(1) Charakterystyka stopów aluminium 5xxx
Stopy aluminium 5xxx to stopy aluminium z Mg jako głównym pierwiastkiem stopowym i są stopami aluminium niepodlegającymi obróbce cieplnej. Ta seria stopów ma niską gęstość i wyższą wytrzymałość niż stopy aluminium 1xxx i 3xxx. Są to stopy aluminium o średniej do wysokiej wytrzymałości z dobrymi właściwościami zmęczeniowymi i spawalniczymi oraz dobrą odpornością na korozję morską i atmosferyczną. Aby uniknąć korozji naprężeniowej stopów o wysokiej zawartości magnezu, końcowe produkty obrabiane na zimno muszą być stabilizowane lub końcowa ilość obróbki na zimno musi być kontrolowana, a temperatura użytkowania musi być kontrolowana (nieprzekraczająca 65 stopni). Ta seria stopów jest głównie używana do produkcji spawanych części konstrukcyjnych i jest stosowana w dziedzinie statków.
(2) Główne pierwiastki stopowe i domieszkowe oraz ich rola
Głównym składnikiem stopu aluminium serii 5XXx jest Mg, z niewielką ilością Mn, Cr, Ti i innych dodanych pierwiastków, natomiast pierwiastki domieszkowe to głównie Fe, Si, Cu, Zn itd.
Mg: Mg występuje głównie w stanie stałym i fazie (Mg2Al3 lub Mg5Al8). Chociaż rozpuszczalność Mg w stopie szybko maleje wraz ze spadkiem temperatury, stop ma niski efekt wzmocnienia starzeniowego ze względu na trudność zarodkowania wydzieleniowego, małą liczbę rdzeni i fazę grubego wydzielenia. Jest on zazwyczaj stosowany w stanie wyżarzania lub obróbki na zimno. Dlatego ta seria stopów jest również nazywana niewzmacniającymi stopami aluminium. Wytrzymałość tej serii stopów wzrasta wraz ze wzrostem zawartości Mg, podczas gdy plastyczność odpowiednio maleje, a jego wydajność przetwarzania również odpowiednio się pogarsza. Zawartość Mg ma duży wpływ na temperaturę rekrystalizacji stopu. Gdy zawartość Mg jest mniejsza niż 5%, temperatura rekrystalizacji spada wraz ze wzrostem zawartości Mg; gdy zawartość Mg przekracza 5%, temperatura rekrystalizacji wzrasta wraz ze wzrostem zawartości Mg. Zawartość Mg ma również znaczący wpływ na wydajność spawania stopu. Gdy zawartość Mg jest mniejsza niż 6%, tendencja do pękania spoiny zmniejsza się wraz ze wzrostem zawartości Mg; gdy zawartość Mg przekracza 6%, sytuacja jest odwrotna; gdy zawartość Mg jest mniejsza niż 9%, wytrzymałość spoiny znacznie wzrasta wraz ze wzrostem zawartości Mg. W tym momencie, chociaż plastyczność i współczynnik spawania stopniowo nieznacznie maleją, zmiana nie jest duża. Gdy zawartość Mg jest większa niż 9%, jej wytrzymałość, plastyczność i współczynnik spawania są znacznie zmniejszone.
Mn: Stopy aluminium serii 5XXX zwykle zawierają mniej niż 1,0% Mn. Część Mn w stopie jest rozpuszczona w matrycy, a reszta występuje w strukturze w postaci fazy MnAls. Mn może zwiększyć temperaturę rekrystalizacji stopu, aby zapobiec zgrubieniu ziarna i nieznacznie zwiększyć wytrzymałość stopu, szczególnie granicę plastyczności. W stopach o wysokiej zawartości Mg dodanie Mn może zmniejszyć rozpuszczalność Mg w matrycy, zmniejszyć tendencję do pękania spoin i zwiększyć wytrzymałość spoiny i metalu bazowego.
Cr: Cr i Mn mają podobne działanie, które może zwiększyć wytrzymałość metalu bazowego i spoiny, zmniejszyć tendencję do pękania spoiny i poprawić odporność na korozję naprężeniową, ale nieznacznie zmniejszyć plastyczność. W niektórych stopach można stosować Cr zamiast Mn. Pod względem efektu wzmacniającego Cr nie jest tak dobry jak Mn. Jeśli oba pierwiastki zostaną dodane w tym samym czasie, efekt jest większy niż w przypadku pojedynczego dodania.
Be: Dodanie niewielkiej ilości Be ({{0}}.0001%~0.005%) do stopu o wysokiej zawartości Mg może zmniejszyć tendencję do pękania wlewków i poprawić jakość powierzchni walcowanych blach, jednocześnie zmniejszając stratę Mg w wyniku spalania podczas wytopu, a także może zmniejszyć ilość tlenków tworzących się na powierzchni materiału podczas nagrzewania.
Ti: Dodanie niewielkiej ilości Ti do stopów o wysokiej zawartości magnezu ma na celu głównie rozdrobnienie ziaren.
Fe: Fe może tworzyć nierozpuszczalne związki z Mn i Cr, zmniejszając w ten sposób rolę Mn i Cr w stopie. Gdy w strukturze wlewka tworzą się bardziej twarde i kruche związki, istnieje ryzyko pęknięć podczas obróbki. Ponadto Fe zmniejsza również odporność stopu na korozję, więc zawartość Fe powinna być ogólnie kontrolowana poniżej {{0}}.4%, a w przypadku drutu spawalniczego F najlepiej ograniczyć ją do poniżej 0,2%.
Si: Si jest szkodliwą domieszką (z wyjątkiem stopu 5A03). Si i Mg tworzą fazę Mg2Si. Ze względu na nadmiarową zawartość Mg rozpuszczalność fazy Mg2Si w matrycy jest zmniejszona, więc nie tylko efekt wzmocnienia nie jest duży, ale również plastyczność stopu jest zmniejszona. Podczas walcowania Si ma większy negatywny wpływ niż Fe, więc zawartość Si powinna być ogólnie ograniczona do mniej niż 0.5%. Stop 5A03 zawiera 0,5%~0,8% Si, co może zmniejszyć tendencję do pęknięć spawalniczych i poprawić właściwości spawalnicze stopu.
Cu: Śladowa ilość Cu może pogorszyć odporność stopu na korozję, dlatego zawartość Cu powinna być ograniczona do mniej niż 0.2%, a w przypadku niektórych stopów obowiązują bardziej rygorystyczne ograniczenia.
Zn: Gdy zawartość Zn jest mniejsza niż {{0}}.2%, nie ma to znaczącego wpływu na właściwości mechaniczne i odporność stopu na korozję. Dodanie niewielkiej ilości Zn do stopów o wysokiej zawartości Mg może zwiększyć wytrzymałość na rozciąganie o 10~20 MPa. Zanieczyszczenie Zn w stopie powinno być ograniczone do mniej niż 0,2%.
Na: Śladowe zanieczyszczenie Na może silnie uszkodzić właściwości odkształcania na gorąco stopu, powodując „kruchość sodową”, która jest bardziej widoczna w stopach o wysokiej zawartości magnezu. Sposobem na wyeliminowanie kruchości sodowej jest przekształcenie wolnego Na wzbogaconego w granicy ziarna w związek. Metodę chlorowania można wykorzystać do wytworzenia chlorku sodu i usunięcia go wraz z żużlem lub można zastosować metodę dodawania śladowego Sb.