铝及铝合金

第1章铝及铝合金1.1概述1.2工业纯铝1.3铝合金1.4铝合金应用1.1概述1825年由丹麦化学家奥斯德发现。1827年德国化学家武勒重复了奥斯德的实验，并不断改进制取铝的方法。1854年德国化学家德维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得铝锭。地壳中含量7%以上，在全部化学元素中含量占第三位(仅次于氧和硅)，在全部金属元素中占第一位。铝呈银白色，密度2.702g/cm3，熔点660.37℃，沸点2467℃。铝热法：用铝从其它氧化物中置换金属。如：8Al+3Fe3O4=4Al2O3+9Fe+795千卡高温下铝也与非金属反应，亦溶于酸或碱中。但与水、硫化物，浓硫酸、任何浓度的醋酸，以及一切有机酸类均无作用。铝以化合态存在于各种岩石或矿石里，如长石、云母、高岭土、铝土矿、明矾。铝由其氧化物与冰晶石（Na3AlF6）共熔电解制得。纯铝大量用于电缆、日用器皿；其合金质轻而坚韧，是制造飞机、火箭、汽车的结构材料。1.2工业纯铝1.2.1纯铝的特性铝：原子序数为13，原子量为26.98，面心立方结构，熔点660℃，密度2.702，晶格常数4.05Å，原子直径2.86Å，标准电极电位－1.67V高的耐大气腐蚀性：铝在大气中极易和氧作用生成一层牢固致密的氧化膜，厚度约为50～100Å，可防止铝继续氧化；即使在熔融状态，仍然能维持氧化膜的保护作用。因此，铝在大气环境中是抗蚀的。Al2O3膜具有酸、碱两重性，因此，纯铝除在氧化性的浓硝酸(80～98％)中有极高的稳定性外(优于Ni—Cr系不锈钢)，在硫酸、盐酸、碱、盐和海水中均不稳定。良好的低温性能、无低温脆性：在摄氏零度以下随着温度的降低，其强度和塑性提高。高的导电性：位于银、铜、金之后。高的导热性：热交换器。无磁性：冲击不产生火花，用于制作如仪表材料、电气设备的屏蔽材料，易燃、易爆物的生产器材等。低强度、高塑性：强度为80MPa~130MPa，延伸率30~50%，铝箔。1.2.2铝中杂质主要杂质为Fe和Si，其次有Cu、Zn、Mn、Ni、Ti等。Fe、Si含量及相对比例(铁硅比)对纯铝性能有很大影响。共晶温度时的极限溶解度，铁0.052％、硅1.65％，并随温度下降而急剧减小。铝中存在很少的铁或硅时就出现FeAl3或β(Si)，它们性质硬脆，使纯铝塑性变差，尤其针状的FeAl3影响更甚。Fe、Si共存时，出现FeAl3和β(Si)相、α(Fe3SiAll2)及β(Fe2Si2Al9)。WFeWSi，富Fe化合物α(Fe3SiAl12)。WSiWFe，富Sip(Fe2Si2)，骨骼状α(Fe3SiAll2)，枝条状α(Fe3SiAll2)，粗针状β(Fe2Si2Al9)。这些相又硬又脆，使铝的塑性急剧下降，后者尤为严重。硅含量控制要求更严格，Fe：Si≥2～3。铝中铁硅比不当时，会引起纯铝铸锭产生裂纹。W(Fe+Si)小于0.65％时，WFeWSi以减少铸锭开裂倾向。W(Fe+Si)大于0.65％时，共晶数量增加，热裂纹易被共晶液体充填而愈合。所以铁硅比的影响减小。FeAl3、α、β相的电位比铝高，破坏了纯铝表面氧化膜的连续性，因而降低了纯铝的耐蚀性，同时也降低了纯铝的导电性。1.2工业纯铝1.2工业纯铝1.2.3纯铝的牌号旧标准新标准LG1、LG2、LG3、LG4、LG5L2、L3、L4、L6、L4-1、L5-18A06：Al：余量、Si≤0.55、Cu≤0.10、Mg≤0.10、Zn≤0.10、Mn≤0.10、Fe：0.000～0.500、FeSi：0.000～1.500注：单个:≤0.05;合计:≤0.151A85、1A90、1A93、1A97、1A99、1060、1050A、1035、8A06、1A30、1100LG1、LG2、LG3、LG4、LG5、L2、L3、L4、L6、L4-1、L5-1高纯铝：≥99.999℅工业高纯铝：99.95℅～99.996℅工业纯铝：99.00℅～99.85℅高纯铝牌号Al含量%SiFeCuPbZnGaTiCdAgIn总量Al-0599.9992.82.82.80.51.00.51.00.20.20.210.0(ppm)Al-05599.9995Si+Fe+Cu+Zn+Ti+Ga5.0(ppm)工业高纯铝牌号Al含量%FeSiCuZnTi其它杂质每种总和Al99.99699.9960.00100.00100.00150.0010.0010.0010.004Al99.99399.9930.00150.00130.00300.0010.0010.0010.007Al99.9999.990.00300.00300.00500.0020.0020.0010.04Al99.9599.950.020.020.010.0050.0020.0050.05工业纯铝牌号Al含量%FeSiCuGaMg其它每种总和Al99.8599.850.120.080.0050.0300.0300.0150.15Al99.8099.800.150.100.010.030.030.020.20Al99.7099.700.200.130.010.030.030.030.30Al99.6099.600.250.180.010.030.030.030.40Al99.5099.500.300.250.020.030.050.030.50Al99.0099.000.500.450.020.050.050.051.001.2工业纯铝中国(GB)国际(ISO)美国(AA)日本(JIS)原苏联(ΓOCT)德国(DIN)英国(BS)法国(NF)1A99(LG5)-11991N99AB000Al99.98RS1-1A90(LG2)-10901N90AB1Al99.9--1A80(LG1)Al99.81080A1080AB2Al99.81A-1070(L1)Al99.71070A1070A00Al99.7-1070A1060(L2)-1060A1060A0---1050A(L3)Al99.51050-A1Al99.51B1050A1100(L5-1)Al99.01100A1100A2Al99.03L5411001200(L5)-1200A1200-Al991C12001.2工业纯铝1.2.4纯铝的应用高纯铝主要用于科研、化学工业、电子工业以及其它一些特殊用途。日常生活用品用1050A(L3)制造。大部分纯铝用于熔制铝合金，有些纯度不高的铝有时也用来加工成各种半成品。1A50食品、化学和酿造工业用挤压盘管，各种软管，烟花粉1A60要求抗蚀性与成形性均高的场合，但对强度要求不高，化工设备是其典型用途1070用于加工需要有良好的成形性和高的抗蚀性但不要求有高强度的零件部件，例如化工产品、食品工业装置与贮存容器、薄板加工件、深拉或旋压凹形器皿、焊接零部件、热交换器、印刷板、铭牌、反光器具1A45包装及绝热铝箔，热交换器1A99电解电容器箔，光学反光沉积膜超高纯铝：5N5-6N的超高纯铝（每种杂质的最大含量0.4ppm）比原铝更好的导电性、延展性、反射性和抗腐蚀性，在电子工业及航空航天等领域有着广泛的用途。半导体制造业用溅射靶材：制造芯片时，等离子态铝沉积于硅片上形成一层薄而均匀、缺陷极少的铝膜，随后在膜上涂一层感光性树脂，经曝光腐蚀掉无用的部位(未感光的树脂)，而保留的极窄的铝条便是所需的导电体。集成电路配线：超高纯铝中的痕量杂质铀与钍是越少越好，因为它们是放射性元素，在不断释放α粒子，造成集成电路出现故障，使程序失误与混乱。超高纯铝5N2U+Th5ppb（wt%）、超高纯铝5N5U+Th1ppb（wt%）超导电缆稳定化材料：5N2及5N5靶材应用于平板显示器用溅射靶材。电气电子材料：5N2超纯铝用于制造光电子存储媒体，如CD、CD-ROM、CD-RW、数据盘或微型盘、DVD银盘等。在银盘中用5N超纯铝溅射膜作为光反射层。pmpartperthousand千分之一；ppmpartpermillion百万分之一；ppbpartperbillion10亿分之一；pptpartpertrillion万亿分之一1.2工业纯铝2.2.1铝合金的牌号、分类与应用2.2铝合金形变铝合金：相图中D点以左的部分。该类铝合金加热至固溶线FD以上时能形成单相α固溶体，塑性好，适用于压力加工成形。不能热处理强化的形变铝合金：相图中F点以左的部分，组织为单相固溶体，且其溶解度不随温度而变化，无法进行热处理强化；可热处理强化的形变铝合金：相图中F和D之间的形变铝合金，固溶体的溶解度随着温度而显著变化，可进行热处理强化。铸造铝合金：相图中D点以右的部分，有共晶铝合金、亚共晶铝合金和过共晶铝合金之分。按铝合金所处相图的位置分类：铝合金:形变铝合金、铸造铝合金纯铝中加入适量其它元素如Si、Cu、Mg、Zn等即为铝合金2.2铝合金2.2.1铝合金的牌号、分类与应用旧标准新标准按铝合金加入合金元素种类分类：按加入合金元素后铝合金的性能特点分类：包覆铝7A01、1A50LB1、LB2防锈铝5A02、5A03、5A05、5B05、5A06、5A12、5B06、5A13、5A33、5A43、3A21、5083LF2、LF3、LF5、LF10、LF6、LF12、LF14、LF13、LF33、LF43、LF21、LF5-1硬铝2A01、2A02、2A04、2B11、2B12、2A10、2A11、2A12、2A06、2A16、2A17LY1、LY2、LY4、LY8、LY9、LY10、LY11、LY12、LY6、LY16、LY17锻铝6A02、6B02、6070、2A50、2B50、2A70、2A80、2A90、2A14、4A11、6061、6063LD2、LD2-1、LD2-2、LD5、LD6、LD7、LD8、LD9、LD10、LD11、LD30、LD31超硬铝7A03、7A04、7A09、7A10、7003LC3、LC4、LC9、LC10、LC12特殊铝4A01、4A13、4A17、5A41、5A66LT1、LT13、LT17、LT41、LT66新旧牌号对照2.2.1铝合金的牌号、分类与应用2.2铝合金防锈铝合金：5A02、5A03、5A05、5B05、5A06、5A12、5B06、5A13、5A33、5A43、3A21、5083LF2、LF3、LF5、LF10、LF6、LF12、LF14、LF13、LF33、LF43、LF21、LF5-1主加元素为Mn或Mg，形成Al-Mg《5×××》或Al-Mn《3×××》Mg：是固溶强化和降低密度，对耐蚀性能的影响较小；Mn：提高合金的抗蚀能力和固溶强化。该类合金为单相固溶体，具有较强的抗腐蚀能力以及较好的冷变形能力和焊接性能，不能时效强化，但可形变强化。5A05:5%Mg、0.3～0.6%Mn:270MPa、18%（退火态）3A21:1.0～1.6%Mn:170MPa、23%（退火态）2.2.1铝合金的牌号、分类与应用2.2铝合金5A02飞机油箱与导管，焊丝，铆钉，船舶结构件5A03中等强度焊接结构，冷冲压零件，焊接容器，焊丝，可代替5A025A05焊接结构件，飞机蒙皮骨架5A06焊接结构，冷模锻零件，焊拉容器受力零件，飞机蒙皮骨部件5A12焊接结构件，防弹甲板3A21飞机油箱、油路导管、铆钉线材等；建筑材料与食品等工业装备等2.2铝合金Al-Cu合金中再加合金元素Mg或Mn形成的Al-Cu-Mg和Al-Cu-Mn系铝合金。Al-Cu-Mg系硬铝称为普通硬铝Al-Cu-Mn系硬铝称为耐热硬铝硬铝可通过热处理（固溶＋时效）强化，也可形变强化。硬铝存在两点不足，一是抗蚀性差，由于合金中含有大量的铜，而含铜固溶体和化合物的电极电位均高于晶界，因此易产生晶界腐蚀，使用过程中需采取包铝阴极保护、喷漆等防腐措施。二是硬铝的固溶处理温度范围窄。如2A12（LY12）为495～503℃。低于该温度时固溶体的过饱和度不足，影响时效效果；高于该温度时，又易产生晶界熔化。2A12：3.8~4.9%Cu、1.2~1.8%Mg、0.4