(1) Kenmerken van aluminiumlegeringen uit de 7xxx-serie
Aluminiumlegeringen uit de 7XXx-serie zijn aluminiumlegeringen met Zn als het belangrijkste legeringselement en zijn warmtebehandelbare aluminiumlegeringen. Wanneer Mg aan de legering wordt toegevoegd, wordt het een Al-Zn-Mg-legering. De legering heeft goede thermische vervormingseigenschappen en een breed blusbereik. Onder geschikte warmtebehandelingsomstandigheden kan het een hoge sterkte en goede laseigenschappen verkrijgen. Het heeft over het algemeen een goede corrosiebestendigheid en een zekere neiging tot spanningscorrosie. Het is een lasbare aluminiumlegering met hoge sterkte. De Al-Zn-Mg-Cu-legering is ontwikkeld op basis van de Al-Zn-Mg-legering door Cu toe te voegen. De sterkte is hoger dan die van aluminiumlegeringen uit de 2X-serie. Het wordt over het algemeen een ultrahogesterkte aluminiumlegering genoemd. De vloeigrens van de legering ligt dicht bij de treksterkte, de vloeigrensverhouding is hoog en de specifieke sterkte is ook hoog, maar de plasticiteit en de sterkte bij hoge temperaturen zijn laag. Het is geschikt voor dragende structurele onderdelen die worden gebruikt bij kamertemperatuur en onder de 120 graden. De legering is eenvoudig te verwerken en heeft een goede corrosiebestendigheid en hoge taaiheid. Deze serie legeringen wordt veel gebruikt in de luchtvaart en ruimtevaart en is een van de belangrijkste structurele materialen in dit veld geworden.
(2) Legeringselementen en onzuivere elementen en hun functies
① Al-Zn-Mg-legering Zn en Mg zijn de belangrijkste legeringselementen in de Al-Zn-Mg-legering en hun gehalte bedraagt over het algemeen niet meer dan 7,5%.
Zn en Mg: Naarmate het gehalte aan Zn en Mg in de legering toeneemt, nemen de treksterkte en het warmtebehandelingseffect over het algemeen dienovereenkomstig toe. De neiging tot spanningscorrosie van de legering is gerelateerd aan de som van het gehalte aan Zn en Mg. Voor legeringen met veel Mg en weinig Zn of veel Zn en weinig Mg, zolang de som van het gehalte aan Zn en Mg niet meer dan 7% bedraagt, heeft de legering een goede weerstand tegen spanningscorrosie. De neiging tot lasscheuren van de legering neemt af met de toename van het Mg-gehalte.
Sporen van toegevoegde elementen in Al-Zn-Mg-legeringen zijn onder meer Mn, Cr, Cu, Zr en Ti. De belangrijkste onzuiverheden zijn Fe en Si.
Mn en Cr: Het toevoegen van Mn en Cr kan de spanningscorrosieweerstand van de legering verbeteren. Het Mn-gehalte is 0.2%~
Bij {{0}}.4% is het effect significant. Het effect van het toevoegen van Cr is groter dan het toevoegen van Mn. Als Mn en Cr tegelijkertijd worden toegevoegd, zal het effect van het verminderen van de neiging tot spanningscorrosie beter zijn. De juiste hoeveelheid toegevoegd Cr is 0.1%~0.2%.
Zr: Zr kan de lasbaarheid van A{{0}}Zn-Mg-legeringen aanzienlijk verbeteren. Wanneer 0.2% Zr wordt toegevoegd aan AlZn5Mg3Cu0.35Cr0.35-legering, worden lasscheuren aanzienlijk verminderd. Zr kan ook de uiteindelijke herkristallisatietemperatuur van de legering verhogen. In de AlZn4.5Mg1.8Mn0.6-legering is de uiteindelijke herkristallisatietemperatuur van de legering hoger dan 500 graden wanneer het Zr-gehalte hoger is dan 0.2%. Daarom behoudt het materiaal nog steeds zijn sterkte na het blussen. Vervormd weefsel. Het toevoegen van 0,1% tot 0,2% Zr aan Al-Zn-Mg-legeringen die Mn bevatten, kan ook de spanningscorrosiebestendigheid van de legering verbeteren, maar Zr heeft een lager effect dan Cr.
Ti: Ti toevoegen aan de legering kan de korrelgrootte van de legering in de gegoten toestand verfijnen en de lasbaarheid van de legering verbeteren, maar het effect is lager dan dat van Zr. Als Ti en Zr tegelijkertijd worden toegevoegd, is het effect beter. In de AlZn5Mg3Cr0.3Cu0.3-legering met een Ti-gehalte van 0.12%, wanneer het Zr-gehalte 0.15% overschrijdt, heeft de legering een goede lasbaarheid en rek en kan hetzelfde effect bereiken als wanneer er meer dan 0.2% Zr alleen wordt toegevoegd. Ti kan ook de herkristallisatietemperatuur van de legering verhogen.
Cu: Het toevoegen van een kleine hoeveelheid Cu aan Al-Zn-Mg-legeringen kan de spanningscorrosieweerstand en treksterkte verbeteren. De lasbaarheid van de legering wordt echter verminderd.
Fe: Fe kan de corrosiebestendigheid en mechanische eigenschappen van de legering verminderen, vooral voor legeringen met een hoog Mn-gehalte. Daarom moet het Fe-gehalte zo laag mogelijk zijn en moet het gehalte beperkt worden tot minder dan 0.3%.
Si: Si kan de sterkte van de legering verminderen, de buigprestaties enigszins verminderen en de neiging tot lasscheuren vergroten. Het Si-gehalte in de legering moet worden beperkt tot minder dan 0.3%.
② Al-Zn-Mg-Cu-legering Al-Zn-Mg-Cu-legering is een warmtebehandelbare legering. De belangrijkste versterkende elementen zijn Zn en Mg. Cu heeft ook een bepaald versterkend effect, maar de belangrijkste functie is om de corrosiebestendigheid van het materiaal te verbeteren.
Zn en Mg: Zn en Mg zijn de belangrijkste versterkende elementen. Wanneer ze naast elkaar bestaan, vormen ze de η (MgZn2) en T (Al2Mg2Zn3) fasen. De η fase en T fase hebben een grote oplosbaarheid in AI en veranderen dramatisch met de stijging en daling van de temperatuur. De oplosbaarheid van MgZn₂ bij de eutectische temperatuur is 28%, wat wordt gereduceerd tot 4%~5% bij kamertemperatuur. Het heeft een sterk verouderingsversterkend effect. De toename van het Zn en Mg gehalte kan de sterkte en hardheid aanzienlijk verbeteren, maar het zal de plasticiteit, spanningscorrosiebestendigheid en breuktaaiheid verminderen.
Cu: Wanneer Zn/Mg groter is dan 2,2 en het Cu-gehalte groter is dan Mg, kunnen Cu en andere elementen een versterkte S (CuMgAlz) fase produceren om de sterkte van de legering te vergroten, maar in het tegenovergestelde geval is de kans op het bestaan van de S-fase erg klein. Cu kan het potentiaalverschil tussen de korrelgrens en de intragranulaire verkleinen en kan ook de structuur van de precipitaatfase veranderen en de korrelgrensprecipitaatfase verfijnen, maar het heeft weinig effect op de breedte van de korrelgrens-niet-precipitatiezone. Het kan de neiging tot intergranulaire scheuren remmen, waardoor de spanningscorrosiebestendigheid van de legering wordt verbeterd. Wanneer het Cu-gehalte echter groter is dan 3%, verslechtert de corrosiebestendigheid van de legering. Cu kan de oververzadiging van de legering vergroten, het kunstmatige verouderingsproces van de legering versnellen tussen 100 en 200 graden C, het stabiele temperatuurbereik van de GP-zone uitbreiden en de treksterkte, plasticiteit en vermoeiingssterkte verbeteren. In het bereik waar het Cu-gehalte niet te hoog is, worden de cyclische rekvermoeidheidsweerstand en breuktaaiheid verhoogd met de toename van het Cu-gehalte, en wordt de scheurgroeisnelheid verminderd in het corrosieve medium, maar de toevoeging van Cu heeft de neiging om intergranulaire corrosie en putcorrosie te produceren. Het effect van Cu op breuktaaiheid is gerelateerd aan de Zn/Mg-verhouding. Wanneer de verhouding klein is, geldt: hoe hoger het Cu-gehalte, hoe slechter de taaiheid; wanneer de verhouding groot is, is de taaiheid nog steeds erg goed, zelfs als het Cu-gehalte hoog is.
Er zijn ook een kleine hoeveelheid sporenelementen zoals Mn, Cr, Zr, V, Ti, B in de legering. Fe en Si zijn schadelijke onzuiverheden in de legering en hun interacties zijn als volgt.
Mn, Cr: Het toevoegen van een kleine hoeveelheid overgangselementen zoals Mn en Cr heeft een significant effect op de structuur en eigenschappen van de legering. Deze elementen kunnen verspreide deeltjes produceren tijdens het homogeniseren van de ingot, de migratie van dislocaties en korrelgrenzen voorkomen, waardoor de rekristallisatietemperatuur wordt verhoogd, de groei van korrels effectief wordt voorkomen, korrels worden verfijnd en ervoor wordt gezorgd dat de structuur niet-gerekristalliseerd of gedeeltelijk geherkristalliseerd blijft na warmbewerking en warmtebehandeling, zodat de sterkte wordt verbeterd terwijl er een betere spanningscorrosiebestendigheid is. In termen van het verbeteren van de spanningscorrosiebestendigheid is het toevoegen van Cr beter dan het toevoegen van Mn.
Zr: Onlangs is er een trend ontstaan om Cr en Mn te vervangen door Zr. Zr kan de herkristallisatietemperatuur van de legering aanzienlijk verhogen. Of het nu gaat om warme of koude vervorming, een niet-herkristalliseerde structuur kan worden verkregen na warmtebehandeling. Zr kan ook de hardbaarheid, lasbaarheid, breuktaaiheid, spanningscorrosiebestendigheid, enz. van de legering verbeteren. Zr is een veelbelovend sporenadditief element in Al-Zn-Mg-Cu-legeringen.
Ti en B: Ti en B kunnen de korrels van de legering in gegoten toestand verfijnen en de herkristallisatietemperatuur van de legering verhogen.
Fe en Si: Fe en Si zijn onvermijdelijke schadelijke onzuiverheden in 7XxX aluminiumlegeringen, die voornamelijk afkomstig zijn van grondstoffen, evenals gereedschappen en apparatuur die worden gebruikt bij het smelten en gieten. Deze onzuiverheden bestaan voornamelijk in de vorm van hard en bros FeAl: en vrij Si. Deze onzuiverheden kunnen ook grove verbindingen vormen zoals (FeMn)Als, (FeMn)Si2Als, Al(FeMnCr) met Mn en Cr. FeAl3 heeft het effect van het verfijnen van korrels, maar heeft een grotere impact op de corrosiebestendigheid. Naarmate het gehalte aan onoplosbare fase toeneemt, neemt ook het volumefractie van de onoplosbare fase toe. Deze onoplosbare tweede fasen zullen breken en uitrekken tijdens de vervorming, wat resulteert in een bandstructuur en de deeltjes worden gerangschikt in een rechte lijn langs de vervormingsrichting. Omdat de onzuiverheidsdeeltjes zich in de korrels of op de korrelgrenzen bevinden, ontstaan er tijdens plastische vervorming poriën op sommige deeltjes-matrixgrenzen, wat resulteert in microscheuren, die de oorsprong worden van macroscheuren. Bovendien heeft het een grote invloed op de groeisnelheid van vermoeiingsscheuren. Het heeft een bepaald effect van het verminderen van lokale plasticiteit tijdens vernietiging. De toename van het aantal onzuiverheden verkort de afstand tussen deeltjes, waardoor de vloeibaarheid van plastische vervorming rond de scheurpunt wordt verminderd. Omdat de fase die Fe en Si bevat moeilijk oplost bij kamertemperatuur, speelt het een rol van inkeping en wordt het gemakkelijk een scheurbron, waardoor het materiaal breekt, wat een zeer nadelig effect heeft op de rek, met name de breuktaaiheid van de legering. Daarom wordt bij het ontwerpen en produceren van nieuwe legeringen het gehalte aan Fe en Si strikt gecontroleerd. Naast het gebruik van zeer zuivere metaalgrondstoffen worden er ook enkele maatregelen genomen tijdens het smelt- en gietproces om te voorkomen dat deze twee elementen zich met de legering vermengen.