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2008-7-16 20:27 戴晉耀 | 四級

純鋁的強度低，不宜用來制作承受載荷的結(jié)構(gòu)零件。向鋁中加入適量的硅、銅、鎂、錳等合金元素，可制成強度較高的鋁合金，若在經(jīng)冷變形強化或熱處理，可進一步提高強度。 根據(jù)鋁合金的成分和生產(chǎn)工藝特點,通常分為形變與鑄造鋁合金兩大類.工業(yè)上應(yīng)用的主要有鋁-錳,鋁-鎂,鋁-鎂-銅,鋁-鎂-硅-銅,鋁-鋅-鎂-銅等合金.變形鋁合金也叫熟鋁合金,據(jù)其成分和性能特點又分為防銹鋁,硬鋁,超硬鋁,鍛鋁和特殊鋁等五種. 鋁合金是純鋁加入一些合金元素制成的，如鋁—錳合金、鋁—銅合金、鋁—銅—鎂系硬鋁合金、鋁—鋅—鎂—銅系超硬鋁合金。鋁合金比純鋁具有更好的物理力學(xué)性能：易加工、耐久性高、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富。鋁合金分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁等種類，各種類均有各自的使用范圍，并有各自的代號，以供使用者選用。 鋁合金基本常識 一、分類 ：展伸材料分非熱處理合金及熱處理合金 1.1 非熱處理合金： 純鋁—1000系，鋁錳系合金—3000系，鋁矽系合金—4000系，鋁鎂系合金—5000系。 1.2 熱處理合金： 鋁銅鎂系合金—2000系，鋁鎂矽系合金—6000系，鋁鋅鎂系合金—7000系。 二、合金編號 ： 我國目前通用的是美國鋁業(yè)協(xié)會〈Aluminium Association〉的編號。茲舉 例說明如下： 1070-H14(純鋁) 2017-T4(熱處理合金) 3004-H32(非熱處理合金) 2.1第一位數(shù)：表示主要添加合金元素。 1：純鋁 2：主要添加合金元素為銅 3：主要添加合金元素為錳或錳與鎂 4：主要添加合金元素為矽 5：主要添加合金元素為鎂 6：主要添加合金元素為矽與鎂 7：主要添加合金元素為鋅與鎂 8：不屬於上列合金系的新合金 2.2第二位數(shù)： 表示原合金中主要添加合金元素含量或雜質(zhì)成分含量經(jīng)修改的合金 。 0：表原合金 1：表原合金經(jīng)第一次修改 2：表原合金經(jīng)第二次修改 2.3第三及四位數(shù)： 純鋁：表示原合金 合金：表示個別合金的代號 ＂-″：后面的Hn或Tn表示加工硬化的狀態(tài)或熱處理狀態(tài)的鍊度符號 -Hn ：表示非熱處理合金的鍊度符號 -Tn ：表示熱處理合金的鍊度符號 2 鋁及鋁合金的熱處理 一、鍊度符號 ： 若添加合金元素尚不足於完全符合要求，尚須藉冷加工、淬水、時效 處理及軟燒等處理，以獲取所需要的強度及性能。這些處理的過程稱 之為調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)的結(jié)果便是鍊度。 鍊度符號 定 義 F 制造狀態(tài)的鍊度 無特定鍊度下制造的成品，如擠壓、熱軋、鍛造品等。 H112 未刻意控制加工硬化程度的制造狀態(tài)成品，但須保證機械性質(zhì)。 O 軟燒鍊度 完全再結(jié)晶而且最軟狀態(tài)。如系熱處理合金，則須從軟燒溫度緩慢冷卻，完全防止淬水效果。 H 加工硬化的鍊度 H1n：施以冷加工而加工硬化者 H2n：經(jīng)加工硬化后再施以適度的軟燒處理 H3n：經(jīng)加工硬化后再施以安定化處理 n以1~9的數(shù)字表示加工硬化的程度 n=2 表示1/4硬質(zhì) n=4 表示1/2硬質(zhì) n=6 表示3/4硬質(zhì) n=8 表示硬質(zhì) n=9 表示超硬質(zhì) T T1： 高溫加工冷卻后自然時效。擠型從熱加工后急速冷卻，再經(jīng)常溫十效硬化處理。亦可施以不影響強度的矯正加工，這種調(diào)質(zhì)適合於熱加工后冷卻便有淬水效果的合金如：6063。 T3： 溶體化處理后經(jīng)冷加工的目的在提高強度、平整度及尺寸精度。 T36： T3經(jīng)6%冷加工者。 T361： 冷加工度較T3大者。 T4： 溶體化處理后經(jīng)自然時效處理。 T5： 熱加工后急冷再施以人工時效處理。 人工時效處理的目的在提高材料的機械性質(zhì)及尺寸的安定性適用於熱加工冷卻便有淬水效果的合金如：6063。 T6： 溶體化處理后施以人工時效處理。 此為熱處理合金代表性的熱處理，無須施以冷加工便能獲得優(yōu)越的強度。於溶體化處理后為提高尺寸精度或矯正而施以冷加工，如不保證更高的強度時，亦可當(dāng)作是T6鍊度。 T61： 溶體化處理后施以溫水淬水再經(jīng)人工時效處理，溫水淬水的目的在防止發(fā)生變形。 T7： 溶體化處理后施以安定化處理(亦及人工時效處理的溫度或時間較T6處理高或長)。 其目的在改善耐硬力腐蝕裂及防止淬水時發(fā)生變形。 T7352： 溶體化處理后除去殘余應(yīng)力再施以過時效處理(亦及人工 時效處理的溫度或時間較T6處理高或長)。 目的在改善耐硬力腐蝕裂。於溶體化處理后施以1~5%永久變形的壓縮加工，以消除殘余應(yīng)力。 T8： 溶體化處理后施以冷加工再施以人工時效處理，冷加工時斷面減少率為3%及6% 各為T83 及T86。 T9： 溶體化處理后人工時效處理，最后施以冷加工，最后冷加工 的目的在增加強度。 鋁中合金元素和雜質(zhì)對性能的影響 1 合金元素影響 銅元素 鋁銅合金富鋁部分平衡相圖如圖 所示。548時，銅在鋁中的最大溶解度為 5.65%,溫度降到302時，銅的溶解度為0.45%。銅是重要的合金元素，有一定的固溶強化效果，此外時效析出的CuAl2有著明顯的時效強化效果。 鋁合金中銅含量通常在2.5% ~ 5%，銅含量在4%~6.8%時強化效果最好，所以大部分硬鋁合金的含銅量處于這范圍。 鋁銅合金中可以含有較少的硅、鎂、錳、鉻、鋅、鐵等元素。 硅元素 Al—Si合金系平衡相圖富鋁部分如圖 所示。在共晶溫度577 時，硅在 固溶體中的最大溶解度為1.65%。盡管溶解度隨溫度降低而減少，介這類合金一般是不能熱處理強化的。鋁硅合金具有極好 的鑄造性能和抗蝕性。 若鎂和硅同時加入鋁中形成鋁鎂硅系合金，強化相為MgSi。鎂和硅的質(zhì)量比為1.73:1。設(shè)計Al-Mg-Si系合金成分時，基體上按此比例配置鎂和硅 的含量。有的Al-Mg-Si合金，為了提高強度，加入適量的銅，同時加入適量的鉻以抵消銅對抗蝕性的不利影響。 Al-Mg2Si合金系合金平衡相圖富鋁部分如圖 所示。Mg2Si 在鋁中的最大溶解度為1.85%，且隨溫度的降低而減速小。 變形鋁合金中，硅單獨加入鋁中只限于焊接材料，硅加入鋁中亦有一定的強化作用。 鎂元素 Al-Mg合金系平衡相圖富鋁部分如圖 所示。盡管溶解度曲線表明，鎂在鋁中的溶解度隨溫度下降而大大地變小，但是在 大部分工業(yè)用變形鋁合金中，鎂的含量均小于6%，而硅含量也低，這類合金是不能熱處理強化的，但是可焊性良好，抗蝕性也好，并有中等強度。 鎂對鋁的強化是明顯的，每增加1%鎂，抗拉強度大約升高瞻遠34MPa。如果加入1%以下 的錳，可能補充強化作用。因此加錳后可降低鎂含量，同時可降低熱裂傾向，另外錳還可以使Mg5Al8化合物均勻沉淀，改善抗蝕性和焊接性能。 錳元素 Al-Mn合金系平平衡相圖部分如圖 所示。在共晶溫度658時，錳在 固溶體中的最大溶解度為1.82%。合金強度隨溶解度增加不斷增加，錳含量為0.8%時，延伸率達最大值。Al-Mn合金是非時效硬化合金， 即不可熱處理強化。 錳能阻止鋁合金的再結(jié)晶過程，提高再結(jié)晶溫度，并能顯著細(xì)化再結(jié)晶晶粒。再結(jié)晶晶粒的細(xì)化 主要是通過 MnAl6化合物彌散質(zhì)點對再結(jié)晶晶粒長大起阻礙作用。MnAl6的另一作用是能溶解雜質(zhì)鐵，形成（Fe、Mn）Al6，減小鐵的有害影響。 錳是鋁合金的重要元素，可以單獨加入形成Al-Mn二元合金，更多的是和其它合金元素一同加入，因此大多鋁合金中均含有錳。 鋅元素 Al-Zn合金系平衡相圖富鋁部分如圖 所示。275時鋅在鋁中的溶解度為31.6%，而在125時其溶解度則下降到5.6%。 鋅單獨加入鋁中，在變形條件下對鋁合金強度的提高十分有限，同時存在應(yīng)力腐蝕開裂、傾向，因而限制了它的應(yīng)用。 在鋁中同時加入鋅和鎂，形成強化相Mg/Zn2，對合金產(chǎn)生明顯的強化作用。Mg/Zn2含量 從0.5%提高到12%時，可明顯增加抗拉強度和屈服強度。鎂的含量超過形成Mg/Zn2相所需超硬鋁合金中，鋅和鎂的比例控制在2.7左右時，應(yīng)力腐蝕 開裂抗力最大。 如在Al-Zn-Mg基礎(chǔ)上加入銅元素，形成Al-Zn-Mg-Cu系合金，基強化效果在所有鋁合金中最大，也是航天、航空工業(yè)、電力工業(yè)上的重要的鋁合金材料。 2．微量元素的影響 鐵和硅 鐵在Al-Cu-Mg-Ni-Fe系鍛鋁合金中，硅在Al-Mg-Si系鍛鋁中和在Al-Si系焊條及鋁硅鑄造合金中，均作為合金元素加的，在基它鋁合金 中，硅和鐵是常見的雜質(zhì)元素，對合金性能有明顯的影響。它們主要以FeCl3和游離硅存在。在硅大于鐵時，形成β-FeSiAl3(或 Fe2Si2Al9)相，而鐵大于硅時，形成α-Fe2SiAl8(或Fe3Si2Al12)。當(dāng)鐵和硅比例不當(dāng)時，會引起鑄件產(chǎn)生裂紋，鑄鋁中鐵含量過 高時會使鑄件產(chǎn)生脆性。 鈦和硼 鈦是鋁合金中常用的添加元素，以Al-Ti或Al-Ti-B中間合金形式加入。鈦與鋁形成 TiAl2相，成為結(jié)晶時的非自發(fā)核心，起細(xì)化鑄造組織和焊縫組織的作用。Al-Ti系合金產(chǎn)生包反應(yīng)時，鈦的臨界含量約為0.15%，如果有硼存在則減 速小到0.01%。 鉻 鉻在Al-Mg-Si系、Al-Mg-Zn系、Al-Mg系合金中常見的添加元素。600℃時，鉻在鋁中溶解度為0.8%，室溫時基本上不溶解。 鉻在鋁中形成（CrFe）Al7和（CrMn）Al12等金屬間化合物，阻礙再結(jié)晶的形核和長大過程，對合金有一定的強化作用，還能改善合金韌性和降低應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。但會場增加淬火敏感性，使陽極氧化膜呈黃色。 鉻在鋁合金中的添加量一般不超過0.35%，并隨合金中過渡元素的增加而降低。 鍶 鍶是表面活性元素，在結(jié)晶學(xué)上鍶能改變金屬間 化合物相的行為。因此用鍶元素進行變質(zhì)處理能改善合金的塑性加工性和最終產(chǎn)品質(zhì)量。由于鍶的變質(zhì)有效時間長、效果和再現(xiàn)性好等優(yōu)點，近年來在Al-Si鑄 造合金中取代了鈉的使用。對擠壓用鋁合金中加入0.015%~0.03%鍶，使鑄錠中β-AlFeSi相變成漢字形α-AlFeSi相，減少了鑄錠均勻化 時間60%~70%，提高材料力學(xué)性能和塑性加工性；改善制品表面粗糙度。對于高硅（10%~13%）變形鋁合金中加入0.02%~0.07%鍶元素，可 使初晶減少至最低限度，力學(xué)性能也顯著提高，抗拉強度бb 由233MPa提高到236MPa，屈服強度б0.2由204MPa提 高到210MPa，延伸率б5由9%增至12%。在過共晶Al-Si合金中加入鍶，能減小初晶硅粒子尺寸，改善塑性加工性能，可順利地?zé)彳埡屠滠垺? 鋯元素 鋯也是鋁合金的常用添加劑。一般在鋁合金中加入量為0.1%~0.3%，鋯和鋁 形成ZrAl3化合物，可阻礙再結(jié)晶過程，細(xì)化再結(jié)晶晶粒。鋯亦能細(xì)化鑄造組織，但比鈦的效果小。有鋯 存在時，會降低鈦和硼細(xì)化晶粒的效果。 在Al-Zn-Mg-Cu系合金中，由于鋯對淬火敏感性的影響比鉻和錳的小，因此宜用鋯來代替鉻和錳細(xì)化再結(jié)晶組織。 雜質(zhì)元素 稀土元素加入鋁合金中，使鋁合金熔鑄時增加成分過冷，細(xì)化晶粒，減少二次晶間距，減少合金中的氣體和夾雜，并使夾雜相趨于球化。還可降低熔體表面張力，增加流動性，有利于澆注成錠，對工藝性能有著明顯的影響。 各種稀土加入量約為0.1%at%為好。混合稀土（La-Ce-Pr-Nd等混合）的添加，使Al-0.65%Mg-0.61%Si合金時效G•區(qū)形成的臨界溫度降低。含鎂的鋁合金，能激發(fā)稀土元素的變質(zhì)作用。 雜質(zhì)元素的影響 釩在鋁合金中形成VAl11難熔化合物，在熔鑄過程中起細(xì)化晶粒作用，但比鈦和鋯的作用小。釩也有細(xì)化再結(jié)晶組織、提高再結(jié)晶溫度的作用。 鈣在鋁合金中固溶度極低，與鋁形成CaAl4化合物，鈣又是鋁合金的超塑性元素，大約5%鈣和5%錳的鋁合金具有超塑性。鈣和硅形成CaSi，不溶于鋁， 由于減小了硅的固溶量，可稍微提高工業(yè)純鋁的導(dǎo)電性能。鈣能改善鋁合金切削性能。CaSi2不能使鋁合金熱處理強化。微量鈣有利于去除鋁液中的氫。 鉛、錫、鉍元素是低熔點金屬，它們在鋁中固溶度不大，略降低合金強度，但能改善切削性能。鉍在凝固過程中膨脹，對補縮有利。高鎂合金中加入鉍可防止鈉脆。 銻主要用作鑄造鋁合金中的變質(zhì)劑，變形鋁合金很少使用。僅在Al-Mg變形鋁合金中代替鉍防止鈉脆。銻元素加入某些Al-Zn-Mg-Cu系合金中，改善熱壓與冷壓工藝性能。 鈹在變形鋁合金中可改善氧化膜的結(jié)構(gòu)，減少熔鑄時的燒損和夾雜。鈹是有毒元素，能使人產(chǎn)生過敏性中毒。因此，接觸食品和飲料的鋁合金中不能含有鈹。焊接材料中的鈹含量通?？刂圃?µg/ml以下。用作焊接基體的鋁合金也應(yīng)控制鈹?shù)暮俊? 鈉在鋁中幾乎不溶解，最大固溶度小于0.0025%，鈉的熔點低（97.8℃）,合金中存在鈉時，在凝固過程中吸附在枝晶表面或晶界，熱加工時，晶界上的 鈉形成液態(tài)吸附層，產(chǎn)生脆性開裂時，形成NaAlSi化合物，無游離鈉存在，不產(chǎn)生“鈉脆”。當(dāng)鎂含量超2%時，鎂奪取硅，析出游離鈉，產(chǎn)生“鈉脆”。因 此高鎂鋁合金不允許使用鈉鹽熔劑。防止“鈉脆”的方法有氯化法，使鈉形成NaCl排入渣中，加鉍使之生成Na2Bi進入金屬基體；加銻生成Na3Sb或加 入稀土亦可起到相同的作用。

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