Hur och varför läggs legeringselement till aluminium

Hur och varför läggs legeringselement till aluminium

Lär känna dina legeringar: Nycklar till framgångsrika aluminiumsvetsar

Rent aluminium används vanligtvis inte för strukturella applikationer. För att producera aluminium som har tillräcklig styrka för tillverkning av strukturella komponenter, är det nödvändigt att lägga till andra element till aluminiumet. Så vilka element kan läggas till dessa aluminiumlegeringar? Har det någon effekt på materialets prestanda att lägga till dessa element? I vilka tillämpningar används dessa legeringar?

Varför rent aluminium är olämpligt för strukturella tillämpningar

Det skulle vara mycket ovanligt att hitta rent aluminium (1xxx serie legeringar) valt för strukturell tillverkning på grund av deras hållfasthetsegenskaper. Även om 1xxx-serien är nästan ren aluminium, kommer de att reagera på töjningshärdning och speciellt om de innehåller avsevärda mängder föroreningar som järn och kisel. Men även i töjningshärdat tillstånd har 1xxx-seriens legeringar mycket låg hållfasthet jämfört med andra serier av aluminiumlegeringar. När 1xxx-seriens legeringar väljs för en strukturell tillämpning, väljs de oftast för sin överlägsna korrosionsbeständighet och/eller sin höga elektriska ledningsförmåga. De vanligaste applikationerna för 1xxx-seriens legeringar är aluminiumfolie, elektriska samlingsskenor, metalliseringstråd och kemikalietankar och rörsystem.

Hur och varför läggs legeringselement till aluminium

Tillsatsen av legeringselement till aluminium är den huvudsakliga metoden som används för att producera ett urval av olika material som kan användas i ett brett sortiment av strukturella tillämpningar.

Om vi betraktar de sju avsedda aluminiumlegeringsserierna som används för smideslegeringar, kan vi omedelbart identifiera de viktigaste legeringselementen som används för att producera var och en av legeringsserierna. Vi kan sedan gå vidare och undersöka var och en av dessa elements effekter på aluminium. Vi har även lagt till några andra vanliga element och deras effekter på aluminium.

Serier Primärt legeringselement
1xxx Aluminium - 99,00 % eller mer
2xxx Koppar
3xxx Mangan
4xxx Kisel
5xxx Magnesium
6xxx Magnesium och kisel
7xxx Zink

De huvudsakliga effekterna av legeringselement i aluminium är följande:

Koppar (Cu) 2xxx –Aluminium-kopparlegeringarna innehåller vanligtvis mellan 2 och 10 % koppar, med mindre tillsatser av andra element. Koppar ger avsevärda ökningar i styrka och underlättar nederbördshärdning. Införandet av koppar till aluminium kan också minska duktiliteten och korrosionsbeständigheten. Mottagligheten för stelningssprickor hos aluminium-kopparlegeringar ökar. Följaktligen kan några av dessa legeringar vara de mest utmanande aluminiumlegeringarna att svetsa. Dessa legeringar inkluderar några av de högsta värmebehandlingsbara aluminiumlegeringarna. De vanligaste applikationerna för 2xxx-seriens legeringar är flyg-, militärfordon och raketfenor.

Mangan (Mn) 3xxx – Tillsatsen av mangan till aluminium ökar styrkan något genom lösningsförstärkning. Det förbättrar också töjningshärdningen samtidigt som den inte nämnvärt minskar duktiliteten eller korrosionsbeständigheten. Dessa är icke-värmebehandlande material med måttlig styrka som bibehåller styrkan vid förhöjda temperaturer och som sällan används för större strukturella tillämpningar. De vanligaste applikationerna för 3xxx-seriens legeringar är köksredskap, radiatorer, luftkonditioneringskondensorer, förångare, värmeväxlare och tillhörande rörsystem.

Kisel (Si) 4xxx –Tillsatsen av kisel till aluminium minskar smälttemperaturen och förbättrar flytbarheten. Enbart kisel i aluminium ger en legering som inte kan värmebehandlas. Men i kombination med magnesium ger det en utfällningshärdande värmebehandlad legering. Följaktligen finns det både värmebehandlingsbara och icke värmebehandlade legeringar inom 4xxx-serien. Kiseltillsatser till aluminium används vanligtvis för tillverkning av gjutgods. De vanligaste applikationerna för 4xxx-seriens legeringar är tillsatstrådar för smältsvetsning och lödning av aluminium.

Magnesium (Mg) 5xxx -Tillsatsen av magnesium till aluminium ökar styrkan genom att stärka fast lösning och förbättrar deras töjningshärdningsförmåga. Dessa legeringar är de icke-värmebehandlade aluminiumlegeringarna av högsta hållfasthet och används därför flitigt för strukturella tillämpningar. 5xxx-seriens legeringar tillverkas huvudsakligen som plåtar och endast ibland som extruderingar. Anledningen till detta är att dessa legeringar anstränger sig för att härda snabbt och därför är svåra och dyra att extrudera. Några vanliga applikationer för 5xxx-seriens legeringar är lastbils- och tågkarosserier, byggnader, pansarfordon, skepps- och båtbyggen, kemikalietankfartyg, tryckkärl och kryogentankar.

Magnesium och kisel (Mg2Si) 6xxx – Tillsatsen av magnesium och kisel till aluminium ger föreningen magnesiumsilicid (Mg2Si). Bildandet av denna förening ger 6xxx-serien deras värmebehandlingsbarhet. 6xxx-seriens legeringar extruderas enkelt och ekonomiskt. Av denna anledning finns 6xxx-legeringarna oftast i ett omfattande urval av extruderade former. Dessa legeringar utgör ett viktigt komplementsystem med 5xxx-seriens legering. 5xxx-seriens legering används i form av plåtar och 6xxx är ofta sammanfogade med plåten i någon extruderad form. Några av de vanliga applikationerna för 6xxx-seriens legeringar är ledstänger, drivaxlar, ramsektioner för bilar, cykelramar, rörformade gräsmattor, ställningar, förstyvningar och hängslen som används på lastbilar, båtar och många andra strukturella tillverkningar.

Zink (Zn) 7xxx –Tillsatsen av zink till aluminium (tillsammans med vissa andra grundämnen, främst magnesium och/eller koppar) ger värmebehandlingsbara aluminiumlegeringar av högsta hållfasthet. Zinken ökar avsevärt styrkan och tillåter utfällningshärdning. Vissa av dessa legeringar kan vara känsliga för spänningskorrosionssprickor och av denna anledning är de vanligtvis inte smältsvetsade. Andra legeringar inom denna serie är ofta smältsvetsade med utmärkt resultat. Några av de vanligaste användningsområdena för 7xxx-seriens legeringar är flyg, pansarfordon, basebollträn och cykelramar.

Järn (Fe) –Järn är den vanligaste föroreningen som finns i aluminium och tillsätts avsiktligt till några rena (1xxx-serien) legeringar för att ge en liten ökning i styrka.

Krom (Cr) –Krom tillsätts aluminium för att kontrollera kornstrukturen och för att förhindra korntillväxt i aluminium-magnesium-legeringar. Det hjälper också till att förhindra omkristallisering i aluminium-magnesium-kisel eller aluminium-magnesium-zink-legeringar under värmebehandling. Krom kommer också att minska känsligheten för spänningskorrosion och förbättrar segheten.

Nickel (Ni) – Nickel tillsätts till aluminium-koppar och aluminium-kisellegeringar för att förbättra hårdhet och styrka vid förhöjda temperaturer och för att minska expansionskoefficienten.

Titan (Ti) – Titan tillsätts aluminium främst som en spannmålsraffinör. Den raffinerande effekten av titan förstärks om bor finns i smältan eller om det tillsätts som en masterlegering innehållande bor till stor del kombinerat som TiB2. Titan är ett vanligt tillskott till aluminiumsvetstråd eftersom det förfinar svetsstrukturen och hjälper till att förhindra svetssprickor.

Zirkonium (Zr) – Zirkonium tillsätts till aluminium för att bilda en fin fällning av intermetalliska partiklar som hämmar omkristallisation.

Litium (Li) -Tillsatsen av litium till aluminium kan avsevärt öka styrkan och, Youngs modul, ge nederbördshärdning och minskar densiteten.

Bly (Pb) och vismut (Bi) – Bly och vismut tillsätts till aluminium för att hjälpa till vid spånbildning och förbättra bearbetbarheten. Dessa fria bearbetningslegeringar är ofta inte svetsbara eftersom bly och vismut producerar lågsmältande beståndsdelar och kan ge dåliga mekaniska egenskaper och/eller hög sprickkänslighet vid stelning.

Sammanfattning

Det finns många aluminiumlegeringar som används inom industrin i dag. Över 400 smideslegeringar och över 200 gjutlegeringar är för närvarande registrerade hos Aluminum Association. En av de viktigaste övervägandena som man stöter på under svetsning av aluminium är identifieringen av den aluminiumbaslegeringstyp som ska svetsas. Om basmaterialtypen för den komponent som ska svetsas inte är tillgänglig från en pålitlig källa kan det vara svårt att välja en lämplig svetsprocedur.

Det finns några allmänna riktlinjer för den mest sannolika typen av aluminium som används i olika applikationer, såsom de som nämns ovan. Det är dock mycket viktigt att vara medveten om att felaktiga antaganden om kemin hos en aluminiumlegering kan resultera i mycket allvarliga effekter på svetsprestandan. Det rekommenderas starkt att en positiv identifiering av typen av aluminium görs och att svetsprocedurer utvecklas och testas för att verifiera svetsprestanda.