(1) คุณลักษณะของโลหะผสมอลูมิเนียมซีรีส์ 7xxx
โลหะผสมอลูมิเนียมซีรีส์ 7XXx เป็นโลหะผสมอลูมิเนียมที่มี Zn เป็นองค์ประกอบโลหะผสมหลักและเป็นโลหะผสมอลูมิเนียมที่สามารถอบชุบด้วยความร้อนได้ เมื่อเติม Mg ลงในโลหะผสมแล้วจะกลายเป็นโลหะผสม Al-Zn-Mg โลหะผสมนี้มีคุณสมบัติการเสียรูปเนื่องจากความร้อนที่ดีและช่วงการดับที่กว้าง ภายใต้เงื่อนไขการอบชุบด้วยความร้อนที่เหมาะสม จะสามารถให้ความแข็งแรงสูงและคุณสมบัติการเชื่อมที่ดี โดยทั่วไปแล้วจะมีความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีและมีแนวโน้มที่จะเกิดการกัดกร่อนจากความเค้นในระดับหนึ่ง เป็นโลหะผสมอลูมิเนียมที่มีความแข็งแรงสูงที่สามารถเชื่อมได้ โลหะผสม Al-Zn-Mg-Cu ได้รับการพัฒนาบนพื้นฐานของโลหะผสม Al-Zn-Mg โดยการเติม Cu มีความแข็งแรงสูงกว่าโลหะผสมอลูมิเนียมซีรีส์ 2X โดยทั่วไปเรียกว่าโลหะผสมอลูมิเนียมที่มีความแข็งแรงสูงมาก ความแข็งแรงผลผลิตของโลหะผสมใกล้เคียงกับความแข็งแรงในการดึง อัตราส่วนความแข็งแรงผลผลิตสูง และความแข็งแรงจำเพาะก็สูงเช่นกัน แต่ความเป็นพลาสติกและความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงนั้นต่ำ เหมาะสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างรับน้ำหนักที่ใช้ที่อุณหภูมิห้องและต่ำกว่า 120 องศา โลหะผสมนี้แปรรูปได้ง่าย ทนทานต่อการกัดกร่อนดี และมีความเหนียวสูง โลหะผสมซีรีส์นี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาการบินและอวกาศ และกลายเป็นวัสดุโครงสร้างที่สำคัญที่สุดชนิดหนึ่งในสาขานี้
(2) ธาตุโลหะผสมและธาตุเจือปนและหน้าที่ของธาตุเหล่านี้
① โลหะผสม Al-Zn-Mg Zn และ Mg เป็นธาตุโลหะผสมหลักในโลหะผสม Al-Zn-Mg และมีปริมาณธาตุทั้งสองนี้ไม่เกิน 7.5%
Zn และ Mg: เมื่อปริมาณของ Zn และ Mg ในโลหะผสมเพิ่มขึ้น ความแข็งแรงในการดึงและผลการอบด้วยความร้อนจะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย แนวโน้มการกัดกร่อนจากความเค้นของโลหะผสมจะสัมพันธ์กับผลรวมของปริมาณของ Zn และ Mg สำหรับโลหะผสมที่มี Mg สูงและ Zn ต่ำ หรือ Zn สูงและ Mg ต่ำ ตราบใดที่ผลรวมของปริมาณของ Zn และ Mg ไม่เกิน 7% โลหะผสมก็จะมีความต้านทานการกัดกร่อนจากความเค้นที่ดี แนวโน้มการแตกร้าวจากการเชื่อมของโลหะผสมจะลดลงเมื่อปริมาณของ Mg เพิ่มขึ้น
ธาตุที่เติมลงในโลหะผสม Al-Zn-Mg ในปริมาณเล็กน้อย ได้แก่ Mn, Cr, Cu, Zr และ Ti และสิ่งเจือปนหลัก ได้แก่ Fe และ Si
Mn และ Cr: การเติม Mn และ Cr ลงไปสามารถปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนจากความเค้นของโลหะผสมได้ ปริมาณ Mn อยู่ที่ 0.2%~
ที่ระดับ {{0}}.4% ผลกระทบมีนัยสำคัญ ผลกระทบของการเติม Cr จะมากกว่าการเติม Mn หากเติม Mn และ Cr พร้อมกัน ผลกระทบในการลดแนวโน้มการกัดกร่อนจากความเค้นจะดีขึ้น ปริมาณ Cr ที่เติมที่เหมาะสมคือ 0.1%~0.2%
Zr: Zr สามารถปรับปรุงการเชื่อมโลหะผสม A{{0}}Zn-Mg ได้อย่างมีนัยสำคัญ เมื่อเติม Zr 0.2% ลงในโลหะผสม AlZn5Mg3Cu0.35Cr0.35 รอยแตกร้าวจากการเชื่อมจะลดลงอย่างมาก นอกจากนี้ Zr ยังสามารถเพิ่มอุณหภูมิการตกผลึกซ้ำขั้นสุดท้ายของโลหะผสมได้อีกด้วย ในโลหะผสม AlZn4.5Mg1.8Mn0.6 เมื่อปริมาณ Zr สูงกว่า 0.2% อุณหภูมิการตกผลึกซ้ำขั้นสุดท้ายของโลหะผสมจะสูงกว่า 500 องศา ดังนั้น วัสดุจึงยังคงความแข็งแรงไว้ได้หลังจากการชุบแข็ง เนื้อเยื่อผิดรูป การเติม Zr 0.1% ถึง 0.2% ลงในโลหะผสม Al-Zn-Mg ที่มี Mn สามารถปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนจากความเค้นของโลหะผสมได้เช่นกัน แต่ Zr มีผลน้อยกว่า Cr
Ti: การเติม Ti ลงในโลหะผสมสามารถปรับขนาดเกรนของโลหะผสมในสถานะหล่อให้ละเอียดขึ้น และปรับปรุงความสามารถในการเชื่อมของโลหะผสมได้ แต่ผลลัพธ์จะน้อยกว่า Zr หากเติม Ti และ Zr พร้อมกัน ผลลัพธ์จะดีขึ้น ในโลหะผสม AlZn5Mg3Cr0.3Cu0.3 ที่มีปริมาณ Ti 0.12% เมื่อปริมาณ Zr เกิน 0.15% โลหะผสมจะมีความเชื่อมและการยืดตัวได้ดี และสามารถให้ผลลัพธ์เดียวกันกับเมื่อเติม Zr เพียงอย่างเดียวเกิน 0.2% Ti ยังสามารถเพิ่มอุณหภูมิการตกผลึกใหม่ของโลหะผสมได้อีกด้วย
Cu: การเติม Cu ในปริมาณเล็กน้อยลงในโลหะผสม Al-Zn-Mg สามารถปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนภายใต้ความเค้นและความแข็งแรงในการดึงได้ อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการเชื่อมของโลหะผสมจะลดลง
Fe: Fe สามารถลดความต้านทานการกัดกร่อนและคุณสมบัติเชิงกลของโลหะผสมได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับโลหะผสมที่มีปริมาณ Mn สูง ดังนั้น ปริมาณ Fe ควรต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และควรจำกัดปริมาณให้น้อยกว่า 0.3%
Si: Si สามารถลดความแข็งแรงของโลหะผสม ลดประสิทธิภาพการดัดงอได้เล็กน้อย และเพิ่มแนวโน้มของรอยแตกร้าวที่เกิดจากการเชื่อม ปริมาณ Si ในโลหะผสมควรจำกัดให้น้อยกว่า 0.3%
② โลหะผสม Al-Zn-Mg-Cu โลหะผสม Al-Zn-Mg-Cu เป็นโลหะผสมที่สามารถอบชุบด้วยความร้อนได้ ธาตุเสริมความแข็งแรงหลักคือ Zn และ Mg Cu ยังมีผลในการเสริมความแข็งแรงในระดับหนึ่ง แต่หน้าที่หลักคือการปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนของวัสดุ
Zn และ Mg: Zn และ Mg เป็นองค์ประกอบหลักในการเสริมความแข็งแรง เมื่อทั้งสองมีอยู่ร่วมกัน พวกมันจะก่อตัวเป็นเฟส η (MgZn2) และ T (Al2Mg2Zn3) เฟส η และเฟส T มีความสามารถในการละลายสูงใน AI และเปลี่ยนแปลงอย่างมากตามการเพิ่มขึ้นและลดลงของอุณหภูมิ ความสามารถในการละลายของ MgZn₂ ที่อุณหภูมิยูเทกติกคือ 28% ซึ่งลดลงเหลือ 4%~5% ที่อุณหภูมิห้อง มีผลในการเสริมความแข็งแรงเมื่อเสื่อมสภาพอย่างมาก การเพิ่มขึ้นของปริมาณ Zn และ Mg สามารถปรับปรุงความแข็งแรงและความแข็งได้อย่างมาก แต่จะลดความเป็นพลาสติก ความต้านทานการกัดกร่อนจากความเค้น และความเหนียวในการแตกหัก
Cu: เมื่อ Zn/Mg มากกว่า 2.2 และมีปริมาณ Cu มากกว่า Mg Cu และธาตุอื่นๆ สามารถผลิตเฟส S ที่มีความแข็งแรง (CuMgAlz) เพื่อเพิ่มความแข็งแรงของโลหะผสม แต่ในทางกลับกัน ความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของเฟส S นั้นน้อยมาก Cu สามารถลดความต่างศักย์ระหว่างขอบเกรนและภายในเกรนได้ และยังสามารถเปลี่ยนโครงสร้างเฟสของตะกอนและทำให้เฟสของตะกอนที่ขอบเกรนละเอียดขึ้นได้ แต่มีผลเพียงเล็กน้อยต่อความกว้างของโซนที่ไม่มีการตกตะกอนที่ขอบเกรน สามารถยับยั้งแนวโน้มของการแตกร้าวระหว่างเกรนได้ จึงทำให้โลหะผสมมีความต้านทานต่อการกัดกร่อนจากความเค้นดีขึ้น อย่างไรก็ตาม เมื่อปริมาณ Cu มากกว่า 3% ความต้านทานการกัดกร่อนของโลหะผสมจะลดลง Cu สามารถเพิ่มการอิ่มตัวเกินของโลหะผสม เร่งกระบวนการเสื่อมสภาพเทียมของโลหะผสมระหว่าง 100 ถึง 200 องศาเซลเซียส ขยายช่วงอุณหภูมิที่เสถียรของโซน GP และปรับปรุงความแข็งแรงแรงดึง ความเหนียว และความแข็งแรงของความล้า ในช่วงที่ปริมาณ Cu ไม่สูงเกินไป ความต้านทานความล้าจากความเครียดแบบวงจรและความเหนียวของการแตกหักจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณ Cu ที่เพิ่มขึ้น และอัตราการเติบโตของรอยแตกจะลดลงในตัวกลางที่กัดกร่อน แต่การเติม Cu มีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดการกัดกร่อนระหว่างเม็ดเกรนและการกัดกร่อนแบบหลุม ผลกระทบของ Cu ต่อความเหนียวของการแตกหักนั้นสัมพันธ์กับอัตราส่วน Zn/Mg เมื่ออัตราส่วนมีขนาดเล็ก ปริมาณ Cu ยิ่งสูง ความเหนียวก็จะยิ่งแย่ลง เมื่ออัตราส่วนมีขนาดใหญ่ ถึงแม้ว่าปริมาณ Cu จะสูง ความเหนียวก็ยังคงดีมาก
นอกจากนี้ ยังมีธาตุที่เป็นร่องรอยอยู่เล็กน้อย เช่น Mn, Cr, Zr, V, Ti, B ในโลหะผสม Fe และ Si เป็นสิ่งเจือปนที่เป็นอันตรายในโลหะผสม และมีปฏิกิริยาระหว่างธาตุเหล่านี้ดังนี้
Mn, Cr: การเติมธาตุทรานสิชั่นในปริมาณเล็กน้อย เช่น Mn และ Cr มีผลอย่างมากต่อโครงสร้างและคุณสมบัติของโลหะผสม ธาตุเหล่านี้สามารถสร้างอนุภาคที่กระจัดกระจายได้ระหว่างการอบให้เนื้อเดียวกันของแท่งโลหะ ป้องกันการเคลื่อนตัวของการเคลื่อนที่ของอนุภาคและขอบเกรน จึงช่วยเพิ่มอุณหภูมิการตกผลึกใหม่ ป้องกันการเติบโตของเกรนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้เกรนละเอียดขึ้น และทำให้มั่นใจได้ว่าโครงสร้างจะไม่ตกผลึกใหม่หรือตกผลึกใหม่บางส่วนหลังจากการขึ้นรูปร้อนและการอบด้วยความร้อน ทำให้มีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นในขณะที่มีความต้านทานการกัดกร่อนจากความเค้นที่ดีขึ้น ในแง่ของการปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนจากความเค้น การเติม Cr จะดีกว่าการเติม Mn
Zr: เมื่อไม่นานมานี้ มีแนวโน้มว่าจะมีการแทนที่ Cr และ Mn ด้วย Zr ซึ่ง Zr สามารถเพิ่มอุณหภูมิการตกผลึกใหม่ของโลหะผสมได้อย่างมาก ไม่ว่าจะเป็นการเสียรูปด้วยความร้อนหรือการเสียรูปด้วยความเย็น ก็สามารถได้โครงสร้างที่ไม่ตกผลึกใหม่หลังจากการอบด้วยความร้อน นอกจากนี้ Zr ยังช่วยปรับปรุงความสามารถในการชุบแข็ง ความสามารถในการเชื่อม ความเหนียวในการแตกร้าว ความต้านทานการกัดกร่อนจากความเค้น และอื่นๆ ของโลหะผสมได้อีกด้วย Zr เป็นธาตุเติมแต่งที่มีแนวโน้มดีมากในโลหะผสม Al-Zn-Mg-Cu
Ti และ B: Ti และ B สามารถทำให้เมล็ดของโลหะผสมในสถานะการหล่อละเอียดขึ้น และเพิ่มอุณหภูมิการตกผลึกใหม่ของโลหะผสมได้
Fe และ Si: Fe และ Si เป็นสิ่งเจือปนที่เป็นอันตรายอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ในโลหะผสมอะลูมิเนียม 7XxX ซึ่งส่วนใหญ่มาจากวัตถุดิบ ตลอดจนเครื่องมือและอุปกรณ์ที่ใช้ในการถลุงและหล่อ สิ่งเจือปนเหล่านี้ส่วนใหญ่มีอยู่ในรูปของ FeAl ที่แข็งและเปราะบาง และ Si อิสระ สิ่งเจือปนเหล่านี้ยังสามารถก่อตัวเป็นสารประกอบหยาบ เช่น (FeMn)Als, (FeMn)Si2Als, Al(FeMnCr) กับ Mn และ Cr FeAl3 มีผลในการทำให้เมล็ดละเอียดขึ้น แต่มีผลกระทบต่อความต้านทานการกัดกร่อนมากกว่า เมื่อเนื้อหาของเฟสที่ไม่ละลายน้ำเพิ่มขึ้น เศษส่วนปริมาตรของเฟสที่ไม่ละลายน้ำก็จะเพิ่มขึ้นด้วย เฟสที่สองที่ไม่ละลายน้ำเหล่านี้จะแตกและยืดออกในระหว่างการเปลี่ยนรูป ส่งผลให้โครงสร้างเป็นแถบ และอนุภาคจะเรียงตัวเป็นเส้นตรงตามทิศทางการเสียรูป เนื่องจากอนุภาคของสิ่งเจือปนกระจายอยู่ภายในเมล็ดพืชหรือบนขอบเมล็ดพืช ในระหว่างการเสียรูปพลาสติก รูพรุนจะเกิดขึ้นบนขอบอนุภาค-เมทริกซ์บางส่วน ส่งผลให้เกิดรอยแตกร้าวขนาดเล็ก ซึ่งกลายเป็นที่มาของรอยแตกร้าวขนาดใหญ่ นอกจากนี้ ยังมีอิทธิพลอย่างมากต่ออัตราการเติบโตของรอยแตกร้าวจากความล้า มีผลบางอย่างในการลดความเป็นพลาสติกในบริเวณนั้นในระหว่างการทำลาย การเพิ่มจำนวนของสิ่งเจือปนทำให้ระยะห่างระหว่างอนุภาคสั้นลง จึงลดความลื่นไหลของการเสียรูปพลาสติกรอบปลายรอยแตกร้าว เนื่องจากเฟสที่มี Fe และ Si นั้นละลายได้ยากที่อุณหภูมิห้อง จึงมีบทบาทเป็นรอยบากและกลายเป็นแหล่งของรอยแตกร้าวได้ง่าย ทำให้วัสดุแตกหัก ซึ่งส่งผลเสียอย่างมากต่อการยืดตัว โดยเฉพาะความเหนียวในการแตกของโลหะผสม ดังนั้น เมื่อออกแบบและผลิตโลหะผสมใหม่ เนื้อหาของ Fe และ Si จะถูกควบคุมอย่างเข้มงวด นอกจากการใช้โลหะดิบที่มีความบริสุทธิ์สูงแล้ว ยังมีการใช้มาตรการบางอย่างในระหว่างกระบวนการหลอมและหล่อเพื่อป้องกันไม่ให้สององค์ประกอบนี้ผสมกันในโลหะผสม