Cuivre
Lorsque la partie riche en aluminium de l'alliage aluminium-cuivre est de 548, la solubilité maximale du cuivre dans l'aluminium est de 5,65 %. Lorsque la température descend à 302, la solubilité du cuivre est de 0,45 %. Le cuivre est un élément important des alliages et possède un certain effet de renforcement en solution solide. De plus, le CuAl2 précipité par vieillissement présente un effet de renforcement évident. La teneur en cuivre des alliages d'aluminium est généralement comprise entre 2,5 % et 5 %, et l'effet de renforcement est optimal lorsque la teneur en cuivre se situe entre 4 % et 6,8 %. La teneur en cuivre de la plupart des alliages de duralumin se situe donc dans cette fourchette. Les alliages aluminium-cuivre peuvent contenir moins de silicium, de magnésium, de manganèse, de chrome, de zinc, de fer et d'autres éléments.
Silicium
Lorsque la partie riche en aluminium de l'alliage Al-Si présente une température eutectique de 577 °C, la solubilité maximale du silicium en solution solide est de 1,65 %. Bien que la solubilité diminue avec la température, ces alliages ne peuvent généralement pas être renforcés par traitement thermique. L'alliage aluminium-silicium présente d'excellentes propriétés de moulage et une excellente résistance à la corrosion. Si du magnésium et du silicium sont ajoutés simultanément à l'aluminium pour former un alliage aluminium-magnésium-silicium, la phase de renforcement est MgSi. Le rapport massique magnésium/silicium est de 1,73:1. Lors de la conception de la composition de l'alliage Al-Mg-Si, les teneurs en magnésium et en silicium sont configurées selon ce rapport sur la matrice. Afin d'améliorer la résistance de certains alliages Al-Mg-Si, une quantité appropriée de cuivre est ajoutée, ainsi qu'une quantité appropriée de chrome pour compenser les effets néfastes du cuivre sur la résistance à la corrosion.
La solubilité maximale du Mg₂Si dans l'aluminium, dans la partie riche en aluminium du diagramme de phases d'équilibre du système d'alliage Al-Mg₂Si, est de 1,85 %, et la décélération est faible lorsque la température diminue. Dans les alliages d'aluminium déformés, l'ajout de silicium seul à l'aluminium est limité aux matériaux de soudage, et son ajout à l'aluminium a également un certain effet de renforcement.
Magnésium
Bien que la courbe de solubilité montre que la solubilité du magnésium dans l'aluminium diminue fortement avec la température, la teneur en magnésium de la plupart des alliages d'aluminium déformés industriels est inférieure à 6 %. La teneur en silicium est également faible. Ce type d'alliage ne peut pas être renforcé par traitement thermique, mais présente une bonne soudabilité, une bonne résistance à la corrosion et une résistance moyenne. Le renforcement de l'aluminium par le magnésium est évident. Pour chaque augmentation de 1 % de magnésium, la résistance à la traction augmente d'environ 34 MPa. L'ajout de moins de 1 % de manganèse peut renforcer l'effet de renforcement. Par conséquent, l'ajout de manganèse peut réduire la teneur en magnésium et limiter la tendance à la fissuration à chaud. De plus, le manganèse peut précipiter uniformément les composés Mg5Al8, améliorant ainsi la résistance à la corrosion et les performances de soudage.
Manganèse
Lorsque la température eutectique du diagramme de phases d'équilibre plat de l'alliage Al-Mn est de 658, la solubilité maximale du manganèse en solution solide est de 1,82 %. La résistance de l'alliage augmente avec la solubilité. Lorsque la teneur en manganèse est de 0,8 %, l'allongement atteint sa valeur maximale. L'alliage Al-Mn est un alliage non durcissable par vieillissement, c'est-à-dire qu'il ne peut pas être renforcé par traitement thermique. Le manganèse peut empêcher la recristallisation des alliages d'aluminium, augmenter la température de recristallisation et affiner considérablement les grains recristallisés. Cet affinement des grains recristallisés est principalement dû au fait que les particules dispersées de composés MnAl6 entravent leur croissance. Une autre fonction du MnAl6 est de dissoudre le fer impur pour former du (Fe, Mn)Al6, réduisant ainsi les effets nocifs du fer. Le manganèse est un élément important des alliages d'aluminium. Il peut être ajouté seul pour former un alliage binaire Al-Mn. Le plus souvent, il est ajouté avec d'autres éléments d'alliage. Par conséquent, la plupart des alliages d'aluminium contiennent du manganèse.
Zinc
La solubilité du zinc dans l'aluminium est de 31,6 % à 275 °C dans la partie riche en aluminium du diagramme de phases d'équilibre du système d'alliage Al-Zn, tandis que sa solubilité chute à 5,6 % à 125 °C. L'ajout de zinc seul à l'aluminium n'améliore que très peu la résistance de l'alliage sous déformation. Parallèlement, il existe une tendance à la fissuration par corrosion sous contrainte, ce qui limite son application. L'ajout simultané de zinc et de magnésium à l'aluminium forme la phase de renforcement Mg/Zn2, qui a un effet de renforcement significatif sur l'alliage. Lorsque la teneur en Mg/Zn2 passe de 0,5 % à 12 %, la résistance à la traction et la limite d'élasticité peuvent être significativement augmentées. Dans les alliages d'aluminium extra-durs où la teneur en magnésium dépasse la quantité requise pour former la phase Mg/Zn2, lorsque le rapport zinc/magnésium est maintenu à environ 2,7, la résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte est maximale. Par exemple, l'ajout de cuivre à l'Al-Zn-Mg forme un alliage de la série Al-Zn-Mg-Cu. Son effet de renforcement de base est le plus important parmi tous les alliages d'aluminium. C'est également un alliage d'aluminium important dans l'aérospatiale, l'aéronautique et l'industrie électrique.
Fer et silicium
Le fer est ajouté comme élément d'alliage dans les alliages d'aluminium corroyés de la série Al-Cu-Mg-Ni-Fe, et le silicium est ajouté comme élément d'alliage dans l'aluminium corroyé de la série Al-Mg-Si, dans les baguettes de soudage de la série Al-Si et dans les alliages de moulage aluminium-silicium. Dans les alliages d'aluminium de base, le silicium et le fer sont des impuretés courantes, qui ont un impact significatif sur les propriétés de l'alliage. Ils sont principalement présents sous forme de FeCl3 et de silicium libre. Lorsque le silicium est plus grand que le fer, il se forme une phase β-FeSiAl3 (ou Fe2Si2Al9), et lorsque le fer est plus grand que le silicium, il se forme une phase α-Fe2SiAl8 (ou Fe3Si2Al12). Un rapport fer/silicium incorrect peut provoquer des fissures dans la pièce moulée. Une teneur en fer trop élevée dans l'aluminium moulé peut fragiliser la pièce.
Titane et bore
Le titane est un élément additif couramment utilisé dans les alliages d'aluminium, ajouté sous forme d'alliage mère Al-Ti ou Al-Ti-B. Le titane et l'aluminium forment la phase TiAl2, qui devient un noyau non spontané lors de la cristallisation et joue un rôle dans l'affinage de la structure de la pièce moulée et de la soudure. Lorsque les alliages Al-Ti subissent une réaction d'emballage, la teneur critique en titane est d'environ 0,15 %. En présence de bore, le ralentissement est faible, jusqu'à 0,01 %.
Chrome
Le chrome est un élément additif courant dans les alliages des séries Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn et Al-Mg. À 600 °C, sa solubilité dans l'aluminium est de 0,8 % et il est pratiquement insoluble à température ambiante. Le chrome forme des composés intermétalliques tels que (CrFe)Al7 et (CrMn)Al12 dans l'aluminium, ce qui entrave la nucléation et la croissance de la recristallisation et renforce l'alliage. Il peut également améliorer la ténacité de l'alliage et réduire sa sensibilité à la fissuration par corrosion sous contrainte.
Cependant, le site augmente la sensibilité à la trempe, ce qui rend le film anodisé jaune. La quantité de chrome ajoutée aux alliages d'aluminium ne dépasse généralement pas 0,35 % et diminue avec l'augmentation des éléments de transition dans l'alliage.
Strontium
Le strontium est un élément tensioactif capable de modifier cristallographiquement le comportement des phases intermétalliques. Par conséquent, un traitement de modification au strontium peut améliorer l'ouvrabilité plastique de l'alliage et la qualité du produit final. Grâce à sa longue durée de modification efficace, à son bon effet et à sa reproductibilité, le strontium a remplacé le sodium dans les alliages de fonderie Al-Si ces dernières années. L'ajout de 0,015 % à 0,03 % de strontium à l'alliage d'aluminium pour l'extrusion transforme la phase β-AlFeSi du lingot en phase α-AlFeSi, réduisant ainsi le temps d'homogénéisation du lingot de 60 % à 70 %, améliorant les propriétés mécaniques et l'ouvrabilité plastique des matériaux, ainsi que la rugosité de surface des produits.
Pour les alliages d'aluminium déformés à haute teneur en silicium (10 % à 13 %), l'ajout de 0,02 % à 0,07 % de strontium permet de réduire au minimum les cristaux primaires et d'améliorer considérablement les propriétés mécaniques. La résistance à la traction бb passe de 233 MPa à 236 MPa, la limite d'élasticité б0,2 de 204 MPa à 210 MPa et l'allongement б5 de 9 % à 12 %. L'ajout de strontium à l'alliage Al-Si hypereutectique permet de réduire la taille des particules de silicium primaire, d'améliorer les propriétés de mise en œuvre du plastique et de permettre un laminage à chaud et à froid sans à-coups.
Zirconium
Le zirconium est également un additif courant dans les alliages d'aluminium. Généralement, sa quantité ajoutée est de 0,1 % à 0,3 %. Le zirconium et l'aluminium forment des composés ZrAl3, qui peuvent entraver le processus de recristallisation et affiner les grains recristallisés. Le zirconium peut également affiner la structure de la pièce moulée, mais son effet est moindre que celui du titane. La présence de zirconium réduit l'effet d'affinage des grains du titane et du bore. Dans les alliages Al-Zn-Mg-Cu, le zirconium ayant un effet moins important sur la sensibilité à la trempe que le chrome et le manganèse, il est préférable d'utiliser du zirconium plutôt que du chrome et du manganèse pour affiner la structure recristallisée.
éléments des terres rares
L'ajout de terres rares aux alliages d'aluminium permet d'augmenter la surfusion des composants lors de la coulée, d'affiner les grains, de réduire l'espacement des cristaux secondaires, de réduire la quantité de gaz et d'inclusions dans l'alliage et de favoriser la sphéroïdisation de la phase d'inclusion. L'ajout de terres rares peut également réduire la tension superficielle de la masse fondue, augmenter la fluidité et faciliter la coulée en lingots, ce qui a un impact significatif sur les performances du procédé. Il est préférable d'ajouter environ 0,1 % de terres rares diverses. L'ajout de terres rares mixtes (La-Ce-Pr-Nd, etc.) réduit la température critique de formation de la zone G-P de vieillissement dans l'alliage Al-0,65 % Mg-0,61 % Si. Les alliages d'aluminium contenant du magnésium peuvent stimuler le métamorphisme des terres rares.
Impureté
Le vanadium forme le composé réfractaire VAl11 dans les alliages d'aluminium. Ce composé joue un rôle dans l'affinage des grains lors de la fusion et de la coulée, mais son rôle est moindre que celui du titane et du zirconium. Il a également pour effet d'affiner la structure recristallisée et d'augmenter la température de recristallisation.
La solubilité solide du calcium dans les alliages d'aluminium est extrêmement faible et il forme un composé CaAl4 avec l'aluminium. Le calcium est un élément superplastique des alliages d'aluminium. Un alliage d'aluminium contenant environ 5 % de calcium et 5 % de manganèse est superplastic. Le calcium et le silicium forment du CaSi, insoluble dans l'aluminium. La réduction de la quantité de silicium en solution solide permet d'améliorer légèrement la conductivité électrique de l'aluminium pur industriel. Le calcium peut améliorer les performances de coupe des alliages d'aluminium. Le CaSi2 ne peut pas renforcer les alliages d'aluminium par traitement thermique. Des traces de calcium sont utiles pour éliminer l'hydrogène de l'aluminium fondu.
Le plomb, l'étain et le bismuth sont des métaux à bas point de fusion. Leur faible solubilité dans l'aluminium réduit légèrement la résistance de l'alliage, mais peut améliorer les performances de coupe. Le bismuth se dilate lors de la solidification, ce qui favorise l'alimentation. L'ajout de bismuth aux alliages à forte teneur en magnésium peut prévenir la fragilisation par le sodium.
L'antimoine est principalement utilisé comme modificateur dans les alliages d'aluminium moulés, et rarement dans les alliages d'aluminium déformés. Il est utilisé uniquement pour remplacer le bismuth dans les alliages d'aluminium déformés Al-Mg afin de prévenir la fragilisation par le sodium. L'antimoine est ajouté à certains alliages Al-Zn-Mg-Cu pour améliorer les performances des procédés de pressage à chaud et à froid.
Le béryllium peut améliorer la structure du film d'oxyde dans les alliages d'aluminium déformés et réduire les pertes par brûlure et les inclusions lors de la fusion et de la coulée. Le béryllium est un élément toxique susceptible de provoquer des allergies chez l'homme. Par conséquent, il ne peut être présent dans les alliages d'aluminium entrant en contact avec les aliments et les boissons. La teneur en béryllium des matériaux de soudage est généralement contrôlée en dessous de 8 μg/ml. Les alliages d'aluminium utilisés comme substrats de soudage doivent également être contrôlés en ce qui concerne leur teneur en béryllium.
Le sodium est presque insoluble dans l'aluminium et la solubilité solide maximale est inférieure à 0,0025 %. Le point de fusion du sodium est bas (97,8 °C), lorsque le sodium est présent dans l'alliage, il est adsorbé sur la surface de la dendrite ou sur le joint de grain pendant la solidification, pendant le traitement à chaud, le sodium sur le joint de grain forme une couche d'adsorption liquide, entraînant une fissuration fragile, la formation de composés NaAlSi, il n'y a pas de sodium libre et ne produit pas de « sodium cassant ».
Lorsque la teneur en magnésium dépasse 2 %, le magnésium se détache du silicium et précipite le sodium libre, ce qui entraîne une « fragilité sodique ». Par conséquent, l'utilisation de fondants au sel de sodium est interdite dans les alliages d'aluminium à haute teneur en magnésium. Les méthodes permettant de prévenir la « fragilisation sodique » comprennent la chloration, qui transforme le sodium en NaCl et le rejette dans les scories, l'ajout de bismuth pour former du Na2Bi et pénétrer dans la matrice métallique ; l'ajout d'antimoine pour former du Na3Sb ou l'ajout de terres rares peuvent également avoir le même effet.
Édité par May Jiang de MAT Aluminum
Date de publication : 08/08/2024
