铝及其合金

任务1　铝及其合金

一、纯铝

铝占地壳质量的8．3%，是铁的一倍多，大于其他非铁金属储藏量的总和，是分布最广的金属元素。铝及其合金是工业中用量最大的非铁金属。

纯铝为银白色，熔点为657℃，是面心立方结构，无同素异晶转变，纯铝具有以下特点。

（1）密度小，为2．78g／cm³。

（2）具有良好的导热、导电性。相同横截面积时，纯铝的导电率为铜的64%，仅次于银和金。相同质量时，纯铝的导热性是铜的200%。

（3）具有良好的塑性，断面收缩率ψ约为80%。

（4）抗大气腐蚀性好，铝在表面形成致密氧化膜Al₂O₃，能阻止进一步氧化，但对酸、碱和盐无耐腐蚀能力。

（5）强度低，纯铝的抗拉强度σ_b为80～100MPa，冷压力加工后提高到150～200MPa，塑性δ将提高50%～60%。但铝合金具有较高强度，可达700MPa，特别是铝合金的比强度（σ_b／r）比刚度（E／r）高。

铝合金中的杂质是铁和硅，随着杂质质量分数的增高，导电性、抗氧化性、抗腐蚀性和塑性都会降低。

纯铝材料根据其杂质质量分数进行编号，由LG、L（分别为“铝高”和“铝”字汉语拼音字首）及数字（编号）表示。LG5、LG4、LG3、LG2、LG1表示工业高纯铝，L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7表示工业纯铝。工业高纯铝标号越小，纯度越低，而工业纯铝编号越大，纯度越低。

工业高纯铝主要用于科学研究及制造电容器等，工业纯铝的主要用途是配制铝基合金和在电器工业中代替铜制造导线、电缆、电容器等，也用于制作要求不生锈（对强度不要求）的用品和器皿。

二、铝合金的分类和时效

1．铝合金的分类

纯铝中加入铜、锌、镁、硅、锰及稀土元素等后，常得到部分互溶的共晶类二元平衡图，如图8－1所示，D点是合金元素在铝中的最大溶解度，DF是溶解度曲线，当合金元素的质量分数超过D′，则合金中将出现共晶组织（α固溶体加金属化合物），流动性好，适合铸造。当合金元素的质量分数低于D′，加热到DF线以后就获得单相α固溶体，有好的压力加工性能，因而以D′点为界，分成变形铝合金和铸造铝合金。

图8－1　铝合金状态图的一般类型

在变形铝合金中，F点左边成分的合金，从高温到室温组织不发生变化，因而不能用热处理来强化，F点与D′点之间的合金，在冷却时固溶体中有析出过程，有可能产生热处理强化即析出强化，所以又以F点为界分成不能热处理强化铝合金和能热处理强化铝合金。

另外，变形铝合金还可以根据其主要特性，分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝合金等，表8－1列出了铝合金的分类、合金名称、合金系、性能特点及牌号举例。

表8－1　铝合金的分类、合金名称、合金系、性能特点及牌号举例

2．铝合金的时效

铝合金中无马氏体转变，因而无法像钢那样通过马氏体转变来强化。铝合金是通过如上所述的“固溶－时效”处理来强化的。例如，铝铜合金如图8－2所示，在548℃时，铜在铝中的最大溶解度为5．65%，随温度下降，到室温时仅为0．05%。若铜的质量分数在0．5%～5．6%（例如4%）之间的合金加热至固溶线以上（如550℃），获得均匀的α固溶体后在水中淬火，呈过饱和的α固溶体，这个过程称为固溶处理。这是热处理的第一步，这时并没有发生晶格类型的转变，晶格畸变也并不严重，单纯的固溶强化效果是有限的，所以，在固溶处理后的强度、硬度提高并不显著，而塑性却有明显的提高。在室温下，过饱和的α固溶体是不稳定的，有分解出过剩铜而过渡到相对稳定的趋势。在室温下长时间的搁置或在一定温度保温足够的时间，铝都会出现强度、硬度增高现象，如图8－3所示，这是热处理的第二步，即时效硬化。在室温下搁置称为自然时效，在加热时产生的时效称为人工时效。图8－3表明，时效温度越高，则时效过程就越快，但强化效果越小。固溶时效处理是铝合金及其他非铁金属和高温合金的重要强化手段。

图8－2　铝铜合金状态图

图8－3　时效温度对性能的影响

三、变形铝合金

不可热处理强化的铝合金有防锈铝合金，可热处理强化的铝合金有硬铝、超硬铝和锻造铝合金。

变形铝合金的编号采用汉语拼音字母加顺序号表示。防锈铝合金用“铝”和“防”两字的汉语拼音第一个字母“L”、“F”加顺序号表示，如“五号防锈铝”用“LF5”表示。按同样的原则，硬铝、超硬铝和锻造铝合金分别用“LY”、“LC”、“LD”表示。常用变形铝合金的类别、牌号、化学成分、热处理工艺、力学性能及用途如表8－2所示。

1．防锈铝合金

防锈铝合金主要包括铝－锰系和铝－镁系。铝－锰系常见牌号有LF21，锰的质量分数在1．0%～1．6%时，合金有较高强度、塑性、耐腐蚀性和焊接性。常用的铝－镁系牌号有LF2、LF5、LF11等，当w_Mg大于5%时，合金具有较好的耐腐蚀性，随着镁的质量分数的增加，合金的强度、塑性均增加。

这两类铝合金均只能通过冷加工硬化的方法提高强度，它们的塑性好、强度中等。

由于铝的耐腐蚀性和塑性较好，常以板材、箔材、型材、管材、线材等供应，制作焊接件、容器、管道、蒙皮、骨架，以及深冲、弯曲的零件和制品等。

表8－2　变形铝合金的类别、牌号、化学成分、热处理工艺、力学性能及用途

2．硬铝合金

硬铝合金主要是铝－铜－镁系，此外，合金还有锰及少量杂质元素，如铁、硅、镍、锌等。铜、镁的主要作用是在时效过程中产生强化相，少量锰可提高耐腐蚀性。硬铝合金按其铜、镁的质量分数及性能的不同可分为三种类型：低强度硬铝，如LY1、LY3、LY10等铝合金；标准强度硬铝，如LY 11等铝合金；高强度铝合金，如LY12等铝合金。

各种硬铝合金都可时效硬化，也可通过变形硬化。应该注意，硬铝合金固溶处理的加热温度范围很窄，例如，LY12最理想的淬火温度为（500±30）℃，温度过高易引起过烧，过低则强化效果不佳。硬铝一般采用自然时效，比人工时效有较小的晶间腐蚀倾向。

硬铝合金的耐腐蚀性较差，特别是在海水中，在硬铝表面包一层高纯度铝可提高其抗腐蚀能力。

低强度硬铝的比强度较差，具有较高的塑性，适宜于制作铆钉，常称为铆钉硬铝。

标准强度硬铝具有较高强度和较好强度的塑性，中等的抗腐蚀性，主要用于载荷的结构件，如骨架、螺旋桨叶、大型铆钉、螺栓等。

高强度硬铝具有更高的强度、屈服极限及良好的耐热性，但塑性较低，LY12是工业应用最广泛的一种高强度硬铝合金，常用来制作高强度结构件如骨架、蒙皮、梁、销、轴等。

3．超硬铝合金

铝、锌、镁、铜系合金是室温强度最高的一类，其强度达500～700MPa，超过高强度硬铝（400～430MPa），故称超硬铝合金。超硬铝合金经固溶时效处理后，形成多种强化相，具有很高的强度与硬度，它的缺点是抗腐蚀性差，常采用w_Zn＝1%的包铝层，耐热强度也不如硬铝，不宜在120～130℃以上工作。超硬铝合金常采用人工时效处理，因自然时效时间长（50～60d）和有较高的应力腐蚀倾向，常用牌号有LC4、LC6等，用于受力较大的结构件，如飞机大梁、桁条、加强框、起落架等。

4．锻造铝合金

铝－镁－硅－铜系合金具有优良的锻造工艺性能，故称为锻造铝合金。它的力学性能与硬铝相近，工艺性能优于硬铝，但耐腐蚀性稍差。为提高时效强化效果，锻铝合金在淬火后应立即进行人工时效，常用牌号为LD5、LD7等，用于外形复杂、中等强度的锻件和模锻件。

四、铸造铝合金

常用的铸造铝合金分为铝－硅系、铝－铜系、铝－镁系和铝－锌系四大类。铸造铝合金牌号用“铸铝”两字的汉语拼音第一个大写字母“ZL”加三位数字表示，第一位数字表示合金系类别：1为铝－硅系；2为铝－铜系；3为铝－锌系。第二、第三位数字表示顺序号。例如，ZL102表示2号铝－硅系铸造铝合金。各类常用铸造铝合金的类别、牌号、化学成分、铸造方法、热处理、力学性能特点及用途如表8－3所示。

1．铝－硅铸造合金

铝－硅铸造合金又称硅铝明，除硅外还加入其他合金元素的称为特殊硅铝明。

铝－硅合金系具有较好的流动性，较小的铸造收缩率，优良的焊接性、抗腐蚀性及足够的力学性能。

简单硅铝明中硅的质量分数为11%～13%（ZL102）时，铸造后的组织几乎全为共晶体，铝硅二元合金状态图如图8－4所示。其组织为粗大的针状硅与铝基固溶体组成的共晶体和少量的斑状初晶硅，合金的力学性能不高，σ_b＜140MPa，δ＜3%。采用变质处理可提高其力学性能，即浇注前在熔融的合金中加入占铝合金总量2%～3%的变质剂，常用变质剂为的混合物，以细化晶粒提高力学性能，变质处理后ZL102的σ_b可达180MPa、δ可达8%。

图8－4　铝－硅合金状态图

未变质变质后

简单硅铝明尚不能时效强化，为进一步提高其强度，常加入能形成强化相的铜、镁、锌等元素，制成特殊硅铝明，常用的特殊硅铝明有ZL101、ZL104、ZL105、ZL107、ZL109等。它们经时效处理后强度显著提高。例如ZL101、ZL104的σ_b可达到240MPa，ZL107的σ_b达260 MPa，特殊硅铝明常用来制作形状复杂和强度要求较高的铸件，如汽缸体、电动机壳体、汽缸头等零件。

2．铝－钢铸造合金

铝－钢铸造合金的耐热性是铸铝合金中最高的。铜的质量分数为4%～5%的合金热处理强化效果最好，具有高的强度和塑性，但铸造性能和耐腐蚀性较差，随铜的质量分数的增加，铸造性能提高而耐腐蚀性降低，常用牌号有ZL201、ZL202和ZL203等。ZL201主要用于内燃机汽缸、活塞等，ZL202主要用于高强度、高硬度的零件及高温下工作的零件，ZL203主要用于高强度、高塑性零件。

3．铝－镁铸造合金

铝－镁铸造合金的密度小（2．25g／cm³），耐腐蚀性最好，强度最高（σ_b可达350MPa），但铸造性能和热强度较差，工作温度不超过200℃，可时效强化，但效果不佳，常用牌号有ZL301、ZL302等，可制作承受冲击、耐海水和大气腐蚀、外形较简单的重要零件和接头等，如船配件、氨用泵体等。

4．铝－锌铸造合金

铝－锌铸造合金有较高的强度，良好的铸造性能，且价格便宜。其缺点是抗腐蚀性较差，常用的铝－锌合金是ZL401，主要用于制作工作温度不超过200℃，结构形状复杂的汽车零件、飞机零件、医疗机械和仪器零件等。