鋁合金是以鋁為基添加一定量其他合金化元素的合金,是輕金屬材料之一。鋁合金除具有鋁的一般特性外,由于添加合金化元素的種類和數(shù)量的不同又具有一些合金的具體特性。鋁合金的密度為2.63~2.85g/cm,有較高的強度(σb為110~650MPa),比強度接近高合金鋼,比剛度超過鋼,有良好的鑄造性能和塑性加工性能,良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,良好的耐蝕性和可焊性,可作結(jié)構(gòu)材料使用,在航天、航空、交通運輸、建筑、機電、輕化和日用品中有著廣泛的應(yīng)用。
一、分類
鋁合金按其成分和加工方法又分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。
1.變形鋁合金
變形鋁合金是以各種壓力加工方法制成的管、棒、線、型等半成品鋁合金。根據(jù)其用途又可分為防腐鋁合金、超硬鋁、特殊鋁、硬鋁、鍛鋁5類。
常用的防銹鋁合金中主要合金元素是錳和鎂,加錳可提高其抗蝕能力,加鎂使其強化并降低比重,其特點是耐腐蝕,拋光性好,可長時間保持光亮表面,強度比純鋁高,多用于制造與液體接觸的零件、管道、日用品、裝飾品等; 硬鋁又稱杜拉鋁,是鋁、銅、鎂合金,并含少量錳。銅、鎂在鋁中溶解度較大,有強化效應(yīng),錳使其耐蝕。硬鋁根據(jù)其合金元素含量不同可分別制造鉚釘、飛機的螺旋槳及飛機上的高強度零件; 超硬鋁是含有鋅的硬鋁,其硬度、強度均比硬鋁高,不同品種的超硬鋁用于制造各種結(jié)構(gòu)零件、高載荷零件,是航空工業(yè)的重要材料之一; 鍛鋁在一般狀態(tài)下具有高的塑性,強度大,用來制造各種鍛件或沖壓件,如內(nèi)燃機活塞等; 特殊鋁是在特定情況下使用的,組分不同,各有用途。
2.鑄造鋁合金
鑄造鋁合金是用來直接澆鑄各種形狀的機械零件的鋁合金。按加入的主要元素不同又可分為Al-Si系合金、Al-Zn系合金、Al-Mg系合金。每個系統(tǒng)各有牌號,較為復(fù)雜。
3.區(qū)別
變形鋁合金和鑄造鋁合金的根本差別可用鋁基二元合金相圖來說明:成分位于B′點以左的合金屬于變形鋁合金,當(dāng)加熱到高于固溶線(BD)溫度時,它可獲得單相α固溶體,其塑性加工性能較好,適于冷、熱壓力加工。由于熔鑄技術(shù)的發(fā)展,有些變形鋁合金的成分已擴大到F點。成分在E點以右的合金屬于鑄造鋁合金。由于其組織中含有低熔點共晶體,流動性好,可防止熱裂現(xiàn)象,適于鑄造成形。可見鑄造鋁合金的成分含量比變形鋁合金的高。鋁合金又分可熱處理強化和不可熱處理強化的兩類。成分在D點以左的合金,其固溶體的成分不隨溫度的變化而變化,熱處理時沒有相的變化,不發(fā)生強化,稱為非熱處理強化合金;合金成分位于DF之間的合金,其固溶體的成分隨溫度而改變,即熱處理時有相的變化,因而發(fā)生強化,稱為可熱處理強化合金。
二、應(yīng)用
鋁合金具有密度低、力學(xué)性能佳、加工性能好、無毒、易回收、導(dǎo)電性、傳熱性及抗腐蝕性能優(yōu)良等特點,在船用行業(yè)、化工行業(yè)、航空航天、金屬包裝、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域廣泛使用。
1.航空航天
鋁合金是制造飛機用的主要材料。鋁合金與制造汽車用的軟鋼比較起來,價格貴、密度小,相對密度為2.8,與軟鋼相對密度7.8比較,約輕三分之一,盡管強度相差不多,但對飛機來說,材料輕是最主要的,而且耐腐蝕性較強,加工也方便,故鋁合金是制造飛機最理想的材料。硬鋁根據(jù)其合金元素含量不同可分別制造鉚釘、飛機的螺旋槳及飛機上的高強度零件; 超硬鋁是含有鋅的硬鋁,其硬度、強度均比硬鋁高,不同品種的超硬鋁用于制造各種結(jié)構(gòu)零件、高載荷零件,是航空工業(yè)的重要材料之一。
2.船用行業(yè)
鋁及鋁合金在造船工業(yè)中應(yīng)用越來越廣,小到汽艇大到萬噸油輪,從海上氣墊船到海下潛艇,從民用到軍工,從捕魚船到海洋開采船,均使用綜合性能優(yōu)良的鋁合金生產(chǎn)船舶外殼、支架結(jié)構(gòu)、配套設(shè)施、管道等。 鋁合金應(yīng)用于船用行業(yè),可以使船的整體質(zhì)量減重,有利用船舶行駛速度的提升,并能抵抗海水對船舶的腐蝕。在船用行業(yè)應(yīng)用的鋁合金主要是鋁銅合金、鋁鎂合金和鋁硅合金。鋁銅合金在我國及俄羅斯船舶中使用廣泛,但其耐海水腐蝕性能差,阻礙了其在船舶行業(yè)中的發(fā)展。鋁鎂合金主要用于船體外殼、水泵導(dǎo)管、泵殼體及機座支架等,牌號有5083、5086、5456、5466等。鋁硅合金結(jié)構(gòu)強度適中,流動性好,充型能力強,易于生產(chǎn)致密度較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件,如高壓閥件、氣缸體、泵、減速箱外殼、渦輪葉片等。
3.在化工行業(yè)中的應(yīng)用
鋁具有良好的導(dǎo)熱性,鋁及鋁合金廣泛用于生產(chǎn)化工設(shè)備中換熱設(shè)備、抗?jié)庀跛岣g的貯槽、吸附過濾器、分餾塔、管道及許多內(nèi)襯等。鑄造鋁合金的流動性好,充型能力強,收縮率小,不易形成裂紋,抗腐蝕性能好(其表面可形成三氧化二鋁、二氧化硅保護膜),質(zhì)量輕,力學(xué)性能好優(yōu)良,大量用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的抗腐蝕零部件,如汽缸、管件、閥門、泵、活塞等。鋁在化工生產(chǎn)中有許多特殊的用途。鋁不產(chǎn)生火花,鋁合金可生產(chǎn)盛裝容易揮發(fā)性物質(zhì)的容器;鋁無毒性,不會造成食物變質(zhì),不影響商品的外觀,不腐蝕商品,因此,鋁合金廣泛用于制作食品化工工業(yè)中相關(guān)設(shè)備。
4.在金屬包裝行業(yè)中的應(yīng)用
鋁合金可用于金屬包裝,其具有以下優(yōu)良特點:力學(xué)性能好,質(zhì)輕抗壓強度高,經(jīng)久耐用,便于儲存和運輸商品;阻隔性能好,可阻擋陽光、氧氣和潮濕的環(huán)境對物品的破壞,可延長物品的保質(zhì)期;質(zhì)地好、有美感,鋁合金用作包裝有獨特的金屬光澤,觸摸感好、美觀,提升商品品質(zhì);無毒易回收,可循環(huán)利用,節(jié)約資源,減少環(huán)境污染。鋁合金被廣泛用于啤酒、飲料及其他食品罐,多為沖壓拉延成型結(jié)構(gòu)。鋁箔器皿美觀、質(zhì)輕、傳熱性好,用于快餐食品的包裝,具有保鮮、保味、無毒的功效,被越來越多的食品行業(yè)使用。鋁合金金屬軟管可擠壓變形,內(nèi)裝物擠壓即可使用,簡單方便,常用于膏狀化妝品包裝。
5.在其他行業(yè)的應(yīng)用
鋁合金的比強度高、質(zhì)量輕、流動性好、充型能力強、耐蝕性好、熔點低,廣泛用于拖拉機、機車零部件、電子產(chǎn)品、醫(yī)療器械、建筑裝飾等行業(yè)。鋁合金有優(yōu)良的延展性,在日用品行業(yè)及食品行業(yè)得到大量使用。在輸送電力領(lǐng)域,鋁合金制作的導(dǎo)線成本低、質(zhì)量輕、抗腐蝕性能好、傳熱及易導(dǎo)電、抗磨,因而越來越受到人們的重視。在輸電領(lǐng)域,鋁合金的使用量最大,高達(dá)90%的高壓導(dǎo)線材料是鋁制品[10]。鋁硅合金可作為良好的脫氧劑,減少鋼產(chǎn)生皮下氣泡的敏感性,煉鋼脫氧提高鋼的品質(zhì),鋁硅合金市場用量大,全國每年需求量達(dá)百萬噸。