铝合金合金元素：性能塑造的关键因子

铝合金的性能奥秘，很大程度上藏在合金元素之中。基于精心的合金设计，各种元素被添加进来，它们有的扮演着提升性能的关键角色，有的却作为杂质，给铝合金带来一些麻烦。下面，我们就来详细了解常见合金元素的作用以及杂质元素的影响。

有益合金元素：铝合金的性能助推器

1. 银（Ag）：银在铝中展现出惊人的溶解度，高达55%。在Al - Zn - Mg合金里，只需添加少量（质量分数0.1% - 0.6%）的银，就能显著增强合金的强度，同时大幅提升其耐应力腐蚀破裂的能力，让合金在复杂环境下也能保持良好性能，就像给合金注入了强大的“防护力”。
2. 硼（B）：硼通常肩负着细化晶粒或改善导电性能的重任。它像一个“清洁器”，能与铝液中诸如钒、钛、铬、钼等降低导电性能的有害元素结合成颗粒。特别是硼与钛制成的Al - 5Ti - 1B或Al - 3Ti - 1B母合金，加入铝合金后，对凝固时的晶粒细化效果立竿见影，使合金微观结构更加致密。
3. 铋（Bi）：作为低熔点金属，铋和铅、锡、镉一样，是切削合金添加剂的“得力助手”。它的低溶解度和低熔点特性，使得铝合金车削时，屑料更容易断裂，还能润滑刀具，提高加工效率。在铝铜合金（如2011）和铝镁硅合金（如6262）中，铅铋比例大约为1:1。在铝镁合金中，微量添加铋（20 - 0.02 mg/kg），还能减轻钠对凝固热裂的不良影响，保障合金凝固过程顺利。
4. 钙（Ca）：钙在铝合金中的固态溶解度极低，容易与铝形成Ca - Al化合物，也会和硅生成Ca - Si。在部分商业合金中，钙能增加电导率，但在铝镁硅合金里，它会降低时效硬化效果。而且，微量的钙（如10 mg/kg）还可能导致铝液氢含量增加，对合金性能产生潜在影响。
5. 镉（Cd）：在铝铜合金中，镉最高可添加0.3%，它能加速时效硬化速度，同时增强耐腐蚀性。在Al - Zn - Mg合金中，添加质量分数0.005% - 0.5%的镉，可缩短时效时间。此外，铝锌镁合金添加质量分数0.1%的镉，切削性能比添加铋或铅更好，为合金加工提供便利。
6. 钴（Co）：钴在铝合金中不常见，但对铝硅合金的铝铁针状化合物有神奇的球化作用，能促使其从β - AlFeSi转变为α - AlFeCo化合物，有效提升合金的强度与延展性能。在Al - Zn - Mg - Cu合金粉末冶金时，可能添加质量分数0.2% - 1.9%的钴，优化合金在特定工艺下的性能。
7. 铬（Cr）：铬对铝合金的电阻性能影响显著，是Al - Mg、Al - Mg - Si及Al - Mg - Zn合金的重要添加剂，但添加量不宜超过0.35%。过量添加，它会在凝固时与锰、铁或钛生成粗大金属间化合物，形成硬质颗粒。在660℃的铝液中，铬溶解度约0.8%，室温下几乎不溶。均质热处理时，铬扩散慢，但其生成的极细弥散相能阻止热加工或热处理时晶粒的成核与生长，有助于形成纤维晶粒组织或阻挡再结晶晶粒长大。不过，铬会增加合金淬火敏感度，需要提高冷却速度，而且会降低合金加工性能，可能影响生产产能。
8. 铜（Cu）：Al - Cu合金含铜量在2％ - 8％，经过固溶冷却及时效处理，能提高合金强度与硬度，但会降低延伸率。一般最高强度合金中铜含量在4％ - 6％（依其他元素及组成而定）。铝铜镁合金固溶淬火后自然时效有较好延伸率，人工时效可进一步提高强度，尤其是屈服强度，但延伸率会下降。添加其他元素时，铸造合金加铁可稳定尺寸、提升轴承特性及高温硬度和强度；塑性加工合金Al - Cu - Mg中加少量铁会降低张力强度。铝铜镁合金加硅，硅镁固溶析出形成Mg₂Si增强强度；加锰可改善延伸率与强度，比如铝铜镁合金（Al - 4.5Cu - 0.5Mg）中锰添加0.5％时，延伸率与机械强度都很好。另外，铝铜合金中少量添加锰、锆、钒可提高再结晶温度与高温机械强度。
9. 铁（Fe）：铁在铝液中溶解度高，在固体铝中溶解度低（质量分数约0.04%）。凝固时，它与其他元素（尤其是硅）形成不可熔中间金属相。铁与铝形成的FeAl₃可细化再结晶晶粒或提高再结晶温度。但因电位差，合金抗蚀性能变差，添加少量锰形成Al₆（Fe，Mn）可改善。8000系列合金添加铁锰接近共晶点，可获得良好延伸率与室温、高温强度。铁还可添加到Al - Cu - Ni或Al - Si - Cu合金提高高温强度。
10. 锂（Li）：锂能提高合金弹性模量并降低密度，如Al - Li - Mg合金。但对其他铝合金，微量锂（mg/kg级）属于杂质，会加速铝液氧化并影响固态材料表面颜色，在生产中需严格控制其含量。
    
11. 镁（Mg）：镁是5000系列合金的主要元素，添加量一般不超7%。它能显著增强强度且不过度降低延展性。在5000系列铝合金中，镁含量越高屈服强度越高，镁含量0 - 1%时，延伸率随镁含量增加而下降，1%以上时对延伸率影响不大。该系列合金焊接性能好，常用于船舶等领域。Al - Mg - Mn合金属于塑性加工硬化合金，加工状态下有高强度、高耐腐蚀性及优秀焊接性能。不过，镁添加过多会增加加工难度，热加工易开裂，尤其是合金含钠时。铝镁合金（镁质量分数 > 3%）室温析出Al - Mg相，平衡相为Al₈Mg₅，沿晶界连续析出易引发晶间腐蚀开裂，弥散均匀分布则可提高抗蚀性，锰的添加有利于Al - Mg析出相均匀分布。在Al - Mg - Si 6000系列合金中，固溶淬火及时效可增加强度，自然时效延展性好，人工时效提高强度（尤其屈服强度）但降低延伸率。镁、硅最高可加到质量分数1.5%，Mg₂Si最高固溶度质量分数1.85%，温度越低溶解度越低。时效析出Mg₂Si或其过渡相，镁硅质量比1.73:1。过剩硅可作Mg₂Si成核点并强化合金，但晶界偏析会导致合金脆化，加铬或锰可减轻此影响。另外，镁虽增强强度，但降低塑性与加工性能，提高在线固溶温度会使淬火性能变差。
    
12. 锰（Mn）：锰可增加合金强度，对耐腐蚀性无不良影响。添加锰旨在提高强度与控制晶粒组织，固溶状态下，合金强度与延伸率随锰添加量增加而提高。如图所示，铝锰合金中锰增至极限固溶度（质量分数1.8%）前，强度不断增加，锰含量0.8%时延伸率最大。热处理对强度影响不大，淬火状态强度高且延伸率好，淬火后时效强度无提升且延伸率下降。均质热处理生成极细MnAl₆分散相，可阻止热加工或热处理时晶粒成核与生长，促成纤维组织形成或阻挡再结晶晶粒长大。但过量添加会与铬、铁或钛生成粗大金属间化合物形成硬质颗粒，像3003或3004合金中，锰铁质量分数应控制在1.7%以下。在6000系列合金中作添加剂时，均质热处理也生成极细MnAl₆分散相，但会增加淬火敏感度，需提高冷却速度，防止析出物提前析出降低固溶淬火效果。Mn的弥散相多在均质或退火时析出，其析出可能改善或降低材料性能，所以需依产品要求设计热处理条件。
    
13. 钼（Mo）：铝锭中钼含量一般在0.1 - 1.0 mg/kg。它曾被用作晶粒细化剂（质量分数约0.3%），凝固时参与包晶反应，对铁的化合物有改变形态的功能。
14. 镍（Ni）：镍在铝（合金）中固溶度低于0.04%，过量时以不可溶金属中间相存在，常与铁结合。在纯铝中添加可增加强度但降低延展性，在Al - Cu及Al - Si合金中可改善高温硬度、强度并减小膨胀系数。
15. 磷（P）：磷作为Al - Si过共晶合金的初晶硅细化剂，一般以Cu - P母合金形式添加，精准调控初晶硅的形态和分布，提升合金性能。
16. 锑（Sb）：锑在铝合金中固态溶解度极低（＜0.01%），部分轴承合金含锑质量分数4% - 6%。它可替代铋减少铝镁合金凝固热裂问题，在铝镁合金中微量添加锑（0.01 - 0.1 mg/kg），可生成氯酸氧锑膜，增强对海水腐蚀的抵抗力。
17. 钪（Sc）：钪属于稀土元素，能提高再结晶温度、抑制再结晶并细化再结晶晶粒，还可提升焊接性能。均质处理时以Al₃Sc化合物析出，与铝基体共晶格。由于价格昂贵，常与锆同时添加生成Al₃（ScₓZr，Zr₁ - ₓ），保持Al₃Sc功能并减少钪用量，一般用量质量分数0.05% - 0.2%。
18. 硅（Si）：硅在铝合金中的角色多样，对纯铝或7000系列合金是仅次于铁的杂质，对6000系列合金却是重要添加金属，与镁生成Mg₂Si析出物。4000系列合金以硅为主要元素，常添加铜、镍、镁等制成耐高温耐磨合金，也可作焊材。高硅（质量分数12% - 24%）铝合金常用于活塞等压缩零件，如4032及A390铝合金。硅可增强铝合金液体流动性、减少凝固热裂，与镁经热处理产生析出强化相，降低液相温度，大量添加（>12.5%）可产生过共晶相并生成耐磨初晶硅颗粒，其大小与分布是关键技术指标。
19. 锶（Sr）：极微量锶（0.01 - 0.1mg/kg）可能存在于纯铝锭，它与钠可用于铝硅铸造合金硅颗粒改良，使凝固的亚共晶相硅球化，优化合金微观结构。
20. 锡（Sn）：微量添加（质量分数0.05%）锡可加快Al - Cu合金人工时效速度，改善强度与耐腐蚀性，但含量高易引发热裂。合金含少量镁时，人工时效特征减弱，可能形成非共晶格第二相。锡可取代铅作车切削合金添加剂，但少量添加（如质量分数0.01%）会使合金热处理时表面黑化，且增加腐蚀风险。
21. 钛（Ti）：商业用纯铝一般含钛10 - 100mg/kg，会降低铝导电性能，加硼形成不可熔TiB₂化合物可减轻影响。钛可作细化剂，但液态时细化效果随时间减弱，Al - Ti - B母合金细化效果好且持久。焊线或焊材添加钛可避免焊接龟裂，商用细化剂如Al - 3Ti - B或Al - 5Ti - B的细化效率很重要。
22. 钒（V）：商业用纯铝一般含钒10 - 200mg/kg，会降低铝导电性能，加硼形成不可熔VB化合物可减少影响。添加钒可形成金属间化合物VAl₁₁，提高再结晶温度，抑制晶粒组织，促成纤维组织形成或阻挡再结晶晶粒长大。含钒的6000系列商用铝合金有6008及6069合金。
23. 锆（Zr）：添加0.1% - 0.3%锆可提高再结晶温度，有效阻止再结晶，因为均质处理会产生微细中间金属相Al₃Zr。在Al - Zn - Mg（Cu）合金中作用显著，可提高再结晶温度，控制晶粒组织，促成纤维组织形成或阻挡再结晶晶粒长大。与铬、锰相比，锆淬火敏感度低，适用于高厚度及大型材料，但会降低Al - Ti - B的凝固晶粒细化效果。
24. 锌（Zn）：铝锌合金铸造易裂且易应力腐蚀破裂。Al - Zn1可作铝合金披覆材或牺牲阳极材料。铝锌镁合金中，锌含量3% - 7.5%时，镁锌形成MgZn₂，含量从0.5%增至12%可提高抗拉与屈服强度。除锌镁析出物，过量镁也可增强强度（形成MgZn₂所需镁量的100%和200%，MgZn₂中镁锌质量比1∶5.5 ）。但MgZn₂含量增加会降低抗应力腐蚀能力，增加剥落腐蚀风险，可通过热处理或合金设计改善，Mg∶Zn = 1∶3时抗应力腐蚀性能较佳。Al - Zn - Mg合金淬火冷却速度要慢，否则易因残留应力发生应力腐蚀破裂，其型材挤压性能及产能与均质及模具处理紧密相关。

杂质元素：铝合金中的“不速之客”

1. 砷（As）：砷，这一元素毒性极强，就像隐藏在暗处的危险“刺客”，特别是以AsO的形式存在时。在用于食品或药品包装的铝材生产中，必须对砷的含量进行极其严格的把控，因为哪怕极其微量的砷，都可能对人体健康造成严重威胁。这就好比在守护食品安全与健康的防线中，砷是重点防范的“敌人”。
2. 铍（Be）：铍在铝镁合金液体高温氧化的防护上，有着独特的作用，就像一把高温下的“保护伞”，在镀铝钢材的铝槽内，它的添加量可达到0.1% 。然而，铍却不能用于食品或药品包装铝材，这是因为它自身存在潜在的健康风险，如同一个“双刃剑”，虽然在特定工业场景中有其价值，但在涉及食品和药品领域却被严格限制。
3. 镓（Ga）：镓属于铝合金中的杂质，别看它含量可能不多，但当质量分数达到0.2％时，就会像一个“捣蛋鬼”一样，对铝合金产生诸多不良影响。它会削弱合金的耐腐蚀性，导致合金表面产生蚀点，就像在光洁的表面上留下了难看的“疤痕”，同时还会影响部分合金的表面光泽性，降低合金的外观质量，使其失去原本应有的美观。
4. 氢（H）：氢在铝合金的“旅程”中表现得颇为“调皮”。在铝液状态时，它的溶解度很高，仿佛自由自在地“畅游”其中；但当铝液凝固，进入固体状态后，它的溶解度急剧降低，于是便析出形成气孔群，就像在合金内部“吹出”了许多小气泡。在高温环境下，水蒸气和碳氢化合物分解，使得氢更容易溶入铝液。而在热处理过程中，铝合金固体产品也可能因为氢的析出或者新氢的带入，在表面产生气泡，这不仅影响合金的外观，还会使晶界分离，如同在合金的微观结构中制造了“裂缝”，进而加速应力腐蚀破裂的发生。所以，无论是在铝液处理环节，还是铝合金的热处理过程中，氢都是一个需要重点关注和解决的重要问题。
5. 汞（Hg）：汞在铝材中有着特殊的用途，比如添加质量分数0.05%的汞，可用于牺牲阳极保护钢结构，这就像给钢结构穿上了一层由汞提供的“防护衣”。然而，含汞的铝或铝合金就像一个“脆弱的堡垒”，与其他物质接触时容易被腐蚀，这使得它在实际应用中存在一定的局限性，需要谨慎使用。
6. 钠（Na）：钠在铝合金中是个“不安分”的元素，它不溶于铝，在凝固时会“躲”在铝（合金）的晶界之间。当进行热加工时，钠会呈液态，这就像在合金内部埋下了“隐患”，容易导致合金脆裂。如果有硅存在，还会生成Al - Na - Si化合物。在含镁（尤其是镁含量超过2%）的合金中，镁可能会取代硅，使游离钠析出，从而导致钠脆化现象。基于这些原因，高镁合金在熔炼过程中不使用钠盐熔剂，甚至可能需要专门进行除钠精炼，以确保合金的质量和性能。
7. 铅（Pb）：铅常常与铋以0.5%的相同比例添加到车削合金（如2011及6262）中，它们就像一对“加工小能手”，可以改善合金的切削性能，让合金在加工过程中更加顺畅。但铅也有其“负面”的一面，即使是少量添加，在合金进行热处理时，也会使合金表面黑化，就像给合金表面“抹黑”，而且还会增加合金的腐蚀风险，如同给合金的耐腐蚀性“打了折扣”。

铝锌镁铜（Al - Zn - Mg - Cu）合金：高强度背后的“元素博弈”

在7000系列合金中，通过添加铜以及少量的铬、锰或锆，让其摇身一变成为商业领域中赫赫有名的最高强度合金。铜在这里就像一个“性能激发器”，它通过过饱和固溶以及析出Cu - Mg - Al₂相来发挥作用，赋予合金强大的强度。然而，这也带来了一些“副作用”，它会增加合金的淬火敏感度，降低合金的耐腐蚀性，同时提高应力腐蚀破裂性能，就像在提升某些性能的同时，也给合金带来了一些“麻烦”。不过，微量的锆或铬此时就像“救星”一样，能够有效地提高合金的机械性能与耐腐蚀性，在一定程度上弥补铜带来的不足。

从图中我们可以发现有趣的现象，在Al - Cu1.5 - Mg及Al - Cu1.5 - Mg3合金中，随着锌含量的增加，经过固溶淬火及时效处理后，合金的强度呈上升趋势，但延伸率却会下降。同时，我们还能看到，镁含量为3%的合金强度高于镁含量为1%的合金，而这两种合金在镁含量分别为1%及3%时，延伸率的差异并不大。这一系列的数据和现象表明，高强度的7000系列合金，其固溶温度或热加工温度与合金设计及均质条件紧密相连，它们之间就像一个紧密协作的“团队”，任何一个环节的变动，都可能对合金最终的性能产生重大影响。