铝及其合金教材

铝及其合金—、概述（一） 铝及其合金的性能特点密度小，比强度高纯铝的密度为2.7g/cm2，大约是钢铁材料的三分之一，铝合金的密度也很小。采用各种强化手段后，铝合金的强度可以接近低合金高强度钢，因此其比强度（强度与密度之比）比一般的高强度钢高得多。加工性能良好铝及其合金（退火状态）的塑性很好，能通过冷、热压力加工制成各种型材，如丝、线、箔、片、棒、管等。气切削加工性能也很好。高强铝合金在退火状态下加工成型后，经过适当的热处理工艺，可以达到很高的强度。铸造铝合金铸造性能优良，例如，硅铝明（一种铝硅合金）可适用于多种铸造方法。具有优良的物理、化学性能铝的导电性和导热性好，仅次于银、铜和金，居第四位。室温时，铝的导电能力约为铜的62%；若按单位重量材料的导电能力计算，铝的导电能力为铜的二倍。纯铝及其合金有相当好的抗大气腐蚀的性能，这是因为在铝的表面能生成一层致密的氧化铝薄膜，它能有效地隔绝铝与氧的接触，从而阻止铝的进一步氧化。（二） 纯铝纯铝是一种具有银白色金属光泽的金属，品体结构为面心立方，无同位素异构转变。纯铝在大气和淡水中具有良好的耐蚀性，但在碱和盐的水溶液中表面的氧化膜易破坏，使铝和快被腐蚀，纯铝具有良好的低温性能，在0〜一253°C之间塑性和冲击韧性不降低。纯铝的铝含量不低于99.00%，此外还含有少量的杂质，主要杂质为铁和硅。一般说来，随着杂质含量的增加，纯铝的导电性和耐蚀性均降低。纯铝的强度很低，虽然可通过冷作硬化的方式强化，但不宜直接用作结构材料。一般应在铝中加入适当的合金元素形成铝合金，按照生产工艺的不同，可分为铸造铝合金和变形铝合金。二、铝合金的强化提高铝的强度的基本途径是，在铝中加入适当的合金元素，通过固溶强化、弥散强化来实现。如果再配合热处理和其他措施，铝合金的强度和韧性可得到进一步的改善。（—）时效强化将含有4%Cu的铝合金加热到a相区中的某一温度，经过一段时间保温，获得单一的a固溶体组织，而后投入水中快冷，是次生相来不及析出，从而在室温下获得过饱和a固溶体，这种处理称为固溶处理。经过固溶处理的铝合金，强度和硬度升高并不多，但在放置一段时间（4-5d）后，强度和硬度显著升高。这种淬火后铝合金的强度和硬度随时间延续而显著升高的现象称为时效强化。如果时效是在室温下进行，称为自然时效；在一定加热条件下进行，称为人工时效（温度较低或时间较短的称为不完全时效）。人工时效可以加快时效速度，但比自然时效的强化效果差。（二）细晶强化改善冷却条件，增大冷却速度铝合金特别是变形镁合金的塑性较好，在铝合金结品过程中，若采取一些强冷措施，如在连续浇注铸锭时向结品器中通水冷却、向热的铸锭上多次喷水激冷等，可以提高铸造的冷却速度，增大结品的过冷度，结晶时一般不会开裂，但可以有效的细化晶粒，改善合金的性能。铝合金的变质处理铝硅系铸造合金具有优良的流动性，并具有很小的收缩率，铸造性能很好，但二元铝硅合金不能进行有效的时效强化，固溶强化效果也不好，铸态组织很粗，合金强度很低。若在浇注前向液态合金中加入变质剂，进行变质处理，则可以细化品粒，提高力学性能。传统变质剂是钠盐的混合物，加入量一般为合金液的2%-3%。目前，在各类变形铝合金的连续铸造中，已广泛采用变质处理细化基体组织。生产应用表明，以钛和硼同时加入，变质效果最好，其中钛的加入量为0.0025%-0.05%，硼的加入量为0.0006%-0.01%。三、铝合金的种类（一）铸造铝合金铸造铝合金要求具有良好的铸造性能，为此，合金组织中应有适当数量的共晶体，合金元素总量为8%-25%，一般高于变形镁合金。铸造铝合金有铝硅系、铝铜系、铝镁系、铝锌系四种，其中以铝硅系合金应用最广。常用铸造铝合金的牌号（代号）、力学性能和用途见表9-1。表9-1常用铸造铝合金的牌号（代号）、力学性能和用途（GB/T1173-1995）类别牌号（代号）铸造方法与合金状态6b/MPa力学性能6（%）HBS用途金属型铸造，退火155250抽水机壳体、ZAlSi12砂型/金属型铸造，变质145450在200°C以下铝硅(ZL102)处理砂型/金属型铸造，变质处理，退火135450工作、承受低载荷的气密性零件合金金属型铸造，淬火+不完2350.570在225C以下ZAlSi5C全时效1951.070工作的零件，u1Mg(ZL105)砂型铸造，淬火+不完全时效砂型铸造，淬火+人工时效2250.570如风冷发动机的气缸头

铝铜ZAlCu5Mn(ZL201)砂型铸造，淬火+自然时效砂型铸造，淬火+不完全时效295335847090支臂、挂架梁、内燃机气缸头、活塞等合金砂型铸造，淬火+自然时195660形状简单、粗ZAlCu4效215370糙度要求高(ZL203)砂型铸造，淬火+不完全的中等承载时效件铝镁合金ZAlMgl0(ZL301)砂型铸造，淬火+自然时效2801060砂型铸造、在大气或海水中工作的零件铝锌合金ZAlZnllSi7(ZL401)金属型铸造，不淬火，人工时效砂型铸造，不淬火，人工时效2451951.529080结构形状复杂的汽车、飞机零件1.铝硅系合金这类合金又称为硅铝明，其特点是铸造性能好，线收缩小，流动性好，热烈倾向小，具有较高的抗蚀性和足够的强度，在工业上应用十分广泛。最常见的是ZL102，其铸造性能好，但强度低，经过变质处理可提高其力学性能。在此合金成分基础上加入一些合金元素，可组成复杂硅铝明，通过固溶处理和时效处理实现合金强化，可满足较大负荷零件的要求。铝铜系合金这类合金可以通过时效强化提高强度，并且时效强化的效果可以保持到较高温度，使合金具有较高的热强性。由于合金中只含少量共品体，故铸造性能不好，抗蚀性和比强度也较优质硅铝明低。铝镁系合金这类合金密度小，强度高，比其他铸造铝合金耐蚀性好，但铸造性能不如铝硅合金好，流动性差，线收缩率大，铸造工艺复杂。铝锌系合金这类合金密度较大，耐蚀性差，但铸造性能很好，铸造冷却时能够自行淬火，经自然失效后就有较高的强度，可在铸态下直接使用。（二）变形铝合金按照主要合金元素的种类以及合金性能的突出特点，变形铝合金可分为防锈铝（Al-Mn、Al-Mg系）、硬铝（Al-Cu-Mg系）、超硬铝（Al-Mg-Zn-Cu系）、锻铝（Al-Mg-Si-Cu、Al-Cu-Mg-Ni-Fe系）等。常用变形铝合金的牌号、化学成分和力学性能见表9-2（摘自GB/T3190-1996,GB/T3191-1998）。牌号中的第一位数字表示主要合金元素的种类，第二位数字或字母表示改型情况，最后两位数字没有特殊意义，仅用来区分同一组中不同的铝合金。表9-2常用变形铝合金的牌号、化学成分和力学性能化学成分（质量分数，%）力学性能类牌号CuMgMnZn其它66别#MPa(%)防5A050.184.8-5.50.3-0.60.20-26515锈3A210.200.051.0-1.60.10Ti0.15<16520铝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铝0超7A041.4-2.01.8-2.80.2-0.65.0-7.Cr0.10-0.25530-556硬0Ti0.100铝6A020.2-0.60.45-0.0.15-0.0.20Si0.5-1.229512锻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防锈铝合金防锈铝合金包含Al-Mn系合金和Al-Mg系合金，其中Al-Mn系合金有比纯铝更高的强度和耐蚀性，并具有良好的塑性和焊接性，但切削加工性较差；Al-Mg系合金比纯铝的密度小，强度比Al-Mn系合金高，并有较好的耐蚀性。这类合金的时效强化效果极弱，冷变形可以提高合金强度，但会显著降低塑性。主要用于制造各种耐蚀性薄板容器（如油箱）、蒙皮及一些受力小的构件，在飞机、车辆和日用器具中应用很广。硬铝合金硬铝合金（Al-Cu-Mg系）中铜、镁含量较多，有一定的固溶强化作用，通常采用自然时效，也可采用人工时效，故强度、硬度高，比强度高，耐热性好，可在150°C以下工作，但塑性低、韧性差。常用来制造飞机的大梁、螺旋桨、铆钉机蒙皮等，在仪器制造中也得到广泛应用。超硬铝合金超硬铝合金（Al-Mg-Zn-Cu系）是室温强度最高的铝合金，经过固溶处理和人工时效后，可获得很高的强度