(1) Charakterystyka stopów aluminium serii 6xxx
Stopy aluminium serii 6xxx to stopy aluminium z magnezem i krzemem jako głównymi elementami stopowymi i fazą Mg2Si jako fazą wzmacniającą. Są to stopy aluminium nadające się do obróbki cieplnej. Stopy te mają zalety średniej wytrzymałości, wysokiej odporności na korozję, braku tendencji do pękania korozyjnego naprężeniowego, dobrych właściwości spawalniczych, niezmienionych właściwości korozyjnych w strefie spoiny, dobrej formowalności i przetwarzalności. Gdy stop zawiera miedź, wytrzymałość stopu może być zbliżona do wytrzymałości stopów aluminium serii 2xxx, a przetwarzalność jest lepsza niż w przypadku stopów aluminium serii 2XXx, ale odporność na korozję ulega pogorszeniu. Stop ma dobre właściwości kucia. Najczęściej stosowanymi stopami w tej serii są stopy 6061 i 6063, które mają najlepszą wszechstronną wydajność i ekonomiczność. Głównymi produktami są profile wytłaczane, a największym zastosowaniem tego stopu są profile architektoniczne.
(2) Rola głównych pierwiastków stopowych i zanieczyszczeń
Głównymi pierwiastkami stopowymi stopów aluminium serii 6XXX są Mg, Si i Cu, a ich role są następujące.
1) Rola g i Si
Zmiana zawartości Mg i Si ma niewielki wpływ na wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie stopu Al-Mg-Si w stanie wyżarzonym.
Wraz ze wzrostem zawartości Mg i Si, wytrzymałość na rozciąganie stopu Al-Mg-Si w hartowanym stanie naturalnego starzenia wzrasta, a wydłużenie maleje. Gdy całkowita zawartość Mg i Si jest stała, zmiana stosunku zawartości Mg do Si ma również duży wpływ na wydajność. Przy stałej zawartości Mg, wytrzymałość na rozciąganie stopu wzrasta wraz ze wzrostem zawartości Si. Przy stałej zawartości fazy Mg2Si i wzroście zawartości Si, efekt wzmacniający stopu ulega poprawie, podczas gdy wydłużenie ulega nieznacznej poprawie. Przy stałej zawartości Si, wytrzymałość na rozciąganie stopu wzrasta wraz ze wzrostem zawartości Mg. W przypadku stopów o małej zawartości Si, maksymalna wytrzymałość na rozciąganie znajduje się w obszarze trójfazowym (Al)-Mg2Si-Mg2Al. Maksymalna wytrzymałość na rozciąganie stopu trójskładnikowego A1-Mg-Si znajduje się w obszarze trójfazowym a(Al)-Mg2Si-Si.
Wpływ Mg i Si na właściwości mechaniczne stopu w stanie hartowanego sztucznego starzenia jest zasadniczo taki sam, jak w przypadku stopu w stanie hartowanego naturalnego starzenia, jednak wytrzymałość na rozciąganie ulega znacznej poprawie, a maksymalna wartość nadal znajduje się w obszarze trójfazowym a(Al)-MgzSi-Si, podczas gdy wydłużenie odpowiednio maleje.
Gdy w stopie znajdują się pozostałości Si i MgSi, odporność na korozję maleje wraz ze wzrostem ich ilości. Jednakże, gdy stop znajduje się w dwufazowym obszarze a(Al-MgzSi, a stop w jednofazowym obszarze, w którym faza MgSi jest całkowicie rozpuszczona w matrycy, odporność na korozję jest najlepsza. Wszystkie stopy nie mają tendencji do pękania korozyjnego naprężeniowego.
Podczas spawania stopu tendencja do pęknięć spawalniczych jest stosunkowo duża, ale w obszarze dwufazowym a(Al-Mg2Si, stop o składzie 0.2%~0.4%Si i 1.2%~1.4%Mg oraz w obszarze trójfazowym a(Al)-Mg2Si-Si, stop o składzie 1.2%~2.0%Si i 0.8%~2.0%Mg ma stosunkowo małą tendencję do pęknięć spawalniczych.
2) Wpływ Cu
Po dodaniu Cu do stopu AI-Mg-Si, forma istnienia Cu w strukturze zależy nie tylko od zawartości Cu, ale także od zawartości Mg i Si. Gdy zawartość Cu jest bardzo mała, a stosunek Mg:Si wynosi 1,73:1, powstaje faza MgSi i cała Cu rozpuszcza się w matrycy; gdy zawartość Cu jest wysoka, a stosunek Mg:Si jest mniejszy niż 1,08, może powstać faza W (AlCuMgsSi), a pozostała Cu tworzy CuAl; gdy zawartość Cu jest wysoka, a stosunek Mg:Si jest większy niż 1,73, mogą powstać fazy S (AlCuMg) i CuAl. Faza W różni się od fazy S, fazy CuAl i fazy MgSi. Jest ona tylko częściowo rozpuszczona w stanie stałym, a jej efekt wzmacniający nie jest tak duży, jak fazy MgSi.
Dodanie Cu do stopu nie tylko znacząco poprawia plastyczność stopu podczas obróbki na gorąco, ale także zwiększa efekt wzmacniający obróbki cieplnej. Może również tłumić efekt wytłaczania i redukować anizotropię, która występuje po dodaniu Mn.
3) Rola Mn, Cr, Ti, Fe i Zn
Do śladowych pierwiastków w stopie A1 serii 6XXX należą Mn, Cr i Ti, natomiast domieszki to głównie Fe, Zn itp., których funkcje są następujące.
Mn: Dodanie Mn do stopu może poprawić wytrzymałość, odporność na korozję, udarność i właściwości gięcia. Gdy Cu i Mn zostaną dodane do stopu AlMg{{0}}.7Si1.0, gdy zawartość Mn jest mniejsza niż 0,2%, wytrzymałość stopu wzrasta wraz ze wzrostem zawartości Mn. Jednak w miarę dalszego wzrostu zawartości Mn, Mn i Si tworzą fazę AlMnSi, która traci część Si wymaganego do utworzenia fazy Mg2Si, a efekt wzmacniający fazy AlMnSi jest mniejszy niż fazy Mg2Si. Dlatego efekt wzmacniający stopu maleje.
Jednoczesne dodanie Mn i Cu nie daje tak dobrego efektu wzmocnienia, jak dodanie samego Mn, ale może zwiększyć wydłużenie i poprawić wielkość ziarna wyżarzanego produktu.
Gdy do stopu dodaje się Mn, ze względu na poważną segregację wewnątrzkrystaliczną Mn w fazie a, proces rekrystalizacji stopu jest zakłócony, co powoduje zgrubienie ziarna wyżarzanego produktu. Aby uzyskać materiały drobnoziarniste, wlewek musi zostać zhomogenizowany w wysokiej temperaturze (550 stopni), aby wyeliminować segregację Mn. Lepiej jest szybko nagrzać podczas wyżarzania.
Cr: Cr i Mn mają podobne działanie. Cr hamuje wytrącanie fazy Mg2Si na granicy ziaren, opóźnia naturalny proces starzenia i poprawia wytrzymałość po sztucznym starzeniu. Cr może uszlachetniać ziarna i sprawiać, że ziarna po rekrystalizacji stają się smuklejsze, poprawiając w ten sposób odporność stopu na korozję. Zawartość Cr wynosi ogólnie 0.15%~0.3%.
Ti: Dodanie {{0}}.02%~0.1% Ti i 0,01%~0,2% Cr do stopów aluminium serii 6XXX może zmniejszyć kolumnową strukturę krystaliczną wlewka, poprawić właściwości kucia stopu i rozdrobnić ziarna produktu.
Fe: Niewielka ilość Fe (mniej niż {{0}}.4%) może uszlachetnić ziarna. Gdy zawartość Fe przekracza 0,7%, powstaje faza nierozpuszczalna (AlMnFeSi), która zmniejsza wytrzymałość, plastyczność i odporność na korozję produktu. Gdy stop zawiera Fe, kolor produktu po obróbce anodowej może ulec pogorszeniu.
Zn: Niewielka ilość domieszki Zn ma niewielki wpływ na wytrzymałość stopu, a jej zawartość może wynosić do 0.3%.