Алюминиево-магниево-кремниевый сплав

Сплавы алюминия, магния и кремния ( AlMgSi ) - это алюминиевые сплавы - сплавы, которые в основном состоят из алюминия, - которые содержат как магний, так и кремний в качестве наиболее важных легирующих элементов с точки зрения количества . Оба вместе составляют менее 2 процентов по массе . Содержание магния выше, чем у кремния, в остальном они относятся к алюминиево-кремний-магниевым сплавам (AlSiMg).

AlMgSi - один из закаливаемых алюминиевых сплавов, то есть сплавов, которые могут становиться прочнее и тверже при термообработке . Это упрочнение в значительной степени основано на осаждении из магния силицида (Mg 2 Si). Поэтому сплавы AlMgSi рассматриваются в стандартах как отдельная группа (серия 6000), а не как подгруппа алюминиево-магниевых сплавов, которые не могут быть закалены.

AlMgSi - один из алюминиевых сплавов со средней и высокой прочностью , высокой вязкостью разрушения , хорошей свариваемостью , коррозионной стойкостью и формуемостью . Они превосходно обрабатываются методом экструзии и поэтому особенно часто перерабатываются с помощью этого процесса в строительные профили . Их обычно нагревают, чтобы облегчить обработку; как побочный эффект, их можно сразу же закалить, так что отдельную последующую термообработку можно не проводить.

Приложения

Они используются, в частности, для изготовления бамперов , кузовов автомобилей и больших профилей в рельсовом транспорте . В случае с последними они в значительной степени были ответственны за изменение конструкции рельсовых транспортных средств в 1970-х годах: ранее использовались клепаные трубчатые конструкции. Благодаря хорошей экструдируемости AlMgSi теперь можно производить большие профили, которые затем свариваются . Также в самолетах они используются, но предпочтительны AlCu и AlZnMg, но их трудно или невозможно сваривать . Свариваемые высокопрочные сплавы AlMgSiCu (AA6013 и AA6056) используются в моделях Airbus A318 и A380 для ребристых пластин в фюзеляже самолета , где с помощью лазерной сварки возможна экономия веса и затрат. (Сварка более рентабельна, чем клепка , которая обычно используется в авиастроении ; перекрытия, необходимые для клепки, могут быть исключены во время сварки, что позволяет сэкономить массу компонентов.)

Состав сплава

Фазы и равновесия

Система Al-Mg 2 Si образует эвтектику при 13,9% Mg 2 Si и температуре 594 ° C. Максимальная растворимость составляет 583,5 ° C и 1,9% Mg 2 Si, поэтому сумма обоих элементов в обычных сплавах ниже этого значения. Стехиометрический состав магния к кремнию 2: 1 соответствует массовому соотношению 1,73: 1. Растворимость очень быстро падает с понижением температуры и составляет всего 0,08% по массе при 200 ° C. Сплавы без дополнительных легирующих элементов или примесей затем в два этапа до начала - смешанного кристалла , и фаза (Mg 2 Si). Последний имеет температуру плавления 1085 ° C и поэтому термически стабилен. Даже скопления (кластеры) атомов магния и кремния, которые являются только метастабильными, растворяются очень медленно из-за высокой энергии связи двух элементов.

Многие стандартизированные сплавы имеют избыток кремния. Он практически не влияет на растворимость силицида магния, увеличивает прочность материала больше, чем избыток Mg или увеличение доли Mg 2 Si, увеличивает объем и количество осадков и ускоряет осаждение во время холодного и горячего упрочнения. . Он также связывает нежелательные примеси; особенно железо. С другой стороны, избыток магния снижает растворимость силицида магния.

Элементы сплава

Помимо магния и кремния стандартизованные марки содержат другие элементы.

  • Медь используется в количестве 0,2–1% для повышения прочности и искусственного старения. Он образует фазу Q (Al 4 Mg 8 Si 7 Cu 2 ). Медь приводит к более плотному диспергированию игольчатого частично связного осадка (кластер магния и кремния). Кроме того, есть фаза, характерная для алюминиево-медных сплавов . Сплавы с повышенным содержанием меди (сплавы 6061, 6056, 6013) в основном используются в авиации.
  • Железо присутствует в качестве примеси во всех алюминиевых сплавах в количестве 0,05–0,5%. Он образует фазы Al 8 Fe 2 Si, Al 5 FeSi и Al 8 FeMg 3 Si 6, которые все термически стабильны, но нежелательны, поскольку делают материал хрупким. Избыточный кремний также связывает железо.
  • Марганец (0,2–1%) и хром (0,05–0,35%) добавлены намеренно. Если оба добавляются одновременно, сумма двух элементов составляет менее 0,5%. После отжига при температуре не менее 400 ° C они образуют дисперсию выделений и, таким образом, повышают прочность. Хром особенно эффективен в сочетании с железом.
  • В дисперсии бывшего приходят циркония и ванадий используется.

Дисперсии

Частицы дисперсии лишь незначительно влияют на прочность. Если магний или кремний осаждаются на них во время охлаждения после термообработки в растворе и, таким образом, не образуют силицид магния должным образом, они даже снижают их прочность. Таким образом, они увеличивают чувствительность к закалке. Если скорость охлаждения недостаточна, они также связывают излишки кремния, которые в противном случае образовывали бы более крупные осадки и, таким образом, снижали бы прочность. Частицы дисперсии активируют дополнительные плоскости скольжения даже в затвердевшем состоянии, так что пластичность увеличивается и, прежде всего, можно предотвратить межкристаллитное разрушение. Поэтому сплавы с более высокой прочностью содержат марганец и хром и более чувствительны к закалке.

Следующее относится к влиянию легирующих элементов на образование дисперсии:

  • Прочность при комнатной температуре практически не меняется. Однако предел текучести резко повышается при более высоких температурах, что ограничивает формуемость и особенно неблагоприятно во время экструзии, поскольку увеличивает минимальную толщину стенки.
  • Рекристаллизации трудно, что препятствует образованию грубого зерна и оказывает благоприятное воздействие на формуемость.
  • Движение дислокаций блокируется при низких температурах, что улучшает трещиностойкость .
  • Дисперсии AlMn связывают пересыщенный кремний, когда они остывают после отжига в растворе. Это улучшает кристаллизацию и устраняет зоны без осадков, которые в противном случае возникли бы на границах зерен. Это улучшает характеристики разрушения от хрупкого и межкристаллитного до пластичного и транскристаллического.
  • Чувствительность к закалке увеличивается, поскольку для упрочнения требуется осажденный кремний. Поэтому сплавы, содержащие Mn или Cr, необходимо охлаждать быстрее, чем без этих элементов.

  • Вязкое разрушение сплава AlMgSi

  • Хрупкое разрушение алюминиевого сплава

Границы зерен

Кремний преимущественно осаждается на границах зерен, потому что у него есть проблемы зародышеобразования . Кроме того, здесь осаждается силицид магния. Предположительно, эти процессы аналогичны сплавам AlMg , но относительно не исследованы для AlMgSi до 2008 года. Фазы, выделяющиеся на границах зерен, приводят к тенденции AlMgSi к разрушению хрупких границ зерен.

Композиции стандартизированных сортов

Вся информация в процентах по массе . EN означает европейский стандарт , AW - кованый алюминиевый сплав (англ. « Алюминий», кованый ); Число больше не имеет значения.

Численно Химически Кремний железо медь марганец магний хром цинк титан Другие Другие (одиночные) Другое (всего) алюминий
EN AW-6005 AlSiMg 0,6-0,9 0,35 0,10 0,10 0,40-0,6 0,10 - - - 0,05 0,15 отдыхать
EN AW-6005A AlSiMg (А) 0,50-0,9 0,35 0,3 0,50 0,40-0,7 0,30 0,20 0,10 0,12-0,5 Mn + Cr 0,05 0,15 отдыхать
EN AW-6008 AlSiMgV 0,50-0,9 0,35 0,30 0,30 0,40-0,7 0,30 0,20 0,10 0,05-0,20 В 0,05 0,15 отдыхать
EN AW-6013 AlMg1Si0.8CuMn 0,6–1,0 0,5 0,6-1,1 0,20-0,8 0,8-1,2 0,10 0,25 0,10 - 0,05 0,15 отдыхать
EN AW-6056 AlSi1MgCuMn 0,7–1,3 0,50 0,50–1,1 0,40 - 1,0 0,6-1,2 0,25 0,10-0,7 - 0,20 Ti + Zr 0,05 0,15 отдыхать
EN AW-6060 AlMgSi 0,30-0,6 0,10-0,30 0,10 0,10 0,35-0,6 0,05 0,15 0,10 - 0,05 0,15 отдыхать
EN AW-6061 AlMg1SiCu 0,40-0,8 0,7 0,15-0,40 0,15 0,8-1,2 0,04-0,35 0,25 0,15 - 0,05 0,15 отдыхать
EN AW-6106 AlMgSiMn 0,30-0,6 0,35 0,25 0,05-0,20 0,40-0,8 0,20 0,10 - - 0,05 0,15 отдыхать

Механические свойства

Условия:

  • O мягкий ( мягкий отжиг , также горячее формование с теми же предельными значениями прочности).
  • T1: закалка от температуры термоформования и искусственное старение
  • T5: закалка от температуры термоформования и искусственное старение
  • T6: раствор, отожженный, закаленный и искусственно состаренный
  • T7: раствор, отожженный, закаленный, искусственно состаренный и отвердевший
  • T8: отожженный на твердый раствор, деформационная закалка и искусственное старение
Численно Химическая промышленность (CEN) Состояние Модуль упругости / МПа Модуль G / МПа Предел текучести / МПа Предел прочности на разрыв / МПа Относительное удлинение при разрыве /% Твердость по Бринеллю Усталостная прочность при изгибе / МПа
EN AW-6005 AlSiMg T5 69500 26500 255 280 11 85 nb
EN AW-6005A AlSiMg (А) Т1 69500 26200 100 200 25-е 52 nb
Т4 69500 26200 110 210 16 60 nb
T5 69500 26200 240 270 13-е 80 nb
T6 69500 26200 260 285 12-е 90 nb
EN AW-6008 AlSiMgV T6 69500 26200 255 285 14-е 90 nb
EN AW-6056 AlSi1MgCuMn T78 69000 25900 330 355 nb 105 nb
EN AW-6060 AlMgSi 0 69000 25900 50 100 27 25-е nb
Т1 69000 25900 90 150 25-е 45 nb
Т4 69000 25900 90 160 20-е 50 40
T5 69000 25900 185 220 13-е 75 nb
T6 69000 25900 215 245 13-е 85 65
EN AW-6061 AlMg1SiCu Т4 70000 26300 140 235 21-е 65 60
EN AW-6106 AlMgSiMn Т4 69500 26500 80 150 24 45 nb
T6 69500 26200 240 275 14-е 75 <75

Термическая обработка и закалка

AlMgSi может быть упрочнен двумя различными способами путем термообработки , в результате чего твердость и прочность увеличиваются, а пластичность и удлинение при разрыве уменьшаются. Оба варианта начинаются с термообработки на твердый раствор, а также могут сочетаться с механическими процессами ( ковкой ) с различными эффектами:

  1. Отжиг в растворе : отжиг происходит при температуре около 510-540 ° C, в результате чего легирующие элементы переходят в раствор.
  2. Закалка почти всегда происходит сразу после этого . В результате легирующие элементы первоначально остаются в растворе даже при комнатной температуре, тогда как при медленном охлаждении они будут образовывать выделения.
  • Холодное отверждение: при комнатной температуре постепенно образуются осадки, которые увеличивают прочность и твердость. В первые часы после закалки нарастание очень велико, в следующие несколько дней - меньше, затем постепенно, но еще не завершено даже через несколько лет.
  • Искусственное отверждение: материалы повторно нагреваются в печи до температуры 80–250 ° C (обычно 160–150 ° C). Время отверждения обычно составляет около 5–8 часов. Элементы сплава быстрее осаждаются и увеличивают твердость и прочность. Чем выше температура, тем быстрее достигается максимальная прочность, возможная для этой температуры, но чем ниже температура, тем она ниже.

Промежуточное хранение и стабилизация

Если после закалки и искусственного упрочнения (так называемого промежуточного хранения) проходит время, то достигаемая прочность снижается при искусственном упрочнении и наступает только позже. Причины кроются в изменении материала при промежуточном хранении, которое происходит при холодном закалке. Однако этот эффект влияет только на сплавы с более чем 0,8% Mg 2 Si (без избытка Mg или Si) и сплавы с более чем 0,6% Mg 2 Si, если присутствуют избытки Mg или Si.

Чтобы предотвратить эти негативные эффекты, AlMgSi можно отжигать после закалки при 80 ° C в течение 5–30 минут, в результате чего состояние материала стабилизируется и временно больше не изменяется. При этом сохраняется термореактивная способность. В качестве альтернативы возможна ступенчатая закалка, в которой первой стадией является закалка до температур, которые используются при искусственной закалке. Температуру поддерживают от нескольких минут до нескольких часов (в зависимости от температуры и сплава), а затем полностью охлаждают до комнатной температуры. Оба варианта позволяют обрабатывать заготовки в закаленном состоянии в течение некоторого времени. Холодное отверждение начинается после длительного периода ожидания. Более продолжительное время обработки увеличивает возможное время хранения, но снижает формуемость . Некоторые из этих процессов защищены патентами.

У стабилизации есть и другие преимущества: в этом случае материал находится в определяемом состоянии, что позволяет воспроизводить результаты при последующей обработке. В противном случае время временного хранения могло бы повлиять на упругую отдачу во время изгиба , например , так что постоянный угол изгиба был бы невозможен для нескольких заготовок.

Влияние холодной деформации

Формовка ( ковка , прокатка , гибка ) приводит к деформационному упрочнению металлов и сплавов , что является важной формой повышения прочности. Однако в случае AlMgSi он также влияет на последующее искусственное упрочнение. С другой стороны, холодная штамповка в искусственно закаленном состоянии невозможна из-за низкой пластичности в этом состоянии.

Холодное формование непосредственно после закалки увеличивает прочность за счет наклепа, но снижает увеличение прочности за счет холодного упрочнения и в значительной степени предотвращает его при степенях формовки 10% и более .

С другой стороны, холодная штамповка в частично или полностью закаленном состоянии также увеличивает прочность, так что оба эффекта складываются.

Если после холодной штамповки (в закаленном или в холодном состоянии) происходит горячая штамповка, это происходит быстрее, но достижимая прочность снижается. Чем выше застывание, тем выше предел текучести , но предел прочности при растяжении не увеличивается. Если, с другой стороны, холодная штамповка происходит в стабилизированном состоянии, то достижимые значения прочности улучшаются.

литература

  • Фридрих Остерманн: Технология применения алюминия. 3. Издание. Springer, 2014 г., ISBN 978-3-662-43806-0 .

Индивидуальные доказательства

  1. ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3. Издание. Springer, 2014, стр. 26, 30, 39f, 43, 53.
  2. ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3. Издание. Springer, 2014, Приложение.