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纯铝及铝合金化原理1.11XXX系（纯铝）一、基本特性1825年由丹麦厄尔斯泰德（Oersted）发现；1886年工业化熔盐电解法（Hall-Heroult法）问世；蕴藏量占地壳质量的8.2％，为分布最广的金属元素；产量在有色金属中占首位，仅次于钢铁；面心立方结构；熔点660℃；密度小（2.7，仅次于Li、Mg、Be）；可强化（合金化及热处理）；导电、导热性好（仅次于Ag、Cu、Au）；耐腐蚀（易生成致密、牢固的Al2O3保护膜）；美观（银白色，阳极氧化和着色后，五颜六色）；有吸音性（室内装饰材料，配制阻尼合金）；无磁性、冲击不产生火花（仪表材料、屏蔽材料）；强度低，不适于作结构材料（退火态＝80～100MPa；硬化态＝150～180MPa，但＝1～1.5％，已变脆）。易加工（铸造、塑性变形、机加工）；二、分类高纯铝：L0599.999％L0499.996％L03（1A99）99.99％L02（1A97）99.97％L01（1A93）99.93％用途：主要用于科研、化学工业及其它特殊用途。工艺性能：与工业纯铝截然不同，主要体现在再结晶温度降低到16℃左右（纯度达99.999～99.9992％时，再结晶温度已降到-35～-60℃，这会引起晶粒的极端粗大，给铸锭、加工带来许多困难。纯铝按纯度可分为：高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝工业高纯铝：L0（1A90）99.9％L00（1A85）99.85％用途：主要用于高纯铝的生产制造。工业纯铝：L1（1070）99.7％L2（1060）99.6％L3（1050）99.5％L4(1040)99.3%L5(1100)99%用途：用于电线、电缆、日用器皿及铝合金的生产制造。三、性能纯铝的性能取决于杂质含量、形态、大小和分布，Al中的主要杂质是Fe和Si，是冶炼时由矿石遗传来的。增加Fe和Si量，Al的强度升高，塑性下降。（熔铸时使用的铁制工具）1力学性能Fe在Al中形成硬而脆的针状FeAl3化合物。Si与Al不形成化合物，过剩的Si呈游离态存在。杂质的形态、大小和分布与杂质含量和工艺条件有关，并可参照相图理解。注：1）Fe与Si总是同时存在，因此Fe和Si在工业纯铝中基本呈三元化合物存在，出现FeAl3或游离Si的机会很少；2）当FeSi时形成富Fe的化合物（Al12Fe3Si），而SiFe时形成富Si的化合物（Al9Fe2Si2）。二者都是脆性化合物，但相呈骨架状或团块状，而相呈粗大的针状，故后者对塑性的危害更大。2电性能Al的导电性取决于杂质含量和存在形态，随杂质含量增加，导电性下降，杂质固溶时的影响比以第二相存在时的影响大约一个量级。如高纯Al（99.995％）的电导率为65～66％IACS（国际退火Cu标准）；导体Al（EC）的电导率为62％IACS；工业纯Al（99～99.5％）的电导率为60～61％IACS；经固溶与淬火处理的工业纯Al的电导率比退火、固溶相沉淀材料的要低百分之几IACS。在导体Al中，Ti、V是常见杂质并使电导率大大降低，加入B可使它们以硼化物形式从固溶体中析出，改善导电性。此外，加入RE也能改善导电性。3光学性能Al对光有很高的反射能力；Al的反射能力随表面粗糙度的增加而降低。汽相沉积Al膜的表面最光滑，反射能力最高；电解抛光表面的反射能力比机加工表面的高；大部分合金元素与杂质降低Al的反射能力，如99.99％Al的反射能力约比99～99.5％的高2～5％，唯一例外的是Mg，它提高Al反射能力；阳极氧化膜使Al的反射能力下降5～10％，但这种氧化膜的反射能力不随时间而变，因此，在一段时间之后，阳极氧化材料的反射能力比裸Al的高。4腐蚀性能Al虽是负电性很强的金属，但由于氧化膜致密，故耐蚀性极高；Al有多种腐蚀类型：均匀腐蚀，点腐蚀、晶间腐蚀与剥落腐蚀、应力腐蚀；均匀腐蚀：表面发生全面均匀的腐蚀，通常仅在能溶解氧化膜的强腐蚀介质中发生，不常见；点腐蚀：某一区域电位与基体的电位不同引起，在Al的腐蚀中最常见；晶间腐蚀与剥落腐蚀条件：晶界上存在一层薄薄的对其余部分呈负电性的区域，铝合金易出现；应力腐蚀：应力加速腐蚀，合金易出现。Al的纯度影响其腐蚀，总的来看，纯度越高越耐蚀。Fe降低Al的耐蚀性，Al越纯，这种影响越显著（因为FeAl3的电位（-0.4V）与Al的（-0.85V）不同）；Si对大部分盐和酸有良好的抗蚀性，Si粒子被包入氧化膜中能提高氧化膜的耐蚀性。杂质的存在形态对腐蚀有影响，杂质固溶时的影响比以独立的相存在时的影响小（尤其当相是阳极且细小弥散分布时）。Fe、Si比对耐蚀性有影响，高Fe/Si降低耐蚀性。例外：有些元素增加氧化膜的抗蚀性，加入Al后能提高耐蚀性，如Al-Mg合金对碱液的抗蚀性更高，因其氧化膜中含Mg，溶解速度减小；有些元素能与杂质化合，降低它们与Al的电位差，如Mn加入Al中，可使Fe以（MnFe）Al6形式存在，使FeAl3与Al之间的电位差减小。5工艺性能1）铸造Al结晶的宏观铸造组织符合常规：表面细晶区、中间柱状晶区、中心粗大等轴区，连铸时，柱状晶往往弯曲。由三个晶区的铸锭连铸铸锭铸造过程中的冷却会在铸锭中产生很大的内应力，轻者引起铸锭变形，重者引起裂纹。Fe/Si含量比对铸造时的裂纹倾向有很大影响。曲线左上方（Fe/Si值大），裂纹倾向小连铸锭中心裂纹对Al铸造组织有显著细化作用的元素是Ti、B（Ai-Ti-B）;Ti、C（Al-Ti-C）和Sc；在工业生产中获得广泛应用的是Al-Ti-B。在Al的DC（直接水冷）铸锭中有时出现反偏析现象，即低熔点组分富集表层，如在纯度为99.7％或更纯的工业纯铝铸锭中，偏析表层的Fe＋Si含量可大于2％。反偏析机理较复杂，一般认为，当熔体与模壁接触时形成凝壳，凝壳收缩形成气隙后散热下降，进而被内部熔体重新加热，强度下降，内部熔体在压力作用下可冲破凝壳的薄弱处，在铸锭表面形成珠状或连续层（偏析瘤）。枝晶间熔体凝固收缩时产生的空吸对反偏析也有一定的影响。加工硬化曲线2）塑性变形纯Al的塑性很高，无需加热便能很好地成形。室温时变形量达70～80％时，硬化也很小，变形量再增大，硬化程度急剧升高。元素对再结晶过程的影响体现在：溶入时提高基体的再结晶温度；以第二相弥散析出时阻碍晶粒长大。3）热处理纯Al的热处理是指不同温度（低温和高温）的退火。高温退火（完全退火）：处于再结晶阶段，又称再结晶退火。工业纯铝的再结晶与纯度有关，大部分元素都提高再结晶温度，但Mn、Cr、Fe、Zr最明显。低温退火（去应力退火）：处于恢复阶段，大部分晶粒保持原状，但晶格歪扭消除，亚晶界位错形成有序排列。利用恢复可生产状态处于冷加工与再结晶退火之间的材料。首先使材料发生超过需要的冷变形，然后加热使之发生恢复，恢复期间的位错重新排列，使材料的塑性比同样强度的材料好得多，进而可获得性能优于仅进行冷加工的材料。4）织构织构导致性能各向异性，进而导致深冲件出现制耳。工业纯Al的织构除与成形和退火工艺有关外，还受Fe/Si值的影响，当Fe/Si2～3时才有利于冲压。1.2铝合金的合金化与时效硬化一、铝合金的合金化原理Al合金的强化是以Al与合金元素形成的金属间化合物在固溶体中的溶解度变化为基础的。元素温度极限溶解度Zn44370Ag56656.6Mg45017.4Ge4247.2Cu5485.65Li6004.2Mn6581.82Si5771.65Ti6651.3Ag、Ge、Li、Ti的极限溶解度虽大，但由于是稀贵金属，不易大量加入（近年已开发出Al－Li系合金），因此形成以下几大系列合金：1XXX纯铝（铝含量不小于99.00％），L1、L2等2XXXAl-Cu（以Cu为主要合金元素），LY硬铝LD锻铝3XXXAl-Mn（以Mn为主要合金元素），LF防锈铝4XXXAl-Si（以Si为主要合金元素），ZL铸铝5XXXAl-Mg（以Mg为主要合金元素），LF防锈铝6XXXAl-Mg-Si（以Mg和Si为主要合金元素）7XXXAl-Zn（以Zn为主要合金元素），LC超硬铝8XXX以其它元素为主要合金元素（如Al-Li）9XXX备用合金组1XXX系纯铝中铝的质量分数不小于99.00%，最后两位数字表示最低低铝百分含量。如1050合金就表示铝含量不小于99.50%。其他合金系列牌号的最后两位数字没有特殊的意义，仅用来区分同一组中不同的铝合金。牌号中第2位的英文字母表示原始合金的改型情况，如果第二位字母是A，则表示为原始合金；如果是B-Y中的一个字母，则表示为原始合金的改型合金。如2A12为原始铝铜合金，2B12为其改型合金。铸造有色合金牌号由“Z”和基体金属的化学元素符号、主要合金元素符号以及表明合金化元素名义百分含量的数字组成。对杂质含量要求严、性能要求高的优质合金，在牌号后面标注大写字母“A”表示“优质”。注：1Zn、Cu、Mg和Si四种元素与Al形成二元（CuAl2、Mg2Si、MgZn2）和三元（Al2CuMg、Al2Mg3Zn3）化合物，在Al中的溶解度随温度的降低而剧烈地减少，能通过热处理强化，称为热处理强化型Al合金；2Al－Mg、Al－Si、Al－Mn二元合金，加入的合金元素虽然也有明显的溶解度变化，但热处理强化效果不大，只能以退火或冷作硬化态应用，称为热处理不强化型Al合金；3Cr、Mn、Zr等元素的溶解度虽小，但对合金的耐热和耐蚀性改善有明显作用，因为这些过渡族元素能明显地抑制再结晶和细化晶粒。铝合金的状态代号：F自由加工态该状态产品的力学性能不作规定O退火态（M）产品经完全退火H加工硬化态（Y）产品经不同程度冷作硬化W固溶态产品处于自然时效状态，不稳定状态T热处理状态产品处于不同的热处理状态HX8硬态（Y）HX4半硬态（Y2）T4固溶后自然时效态（CZ）T6固溶后人工时效态（CS）本章主要内容1、铝合金液的精炼原理2、铝液精炼3、铝合金组织控制4、铝合金的炉料5、铝合金典型熔炼工艺第一节铝合金液精炼原理除气，除杂质一、铝铸件中气孔的形态及对性能的影响1、针孔1）点状针孔凝固析出气泡2）网状针孔析出气孔、枝晶间没有补缩3）混合型针孔结构复杂、壁厚不均2、皮下气孔铝液与铸型中的水反应气体3、单个大气孔排气不畅，工艺问题二、铝铸件中氧化夹杂物形态及对性能的影响一次氧化夹杂物大块夹杂物、弥散夹杂物二次氧化夹杂物三、铝液中气体和夹杂物的来源1、气体主要是氢85%1）铝与水、油污反应生成2）氢在铝液中溶解度图13-2原子溶解2、夹杂物氧化铝四、氧化铝的形态、性能对吸氢的影响形态αγη-Al2O31、η-Al2O3低温，吸水表13-2干燥处理2、γ-Al2O3所有温度，700-850最多覆盖液面，隔绝空气，吸水3、α-Al2O3850以上，吸水最少0.01五、合金元素对铝液吸氢的影响1、对溶解度的影响：镁提高溶解度，硅、铜降低溶解度2、对氧化膜性能的影响镁破坏氧化膜铍保护氧化膜六、熔炼时间对吸氢的影响快速熔炼七、铝液中析出氢的条件1、储氢条件：温度、压力、深度、氧化夹杂物（氧化铝等）2、除氢：扩散、形成气泡、上浮逸出、其他气体上浮带走3、措施：降压、对流、介质带走（惰性气体，不溶于铝的活性气体）。第二节铝液熔炼工艺一、吸附精炼1、浮游法形成气泡带走Al2O3、H2(1）通气体：氮：710-720℃，温度低，降低氢的扩散系数，温度高，将生成AlN夹杂物。工业氮含有氧、水，影响效果，必须清除。氩：精炼温度可达760℃氩的密度高于氧，覆盖铝熔池表面，净化效果好，可以和变质剂同时加入，提高效率。氯：Cl2+Al—AlCl3（沸点183℃）不溶于铝液Cl2+H2—HCl（-85℃）不溶于铝液净化效果好。剧毒，设备要求高。改进，先通氯，后通氮。三气混合气（Cl2、CO、N2）：配比15：11：74.缺点：需要三气发生装置及输送装置。（2）通固体：氯盐（ZnCl2、MnCl2、C2Cl6、TiCl4）精炼：nAl+3MeCln=nAlCl3+3MeZnC