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1. Einfluss von Legierungselementen in Aluminiumlegierungen
Kupfer (Cu)
In Aluminium-Kupfer-Legierungen beträgt die maximale Löslichkeit von Kupfer in Aluminium 5,65% bei 548°C und sinkt auf 0,45% bei 302°C. Kupfer spielt eine entscheidende Rolle bei der Mischkristallverfestigung. Die Ausscheidung von CuAl₂ während der Alterung trägt wesentlich zur Aushärtung bei. Normalerweise liegt der Kupfergehalt zwischen 2,5% und 5%, wobei die optimale Verfestigung zwischen 4% und 6,8% beobachtet wird. Die meisten harten Aluminiumlegierungen enthalten Kupfer in diesem Bereich.
Aluminium-Silizium (Si)-Legierungen
In Aluminium-Silizium-Legierungen beträgt die maximale Löslichkeit von Silizium in der aluminiumreichen Phase 1,65% bei der eutektischen Temperatur von 577°C. Obwohl die Löslichkeit mit sinkender Temperatur abnimmt, können diese Legierungen im Allgemeinen nicht zur Verfestigung wärmebehandelt werden, weisen aber hervorragende Gusseigenschaften und Korrosionsbeständigkeit auf.
Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierungen kombinieren Magnesium und Silizium und bilden die verstärkende Mg₂Si-Phase mit einem Mg-zu-Si-Verhältnis von etwa 1,73:1. Um die Festigkeit zu optimieren, stimmen die Ingenieure diese Elemente sorgfältig aufeinander ab. Einige Legierungen enthalten Kupfer, um die Festigkeit zu erhöhen, und Chrom, um die nachteiligen Auswirkungen von Kupfer auf die Korrosionsbeständigkeit zu mildern.
Magnesium (Mg)
Die Löslichkeit von Magnesium in Aluminium nimmt mit der Temperatur ab. Die meisten industriellen verformbaren Aluminiumlegierungen enthalten weniger als 6% Magnesium und einen geringen Siliziumgehalt. Diese Legierungen können zwar nicht wärmebehandelt werden, bieten aber gute Schweißbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und mäßige Festigkeit. Magnesium verbessert die Zugfestigkeit erheblich, indem es sie um etwa 34 MPa pro 1% erhöht. Die Zugabe von Mangan (<1%) stärkt die Legierung weiter und verbessert die Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit, indem es die gleichmäßige Ausscheidung von Mg₅Al₈ erleichtert.
Mangan (Mn)
In Al-Mn-Legierungen beträgt die Manganlöslichkeit etwa 1,82% bei 658°C. Die Festigkeit der Legierung nimmt mit dem Mangangehalt zu und erreicht bei 0,8% Mn ihren Höchstwert in der Dehnung. Diese Legierungen sind nicht wärmebehandelbar, profitieren aber von der Fähigkeit des Mangans, die Rekristallisation zu verhindern, das Korngefüge durch MnAl₆-Partikel zu verfeinern und die Auswirkungen von Eisenverunreinigungen durch die Bildung von (Fe, Mn)Al₆-Verbindungen zu verringern. Mangan wird häufig entweder allein oder zusammen mit anderen Elementen in Aluminiumlegierungen verwendet.
Zink (Zn)
Die Löslichkeit von Zink in Aluminium beträgt 31,6% bei 275°C, fällt aber auf 5,6% bei 125°C. Zink allein bietet nur eine begrenzte Verstärkung und neigt zu Spannungsrisskorrosion. Durch die Zugabe von Zink und Magnesium werden jedoch MgZn₂-Phasen gebildet, die die Zug- und Streckfestigkeit erheblich verbessern. Superharte Aluminiumlegierungen steuern das Zn:Mg-Verhältnis (~2,7), um die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion zu maximieren. Die Al-Zn-Mg-Cu-Legierungsserie bietet die höchste Festigkeit unter den Aluminiumlegierungen und ist daher in der Luft- und Raumfahrt, in der Luftfahrt und in der Energieindustrie unverzichtbar.
2. Einfluss von Spurenelementen
Eisen und Silizium (Fe-Si)
Eisen und Silizium sind häufige Verunreinigungen, die die Eigenschaften von Aluminiumlegierungen erheblich beeinflussen. In Al-Cu-Mg-Ni-Fe-Schmiedelegierungen wird Eisen absichtlich hinzugefügt, während Silizium in Al-Mg-S-Schmiedelegierungen und Al-Si-Schweißdrähten und -Gussteilen enthalten ist. Ungeeignete Fe-Si-Verhältnisse führen zur Bildung von Phasen wie B-FeSiAl₁₃ oder α-Fe₂SiAl₈, die bei Übermaß zu Gussrissen und Sprödigkeit führen können.
Titan und Bor (Ti-B)
Titan, das häufig als Al-Ti- oder Al-Ti-B-Vorlegierung zugesetzt wird, bildet TiAl₂-Partikel, die als Keimbildungskerne zur Verfeinerung von Guss- und Schweißstrukturen dienen. Der kritische Titangehalt liegt bei etwa 0,15% und sinkt bei Anwesenheit von Bor auf 0,01%.
Chrom (Cr)
Chrom ist häufig in Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn und Al-Mg-Legierungen enthalten. Bei 600 °C beträgt seine Löslichkeit 0,8%, bei Raumtemperatur ist sie vernachlässigbar. Chrom bildet intermetallische Verbindungen wie (CrFe)Al₇ und (CrMn)Al₁₂, die die Rekristallisation behindern, die Zähigkeit erhöhen und die Spannungsrisskorrosion verringern, aber die Abschreckempfindlichkeit erhöhen und die Farbe der Eloxalschicht verändern können. Der Chromgehalt wird im Allgemeinen unter 0,35% gehalten.
Strontium (Sr)
Strontium modifiziert intermetallische Phasen in Aluminiumlegierungen und verbessert so die Plastizität und die Qualität des Endprodukts. In den letzten Jahren hat es Natrium bei Al-Si-Gusslegierungen aufgrund seiner längeren Modifikationswirkung und besseren Reproduzierbarkeit ersetzt. Durch Zugabe von 0,015%-0,03% Strontium zu Strangpresslegierungen wird β-AlFeSi in α-AlFeSi umgewandelt und die Homogenisierungszeit verkürzt.
Das Verständnis der Rolle dieser Legierungs- und Spurenelemente ist für die Optimierung der Eigenschaften von Aluminiumlegierungen, die Verbesserung der Produktleistung und die Weiterentwicklung von Fertigungsprozessen in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und dem Bauwesen von entscheidender Bedeutung.
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