Miten ja miksi seosalkuaineita lisätään alumiiniin

Miten ja miksi seosalkuaineita lisätään alumiiniin

Tunne seoksesi: Avaimet onnistuneisiin alumiinihitsauksiin

Puhdasta alumiinia ei yleensä käytetä rakenteellisiin sovelluksiin. Jotta alumiinista saataisiin riittävän lujaa rakenneosien valmistukseen, alumiiniin on lisättävä muita alkuaineita. Mitä alkuaineita näihin alumiiniseoksiin voidaan lisätä? Vaikuttaako näiden alkuaineiden lisääminen mitenkään materiaalin suorituskykyyn? Missä sovelluksissa näitä seoksia käytetään?

Miksi puhdas alumiini ei sovellu rakennesovelluksiin?

Olisi hyvin epätavallista, että puhdas alumiini (1xxx-sarjan seokset) valittaisiin rakenneosien valmistukseen sen lujuusominaisuuksien vuoksi. Vaikka 1xxx-sarjan seokset ovat lähes puhdasta alumiinia, ne reagoivat rasituskarkaisuun, varsinkin jos niissä on huomattavia määriä epäpuhtauksia, kuten rautaa ja piitä. Jopa rasituskarkaistussa tilassa 1xxx-sarjan seosten lujuus on kuitenkin hyvin alhainen verrattuna muihin alumiiniseossarjoihin. Kun 1xxx-sarjan metalliseokset valitaan rakennesovelluksiin, ne valitaan useimmiten niiden erinomaisen korroosionkestävyyden ja/tai korkean sähkönjohtavuuden vuoksi. Yleisimpiä 1xxx-sarjan seosten käyttökohteita ovat alumiinifolio, sähkökiskot, metallointilanka sekä kemikaalisäiliöt ja putkistojärjestelmät.

Miten ja miksi seosalkuaineita lisätään alumiiniin

Seosalkuaineiden lisääminen alumiiniin on pääasiallinen menetelmä, jolla tuotetaan erilaisia materiaaleja, joita voidaan käyttää monenlaisissa rakennesovelluksissa.

Jos tarkastelemme seitsemää nimettyä alumiiniseossarjaa, joita käytetään muokatuissa seoksissa, voimme välittömästi tunnistaa kunkin seossarjan valmistuksessa käytettävät tärkeimmät seosalkuaineet. Voimme sitten mennä pidemmälle ja tutkia kunkin alkuaineen vaikutuksia alumiiniin. Olemme myös lisänneet joitakin muita yleisesti käytettyjä alkuaineita ja niiden vaikutuksia alumiiniin.

Sarja Ensisijainen seosalkuaine
1xxx Alumiini - 99,00 % tai suurempi
2xxx Kupari
3xxx Mangaani
4xxx Pii
5xxx Magnesium
6xxx Magnesium ja pii
7xxx Sinkki

Alumiinin seosalkuaineiden tärkeimmät vaikutukset ovat seuraavat:

Kupari (Cu) 2xxx -Alumiini-kupariseokset sisältävät tyypillisesti 2-10 % kuparia ja pienempiä määriä muita alkuaineita. Kupari lisää merkittävästi lujuutta ja helpottaa erkaumakarkaisua. Kuparin lisääminen alumiiniin voi myös heikentää sitkeyttä ja korroosionkestävyyttä. Alumiini-kupariseokset ovat alttiimpia jähmettymishalkeilulle. Näin ollen jotkin näistä seoksista voivat olla kaikkein haastavimpia alumiiniseoksia hitsattaviksi. Näihin seoksiin kuuluu joitakin lujimpia lämpökäsiteltäviä alumiiniseoksia. 2xxx-sarjan seosten yleisimmät käyttökohteet ovat ilmailu- ja avaruusala, sotilasajoneuvot ja rakettien siivekkeet.

Mangaani (Mn) 3xxx - Mangaanin lisääminen alumiiniin lisää lujuutta jonkin verran liuoskarkaisun kautta. Se parantaa myös venymiskarkaisua, mutta ei heikennä merkittävästi sitkeyttä tai korroosionkestävyyttä. Nämä ovat kohtalaisen lujia, lämpökäsittelemättömiä materiaaleja, jotka säilyttävät lujuutensa korkeissa lämpötiloissa ja joita käytetään harvoin merkittäviin rakennesovelluksiin. Yleisimpiä 3xxx-sarjan seosten käyttökohteita ovat keittoastiat, jäähdyttimet, ilmastointilaitteiden lauhduttimet, höyrystimet, lämmönvaihtimet ja niihin liittyvät putkistojärjestelmät.

Pii (Si) 4xxx -Piin lisääminen alumiiniin alentaa sulamislämpötilaa ja parantaa juoksevuutta. Pelkkä pii alumiinissa tuottaa lämpökäsittelemättömän seoksen. Yhdessä magnesiumin kanssa se tuottaa kuitenkin erkaumakarkaistavan lämpökäsiteltävän seoksen. Näin ollen 4xxx-sarjassa on sekä lämpökäsiteltäviä että lämpökäsittelemättömiä seoksia. Pii-alumiiniseosta käytetään yleisesti valukappaleiden valmistuksessa. 4xxx-sarjan seosten yleisimmät käyttökohteet ovat alumiinin sulahitsauksessa ja juottamisessa käytettävät lisäainelangat.

Magnesium (Mg) 5xxx -Magnesiumin lisääminen alumiiniin lisää lujuutta kiintoliuoskarkaisun kautta ja parantaa niiden muokkauskovettumiskykyä. Nämä seokset ovat lujimpia lämpökäsittelemättömiä alumiiniseoksia, ja siksi niitä käytetään laajalti rakennesovelluksissa. 5xxx-sarjan seoksia valmistetaan pääasiassa levyinä ja vain satunnaisesti puristeina. Syynä tähän on se, että nämä seokset kovettuvat nopeasti ja ovat siksi vaikeita ja kalliita suulakepuristettavia. Joitakin 5xxx-sarjan seosten yleisiä käyttökohteita ovat kuorma-autojen ja junien korit, rakennukset, panssaroidut ajoneuvot, laiva- ja veneenrakennus, kemikaalisäiliöalukset, painesäiliöt ja kryosäiliöt.

Magnesium ja pii (Mg2Si) 6xxx - Magnesiumin ja piin lisääminen alumiiniin tuottaa magnesiumsilisidin (Mg2Si). Tämän yhdisteen muodostuminen tekee 6xxx-sarjan tuotteista lämpökäsiteltäviä. 6xxx-sarjan seokset ovat helposti ja taloudellisesti suulakepuristettavia. Tästä syystä 6xxx-seoksia käytetään mitä erilaisimmissa suulakepuristeissa. Nämä seokset muodostavat tärkeän täydentävän järjestelmän 5xxx-sarjan seoksen kanssa. 5xxx-sarjan seosta käytetään levyinä, ja 6xxx-sarjan metalliseokset liitetään usein levyyn jossain suulakepuristetussa muodossa. Joitakin 6xxx-sarjan seosten yleisiä käyttökohteita ovat kaiteet, vetoakselit, autojen runkoprofiilit, polkupyörän rungot, putkirunkoiset puutarhakalusteet, rakennustelineet, jäykisteet ja kuorma-autoissa, veneissä ja monissa muissa rakenteellisissa tuotteissa käytettävät vetotangot.

Sinkki (Zn) 7xxx -Sinkin lisääminen alumiiniin (yhdessä joidenkin muiden alkuaineiden, pääasiassa magnesiumin ja/tai kuparin, kanssa) tuottaa erittäin lujia lämpökäsiteltäviä alumiiniseoksia. Sinkki lisää merkittävästi lujuutta ja mahdollistaa erkaumakarkaisun. Jotkin näistä seoksista voivat olla alttiita jännityskorroosiohalkeilulle, ja tästä syystä niitä ei yleensä hitsata sulahitsaamalla. Muut tämän sarjan seokset hitsataan usein sulahitsaamalla erinomaisin tuloksin. Joitakin 7xxx-sarjan seosten yleisiä käyttökohteita ovat ilmailu- ja avaruusteollisuus, panssaroidut ajoneuvot, pesäpallomailat ja polkupyörän rungot.

Rauta (Fe) - Rauta on yleisin alumiinissa esiintyvä epäpuhtaus, ja sitä lisätään tarkoituksellisesti joihinkin puhtaisiin (1xxx-sarjan) seoksiin lujuuden kasvattamiseksi.

Kromi (Cr) - Kromia lisätään alumiiniin raerakenteen hallitsemiseksi ja estämään raekoon kasvua alumiini-magnesiumseoksissa. Se auttaa myös estämään uudelleenkiteytymistä alumiini-magnesium-pii- tai alumiini-magnesium-sinkkiseoksissa lämpökäsittelyn aikana. Kromi vähentää myös jännityskorroosioalttiutta ja parantaa sitkeyttä.

Nikkeli (Ni) - Nikkeliä lisätään alumiini-kupari- ja alumiini-piiseoksiin kovuuden ja lujuuden parantamiseksi korkeissa lämpötiloissa ja laajenemiskertoimen pienentämiseksi.

Titaani (Ti) - Titaania lisätään alumiiniin ensisijaisesti jyväisyyden pienentämiseksi. Titaanin jyväisyyden pienentämisvaikutus tehostuu, jos booria on sulassa tai jos sitä lisätään pääseoksena, joka sisältää booria suurelta osin yhdistettynä TiB2:ksi. Titaani on yleinen lisäaine alumiinihitsauksen lisäainelangassa, koska se parantaa hitsin rakennetta ja auttaa estämään hitsin halkeilua.

Zirkonium (Zr) - Zirkoniumia lisätään alumiiniin, jotta se muodostaa hienon erkauman intermetallihiukkasia, jotka estävät uudelleenkiteytymisen.

Litium (Li) -Litiumin lisääminen alumiiniin voi merkittävästi lisätä lujuutta ja Youngin modulusta, parantaa erkaumakarkaisua ja pienentää tiheyttä.

Lyijy (Pb) ja vismutti (Bi) - Lyijyä ja vismuttia lisätään alumiiniin lastunmuodostuksen helpottamiseksi ja työstettävyyden parantamiseksi. Näitä työstettäviä seoksia ei useinkaan voida hitsata, koska lyijy ja vismutti tuottavat matalassa lämpötilassa sulavia ainesosia ja voivat aiheuttaa huonoja mekaanisia ominaisuuksia ja/tai suuren säröherkkyyden jähmettymisen yhteydessä.

Yhteenveto

Teollisuudessa käytetään nykyään monia alumiiniseoksia. Alumiiniyhdistys on tällä hetkellä rekisteröinyt yli 400 muokattavaa seosta ja yli 200 valuseosta. Yksi tärkeimmistä alumiinin hitsauksen aikana esiin tulevista seikoista on varmasti hitsattavan alumiiniseoksen tyypin tunnistaminen. Jos hitsattavan komponentin perusaineen tyyppiä ei ole saatavilla luotettavasta lähteestä, voi olla vaikeaa valita sopivaa hitsausmenetelmää.

On olemassa joitakin yleisiä ohjeita siitä, minkä tyyppistä alumiinia käytetään todennäköisimmin eri sovelluksissa, kuten edellä mainituissa. On kuitenkin erittäin tärkeää tiedostaa, että virheelliset oletukset alumiiniseoksen kemiasta voivat aiheuttaa hyvin vakavia vaikutuksia hitsin suorituskykyyn. On erittäin suositeltavaa, että alumiinityyppi tunnistetaan ja että hitsausmenetelmät kehitetään ja testataan hitsin toimivuuden varmistamiseksi.