მაგნიუმის ყოველი 1%-იანი ზრდისთვის, დაჭიმვის სიმტკიცე დაახლოებით 34 მპა-ით იზრდება. თუ მანგანუმს 1%-ზე ნაკლები ემატება, გამაგრების ეფექტი შეიძლება გაძლიერდეს. ამიტომ, მანგანუმის დამატებამ შეიძლება შეამციროს მაგნიუმის შემცველობა და ცხელი ბზარების წარმოქმნის ტენდენცია. გარდა ამისა, მანგანუმს ასევე შეუძლია Mg5Al8 ნაერთების თანაბრად დალექვა, რაც აუმჯობესებს კოროზიისადმი მდგრადობას და შედუღების მუშაობას.

მანგანუმი

როდესაც Al-Mn შენადნობის სისტემის ბრტყელი წონასწორობის ფაზური დიაგრამის ევტექტიკური ტემპერატურა 658°-ია, მანგანუმის მაქსიმალური ხსნადობა მყარ ხსნარში 1.82%-ია. შენადნობის სიმტკიცე იზრდება ხსნადობის ზრდასთან ერთად. როდესაც მანგანუმის შემცველობა 0.8%-ია, წაგრძელება მაქსიმალურ მნიშვნელობას აღწევს. Al-Mn შენადნობი არის არა-დაბერებისადმი მდგრადი შენადნობი, ანუ მისი გამაგრება თერმული დამუშავებით შეუძლებელია. მანგანუმს შეუძლია ალუმინის შენადნობების რეკრისტალიზაციის პროცესის თავიდან აცილება, რეკრისტალიზაციის ტემპერატურის გაზრდა და რეკრისტალიზებული მარცვლების მნიშვნელოვნად დახვეწა. რეკრისტალიზებული მარცვლების დახვეწა ძირითადად განპირობებულია იმით, რომ MnAl6 ნაერთების დისპერსიული ნაწილაკები ხელს უშლიან რეკრისტალიზებული მარცვლების ზრდას. MnAl6-ის კიდევ ერთი ფუნქციაა რკინის მინარევის გახსნა (Fe, Mn)Al6-ის წარმოქმნით, რაც ამცირებს რკინის მავნე ზემოქმედებას. მანგანუმი მნიშვნელოვანი ელემენტია ალუმინის შენადნობებში. მისი დამატება შესაძლებელია დამოუკიდებლად Al-Mn ბინარული შენადნობის შესაქმნელად. უფრო ხშირად, ის ემატება სხვა შენადნობის ელემენტებთან ერთად. ამიტომ, ალუმინის შენადნობების უმეტესობა შეიცავს მანგანუმს.

თუთია

თუთიის ხსნადობა ალუმინში 275°C-ზე Al-Zn შენადნობის სისტემის წონასწორობის ფაზური დიაგრამის ალუმინით მდიდარ ნაწილში 31.6%-ია, ხოლო მისი ხსნადობა 125°C-ზე 5.6%-მდე ეცემა. მხოლოდ თუთიის დამატება ალუმინში ალუმინის შენადნობის სიმტკიცის ძალიან შეზღუდულ გაუმჯობესებას იწვევს დეფორმაციის პირობებში. ამავდროულად, არსებობს სტრესის კოროზიის ბზარების წარმოქმნის ტენდენცია, რაც ზღუდავს მის გამოყენებას. თუთიის და მაგნიუმის ერთდროულად დამატება ალუმინში წარმოქმნის გამაძლიერებელ ფაზას Mg/Zn2, რომელსაც მნიშვნელოვანი გამაძლიერებელი ეფექტი აქვს შენადნობზე. როდესაც Mg/Zn2 შემცველობა იზრდება 0.5%-დან 12%-მდე, დაჭიმვის სიმტკიცე და დენადობის ზღვარი შეიძლება მნიშვნელოვნად გაიზარდოს. ზემაგარი ალუმინის შენადნობებში, სადაც მაგნიუმის შემცველობა აღემატება Mg/Zn2 ფაზის ფორმირებისთვის საჭირო რაოდენობას, როდესაც თუთიისა და მაგნიუმის თანაფარდობა კონტროლდება დაახლოებით 2.7-ზე, სტრესის კოროზიის ბზარებისადმი წინააღმდეგობა ყველაზე დიდია. მაგალითად, სპილენძის ელემენტის დამატება Al-Zn-Mg-ზე წარმოქმნის Al-Zn-Mg-Cu სერიის შენადნობს. ფუძის გამაგრების ეფექტი ყველაზე დიდია ყველა ალუმინის შენადნობებს შორის. ის ასევე წარმოადგენს მნიშვნელოვან ალუმინის შენადნობის მასალას აერონავტიკის, ავიაციისა და ელექტროენერგიის ინდუსტრიაში.

რკინა და სილიციუმი

რკინა ემატება შენადნობი ელემენტების სახით Al-Cu-Mg-Ni-Fe სერიის ალუმინის შენადნობებში, ხოლო სილიციუმი ემატება შენადნობი ელემენტების სახით Al-Mg-Si სერიის ალუმინში და Al-Si სერიის შედუღების ღეროებში და ალუმინ-სილიციუმის ჩამოსხმულ შენადნობებში. ალუმინის ბაზის შენადნობებში, სილიციუმი და რკინა გავრცელებული მინარევებია, რომლებიც მნიშვნელოვან გავლენას ახდენენ შენადნობის თვისებებზე. ისინი ძირითადად არსებობენ FeCl3-ის და თავისუფალი სილიციუმის სახით. როდესაც სილიციუმი რკინაზე დიდია, წარმოიქმნება β-FeSiAl3 (ან Fe2Si2Al9) ფაზა, ხოლო როდესაც რკინა სილიციუმზე დიდია, წარმოიქმნება α-Fe2SiAl8 (ან Fe3Si2Al12). როდესაც რკინისა და სილიციუმის თანაფარდობა არასწორია, ეს იწვევს ბზარებს ჩამოსხმაში. როდესაც ჩამოსხმული ალუმინში რკინის შემცველობა ძალიან მაღალია, ჩამოსხმა ხდება მყიფე.

ტიტანი და ბორი

ტიტანი ალუმინის შენადნობებში ფართოდ გამოყენებული დანამატი ელემენტია, რომელიც დამატებულია Al-Ti ან Al-Ti-B მთავარი შენადნობის სახით. ტიტანი და ალუმინი წარმოქმნიან TiAl2 ფაზას, რომელიც კრისტალიზაციის დროს არასპონტანურ ბირთვად იქცევა და მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ჩამოსხმის და შედუღების სტრუქტურის დახვეწაში. როდესაც Al-Ti შენადნობები განიცდიან შეფუთვის რეაქციას, ტიტანის კრიტიკული შემცველობა დაახლოებით 0.15%-ია. ბორის არსებობის შემთხვევაში, შენელება მხოლოდ 0.01%-ია.

ქრომი

ქრომი გავრცელებული დანამატური ელემენტია Al-Mg-Si სერიის, Al-Mg-Zn სერიის და Al-Mg სერიის შენადნობებში. 600°C-ზე ქრომის ხსნადობა ალუმინში 0.8%-ია და ის ძირითადად უხსნადია ოთახის ტემპერატურაზე. ქრომი ალუმინში წარმოქმნის ინტერმეტალურ ნაერთებს, როგორიცაა (CrFe)Al7 და (CrMn)Al12, რაც აფერხებს რეკრისტალიზაციის ბირთვების წარმოქმნისა და ზრდის პროცესს და გარკვეულ გამაძლიერებელ ეფექტს ახდენს შენადნობზე. მას ასევე შეუძლია გააუმჯობესოს შენადნობის სიმტკიცე და შეამციროს სტრესით გამოწვეული კოროზიის ბზარებისადმი მგრძნობელობა.

თუმცა, ეს ადგილი ზრდის ჩაქრობის მგრძნობელობას, რაც ანოდირებულ ფენას ყვითელს ხდის. ალუმინის შენადნობებში დამატებული ქრომის რაოდენობა, როგორც წესი, არ აღემატება 0.35%-ს და მცირდება შენადნობში გარდამავალი ელემენტების რაოდენობის ზრდასთან ერთად.

სტრონციუმი

სტრონციუმი ზედაპირულად აქტიური ელემენტია, რომელსაც შეუძლია კრისტალოგრაფიულად შეცვალოს მეტალთაშორისი ნაერთების ფაზების ქცევა. ამიტომ, სტრონციუმის ელემენტით მოდიფიკაციის დამუშავება აუმჯობესებს შენადნობის პლასტიკურ დამუშავებადობას და საბოლოო პროდუქტის ხარისხს. ხანგრძლივი ეფექტური მოდიფიკაციის დროის, კარგი ეფექტისა და რეპროდუცირებადობის გამო, ბოლო წლებში სტრონციუმმა ჩაანაცვლა ნატრიუმის გამოყენება Al-Si ჩამოსხმის შენადნობებში. ექსტრუზიისთვის ალუმინის შენადნობში 0.015%~0.03% სტრონციუმის დამატება ზოდში β-AlFeSi ფაზას α-AlFeSi ფაზად გარდაქმნის, რაც ზოდის ჰომოგენიზაციის დროს 60%-70%-ით ამცირებს, აუმჯობესებს მასალების მექანიკურ თვისებებს და პლასტიკურ დამუშავებადობას; აუმჯობესებს პროდუქტების ზედაპირის უხეშობას.

მაღალი სილიციუმის შემცველობის (10%~13%) დეფორმირებული ალუმინის შენადნობებისთვის, 0.02%~0.07% სტრონციუმის ელემენტის დამატებამ შეიძლება პირველადი კრისტალების მინიმუმამდე დაყვანა და მექანიკური თვისებებიც მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს. დაჭიმვის სიმტკიცე ბb იზრდება 233 მპა-დან 236 მპა-მდე, დენადობის ზღვარი ბ0.2 იზრდება 204 მპა-დან 210 მპა-მდე, ხოლო წაგრძელება ბ5 იზრდება 9%-დან 12%-მდე. ჰიპერევტექტიკურ Al-Si შენადნობში სტრონციუმის დამატებამ შეიძლება შეამციროს პირველადი სილიციუმის ნაწილაკების ზომა, გააუმჯობესოს პლასტმასის დამუშავების თვისებები და უზრუნველყოს ცხელი და ცივი გლინვის შეუფერხებელი პროცესი.

ცირკონიუმი

ცირკონიუმი ასევე გავრცელებული დანამატია ალუმინის შენადნობებში. ზოგადად, ალუმინის შენადნობებში დამატებული რაოდენობაა 0.1%-0.3%. ცირკონიუმი და ალუმინი წარმოქმნიან ZrAl3 ნაერთებს, რომლებსაც შეუძლიათ რეკრისტალიზაციის პროცესის შეფერხება და რეკრისტალიზებული მარცვლების დახვეწა. ცირკონიუმს ასევე შეუძლია ჩამოსხმის სტრუქტურის დახვეწა, მაგრამ ეფექტი უფრო მცირეა, ვიდრე ტიტანის. ცირკონიუმის არსებობა ამცირებს ტიტანისა და ბორის მარცვლების დახვეწის ეფექტს. Al-Zn-Mg-Cu შენადნობებში, რადგან ცირკონიუმს უფრო მცირე გავლენა აქვს ჩაქრობის მგრძნობელობაზე, ვიდრე ქრომი და მანგანუმი, რეკრისტალიზებული სტრუქტურის დახვეწისთვის მიზანშეწონილია ცირკონიუმის გამოყენება ქრომისა და მანგანუმის ნაცვლად.

იშვიათმიწა ელემენტები

იშვიათმიწა ელემენტები ემატება ალუმინის შენადნობებს, რათა გაზარდონ კომპონენტების გადაცივება ალუმინის შენადნობის ჩამოსხმის დროს, დახვეწონ მარცვლები, შეამცირონ მეორადი კრისტალებს შორის მანძილი, შეამცირონ შენადნობში გაზები და ჩანართები და ხელი შეუწყონ ჩანართის ფაზის სფეროიდიზაციას. მას ასევე შეუძლია შეამციროს დნობის ზედაპირული დაჭიმულობა, გაზარდოს სითხეობა და გააადვილოს ჩამოსხმა ზოდებად, რაც მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს პროცესის მუშაობაზე. უმჯობესია სხვადასხვა იშვიათმიწა ელემენტების დამატება დაახლოებით 0.1%-ის რაოდენობით. შერეული იშვიათმიწა ელემენტების (შერეული La-Ce-Pr-Nd და ა.შ.) დამატება ამცირებს კრიტიკულ ტემპერატურას Al-0.65%Mg-0.61%Si შენადნობში დაბერების G₂P ზონის ფორმირებისთვის. მაგნიუმის შემცველ ალუმინის შენადნობებს შეუძლიათ სტიმულირება გაუწიონ იშვიათმიწა ელემენტების მეტამორფიზმს.

მინარევება

ვანადიუმი ალუმინის შენადნობებში წარმოქმნის VAl11 ცეცხლგამძლე ნაერთს, რომელიც დნობისა და ჩამოსხმის პროცესში მარცვლების რაფინირებაში მნიშვნელოვან როლს ასრულებს, თუმცა მისი როლი ტიტანისა და ცირკონიუმის როლთან შედარებით ნაკლებია. ვანადიუმს ასევე აქვს რეკრისტალიზებული სტრუქტურის რაფინირებისა და რეკრისტალიზაციის ტემპერატურის გაზრდის ეფექტი.

ალუმინის შენადნობებში კალციუმის მყარად ხსნადობა უკიდურესად დაბალია და ის ალუმინთან ერთად წარმოქმნის CaAl4 ნაერთს. კალციუმი ალუმინის შენადნობების სუპერპლასტიკური ელემენტია. დაახლოებით 5% კალციუმის და 5% მანგანუმის შემცველი ალუმინის შენადნობი სუპერპლასტიურობით ხასიათდება. კალციუმი და სილიციუმი წარმოქმნიან CaSi-ს, რომელიც ალუმინში უხსნადია. რადგან მყარ ხსნარში სილიციუმის რაოდენობა მცირდება, სამრეწველო სუფთა ალუმინის ელექტროგამტარობა შეიძლება ოდნავ გაუმჯობესდეს. კალციუმს შეუძლია გააუმჯობესოს ალუმინის შენადნობების ჭრის მახასიათებლები. CaSi2-ს არ შეუძლია ალუმინის შენადნობების გამაგრება თერმული დამუშავებით. კალციუმის კვალი სასარგებლოა გამდნარი ალუმინიდან წყალბადის მოსაშორებლად.

ტყვიის, კალის და ბისმუტის ელემენტები დაბალი დნობის წერტილის მქონე ლითონებია. მათი მყარ მდგომარეობაში ხსნადობა ალუმინში მცირეა, რაც ოდნავ ამცირებს შენადნობის სიმტკიცეს, მაგრამ შეუძლია გააუმჯობესოს ჭრის ეფექტურობა. ბისმუტი გამყარების დროს ფართოვდება, რაც სასარგებლოა შესავსებად. მაგნიუმის მაღალი შემცველობის შენადნობებში ბისმუტის დამატება ხელს უშლის ნატრიუმის მსხვრევადობას.

სტიბიუმი ძირითადად გამოიყენება როგორც მოდიფიკატორი ჩამოსხმული ალუმინის შენადნობებში და იშვიათად გამოიყენება დეფორმირებულ ალუმინის შენადნობებში. ნატრიუმის მსხვრევადობის თავიდან ასაცილებლად, Al-Mg დეფორმირებულ ალუმინის შენადნობში ბისმუტი მხოლოდ ჩაანაცვლეთ. სტიბიუმი ზოგიერთ Al-Zn-Mg-Cu შენადნობს ემატება ცხელი და ცივი დაწნეხვის პროცესების მუშაობის გასაუმჯობესებლად.

ბერილიუმს შეუძლია გააუმჯობესოს ოქსიდის ფენის სტრუქტურა დეფორმირებულ ალუმინის შენადნობებში და შეამციროს წვის დროს დანაკარგები და ჩანართები დნობისა და ჩამოსხმის დროს. ბერილიუმი ტოქსიკური ელემენტია, რომელმაც შეიძლება გამოიწვიოს ალერგიული მოწამვლა ადამიანებში. ამიტომ, ბერილიუმი არ შეიძლება შეიცავდეს ალუმინის შენადნობებს, რომლებიც კონტაქტში შედიან საკვებთან და სასმელებთან. შედუღების მასალებში ბერილიუმის შემცველობა, როგორც წესი, კონტროლდება 8μg/მლ-ზე ქვემოთ. შედუღების სუბსტრატებად გამოყენებული ალუმინის შენადნობები ასევე უნდა აკონტროლებდეს ბერილიუმის შემცველობას.

ნატრიუმი თითქმის უხსნადია ალუმინში და მაქსიმალური ხსნადობა მყარ მდგომარეობაში 0.0025%-ზე ნაკლებია. ნატრიუმის დნობის წერტილი დაბალია (97.8℃), როდესაც ნატრიუმი შენადნობში არის, გამყარების დროს ის ადსორბირდება დენდრიტის ზედაპირზე ან მარცვლის საზღვარზე. ცხელი დამუშავების დროს მარცვლის საზღვარზე არსებული ნატრიუმი წარმოქმნის თხევად ადსორბციულ ფენას, რაც იწვევს მყიფე ბზარებს, NaAlSi ნაერთების წარმოქმნას, თავისუფალი ნატრიუმი არ არსებობს და არ წარმოქმნის „ნატრიუმის მყიფეობას“.

როდესაც მაგნიუმის შემცველობა 2%-ს აჭარბებს, მაგნიუმი შთანთქავს სილიციუმს და ანაწილებს თავისუფალ ნატრიუმს, რაც იწვევს „ნატრიუმის სიმყიფეს“. ამიტომ, მაგნიუმის მაღალი შემცველობის ალუმინის შენადნობისთვის ნატრიუმის მარილის ნაკადის გამოყენება დაუშვებელია. „ნატრიუმის მყიფეობის“ თავიდან აცილების მეთოდებს შორისაა ქლორირება, რაც იწვევს ნატრიუმის მიერ NaCl-ის წარმოქმნას და გამოიყოფა წიდაში, ბისმუტის დამატება Na2Bi-ის წარმოქმნით და ლითონის მატრიცაში შეღწევით; სტიბიუმის დამატება Na3Sb-ის წარმოქმნით ან იშვიათმიწა ელემენტების დამატება ასევე შეიძლება იგივე ეფექტის მომტანი იყოს.

რედაქტირებულია მეი ჯიანგის მიერ MAT Aluminum-დან