一、铝及铝合金简介
纯铝:银白色轻金属,密度小,导电性、导热性好,化学性质活泼,易与氧反应形成致密的氧化膜,阻止其进一步氧化从而具有抗蚀性。
铝合金:一般情况下工业纯铝难以满足服役要求,通常会以铝为基体,加入少量金属或非金属元素,采用合金化方式使其性能得到显著提升,铝合金具有比强度和比刚度高,弹性好、塑性好、抗冲击性能良好的优势,此外还具有优异的成形和加工性能,可进行精密铸造和粉末冶金成形。
铝按其纯度氛围高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝,纯铝的牌号用“铝”字拼音首字母“L”和其后面的编号表示。
高纯铝的牌号有L01、L02、L03、L04、L05,后面的数字越大,纯度越高,含铝量在99.85%-99.99%之间。
工业纯铝的牌号有L1、L2、L3、L4、L4-1、L5、L5-1、L6,后面的数字表示纯度,数字越大,纯度越低。
铝合金一般通过其成分、组织和工艺等特点,可以将其分为铸造铝合金与变形铝合金两大类。
工程上常用铝合金相图大都与上图类似,D点成分以左的合金在加热至高温时能形成单相固溶体组织,其塑性较高成为变形铝和金;于D点成分以右的合金,因含有共晶组织,液态流动性较高适用于铸造,称为铸造铝合金。
对于变形铝合金而言位于F点以左成分的合金不能进行热处理强化,称为热处理不可强化的铝合金;成分在F和D之间的铝合金,由于合金元素在铝中有溶解度的变化会析出第二相,可以通过热处理使合金强度提高,称为热处理强化铝合金。
表1 铝合金分类及性能特点
按合金性能和用途分为:工业纯铝、光辉铝合金、切削铝合金、耐热铝合金、低强度铝合金、中强度铝合金、高强度铝合金(硬铝)、超高强度铝合金 (超硬铝)、铸造铝 合金及特殊铝合金等 。
按合金中所含主要元素成分分为:工业纯铝 ((1XXX系),Al–Cu系合金 ((2XXX系),Al一Mn系合金 (3XXX系),Al一Si系合金 ((4XXX系),Al一Mg系合金 5XXX系),Al一Mg一Si系合金 (6XXX系),Al一Zn一Mg一Cu系合金 (7XXX系), Al一Li系合金 (8XXX系)及备用合金组 (9XXX系)。
铝合金的研究历史只有两百多年,其工业生产在20世纪初期才开始,主要发展经历了以下几个阶段:
工业生产原铝的方法:霍尔-埃鲁铝电解法
铝在生产过程中有四个环节构成完整的产业链:
铝矿石开采—氧化铝制取—电解铝冶炼—铝加工生产
铝合金冶炼工艺
二、铝合金牌号、状态及表示方法
变形铝合金牌号按照 GB/T16474-2011规定 ,采用 2XXX系一8XXX系列表示。牌号第一位数字组别,按铜 、锰 、硅、镁、锌、其他元素的顺序来确定合金组别;牌号第 二位的字母表示原始合金的改型情况,如果牌号第二位的字母是 A,则表示为原始合金, 如果是 B-Y的其他字母,则表示为原始合金的改型合金;牌号的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,例如 2A12(旧牌号 LY12)表示以铜为主要合金元素的铝合金。
铸造铝合金采用国际标准命名,化学元素符号后加元素的百分含量,如 AI-Si12Mg表示 Si含量为12%,Mg含量小于 1%的铸造铝合金。合金代号由字母 ZL(铸铝) 及其后的3位阿拉伯数字组成,第1位数字表示合金系列,1为 Al-Si系,2为 Al-Cu系,3 为 AI-Mg系,4为 Al-Zn系;第 2位和第3位表示合金的顺序号,数字后面的字母 A表示优质合金。
我国制定了GB/T 16475-1996(2008年修订为 GB/T16475-2008)规定加工铝材状态的表示方法,与美国铝业协会(AA)基本一致 。状态代号由拉丁字母与数字组成,用 连字符与合金牌号隔开,包含了基础状态代号和细分代号。
如下图所示为经过不同生产工艺流程获得的状态:
图1 不同生产工艺获得的状态
三、铝合金材料成分及性能
常用变形铝合金的牌号与化学成分见表2,参见国标 GB/T 3190一2008。常用铸造铝合金的牌号与化学成分见表3。
表2 常用变形铝合金的牌号与化学成分
表3 常用铸造铝合金的牌号与化学成分
1)1XXX系铝合金
表4 典型 1XXX系铝合金的室温力学性能
表5 典型 1XXX系铝合金的热学性能
表6 典型 1XXX系铝合金的电学性能
2)2XXX系铝合金
表7 2XXX系铝合金的电学性能
3)3XXX系铝合金
表8 3XXX系铝合金的热学性能
表9 3XXX系铝合金的电学性能
表10 3XXX系铝合金的力学性能
4)4XXX系铝合金
表 11 4XXX系铝合金的热学性能
表12 4XXX系铝合金的电学性能
5)5XXX系铝合金
表 13 5XXX系铝合金电学性能
6)6XXX系铝合金
表 14 6XXX系铝合金的热学性能
表 15 6XXX系铝合金的电学性能
表 16 典型6XXX系铝合金型材的力学性能
7)7XXX系铝合金
表17 7XXX系铝合金的热学性能
表18 7XXX系铝合金的电学性能
表 19 7075合金在不同温度下的典型力学性能
四、铝合金材料中合金元素的作用
通常,加入量超过 1%的元素称为主合金元素,对合金的组织性能产生决定性影响。微量合金元素能改变沉淀相的界面能 、提高空位浓度及均匀沉淀的临界温度,对时效和回复再结 晶产生很大影响,因此,微合金化成为进一 步挖掘传统合金潜力和开发新型铝合金的重要途径。
1)Cu的作用
Cu在铝中的极限固溶度为 5.67%,有 固溶强化和沉淀强化作用 ,当 Cu含量为 4%一 6%时,沉淀强化效果最好,大多数硬铝合金的Cu含量在此范围。Cu通常和 Mg同时加入, 形成 AI-Cu-Mg系硬铝合金,Cu+Mg含量越高,Cu/Mg比值越高,合金的强化效果越好, 当Mg含量为 l%~2%时,Cu含量由 1%增加到 4%时,合金的抗拉强度持续增加,含 2% Mg和4%Cu合金的抗拉强度最大,当Mg含量大于2%时,AI-Cu-Mg合金的强度降低。
2)Mn的作用
Mn在铝中的极限固溶度为 1.82%,Mn可以单独加入铝中形成不可热处理强化的 Al-Mn二元合金。在大多数铝合金 中,Mn是作为微合金元素加入的,随着 Mn含量增加,铝合金强度不断增加 ,当 Mn含量为 0.8%时 ,伸长率达到最大值 。除了有固溶强化作用外, Mn还能抑制粗晶环的产生,能延缓 AI-Cu-Mg合金的人工时效进程,细小而弥散分布的 MnAl6产生弥散强化作用,且可抑制再结晶及晶粒长大,提高合金的耐热强度。
3)Si和Fe的作用
Si在铝中的极限固溶度为1.65%,Si在 AI-Mg-Si锻铝、Al-Si铸造合金及 Al-Si焊料合金中是作为合金元素加入的,AI-Mg-Si系合金可热处理强化,而 Al-Si铸造合金和 Al-Si焊料合金具有极好的铸造性能及耐蚀性能。Fe在 AI-Cu-Mg-Ni-Fe系合金中是作为合金元素加入的,可改善AI-Cu-Mg合金的耐热性能。在其他铝合金中,Fe,Si为杂质元素,对合金的力学性能 、电学性能、耐蚀性、可焊性均有不良影响。
4)Mg的作用
Mg在铝中的极限固溶度为 14.9%, Mg可以单独加入铝中形成不可热处理强化的 Al-Mg二元合金,也可以与其他合金元素一同加入,对铝合金产生补充强化作用,一般变形铝合金的Mg含量低于6%。
5)Zn的作用
Zn在铝中的极限固溶度为82.8%,在 125℃时 ,溶解度下降为 5.6%;Zn单独加到铝中会增大铝合金的应力腐蚀开裂倾向,强化效果也不显著。在铝中同时加入Zn和 Mg,形成强化相 MgZn2,对合金产生明显的强化作用,Mg含量超过形成 MgZn2相所需要的量时, 还会产生补充强化作用,但是,随着 MgZn2含量的增加,应力腐蚀开裂和剥落腐蚀倾向明显增加。为了使强度和应力腐蚀抗力有良好的匹配,可通过成分设计和热处理控制 Zn/Mg 在 2.7左右。
6)Li的作用
Li在 Al中的极限固溶度为 4.2%,降温到室温后 ,Li在 Al中的固溶度小于 1%.Li的 密度仅为0.534g/cm3,添加 1%的 Li,可使合金密度下降 3%,弹性模量增加 6%;加入2%的 Li,铝合金密度可下降 10%,弹性模量提高25%-35%。
7)Cr的作用
Cr是 Al-Mg系 、AI-Mg-Si系、AI-Mg-Zn系合金中常见的添加元素,600℃时,Cr在 Al中的溶解度为 0.77%,室温时基本不溶解。Cr在 Al中形成 (CrFe)AI7和 (CrMn)Al12 等金属间化合物,阻碍再结晶的形核和长大过程,对合金有一定的强化作用,还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。但是,Cr会增加淬火敏感性,使阳极氧化膜呈黄色。Cr 在铝合金 中的添加量一般不超过 0.35%,并随合金中过渡元素含量的增加而降低 。
8)Zr的作用
Zr在 铝中的极限固溶度 为 0.28%,微量Zr添加到铝 中,有 固溶在α-Al中及形成A13Zr(D03)初生相、A13Zr(Ll2)亚稳相、A13Zr(D023)平衡相四种存在形式。Zr取代 α-Al晶格的部分 Al,形成置换型固溶体,会对铝合金后续处理产生积极影响 。在高强铝合金中,加入Zr可抑制与基体不共格的含 Mn,Cr的粗大相形成,有利于合金断裂韧性的提高,还能改善合金的淬火敏感性及抗应力腐蚀性能。
9)Sc的作用
Sc既属过渡元素,又属稀土元素,既有稀土元素净化熔体和改善铸造组织的作用,又有过渡元素细化晶粒、抑制再结晶的作用,是铝合金最有效的微合金化元素。Sc在铝中的极 限固溶度为 0.32%,含 Sc 的铝固溶体分解时,生成弥散度极高的 A13SC(Ll2)粒子 ,与 α-Al的结构和点阵常数几乎完全一致,强化效果好且具有很强的热稳定性,在高温下仍与基体保持共格关系,能有效地改善合金的塑性、耐蚀性、疲劳断裂性能等。此外,Sc可以细化铸态组织和改善合金的焊接性能。
10)Ag的作用
Ag在铝中的最大固溶度为35.6%,少量Ag对AI-Cu-Mg,AI-Cu-Li,AI-Zn-Mg-Cu系合金的抗拉强度、断裂韧性、疲劳特性、应力腐蚀抗力均有积极的作用。在 AI-Cu-Mg系合金中,当Cu/Mg较高时,加入少量Ag就会形成片状的。亚稳相,提高合金的时效强化效果,当温度低于200℃时,Ω相可保持稳定,使合金有较好的抗蠕变性能。
11)Cd,Sn,In的作用
Cd,Sn和 In元素对 Al-Cu合金的时效过程产生显著的影响。3种元素与淬火空位有较高的结合能,使 Al-Cu合金 GP区不易形成,从而抑制合金的低温时效,在淬火或高温时效早期形成的含Cd,Sn和In的沉淀相,可以作为θ’相的核心,从而增加高温时效效果,使得合金时效硬化达到强度峰值的时间缩短,强度峰值提高。
五、铝合金材料应用
铝合金具有较高的比强度、比刚度、断裂韧性、疲劳强度,同时还保持了纯铝良好的成形工艺性能和高耐蚀稳定性,成为重要的工程结构材料,广泛应用于航空航天、坦克舰艇 、机械、船舶 、电子、电力 、汽车 、建筑等生产行业 。常用变形铝合金材料的应用见表20。
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