1、有色金属再生与利用2004年第9期微星元素在 铝盆金巾t口口亚LlJ 的作用wElLIANGYUANSUZAII。uEjINZHONGDEZUOYoIIG蒋大鸣 张雨平某些元素的少量甚至痕量存在会显著影响铝合金的组织和性能。为控制和改善铝合金的组织与性能，研究者常常定量加入不同合金元素，或以不同方法限制一些元素在合金中的含量，大量研究表明，铝合金中这类元素的摩尔分数一般为01左右，但是对合金的组织和性能却有十分显著的影响。主要表现在对铸造合金的变质作用、对时效铝合金的时效和抑制作用，以及对形变铝合金再结晶的抑制作用。本文总结了近些年来国内外形变铝合金的有关研究工作的最新进展。1形变铝合金中的微
2、量元素及使用在形变铝合金中，常存微量元素有Mn、Cr、Zr、Ti、Fe、Si、Cd、Sn、In、Ag、Ge、Sc和Be等。其中Fe和si为铝合金的常见杂质元素，在合金中形成大尺寸夹杂物，对合金的性能产生不利影响。Mn、Cr、Zr元素为典型的弥散相形成元素，在合金中形成尺寸为00101 u m的弥散相，抑制合金的再结晶和晶粒长大。近些年来，国内外在cd、sn、In、Ag、Ge、Sc和Be等元素对合金性能影响方面开展了大量研究工作。此外，痕量的Na和sr等元素也会对合金性能产生十分显著的影响。2日寸效强化铝合金常用BN,-J效强化铝合金A1一cu、AICuMg、A1一ZnMglcu)和A1一Li合
3、金。有关研究不但得出一系列有益的结果，还导致了许多新型铝合金的产生。21 Cd、Sn和In的作用211 AICu合金cd、sn和In三种元素对AIcu合金BtJS,-J-效过程有显著的影响。研究表明，sn可以抑制AIcu合金的低温时效；促进合金的高温时效，使得合金达至Ull,-J效硬度和强度峰值的时间缩短，时效峰值提高。cd和ln对AICu合金8N,-J效具有相似的影0NqE用。研究还认为，三种元素与淬火产生的空位具有较高的结合能，使AIcu合金GP区不易形成，从而抑制了合金的低温时效。而在高温时效时，以上元素可以降低e相易于形核，从而提高时效效果。最新的研究发现以上三种元素会在淬火或时效早期
4、形成沉淀相，这些沉淀相可以作为e相的形核和长大的核心，从而增加高温时效效果。早期的A15cu一012Cd一05Mn合金和后来的2021合金(A163Cu一015Cd一005Sn是Cd应用的实例。212 A1一CuLi合金cd与Li共同加入，可以显著增加A1一Cu合金的时效效果。以上研究结果同其他结果一起，导致第一个工业含Li合金2020(A145Cu一11Li一05Mn一02Cd)的诞生。cd在合金中可以促进e相的析出。在高Li含量的A1一cuLi合金中，cd对时效的促进作用较弱。而ln的加人可以增)i-IT，和e相的密度和均匀性，从而具有良好的促进时效作用。组织观察发现，在合金中细小的富In
5、粒子可以刺激T、相的形核。2 2 Ag的作用2 21 AICu合金AI一4Cu合金中加入Ag可以降低低温时效速率，但是随着时效时间延长，硬化速率突然提高。在Mg存在的情况下，Ag可以提高高温时效硬化效果。Ag和Mg元素与淬火过程中产生的空位发生交互作用。222 A1一ZnMglCu)合金A1一ZnMg一(cul合金在工业铝合金中时效硬化效果最佳。Polmear发现，加入Ag可以显著扩大AIZnMg合金获得最大时效效果的温度区间，7975合金中加入Ag也有相似的作用。同cd、sn和In不同，Ag加入不会提高A1一ZnMg合金的最大时效效果，使时效硬度和强度峰值水平提高。但Ag的加入会使合金获得时
6、效峰值的温度范围变宽，在220。C仍保持高硬度和强度。组织观察发现，含Ag合金中T1相弥散度较高。这可能与Ag刺激T1相形核、提高GP区的数目或G P区溶解温度从120一1400C提高到2000C左右有关。此外，AIZnMg系合金对应力腐蚀敏感，而加入Ag可以显著提高合金的应力腐蚀抗力。德国曾开发出含Ag的AlZnMg合金AZ一4717009用于制造飞机锻件。223 A1一CuMg合金在ALCuMg合金中，加入Ag对性能的影响与合金所含cu与Mg的比例有关。当cu与Mg比例较高万方数据有色金属再生与利用2 0 04年第g期时，少量Ag加入会导致亚稳的Q(At。Cu)形成，从而提高强化效果。时效
7、过程中cu的扩散的扩散促进Q相的形成。Q相具有斜方结构，在200以下一直保持稳定，从而赋予合金较高的高温强度和蠕变抗力。时效温度超过200，Q相将被正方结构的e相所取代。对于高Mgcu比例的AICuMg合金，Ag会促进T相的形成，成分为AI。(Cu，Ag)Mg。而最近的会聚速电子衍射发现两种新的时效析出相X相和z相。X相具有六方结构l 0(一O49mm，c=I375cm)在基体晶面析出。z相具有面心立六结构(OC=1999nm)，在基体的110和111)析出。224 AICuLi合金少量Ag的加入不影响的合金的时效过程，但Ag和Mg一同加入会产生额外的时效强化效果。基于以上研究结果，Picke
8、ns等人开发了新的工业用AIcuLiAgMg合金系歹0(X2194和X2195，)其拉伸强度超过700MPa。按此强度考虑，相当于钢材具有2100MPa的强度。这也是迄今为止用传统的熔炼铸造方法所生产的最高强度铝合金，其中X2194合金将作为“超轻重量”材料用来制造主燃料箱，以供未来的美国航天飞机使用。该类合金的异常高强度在于组织中同时存在T，、e和s(s)相，这些时效相分别在基体的不同晶面析出，给位错运动造成相当高的阻力。A1一cuLi合金中的T相形核比较困难，通常在位错上析出。因而合金通常在T8状态使用。Ag和Mg使T，相分布均匀、尺寸细小。AICuLiAgMg合金无需在时效前进行形变。近
9、些年的三维原子探针研究发现Ag和Mg原子在T、相和基体的相界面偏聚，促进T相的形核。也有研究认为T，相在GP区形核，Ag和Mg原子可以提高GP区密度。225 AIMg合金在400时，Mg在AI中的固溶度为15，到20时。固溶度降低到1。AIMg二元合金时效强化效应非常低，产生时效强化的临界Mg含量为6。Ag可以大幅度提高Mg在A1中的过饱和度，显著增加强化效果。在Mg仅为05，100。C一240时即可获得时效强化。A1一MgAg合金中存在十分稳定的CP区或T相Mg。：或T相Mg。：(A1，Ag)。2 3 Ge的作用231 A1一CuMg合金在A1一CuMg合金中加入Ge可以抑制G P区的低温形
10、成，在165时效时缩短时效时间，提高时效的硬度峰值。Mg与Ge与空位发生交互作用，促进e形成。232 AlLi合金在AlLi合金中加人Ge会形成与6相无关的析出相，造成合金的进一步强化，并提高合金的形变均匀I性。24 Zr和Sc元素zr加入铝合金会形成细小弥散的AI。Zr弥散相，抑制合金的再结晶和晶粒长大。近些年来新开发的时效铝合金，尤其是AILi系合金多加入该元素，而在AILi系合金中，A1，zr作为6相的形核位置，可以加速时效进程。sc对铝合金的组织和性能影响是近年来的热门研究课题。铝合金中加入sc后会在固溶或时效过程中析出与基体共格的弥散相A1，sc，与A1，zr有相似的作用，但效果更佳
11、。此外A1，Sc本身细小均匀，可以细化铸态组织，从而改善合金的焊接性能。25 Be元素相对来讲，在A13cu、AI一25Cu一12Mg和AI一075Mg一05Si(质量分数，下同合金中加入较高量Be时，可以加速以上合金时效进程并提高时效硬度。在AicuBe合金中，cuBe空位团可以加速自然时效过程，而在人工时效时，Be溶入e和e析出相里，提高其形核速率。在AIcuMgBe合金中，Be与淬火空位发生交互作用，促进位错环的形成。在人工时效时，这些位错环和细小球形的富Be第二相可以成为s相的形核部位。在7475合金中加入Be，可以加速时效硬化进程，提高硬度近1倍，同时还可增加时效析出相数目，减小其尺
12、寸。3非时效强化铝合金非时效强化铝合金包括纯铝、AIMg和AIMn系合金。纯铝中其他元素一般作为杂质存在，对其性能有不利影响。AIMg合金是近些年来研究比较广泛的材料之一。该类合类中加入01一1O的Mn，以提高合金的强度和综合性能。zr、Ti和cr等元素也可以提高合金的综合性能，细化晶粒。20世纪80年代末，前苏联的研究部门开展了sc对非时效铝合金组织和性能的研究。开发出AIMgSc和AIMgScZr合金，新材料具有较高强度和优异的综合性能。俄罗斯首先将A1一MgSc合金用来制造火箭燃料箱，取代焊接性能不良的AICuMg合金，收到良好效果。目前此类新材料的开发在西方和我国均已经开展。4痕量元素
13、在铝合金中的作用万方数据有色金属再生与利用2 0 04年第9期在铝合金中，除了微量元素以外，还存在有一些含量极低的各种元素。这些痕量元素也会影响合金的性能。Na在铝合金中的含量为10“(ppm)数量级，有关研究发现Na会在不同条件下引起铝合金脆化。在高纯度、粗大晶粒组织的A15Mg合金中，006 X 10“的Na即可引起高温脆性。样品的面缩率仅为30左右，断口几乎为100沿晶型。研究还发现，加入少量的Y(O04)可以抑制甚至消除高温脆性，使面缩率提高到80以上。晶粒细化会使Na引起脆化的临界含量提高，而痕量的Sb(25X10“)也可以抑制或完全消除合金的高温脆性。本文作者也在工业用AIMg合金
14、5A05(LF5)和5A06(LF6)中发现Na脆现象。但不同的是，断口为沿晶和解理的混合型。在粗晶的5A06合金中，解理断口可达90以上。引起脆性的临界Na含量约为10 X 10一，远远高于引起高纯合金脆性所需的Na含量。Na不但会造成AIMg合金的高温脆性，也会引起AIu-cuzr、A1一LiCuMgZr和A|-ZnMgCu合金发生脆性解理断裂。由于解理断口所占比例较小，对合金的整体强度和塑性影响不十分显著。除了Na以外，痕量的ca和Sr(210l X 10“也会引起高纯AI一5Mg合金的高温脆性断裂。断口为沿晶型。与Na相比，ca和sr的有害作用较小。以上研究结果应当受到充分关注。首先是
15、痕量的Na、ca和sr都可以诱发高纯AIMg合金的高温脆性沿晶断裂，对合金的性能产生十分不利的影响，以前由于工业所应用的合金纯度较低，此问题尚未得到足够的重视。随着冶炼技术水平的不断提高和杂质元素含量的降低，终将对合金的性能产生影响。其次是痕量的Na还会诱发工业纯铝的解理断裂，也会对其性能产生不利影响。由此可见，在铝合金中Na会诱发解理断裂的沿晶断裂，两种断裂形式相互竞争。由于缺乏必要的系统研究，目前尚难以作出合理的解释。但AIMg合金在热加工时常常会发生脆性断裂，显然与Na的有害作用分不开。而其他工业铝合金的热加工时也曾发生非正常断裂，是否与Na的有害作用有关目前尚不清楚。痕量的ca和sr也
16、会诱发高纯合金的脆性沿晶断裂。而是否与其元素对铝合金产生的影响类似，目前还不得而知。5结束语铝合金中的许多微量元素及痕量元素对组织和性能有十分重要的影响。已有的大量研究结果，对改善现有铝合金的各种性能和开发新合金具有指导作用，但是目前已经掌握的资料还远远不够。继续开展此方面的研究，不断积累有关资料和数据，并从理论上加以总结和深化，对于改善现有合金的性能和设计新合金都有很大意义。 【转自铝型材技术论坛会文集：iI德国五矿有限公司Minmetals Germany GmbH长期供应各种欧洲 废杂铜藏们嚣润缒予德围；专门方堙翔您释装樊观桶严怒质釜蓑主要品种为：1，2号废铜；紫铜管黄铜管，黄杂铜，铜水
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18、张雨平作者单位：刊名： 有色金属再生与利用英文刊名： NON-FERROUS METALS RECYCLING AND UTILIZATION年，卷(期)： 2004(9)被引用次数： 8次引证文献(8条)1.陈玉红.WANG Hai-zhou.张华.SHI Yan-zhi 微波消解电感耦合等离子体质谱法测定铝合金中多元素期刊论文-冶金分析 2008(7)2.刘金明.钟建华.刘国平 Al-Ti-B和Cu对工业纯铝性能的影响期刊论文-铸造技术 2008(11)3.韩宝军.刘金明 稀土和Cu对工业纯铝性能的影响期刊论文-轻合金加工技术 2006(3)4.任鑫.谷永旭.侯静.马琳 含有微量La和Cr的铸铝合金的热处理工艺研究期刊论文-兵器材料科学与工程2011(2)5.任鑫.谷永旭.马琳.侯静 La、Cr对压铸铝合金组织和性能的影响期刊论文-热加工工艺 2011(5)6.桂治元.张兴国.郝海.张涛.任政.金俊泽 Zr对电磁连续铸造Al-4.0Cu-1.4Mg-0.5Mn 合金铸态组织与力学性能的影响期刊论文-铸造 2007(11)7.刘金明 新型电脑散热片材料的研制学位论文硕士 20058.刘金明 新型电脑散热片材料的研制学位论文硕士 2005本文链接：http:/
