鋁及其合金教材

鋁及其合金—、概述（一） 鋁及其合金的性能特點(diǎn)密度小，比強(qiáng)度高純鋁的密度為2.7g/cm2，大約是鋼鐵材料的三分之一，鋁合金的密度也很小。采用各種強(qiáng)化手段后，鋁合金的強(qiáng)度可以接近低合金高強(qiáng)度鋼，因此其比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度之比）比一般的高強(qiáng)度鋼高得多。加工性能良好鋁及其合金（退火狀態(tài)）的塑性很好，能通過冷、熱壓力加工制成各種型材，如絲、線、箔、片、棒、管等。氣切削加工性能也很好。高強(qiáng)鋁合金在退火狀態(tài)下加工成型后，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，可以達(dá)到很高的強(qiáng)度。鑄造鋁合金鑄造性能優(yōu)良，例如，硅鋁明（一種鋁硅合金）可適用于多種鑄造方法。具有優(yōu)良的物理、化學(xué)性能鋁的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，僅次于銀、銅和金，居第四位。室溫時(shí)，鋁的導(dǎo)電能力約為銅的62%；若按單位重量材料的導(dǎo)電能力計(jì)算，鋁的導(dǎo)電能力為銅的二倍。純鋁及其合金有相當(dāng)好的抗大氣腐蝕的性能，這是因?yàn)樵阡X的表面能生成一層致密的氧化鋁薄膜，它能有效地隔絕鋁與氧的接觸，從而阻止鋁的進(jìn)一步氧化。（二） 純鋁純鋁是一種具有銀白色金屬光澤的金屬，品體結(jié)構(gòu)為面心立方，無同位素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鋁在大氣和淡水中具有良好的耐蝕性，但在堿和鹽的水溶液中表面的氧化膜易破壞，使鋁和快被腐蝕，純鋁具有良好的低溫性能，在0?一253°C之間塑性和沖擊韌性不降低。純鋁的鋁含量不低于99.00%，此外還含有少量的雜質(zhì)，主要雜質(zhì)為鐵和硅。一般說來，隨著雜質(zhì)含量的增加，純鋁的導(dǎo)電性和耐蝕性均降低。純鋁的強(qiáng)度很低，雖然可通過冷作硬化的方式強(qiáng)化，但不宜直接用作結(jié)構(gòu)材料。一般應(yīng)在鋁中加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪匦纬射X合金，按照生產(chǎn)工藝的不同，可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金。二、鋁合金的強(qiáng)化提高鋁的強(qiáng)度的基本途徑是，在鋁中加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪?，通過固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化來實(shí)現(xiàn)。如果再配合熱處理和其他措施，鋁合金的強(qiáng)度和韌性可得到進(jìn)一步的改善。（—）時(shí)效強(qiáng)化將含有4%Cu的鋁合金加熱到a相區(qū)中的某一溫度，經(jīng)過一段時(shí)間保溫，獲得單一的a固溶體組織，而后投入水中快冷，是次生相來不及析出，從而在室溫下獲得過飽和a固溶體，這種處理稱為固溶處理。經(jīng)過固溶處理的鋁合金，強(qiáng)度和硬度升高并不多，但在放置一段時(shí)間（4-5d）后，強(qiáng)度和硬度顯著升高。這種淬火后鋁合金的強(qiáng)度和硬度隨時(shí)間延續(xù)而顯著升高的現(xiàn)象稱為時(shí)效強(qiáng)化。如果時(shí)效是在室溫下進(jìn)行，稱為自然時(shí)效；在一定加熱條件下進(jìn)行，稱為人工時(shí)效（溫度較低或時(shí)間較短的稱為不完全時(shí)效）。人工時(shí)效可以加快時(shí)效速度，但比自然時(shí)效的強(qiáng)化效果差。（二）細(xì)晶強(qiáng)化改善冷卻條件，增大冷卻速度鋁合金特別是變形鎂合金的塑性較好，在鋁合金結(jié)品過程中，若采取一些強(qiáng)冷措施，如在連續(xù)澆注鑄錠時(shí)向結(jié)品器中通水冷卻、向熱的鑄錠上多次噴水激冷等，可以提高鑄造的冷卻速度，增大結(jié)品的過冷度，結(jié)晶時(shí)一般不會(huì)開裂，但可以有效的細(xì)化晶粒，改善合金的性能。鋁合金的變質(zhì)處理鋁硅系鑄造合金具有優(yōu)良的流動(dòng)性，并具有很小的收縮率，鑄造性能很好，但二元鋁硅合金不能進(jìn)行有效的時(shí)效強(qiáng)化，固溶強(qiáng)化效果也不好，鑄態(tài)組織很粗，合金強(qiáng)度很低。若在澆注前向液態(tài)合金中加入變質(zhì)劑，進(jìn)行變質(zhì)處理，則可以細(xì)化品粒，提高力學(xué)性能。傳統(tǒng)變質(zhì)劑是鈉鹽的混合物，加入量一般為合金液的2%-3%。目前，在各類變形鋁合金的連續(xù)鑄造中，已廣泛采用變質(zhì)處理細(xì)化基體組織。生產(chǎn)應(yīng)用表明，以鈦和硼同時(shí)加入，變質(zhì)效果最好，其中鈦的加入量為0.0025%-0.05%，硼的加入量為0.0006%-0.01%。三、鋁合金的種類（一）鑄造鋁合金鑄造鋁合金要求具有良好的鑄造性能，為此，合金組織中應(yīng)有適當(dāng)數(shù)量的共晶體，合金元素總量為8%-25%，一般高于變形鎂合金。鑄造鋁合金有鋁硅系、鋁銅系、鋁鎂系、鋁鋅系四種，其中以鋁硅系合金應(yīng)用最廣。常用鑄造鋁合金的牌號(hào)（代號(hào)）、力學(xué)性能和用途見表9-1。表9-1常用鑄造鋁合金的牌號(hào)（代號(hào)）、力學(xué)性能和用途（GB/T1173-1995）類別牌號(hào)（代號(hào)）鑄造方法與合金狀態(tài)6b/MPa力學(xué)性能6（%）HBS用途金屬型鑄造，退火155250抽水機(jī)殼體、ZAlSi12砂型/金屬型鑄造，變質(zhì)145450在200°C以下鋁硅(ZL102)處理砂型/金屬型鑄造，變質(zhì)處理，退火135450工作、承受低載荷的氣密性零件合金金屬型鑄造，淬火+不完2350.570在225C以下ZAlSi5C全時(shí)效1951.070工作的零件，u1Mg(ZL105)砂型鑄造，淬火+不完全時(shí)效砂型鑄造，淬火+人工時(shí)效2250.570如風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸頭

鋁銅ZAlCu5Mn(ZL201)砂型鑄造，淬火+自然時(shí)效砂型鑄造，淬火+不完全時(shí)效295335847090支臂、掛架梁、內(nèi)燃機(jī)氣缸頭、活塞等合金砂型鑄造，淬火+自然時(shí)195660形狀簡(jiǎn)單、粗ZAlCu4效215370糙度要求高(ZL203)砂型鑄造，淬火+不完全的中等承載時(shí)效件鋁鎂合金ZAlMgl0(ZL301)砂型鑄造，淬火+自然時(shí)效2801060砂型鑄造、在大氣或海水中工作的零件鋁鋅合金ZAlZnllSi7(ZL401)金屬型鑄造，不淬火，人工時(shí)效砂型鑄造，不淬火，人工時(shí)效2451951.529080結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的汽車、飛機(jī)零件1.鋁硅系合金這類合金又稱為硅鋁明，其特點(diǎn)是鑄造性能好，線收縮小，流動(dòng)性好，熱烈傾向小，具有較高的抗蝕性和足夠的強(qiáng)度，在工業(yè)上應(yīng)用十分廣泛。最常見的是ZL102，其鑄造性能好，但強(qiáng)度低，經(jīng)過變質(zhì)處理可提高其力學(xué)性能。在此合金成分基礎(chǔ)上加入一些合金元素，可組成復(fù)雜硅鋁明，通過固溶處理和時(shí)效處理實(shí)現(xiàn)合金強(qiáng)化，可滿足較大負(fù)荷零件的要求。鋁銅系合金這類合金可以通過時(shí)效強(qiáng)化提高強(qiáng)度，并且時(shí)效強(qiáng)化的效果可以保持到較高溫度，使合金具有較高的熱強(qiáng)性。由于合金中只含少量共品體，故鑄造性能不好，抗蝕性和比強(qiáng)度也較優(yōu)質(zhì)硅鋁明低。鋁鎂系合金這類合金密度小，強(qiáng)度高，比其他鑄造鋁合金耐蝕性好，但鑄造性能不如鋁硅合金好，流動(dòng)性差，線收縮率大，鑄造工藝復(fù)雜。鋁鋅系合金這類合金密度較大，耐蝕性差，但鑄造性能很好，鑄造冷卻時(shí)能夠自行淬火，經(jīng)自然失效后就有較高的強(qiáng)度，可在鑄態(tài)下直接使用。（二）變形鋁合金按照主要合金元素的種類以及合金性能的突出特點(diǎn)，變形鋁合金可分為防銹鋁（Al-Mn、Al-Mg系）、硬鋁（Al-Cu-Mg系）、超硬鋁（Al-Mg-Zn-Cu系）、鍛鋁（Al-Mg-Si-Cu、Al-Cu-Mg-Ni-Fe系）等。常用變形鋁合金的牌號(hào)、化學(xué)成分和力學(xué)性能見表9-2（摘自GB/T3190-1996,GB/T3191-1998）。牌號(hào)中的第一位數(shù)字表示主要合金元素的種類，第二位數(shù)字或字母表示改型情況，最后兩位數(shù)字沒有特殊意義，僅用來區(qū)分同一組中不同的鋁合金。表9-2常用變形鋁合金的牌號(hào)、化學(xué)成分和力學(xué)性能化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）力學(xué)性能類牌號(hào)CuMgMnZn其它66別#MPa(%)防5A050.184.8-5.50.3-0.60.20-26515銹3A210.200.051.0-1.60.10Ti0.15<16520鋁2A113.8-4.80.4-0.80.4-0.80.30Ti0.1537012硬2A123.8-4.91.2-1.80.3-0.90.30Ti0.10-0.15390-4212鋁0超7A041.4-2.01.8-2.80.2-0.65.0-7.Cr0.10-0.25530-556硬0Ti0.100鋁6A020.2-0.60.45-0.0.15-0.0.20Si0.5-1.229512鍛9352A501.8-2.60.4-0.80.4-0.80.30Si0.7-1.23802A143.9-4.80.4-0.80.4-1.00.30Ni0.104608防銹鋁合金防銹鋁合金包含Al-Mn系合金和Al-Mg系合金，其中Al-Mn系合金有比純鋁更高的強(qiáng)度和耐蝕性，并具有良好的塑性和焊接性，但切削加工性較差；Al-Mg系合金比純鋁的密度小，強(qiáng)度比Al-Mn系合金高，并有較好的耐蝕性。這類合金的時(shí)效強(qiáng)化效果極弱，冷變形可以提高合金強(qiáng)度，但會(huì)顯著降低塑性。主要用于制造各種耐蝕性薄板容器（如油箱）、蒙皮及一些受力小的構(gòu)件，在飛機(jī)、車輛和日用器具中應(yīng)用很廣。硬鋁合金硬鋁合金（Al-Cu-Mg系）中銅、鎂含量較多，有一定的固溶強(qiáng)化作用，通常采用自然時(shí)效，也可采用人工時(shí)效，故強(qiáng)度、硬度高，比強(qiáng)度高，耐熱性好，可在150°C以下工作，但塑性低、韌性差。常用來制造飛機(jī)的大梁、螺旋槳、鉚釘機(jī)蒙皮等，在儀器制造中也得到廣泛應(yīng)用。超硬鋁合金超硬鋁合金（Al-Mg-Zn-Cu系）是室溫強(qiáng)度最高的鋁合金，經(jīng)過固溶處理和人工時(shí)效后，可獲得很高的強(qiáng)度