Cobre
Quando a parte rica em alumínio da liga de alumínio-cobre é 548, a solubilidade máxima do cobre no alumínio é de 5,65%. Quando a temperatura cai para 302, a solubilidade do cobre é de 0,45%. O cobre é um importante elemento de liga e possui um certo efeito de fortalecimento em solução sólida. Além disso, o CuAl2 precipitado pelo envelhecimento tem um efeito de fortalecimento evidente. O teor de cobre em ligas de alumínio está geralmente entre 2,5% e 5%, e o efeito de fortalecimento é melhor quando o teor de cobre está entre 4% e 6,8%, portanto, o teor de cobre da maioria das ligas de duralumínio está dentro dessa faixa. As ligas de alumínio-cobre podem conter menos silício, magnésio, manganês, cromo, zinco, ferro e outros elementos.
Silício
Quando a parte rica em alumínio do sistema de liga Al-Si tem uma temperatura eutética de 577, a solubilidade máxima do silício na solução sólida é de 1,65%. Embora a solubilidade diminua com a diminuição da temperatura, essas ligas geralmente não podem ser reforçadas por tratamento térmico. A liga de alumínio-silício possui excelentes propriedades de fundição e resistência à corrosão. Se magnésio e silício forem adicionados ao alumínio ao mesmo tempo para formar uma liga de alumínio-magnésio-silício, a fase de reforço será MgSi. A razão de massa de magnésio para silício é de 1,73:1. Ao projetar a composição da liga Al-Mg-Si, os teores de magnésio e silício são configurados nessa razão na matriz. Para melhorar a resistência de algumas ligas Al-Mg-Si, uma quantidade adequada de cobre é adicionada, e uma quantidade adequada de cromo é adicionada para compensar os efeitos adversos do cobre na resistência à corrosão.
A solubilidade máxima de Mg2Si em alumínio na parte rica em alumínio do diagrama de fases de equilíbrio do sistema de liga Al-Mg2Si é de 1,85%, e a desaceleração é pequena à medida que a temperatura diminui. Em ligas de alumínio deformadas, a adição de silício isoladamente ao alumínio é limitada a materiais de soldagem, e a adição de silício ao alumínio também tem um certo efeito de fortalecimento.
Magnésio
Embora a curva de solubilidade mostre que a solubilidade do magnésio no alumínio diminui significativamente com a redução da temperatura, o teor de magnésio na maioria das ligas de alumínio deformadas industriais é inferior a 6%. O teor de silício também é baixo. Este tipo de liga não pode ser reforçado por tratamento térmico, mas apresenta boa soldabilidade, boa resistência à corrosão e resistência média. O reforço do alumínio pelo magnésio é óbvio. Para cada aumento de 1% no magnésio, a resistência à tração aumenta em aproximadamente 34 MPa. Se menos de 1% de manganês for adicionado, o efeito de reforço pode ser complementado. Portanto, a adição de manganês pode reduzir o teor de magnésio e reduzir a tendência de fissuração a quente. Além disso, o manganês também pode precipitar uniformemente compostos de Mg5Al8, melhorando a resistência à corrosão e o desempenho da soldagem.
Manganês
Quando a temperatura eutética do diagrama de fases de equilíbrio plano do sistema de liga Al-Mn é de 65°C, a solubilidade máxima do manganês na solução sólida é de 1,82%. A resistência da liga aumenta com o aumento da solubilidade. Quando o teor de manganês é de 0,8%, o alongamento atinge o valor máximo. A liga Al-Mn é uma liga que não endurece por envelhecimento, ou seja, não pode ser reforçada por tratamento térmico. O manganês pode impedir o processo de recristalização de ligas de alumínio, aumentar a temperatura de recristalização e refinar significativamente os grãos recristalizados. O refinamento dos grãos recristalizados se deve principalmente ao fato de que as partículas dispersas de compostos MnAl6 impedem o crescimento dos grãos recristalizados. Outra função do MnAl6 é dissolver o ferro impuro para formar (Fe, Mn)Al6, reduzindo os efeitos nocivos do ferro. O manganês é um elemento importante nas ligas de alumínio. Ele pode ser adicionado sozinho para formar uma liga binária Al-Mn. Mais frequentemente, é adicionado junto com outros elementos de liga. Portanto, a maioria das ligas de alumínio contém manganês.
Zinco
A solubilidade do zinco no alumínio é de 31,6% a 275 na parte rica em alumínio do diagrama de fases de equilíbrio do sistema de liga Al-Zn, enquanto sua solubilidade cai para 5,6% a 125. Adicionar zinco sozinho ao alumínio tem uma melhoria muito limitada na resistência da liga de alumínio sob condições de deformação. Ao mesmo tempo, há uma tendência à corrosão sob tensão, limitando assim sua aplicação. Adicionar zinco e magnésio ao alumínio ao mesmo tempo forma a fase de reforço Mg/Zn2, que tem um efeito de fortalecimento significativo na liga. Quando o teor de Mg/Zn2 é aumentado de 0,5% para 12%, a resistência à tração e o limite de escoamento podem ser significativamente aumentados. Em ligas de alumínio superduras onde o teor de magnésio excede a quantidade necessária para formar a fase Mg/Zn2, quando a razão de zinco para magnésio é controlada em torno de 2,7, a resistência à corrosão sob tensão é maior. Por exemplo, a adição de cobre ao Al-Zn-Mg forma uma liga da série Al-Zn-Mg-Cu. O efeito de reforço da base é o maior entre todas as ligas de alumínio. É também um importante material de liga de alumínio nas indústrias aeroespacial, de aviação e de energia elétrica.
Ferro e silício
O ferro é adicionado como elemento de liga em ligas de alumínio forjado da série Al-Cu-Mg-Ni-Fe, e o silício é adicionado como elemento de liga em alumínio forjado da série Al-Mg-Si e em hastes de soldagem da série Al-Si e ligas de fundição de alumínio-silício. Em ligas de alumínio base, silício e ferro são elementos de impureza comuns, que têm um impacto significativo nas propriedades da liga. Eles existem principalmente como FeCl3 e silício livre. Quando o silício é maior que o ferro, a fase β-FeSiAl3 (ou Fe2Si2Al9) é formada, e quando o ferro é maior que o silício, a fase α-Fe2SiAl8 (ou Fe3Si2Al12) é formada. Quando a proporção de ferro e silício é inadequada, isso causará rachaduras na fundição. Quando o teor de ferro no alumínio fundido é muito alto, a fundição se tornará quebradiça.
Titânio e Boro
O titânio é um elemento aditivo comumente utilizado em ligas de alumínio, adicionado na forma de liga-mestra Al-Ti ou Al-Ti-B. Titânio e alumínio formam a fase TiAl2, que se torna um núcleo não espontâneo durante a cristalização e desempenha um papel no refinamento da estrutura da peça fundida e da solda. Quando ligas Al-Ti sofrem uma reação de encapsulamento, o teor crítico de titânio é de cerca de 0,15%. Na presença de boro, a desaceleração é de apenas 0,01%.
Cromo
O cromo é um elemento aditivo comum nas ligas das séries Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn e Al-Mg. A 600 °C, a solubilidade do cromo em alumínio é de 0,8% e é basicamente insolúvel à temperatura ambiente. O cromo forma compostos intermetálicos como (CrFe)Al7 e (CrMn)Al12 no alumínio, o que dificulta o processo de nucleação e crescimento da recristalização e tem um certo efeito fortalecedor na liga. Também pode melhorar a tenacidade da liga e reduzir a suscetibilidade à corrosão sob tensão.
No entanto, o sítio aumenta a sensibilidade à têmpera, tornando o filme anodizado amarelo. A quantidade de cromo adicionada às ligas de alumínio geralmente não excede 0,35% e diminui com o aumento dos elementos de transição na liga.
Estrôncio
O estrôncio é um elemento tensoativo que pode alterar cristalograficamente o comportamento das fases de compostos intermetálicos. Portanto, o tratamento de modificação com estrôncio pode melhorar a trabalhabilidade plástica da liga e a qualidade do produto final. Devido ao seu longo tempo de modificação efetiva, bom efeito e reprodutibilidade, o estrôncio substituiu o uso de sódio em ligas de fundição de Al-Si nos últimos anos. A adição de 0,015% a 0,03% de estrôncio à liga de alumínio para extrusão transforma a fase β-AlFeSi do lingote em α-AlFeSi, reduzindo o tempo de homogeneização do lingote em 60% a 70%, melhorando as propriedades mecânicas e a processabilidade plástica dos materiais; melhorando a rugosidade superficial dos produtos.
Para ligas de alumínio deformadas com alto teor de silício (10% a 13%), a adição de 0,02% a 0,07% de estrôncio pode reduzir os cristais primários ao mínimo, e as propriedades mecânicas também são significativamente melhoradas. A resistência à tração (b) aumentou de 233 MPa para 236 MPa, o limite de escoamento (b0,2) aumentou de 204 MPa para 210 MPa e o alongamento (b5) aumentou de 9% para 12%. A adição de estrôncio à liga hipereutética de Al-Si pode reduzir o tamanho das partículas primárias de silício, melhorar as propriedades de processamento do plástico e permitir laminação suave a quente e a frio.
Zircônio
O zircônio também é um aditivo comum em ligas de alumínio. Geralmente, a quantidade adicionada a ligas de alumínio é de 0,1% a 0,3%. O zircônio e o alumínio formam compostos de ZrAl3, que podem dificultar o processo de recristalização e refinar os grãos recristalizados. O zircônio também pode refinar a estrutura da peça fundida, mas o efeito é menor do que o do titânio. A presença de zircônio reduzirá o efeito de refino dos grãos do titânio e do boro. Em ligas de Al-Zn-Mg-Cu, como o zircônio tem um efeito menor na sensibilidade à têmpera do que o cromo e o manganês, é apropriado usar zircônio em vez de cromo e manganês para refinar a estrutura recristalizada.
Elementos de terras raras
Elementos de terras raras são adicionados às ligas de alumínio para aumentar o super-resfriamento dos componentes durante a fundição, refinar os grãos, reduzir o espaçamento dos cristais secundários, reduzir gases e inclusões na liga e tender a esferoidizar a fase de inclusão. Isso também pode reduzir a tensão superficial do fundido, aumentar a fluidez e facilitar a fundição em lingotes, o que tem um impacto significativo no desempenho do processo. É recomendável adicionar várias terras raras em uma quantidade de cerca de 0,1%. A adição de terras raras mistas (La-Ce-Pr-Nd, etc.) reduz a temperatura crítica para a formação da zona de envelhecimento G-P na liga Al-0,65%Mg-0,61%Si. Ligas de alumínio contendo magnésio podem estimular o metamorfismo de elementos de terras raras.
Impureza
O vanádio forma o composto refratário VAl11 em ligas de alumínio, que desempenha um papel no refino dos grãos durante o processo de fusão e fundição, mas seu papel é menor do que o do titânio e do zircônio. O vanádio também tem o efeito de refinar a estrutura recristalizada e aumentar a temperatura de recristalização.
A solubilidade sólida do cálcio em ligas de alumínio é extremamente baixa, formando um composto de CaAl4 com o alumínio. O cálcio é um elemento superplástico das ligas de alumínio. Uma liga de alumínio com aproximadamente 5% de cálcio e 5% de manganês apresenta superplasticidade. O cálcio e o silício formam CaSi, que é insolúvel em alumínio. Como a quantidade de silício na solução sólida é reduzida, a condutividade elétrica do alumínio puro industrial pode ser ligeiramente melhorada. O cálcio pode melhorar o desempenho de corte das ligas de alumínio. O CaSi2 não fortalece ligas de alumínio por meio de tratamento térmico. Traços de cálcio são úteis na remoção de hidrogênio do alumínio fundido.
Chumbo, estanho e bismuto são metais de baixo ponto de fusão. Sua solubilidade sólida em alumínio é baixa, o que reduz ligeiramente a resistência da liga, mas pode melhorar o desempenho de corte. O bismuto se expande durante a solidificação, o que é benéfico para a alimentação. A adição de bismuto a ligas com alto teor de magnésio pode prevenir a fragilização por sódio.
O antimônio é usado principalmente como modificador em ligas de alumínio fundido e raramente em ligas de alumínio deformadas. Substitua apenas o bismuto em ligas de alumínio deformadas Al-Mg para evitar a fragilização por sódio. O antimônio é adicionado a algumas ligas Al-Zn-Mg-Cu para melhorar o desempenho dos processos de prensagem a quente e a frio.
O berílio pode melhorar a estrutura do filme de óxido em ligas de alumínio deformadas e reduzir as perdas por queima e as inclusões durante a fusão e a fundição. O berílio é um elemento tóxico que pode causar intoxicações alérgicas em humanos. Portanto, o berílio não pode ser contido em ligas de alumínio que entram em contato com alimentos e bebidas. O teor de berílio em materiais de soldagem é geralmente controlado abaixo de 8 μg/ml. As ligas de alumínio utilizadas como substratos de soldagem também devem controlar o teor de berílio.
O sódio é quase insolúvel em alumínio, e a solubilidade máxima em sólidos é inferior a 0,0025%. O ponto de fusão do sódio é baixo (97,8°C). Quando o sódio está presente na liga, ele é adsorvido na superfície dendrítica ou no contorno de grão durante a solidificação. Durante o processamento a quente, o sódio no contorno de grão forma uma camada de adsorção líquida, resultando em trincas frágeis, a formação de compostos de NaAlSi. Não há sódio livre e não produz "sódio quebradiço".
Quando o teor de magnésio excede 2%, o magnésio remove o silício e precipita o sódio livre, resultando em "fragilidade por sódio". Portanto, ligas de alumínio com alto teor de magnésio não podem usar fluxo de sal de sódio. Os métodos para evitar a "fragilidade por sódio" incluem a cloração, que faz com que o sódio forme NaCl e seja descarregado na escória; a adição de bismuto para formar Na2Bi e penetrar na matriz metálica; a adição de antimônio para formar Na3Sb ou a adição de terras raras também podem ter o mesmo efeito.
Editado por May Jiang da MAT Aluminum
Horário da publicação: 08/08/2024
