Wat zijn de kenmerken, belangrijkste legeringselementen en functies van aluminiumlegeringen uit de 2xxx-serie?
(1) Kenmerken van aluminiumlegeringen uit de 2xxx-serie
2xxX series aluminiumlegeringen zijn aluminiumlegeringen met koper als het belangrijkste legeringselement. Ze omvatten Al-Cu-Mg legeringen, Al-Cu-Mg-Fe-Ni legeringen en Al-Cu-Mn legeringen. Deze legeringen zijn warmtebehandelde aluminiumlegeringen.
Aluminiumlegeringen uit de 2xXX-serie worden gekenmerkt door een hoge sterkte en worden meestal harde aluminiumlegeringen genoemd. Ze hebben een goede hittebestendigheid en verwerkingseigenschappen, maar hun corrosiebestendigheid is niet zo goed als de meeste andere aluminiumlegeringen. Onder bepaalde omstandigheden zal intergranulaire corrosie optreden. Daarom moet de plaat vaak worden gecoat met een laag puur aluminium of een laag aluminiumlegering uit de 6xXx-serie die elektrochemische bescherming biedt voor de kernplaat om de corrosiebestendigheid aanzienlijk te verbeteren. Daaronder heeft de Al-Cu-Mg-Fe-Ni-legering een uiterst complexe chemische samenstelling en fasesamenstelling. Het heeft een hoge sterkte bij hoge temperaturen en goede procesprestaties. Het wordt voornamelijk gebruikt voor hittebestendige onderdelen die werken onder 150~250 graden; hoewel de sterkte bij kamertemperatuur van de AI-Cu-Mn-legering lager is dan die van de Al-Cu-Mg-legering 2A12 en 2A14, is de sterkte hoger dan beide bij 225~250 graden of hoger. Bovendien heeft de legering goede procesprestaties en is deze gemakkelijk te lassen. Het wordt voornamelijk gebruikt in hittebestendige lasbare structurele onderdelen en smeedstukken. Deze serie legeringen wordt veel gebruikt in de luchtvaart en ruimtevaart.
(2) Belangrijkste legeringselementen en hun rol
①De belangrijkste legeringskwaliteiten van AI-Cu-Mg-legeringen zijn 2A01, 2A02, 2A06, 2A10, 2A11, 2A12, enz. De belangrijkste toegevoegde elementen zijn Cu, Mg en Mn.
Hun effecten op de legeringen zijn als volgt.
a. Effect van Cu- en Mg-gehalte op de mechanische eigenschappen van de legeringen. Wanneer het Mg-gehalte 1%~2% is, wanneer het Cu-gehalte toeneemt van 1,0% tot 4%, neemt de treksterkte van de legering in de gebluste toestand toe van 200MPa tot 380MPa; de treksterkte van de legering in de gebluste natuurlijke verouderingstoestand neemt toe van 300MPa tot 480MPa. Wanneer het Cu-gehalte in het bereik van 1%~4% ligt, neemt de treksterkte van de legering toe wanneer het Mg-gehalte toeneemt van 0,5% tot 2,0%; wanneer het Mg-gehalte blijft toenemen, neemt de sterkte van de legering af.
De treksterkte van de legering die 4,0% Cu en 2,0% Mg bevat is het hoogst; de legering die 3%~4% Cu en 0.5%~1.3% Mg bevat heeft het grootste blus- en natuurlijk verouderingseffect. De test toont aan dat de treksterkte van de ternaire legering AI-Cu-Mg die 4%~6% Cu en 1%~2% Mg bevat, 490~510MPa kan bereiken in de blus- en natuurlijke verouderingstoestand.
b. De invloed van het Cu- en Mg-gehalte op de hittebestendigheid van de legering. Uit de waarden van de duurzaamheidstest van de AI-Cu-Mg-legering met 0.6%Mn bij 200 graden en 160MPa-spanning, blijkt dat de legering met Cu 3,5%~6% en Mg1,2%~2,0% de hoogste duurzaamheid heeft. Op dit moment bevindt de legering zich op of nabij het pseudo-binaire gedeelte van AI-S (AlCuMg). De legering weg van het pseudo-binaire gedeelte, dat wil zeggen wanneer het Mg-gehalte minder is dan 1,2% en de maximale sterkte groter is dan 2,0%, neemt de duurzaamheid af. Als het Mg-gehalte wordt verhoogd tot 3,0% of meer, neemt de duurzaamheid van de legering snel af.
Vergelijkbare regels werden verkregen in de test bij 250 graden en 100 MPa spanning. De literatuur wijst erop dat de legering met de hoogste duurzaamheidssterkte bij 300 graden zich bevindt in het +S-fasegebied rechts van de AI-S binaire sectie met een hoger Mg-gehalte.
c. Effect van Cu- en Mg-gehalte op corrosiebestendigheid van legeringen. Al-Cu binaire legeringen met een Cu-gehalte van 3%~5% hebben een zeer lage corrosiebestendigheid in de staat van afschrikken en natuurlijke veroudering. Het toevoegen van 0.5%Mg kan het potentieel van een vaste oplossing verminderen en de corrosiebestendigheid van de legering gedeeltelijk verbeteren. Wanneer het Mg-gehalte groter is dan 1,0%, neemt de lokale corrosie van de legering toe en neemt de rek na corrosie sterk af. Voor legeringen met een Cu-gehalte groter dan 4,0% en een Mg-gehalte groter dan 1,0%, vermindert Mg de oplosbaarheid van Cu in Al. In de afgeschrikte toestand heeft de legering onoplosbare CuAl₂- en S-fasen en de aanwezigheid van deze fasen versnelt corrosie. Legeringen met een Cu-gehalte van 3%~5% en een Mg-gehalte van 1%~4% bevinden zich in hetzelfde fasegebied en hun corrosieweerstand is vergelijkbaar in de staat van afschrikken en natuurlijke veroudering. De legeringen in het aS-fasegebied hebben een slechtere corrosieweerstand dan die in het a-CuAl₂-S-gebied. Intergranulaire corrosie is de belangrijkste corrosieneiging van Al-Cu-Mg-legeringen.
Mn: Mn wordt toegevoegd aan Al-Cu-Mg-legering voornamelijk om de schadelijke effecten van Fe te elimineren en de corrosiebestendigheid te verbeteren. Mn kan de sterkte van de legering bij kamertemperatuur licht verhogen, maar de plasticiteit verminderen. Mn kan ook het kunstmatige verouderingsproces van Al-Cu Mg-legering vertragen en verzwakken en de hittebestendigheid van de legering verbeteren. Mn is ook een van de belangrijkste factoren die ervoor zorgen dat Al-Cu-Mg-legering een extrusie-effect heeft. De toevoeging van Mn is over het algemeen minder dan 1,0%. Als het gehalte te hoog is, kunnen grove (FeMn)Al6-brosse verbindingen worden gevormd, waardoor de plasticiteit van de legering wordt verminderd.
d. De kleine hoeveelheid sporenelementen die aan Al-Cu-Mg-legeringen worden toegevoegd, omvatten Ti en Zr, en de onzuiverheden zijn voornamelijk Fe, Si en Zn, enz., en hun effecten zijn als volgt.
Ti: Door Ti aan de legering toe te voegen, kunnen de gegoten korrels verfijnd worden en wordt de kans op scheurvorming tijdens het gieten verminderd.
Zr: Een kleine hoeveelheid Zr heeft een soortgelijk effect als Ti, het verfijnt de gegoten korrels, vermindert de neiging tot scheuren bij het gieten en lassen en verbetert de plasticiteit van ingots en lasverbindingen. Het toevoegen van Zr heeft geen invloed op de sterkte van koudvervormde producten die Mn-legeringen bevatten
Het verbetert de sterkte van Mn-vrije legeringen lichtjes. Si: Voor Al-Cu-Mg-legeringen met een Mg-gehalte van minder dan 1,0% kan een Si-gehalte van meer dan 0,5% de snelheid en sterkte van kunstmatige veroudering verbeteren zonder het natuurlijke verouderingsvermogen te beïnvloeden. Omdat Si en Mg de Mg2Si-fase vormen, is het gunstig voor het kunstmatige verouderingseffect. Wanneer het Mg-gehalte echter wordt verhoogd tot 1,5%, na het blussen van natuurlijke veroudering of kunstmatige verouderingsbehandeling, nemen de sterkte en hittebestendigheid van de legering af met de toename van het Si-gehalte. Daarom moet het Si-gehalte zoveel mogelijk worden verlaagd. Bovendien zal de toename van het Si-gehalte de neiging van legeringen zoals 2A12 en 2A06 om scheuren te vormen tijdens het gieten vergroten en de plasticiteit tijdens het klinken verminderen. Daarom is het Si-gehalte in de legering over het algemeen beperkt tot minder dan 0,5%. Voor legeringen die een hoge plasticiteit vereisen, moet het Si-gehalte lager zijn.
Fe: Fe en Al vormen FeAl3-verbindingen en lossen op in verbindingen gevormd door elementen zoals Cu, Mn en Si. Deze grove verbindingen die niet oplossen in de vaste oplossing verminderen de plasticiteit van de legering en de legering is gevoelig voor scheuren tijdens vervorming. En het versterkende effect wordt aanzienlijk verminderd. Een kleine hoeveelheid Fe (minder dan 0.25%) heeft weinig effect op de mechanische eigenschappen van de legering, verbetert de neiging tot scheurvorming tijdens het gieten en lassen, maar vermindert de natuurlijke verouderingssnelheid. Om zeer plastische materialen te verkrijgen, moeten de Fe- en Si-gehaltes in de legering zo laag mogelijk zijn.
Zn: Een kleine hoeveelheid Zn ({{0}}.1%~0.5%) heeft weinig effect op de mechanische eigenschappen van Al-Cu-Mg-legeringen bij kamertemperatuur, maar vermindert de hittebestendigheid van de legering. Het Zn-gehalte in de legering moet worden beperkt tot minder dan 0,3%.
② Al-Cu-Mg-Fe-Ni-legering De belangrijkste legeringskwaliteiten van deze reeks legeringen zijn 2A70, 2A80, 2A90, enz.De rol van elk legeringselement is als volgt.
Cu en Mg: De invloed van het Cu- en Mg-gehalte op de sterkte bij kamertemperatuur en de hittebestendigheid van de bovenstaande legeringen is vergelijkbaar met die van de AI-Cu-Mg-legering. Omdat het Cu- en Mg-gehalte in deze reeks legeringen lager is dan dat van de AI-Cu-Mg-legering, bevindt de legering zich in het a+ S (AlCuMg) tweefasengebied, dus de legering heeft een hogere sterkte bij kamertemperatuur en een goede hittebestendigheid; bovendien heeft de vaste oplossing met lage concentratie een kleine neiging om te ontbinden wanneer het Cu-gehalte laag is, wat gunstig is voor de hittebestendigheid van de legering.
Ni: Ni en Cu in de legering kunnen een onoplosbare ternaire verbinding vormen. Wanneer het Ni-gehalte laag is, wordt (AICuNi) gevormd, en wanneer het Ni-gehalte hoog is, wordt Al3(CuNi)2 gevormd. Daarom kan de aanwezigheid van Ni de concentratie van Cu in de vaste oplossing verminderen. De meetresultaten van de roosterconstante in de gebluste toestand bewijzen ook de uitputting van Cu-opgeloste atomen in de vaste oplossing van de legering. Wanneer het Fe-gehalte erg laag is, kan de toename van het Ni-gehalte de hardheid van de legering verminderen en het versterkende effect van de legering verminderen.
Fe: Net als Ni kan Fe ook de concentratie Cu in de vaste oplossing verminderen. Wanneer het nikkelgehalte erg laag is, neemt de hardheid van de legering in het begin aanzienlijk af met de toename van het Fe-gehalte, maar wanneer het Fe-gehalte een bepaalde waarde bereikt, begint het weer te stijgen.
Ni en Fe: Wanneer Fe en Ni tegelijkertijd aan de AICu2.2Mg1.65-legering worden toegevoegd, zijn de hardheidsveranderingskarakteristieken tijdens natuurlijke veroudering, kunstmatige veroudering, afschrikken en gloeien vergelijkbaar. Er verschijnt een maximumwaarde op de positie waar de Ni- en Fe-gehaltes vergelijkbaar zijn. De roosterconstante in de afschriktoestand verschijnt op dit punt als een minimumwaarde.
Wanneer het Fe-gehalte in de legering groter is dan het Ni-gehalte, zal de Al7Cu2Fe-fase verschijnen. Wanneer daarentegen het Ni-gehalte in de legering groter is dan het Fe-gehalte, zal de AlCuNi-fase verschijnen. Het verschijnen van de bovenstaande Cu-bevattende ternaire fase vermindert het Cu-gehalte in de vaste oplossing. Alleen wanneer de Fe- en Ni-gehaltes gelijk zijn, worden alle AlgFeNi-fasen gegenereerd. In dit geval, aangezien er geen overtollig Fe of Ni is om een onoplosbare Cu-bevattende fase te vormen, vormt de Cu in de legering niet alleen de S (Al2CuMg)-fase, maar verhoogt ook de concentratie van Cu in de vaste oplossing, wat gunstig is voor het verbeteren van de sterkte van de legering en de hittebestendigheid ervan.
Het Fe- en Ni-gehalte kan de hittebestendigheid van de legering beïnvloeden. De AlgFeNi-fase is een harde en brosse verbinding met zeer weinig oplosbaarheid in Al. Na het smeden en de warmtebehandeling kunnen ze, wanneer ze in de structuur worden verspreid en verdeeld, de hittebestendigheid van de legering aanzienlijk verbeteren. De AICu2.2Mg1.65-legering bevat bijvoorbeeld 1,0% Ni en de legering met 0.7%~0.9% Fe heeft de hoogste duurzame sterktewaarde.
Si: Door 0,5% tot 1,2% Si toe te voegen aan een 2A80-legering wordt de sterkte van de legering bij kamertemperatuur verbeterd, maar wordt de hittebestendigheid van de legering verlaagd.
Door {{0}}.02%~0.1% Ti toe te voegen aan de Ti:2A70-legering worden de gegoten korrels verfijnd en worden de prestaties van het smeedproces verbeterd. Dit is gunstig voor de hittebestendigheid, maar heeft weinig effect op de prestaties bij kamertemperatuur.
③ Al-Cu-Mn-legering. De belangrijkste legeringsklassen van deze serie legeringen zijn 2A16, 2A17, enz.
De functies van de belangrijkste legeringselementen zijn als volgt.
Cu: Bij kamertemperatuur en hoge temperatuur, naarmate het Cu-gehalte toeneemt, neemt de sterkte van de legering toe. Wanneer het Cu-gehalte 5,0% bereikt, ligt de sterkte van de legering dicht bij de maximale waarde. Bovendien kan Cu de lasprestaties van de legering verbeteren.
Mn: Mn is het belangrijkste element om de hittebestendige legering te verbeteren. Het verhoogt de activeringsenergie van atomen in de vaste oplossing, vermindert de diffusiecoëfficiënt van opgeloste atomen en de ontledingssnelheid van de vaste oplossing. Wanneer de vaste oplossing ontbindt, is het vormings- en groeiproces van de geprecipiteerde fase T (Al2oCu2Mn3) fase ook erg traag, dus de legering is ook erg stabiel bij langdurige verhitting op een bepaalde hoge temperatuur. Het toevoegen van geschikt Mn (0.6%~0.8%) kan de sterkte bij kamertemperatuur en de duurzaamheidssterkte van de legering verbeteren in de blus- en natuurlijke verouderingstoestand. Als het Mn-gehalte echter te hoog is, neemt de T-fase toe, neemt de interface toe, wordt het diffusie-effect versneld en wordt de hittebestendigheid van de legering verminderd. Bovendien kan Mn ook de scheurneiging verminderen tijdens het lassen van de legering.
De sporenelementen die aan de Al-Cu-Mn-legering worden toegevoegd, zijn Mg, Ti en Zr, terwijl de belangrijkste onzuiverheden Fe, Si, Zn, enz. zijn. Hun effecten zijn als volgt.
Mg: Wanneer het gehalte aan Cu en Mn in 2A16-legering ongewijzigd blijft, wordt 0.25%~0.45% Mg toegevoegd om 2A17-legering te vormen. Mg kan de sterkte van de legering bij kamertemperatuur verbeteren en de hittebestendigheid onder 150~225 graden verbeteren. Wanneer de temperatuur echter verder stijgt, neemt de sterkte van de legering aanzienlijk af. De toevoeging van Mg kan echter de lasprestaties van de legering verslechteren, dus in de 2A16-legering die wordt gebruikt voor hittebestendige lasbaarheid, mag het gehalte aan onzuiverheid Mg niet hoger zijn dan 0.05%. Ti: Ti kan de gegoten korrels verfijnen, de herkristallisatietemperatuur van de legering verhogen, de ontledingsneiging van de oververzadigde vaste oplossing verminderen en de structuur van de legering bij hoge temperatuur stabiliseren. Wanneer het Ti-gehalte echter groter is dan {{20}}.3%, worden grove naaldvormige TiAls-verbindingen gegenereerd, wat de hittebestendigheid van de legering vermindert. Het Ti-gehalte van de legering is gespecificeerd op 0.1%~0.2%. Zr: Wanneer 0.1%~0.25% Zr wordt toegevoegd aan 2219-legering, kunnen de korrels worden verfijnd en kunnen de herkristallisatietemperatuur en de stabiliteit van de vaste oplossing van de legering worden verhoogd, waardoor de hittebestendigheid van de legering wordt verbeterd en de lasbaarheid van de legering en de plasticiteit van de las worden verbeterd. Wanneer het Zr-gehalte echter hoog is, kunnen er brossere verbindingen ZrAl3 worden gegenereerd.
Fe: Wanneer het Fe-gehalte in de legering {{0}}.45% overschrijdt, wordt een onoplosbare fase AlCu2Fe gevormd, die de mechanische eigenschappen van de legering in de blus- en verouderingstoestand en de duurzaamheidssterkte bij 300 graden kan verminderen. Daarom moet het Fe-gehalte worden beperkt tot minder dan 0,3%.
Si: Een kleine hoeveelheid Si ({{0}}.4%) heeft geen duidelijk effect op de mechanische eigenschappen bij kamertemperatuur, maar vermindert de duurzaamheid bij 300 graden. Wanneer het Si-gehalte 0,4% overschrijdt, worden de mechanische eigenschappen van de legering bij kamertemperatuur verminderd. Daarom is het Si-gehalte beperkt tot minder dan 0,3%.
Zn: Een kleine hoeveelheid Zn ({{0}}.3%) heeft geen effect op de eigenschappen van de legering bij kamertemperatuur, maar het kan de diffusiesnelheid van Cu in Al versnellen en de duurzaamheid van de legering bij 300 graden verminderen, dus het is beperkt tot minder dan 0,1%.
Wat zijn de soorten en toepassingen van aluminiumlegeringen uit de 2xxx-serie?
Legering 2011
Typen: draadtrekbuizen, koudbewerkte staven, koudbewerkte draden
Toepassingen: schroeven en bewerkte producten die goede snijprestaties vereisen
Legering 2014
Typen: platen, dikke platen, getrokken buizen, geëxtrudeerde buizen, staven, profielen, draden, koudbewerkte staven, koudbewerkte draden, smeedstukken
Toepassingen: gebruikt in toepassingen die een hoge sterkte en hardheid vereisen (inclusief hoge temperaturen). Zware smeedstukken, dikke platen en geëxtrudeerde materialen worden gebruikt voor vliegtuigstructuuronderdelen, meertraps raket eerste-trap brandstoftanks en ruimtevaartuigonderdelen, wielen, vrachtwagenframes en ophangingssysteemonderdelen
Legering 2017
Typen: platen, geëxtrudeerde profielen, koudbewerkte staven, koudbewerkte draden, klinkdraden, smeedstukken
Toepassingen: Het is de eerste 2XXX-serie legering die industrieel wordt toegepast. Het huidige toepassingsgebied is relatief smal, voornamelijk klinknagels, algemene machineonderdelen, vliegtuigen, schepen, transport, bouwstructurele onderdelen, transportvoertuigstructurele onderdelen, propellers en accessoires
Legering 2024
Variëteiten: Platen, dikke platen, getrokken buizen, geëxtrudeerde buizen, profielen, staven, draden, koudbewerkte staven, koudbewerkte draden, klinkdraden
Toepassingen: Vliegtuigstructuren (huiden, frames, ribben, schotten, enz.), klinknagels, raketonderdelen, vrachtwagenwielen, propelleronderdelen en andere verschillende structurele onderdelen
Legering 2036
Varianten: Carrosserieplaten voor auto's
Toepassingen: Plaatwerkonderdelen voor autocarrosserieën
Legering 2048
Variëteiten: Platen
Toepassingen: Structurele onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart en structurele onderdelen voor wapens
Legering 2117
Variëteiten: Koudbewerkte staven en draden, klinkdraden
Toepassingen: Gebruikt als klinknagels voor constructiedelen met werktemperaturen die niet hoger zijn dan 100 graden
Legering 2124
Variëteiten: Dikke platen
Toepassingen: Luchtvaartstructuuronderdelen
Legering 2218
Soorten: Smeedstukken, folies
Toepassingen: Zuigers van vliegtuigmotoren en dieselmotoren, cilinderkoppen van vliegtuigmotoren, waaiers van straalmotoren en compressorringen
Legering 2219
Variëteiten: Platen, dikke platen, folies, geëxtrudeerde buizen, profielen, staven, draden, koudbewerkte staven, smeedstukken
Toepassingen: Ruimteraketlassen, oxidatietanks en brandstoftanks, supersonische vliegtuighuiden en structurele onderdelen, bedrijfstemperatuur -270~300 graden. Goede lasbaarheid, hoge breuktaaiheid, hoge weerstand tegen spanningscorrosie in T8-toestand
Legering 2319
Variatie: Draad
Toepassing: Lasstaven en toevoegsoldeer voor het lassen van 2219-legering
Legering 2618
Variatie: Dikke platen, geëxtrudeerde staven, smeedstukken en smeedstukken
Toepassing: Motorcilinders en andere onderdelen, evenals hittebestendige onderdelen die op 150~250 graden moeten werken. Dikke platen worden gebruikt als vliegtuighuiden, staven, matrijssmeedstukken en vrije smeedstukken worden gebruikt om zuigers, luchtvaartonderdelen te maken
Legering 2A01
Variatie: Koudbewerkte staven en draden, klinkdraden
Toepassing: Gebruikt als klinknagels voor constructiedelen met werktemperaturen die niet hoger zijn dan 100 graden
Legering 2A02
Variatie: Staven, smeedstukken
Toepassing: Axiale compressorbladen, waaiers en schijven van turbojetmotoren met bedrijfstemperaturen van 200~300 graden
Legering 2A04
Variatie: Klinknageldraden
Toepassing: Wordt gebruikt om klinknagels te maken voor structurele onderdelen met een werktemperatuur van 120~250 graden
Legering 2A06
Variatie: Plaat, geëxtrudeerd profiel, klinkdraad
Toepassing: Vliegtuigconstructiedelen met een werktemperatuur van 150~250 graden en vliegtuigconstructieklinknagels met een werktemperatuur van 125~250 graden
Legering 2A10
Variatie: klinknageldraad
Toepassing: Hogere sterkte dan 2A01-legering, gebruikt voor de productie van vliegtuigconstructieklinknagels met een werktemperatuur van minder dan of gelijk aan 100 graden
Legering 2A50
Variatie: Smeedstukken, staven, platen
Toepassing: Middelsterke onderdelen met complexe vormen
Legering 2B50
Variatie: Smeedstukken
Toepassing: Compressorwiel van vliegtuigmotoren, geleidingswiel, ventilator, waaier, enz.
Legering 2A90
Variatie: Geëxtrudeerde staven, smeedstukken en smeedstukken
Toepassing: Onderdelen van vliegtuigmotoren en andere onderdelen met hoge werktemperaturen, gelegeerde smeedstukken worden geleidelijk vervangen door 2A70