铝和铝合金

第三节　铝和铝合金

铝具有银白色，属于有色金属。作为化学元素，铝在地壳组成中的含量仅次于氧和硅，为第三位，约占8.13%。

一、铝的冶炼及其特性

（一）铝的冶炼

铝在自然界中以化合物状态存在。炼铝的主要原料是铝矾土，其主要成分为一水铝（Al₂O₃·H₂O）和三水铝（Al₂O₃·3H₂O），另外还含少量氧化铁、石英和硅酸盐等，其中三氧化二铝（Al₂O₃）含量高达47%～65%。

铝的冶炼是先从铝矿石中提炼出三氧化二铝（Al₂O₃），提炼氧化铝的方法有电热法、酸法和碱法三种。然后再由氧化铝（Al₂O₃）通过电解得到金属铝。电解铝一般采用熔盐电解法，主要电解质为冰晶石（Na₃AlF₆），并加入少量的氟化钠、氟化铝，以调节电解液成分。电解出来的铝尚含有少量铁、硫等杂质，为了提高品质再用反射炉进行提纯，在730～740℃下保持6～8 h使其再熔融，分离出杂质，然后把铝液浇入铸锭制成铝锭。高纯度铝的纯度可达99.996%，普通纯铝的纯度在99.5%以上。

（二）纯铝的特性

铝属于有色金属中的轻金属，密度为2.7 g／cm³，是钢的三分之一。铝的熔点低，为660℃。铝的导电性和导热性均很好。

铝的化学性质很活泼，它和氧的亲和力很强，在空气中表面容易生成一层氧化铝薄膜，起保护作用，使铝具有一定耐腐蚀性。但由于自然生成的氧化铝膜层很薄，（一般小于0.1μm），因而其耐蚀性亦有限。纯铝不能与卤素元素接触，不耐碱，也不耐强酸。铝的电极电位较低，如与电极电位高的金属接触并且有电解质存在时，会形成微电池，产生电化学腐蚀。所以用于铝合金门窗等铝制品的连接件应采用不锈钢件。

固态铝呈面心立方晶格，具有很好的塑性（伸长率δ＝40%），易于加工成型。但纯铝的强度和硬度很低，不能满足使用要求，故工程中不用纯铝制品。

二、铝合金及其特性

在生产实践中，人们发现向熔融的铝中加入适量的某些合金元素制成铝合金，再经冷加工或热处理，可以大幅度地提高其强度，甚至极限抗拉强度可高达400～500 MPa，相近于低合金钢的强度。铝中最常加入的合金元素有铜（Cu）、镁（Mg）、硅（Si）、锰（Mn）、锌（Zn）等，这些元素有时单独加入，有时配合加入，从而制得各种各样的铝合金。铝合金克服了纯铝强度和硬度过低的不足，又仍能保持铝的轻质、耐腐蚀、易加工等优良性能，故在建筑工程中尤其在装饰领域中应用越来越广泛。表13－1为铝合金与碳素钢性能的比较，由表可知，铝合金的弹性模量约为钢的1／3，而其比强度却为钢的2倍以上。由于弹性模量低，铝合金的刚度和承受弯曲的能力较小。铝合金的线胀系数约为钢的2倍，但因其弹性模量小，由温度变化引起的内应力并不大。

表13－1　铝合金和碳素钢性能比较

三、铝合金的分类

根据铝合金的成分及生产工艺特点，通常将其分为变形铝合金和铸造铝合金两类。

铸造铝合金按加入的主要合金元素的不同，分为Al－Si系、Al－Cu系、Al－Mg系和Al－Zn系四种合金。合金牌号用“铸铝”二字汉语拼音字首“ZL”后跟三位数字表示。第一位数字表示合金系列：1为Al－Si系合金；2为Al－Cu系合金；3为Al－Mg系合金；4为Al－Zn系合金。第二、三位数表示合金的顺序号。如ZL201表示1号铝铜系铸造铝合金，ZL107表示7号铝硅系铸造铝合金。

变形铝合金按照性能特点和用途分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四种。防锈铝属于不能热处理强化的铝合金，硬铝、超硬铝、锻铝属于可热处理强化的铝合金。防锈铝用“LF”和跟其后面的顺序号表示，“LF”是“铝防”二字的汉语拼音字首。硬铝、超硬铝、锻铝分别用“LY”（铝硬）、“LC”（铝超）、“LD”（铝锻）和后面的顺序号来表示。如“LF5”表示5号防锈铝，L Y11表示11号硬铝，LC4表示4号超硬铝，LD8表示8号锻铝，余类推。

四、铝合金建筑型材

（一）铝合金型材的生产

建筑铝合金型材的生产有挤压法和轧制法两种，目前国内外绝大多数采用挤压法，只有在生产批量较大、尺寸和表面要求较低的中、小规格棒材及断面形状简单的型材时才采用轧制法。挤压工艺按被挤压金属相对于挤压轴的运动方向不同，分为正挤压和反挤压两种，目前建筑铝型材的生产大多为正挤压法。挤压时，将铸锭放入挤压筒中，在挤压轴的压力作用下，使铝材通过模孔而挤出，则可制得与模孔尺寸和形状相同的制品。

（二）铝合金建筑型材的表面处理

由于铝材表面的自然氧化膜很薄而耐腐蚀性有限，为了提高铝材的抗蚀性，需要对其进行表面处理。目前铝合金表面处理技术主要有阳极氧化、电泳技术、喷塑技术等几种，其中最耐久的是金属氧化技术，但由于它的颜色只有古铜色和铝合金本色两种，因此在氧化处理的同时，常又进行表面着色处理，以增加铝合金制品的外观美。表面处理后还需进行封孔处理。国家标准《铝合金建筑型材第2部分：阳极氧化型材》（GB　5237.2—2008）规定，阳极氧化着色铝合金建筑型材的表面处理方式有：阳极氧化（银白色），阳极氧化加电解着色和阳极氧化加有机着色。《铝合金建筑型材第3部分：电泳涂漆型材》（GB　5237.3—2008）规定，电泳涂漆铝合金建筑型材的表面处理方式有：阳极氧化加电泳涂漆和阳极氧化、电解着色加电泳涂漆。

阳极氧化处理是通过控制氧化条件及工艺参数，使在经过预处理的铝材表面形成比自然氧化膜（小于0.1μm厚）厚得多的氧化膜层（10～25μm厚）。阳极氧化膜是铝合金建筑型材的主要质量特性之一，膜厚会影响到型材的耐蚀性、耐磨性、耐候性，影响型材的使用寿命，因而在不同环境下使用的铝合金型材应采用不同厚度的氧化膜。

铝合金建筑型材还有以热固性饱和聚酯粉末作涂层（简称喷粉型材）和以聚偏二氟乙烯漆作涂层（简称喷漆型材）的表面处理方法。基材喷涂前，其表面应进行预处理，以提高基体与涂层的附着力。化学转化膜应有一定的厚度，当采用铬化处理时，铬化转化膜的厚度应控制在200～1300 mg／m²范围内（用重量法测定）。喷漆型材的涂层有二涂层（底漆加面漆）、三涂层（底漆、面漆加清漆）和四涂层（底漆、阻挡漆、面漆加清漆）三种。标准GB　5237.4—2008和GB　5237.5—2008分别规定了粉末静电喷涂和氟碳漆喷涂铝合金建筑型材的要求、试验方法、检验规则等。

五、常用建筑铝合金制品

（一）铝合金门窗

铝合金门窗是将按特定要求成型并经表面处理的铝合金型材，经下料、打孔、铣槽、攻丝等加工，制得门窗框料构件，再加连接件、密封件、开闭五金件等一起组合装配而成。国家标准《铝合金门窗》（GB／T　8478—2008）具体规定了铝合金门窗的分类、规格、代号、要求、试验方法、检验规则等。

按开启形式不同，铝合金门分折叠（代号Z）、平开（P）、推拉（T）、地弹簧（DH）和平开下悬（PX）等五种。铝合金窗分固定（代号G）、上悬（S）、中悬（C）、下悬（X）、立转（L）、平开（P）、滑轴平开（HP）、滑轴（H）、推拉（T）、推拉平开（TP）和平开下悬（PX）等十一种。

按性能铝合金门窗分普通型、隔声型和保温型三种。

对铝合金门窗的性能要求主要有下面几点。

1.气密性。关闭着的外门窗阻止空气渗透的能力，以单位缝长空气渗透量表示，即外门窗在标准状态下，压力差为10 Pa时单位开启缝长空气渗透量q₁和单位面积空气渗透量q₂作为分级指标。根据《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及其检测方法》（GB／T 7106—2008）进行检测。

2.水密性。关闭着的外门窗在风雨同时作用下，阻止雨水渗漏的能力。采用严重渗漏压力差值的前一级压力差作为分级指标。根据《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及其检测方法》（GB／T　7106—2008）进行检测。

3.抗风压性。关闭着的外门窗在风压作用下，不发生损坏和功能障碍的能力。采用定级检测压力差值P₃为分级指标。根据《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及其检测方法》（GB／T　7106—2008）进行检测。

4.保温性。在门或窗户两侧存在空气温差条件下，门或窗户阻抗从高温一侧向低温一侧传热的能力。门或窗户保温性能用其传热系数或传热阻表示。传热系数（K 0）指在稳定传热条件下，门或窗户两侧空气温差为1 K（绝对温度），单位时间内通过单位面积的传热量（W／（m²·K））。根据《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》（GB／T　8484—2008）进行检测。

5.隔声性。铝合金门窗的隔声性能常用隔声量（dB）表示。它必须在音响试验室内对其进行音响透过损失试验。根据《建筑门窗空气声隔声性能分级及检测方法》（GB／T 8485—2008）进行检测。

建筑用门的性能应根据建筑物所在地区的地理、气候、周围环境以及建筑物的高度、体型、重要性等进行选定。

（二）铝合金装饰板

用于装饰工程的铝合金板，其品种和规格很多。按表面处理方法分有阳极氧化处理及喷涂处理装饰板两种。按常用色彩分有银白色、古铜色、金色、红色、蓝色等。按几何尺寸分有条形板和方形板，条形板的宽度多为80～100 mm，厚度为0.5～1.5 mm，长度6.0 m左右。按装饰效果分，则有铝合金花纹板、铝合金波纹板、铝合金压型板、铝合金浅花纹板、铝合金冲孔板等。

1.铝合金压型板。铝合金压型板是目前应用十分广泛的一种新型铝合金装饰材料，它具有质量轻、外形美观、耐久性好、安装方便等优点，通过表面处理可获得各种色彩。主要用于屋面和墙面等。

2.铝合金花纹板。铝合金花纹板是采用防锈铝合金等坯料，用特制的花纹轧辊轧制而成。花纹美观大方，筋高适中、不易磨损、防滑性能好，防腐蚀性能强，便于冲洗。通过表面处理可得到各种颜色。广泛用于公共建筑的墙面装饰、楼梯踏板等处。