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2008-7-16 20:27
戴晋耀
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四级
纯铝的强度低，不宜用来制作承受载荷的结构零件。向铝中加入适量的硅、铜、镁、锰等合金元素，可制成强度较高的铝合金，若在经冷变形强化或热处理，可进一步提高强度。
根据铝合金的成分和生产工艺特点,通常分为形变与铸造铝合金两大类.工业上应用的主要有铝-锰,铝-镁,铝-镁-铜,铝-镁-硅-铜,铝-锌-镁-铜等合金.变形铝合金也叫熟铝合金,据其成分和性能特点又分为防锈铝,硬铝,超硬铝,锻铝和特殊铝等五种.
铝合金是纯铝加入一些合金元素制成的，如铝—锰合金、铝—铜合金、铝—铜—镁系硬铝合金、铝—锌—镁—铜系超硬铝合金。铝合金比纯铝具有更好的物理力学性能：易加工、耐久性高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富。铝合金分为防锈铝、硬铝、超硬铝等种类，各种类均有各自的使用范围，并有各自的代号，以供使用者选用。
铝合金基本常识
一、分类 ：展伸材料分非热处理合金及热处理合金
1.1 非热处理合金： 纯铝—1000系，铝锰系合金—3000系，铝矽系合金—4000系，铝镁系合金—5000系。
1.2 热处理合金： 铝铜镁系合金—2000系，铝镁矽系合金—6000系，铝锌镁系合金—7000系。
二、合金编号 ： 我国目前通用的是美国铝业协会〈Aluminium Association〉的编号。兹举
例说明如下： 1070-H14(纯铝)
2017-T4(热处理合金)
3004-H32(非热处理合金)
2.1第一位数：表示主要添加合金元素。
1：纯铝
2：主要添加合金元素为铜
3：主要添加合金元素为锰或锰与镁
4：主要添加合金元素为矽
5：主要添加合金元素为镁
6：主要添加合金元素为矽与镁
7：主要添加合金元素为锌与镁
8：不属於上列合金系的新合金
2.2第二位数： 表示原合金中主要添加合金元素含量或杂质成分含量经修改的合金
。
0：表原合金
1：表原合金经第一次修改
2：表原合金经第二次修改
2.3第三及四位数：
纯铝：表示原合金
合金：表示个别合金的代号
＂-″：后面的Hn或Tn表示加工硬化的状态或热处理状态的鍊度符号
-Hn ：表示非热处理合金的鍊度符号
-Tn ：表示热处理合金的鍊度符号
2 铝及铝合金的热处理
一、鍊度符号 ： 若添加合金元素尚不足於完全符合要求，尚须藉冷加工、淬水、时效
处理及软烧等处理，以获取所需要的强度及性能。这些处理的过程称
之为调质，调质的结果便是鍊度。
鍊度符号 定 义
F 制造状态的鍊度
无特定鍊度下制造的成品，如挤压、热轧、锻造品等。
H112 未刻意控制加工硬化程度的制造状态成品，但须保证机械性质。
O 软烧鍊度
完全再结晶而且最软状态。如系热处理合金，则须从软烧温度缓慢冷却，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：经加工硬化后再施以适度的软烧处理
H3n：经加工硬化后再施以安定化处理
n以1~9的数字表示加工硬化的程度
n=2 表示1/4硬质
n=4 表示1/2硬质
n=6 表示3/4硬质
n=8 表示硬质
n=9 表示超硬质
T T1： 高温加工冷却后自然时效。挤型从热加工后急速冷却，再经常温十效硬化处理。亦可施以不影响强度的矫正加工，这种调质适合於热加工后冷却便有淬水效果的合金如：6063。
T3： 溶体化处理后经冷加工的目的在提高强度、平整度及尺寸精度。
T36： T3经6%冷加工者。
T361： 冷加工度较T3大者。
T4： 溶体化处理后经自然时效处理。
T5： 热加工后急冷再施以人工时效处理。
人工时效处理的目的在提高材料的机械性质及尺寸的安定性适用於热加工冷却便有淬水效果的合金如：6063。
T6： 溶体化处理后施以人工时效处理。
此为热处理合金代表性的热处理，无须施以冷加工便能获得优越的强度。於溶体化处理后为提高尺寸精度或矫正而施以冷加工，如不保证更高的强度时，亦可当作是T6鍊度。
T61： 溶体化处理后施以温水淬水再经人工时效处理，温水淬水的目的在防止发生变形。
T7： 溶体化处理后施以安定化处理(亦及人工时效处理的温度或时间较T6处理高或长)。
其目的在改善耐硬力腐蚀裂及防止淬水时发生变形。
T7352： 溶体化处理后除去残余应力再施以过时效处理(亦及人工 时效处理的温度或时间较T6处理高或长)。
目的在改善耐硬力腐蚀裂。於溶体化处理后施以1~5%永久变形的压缩加工，以消除残余应力。
T8： 溶体化处理后施以冷加工再施以人工时效处理，冷加工时断面减少率为3%及6% 各为T83 及T86。
T9： 溶体化处理后人工时效处理，最后施以冷加工，最后冷加工 的目的在增加强度。
铝中合金元素和杂质对性能的影响
1 合金元素影响
铜元素
铝铜合金富铝部分平衡相图如图 所示。548时，铜在铝中的最大溶解度为 5.65%,温度降到302时，铜的溶解度为0.45%。铜是重要的合金元素，有一定的固溶强化效果，此外时效析出的CuAl2有着明显的时效强化效果。 铝合金中铜含量通常在2.5% ~ 5%，铜含量在4%~6.8%时强化效果最好，所以大部分硬铝合金的含铜量处于这范围。
铝铜合金中可以含有较少的硅、镁、锰、铬、锌、铁等元素。
硅元素
Al—Si合金系平衡相图富铝部分如图 所示。在共晶温度577 时，硅在 固溶体中的最大溶解度为1.65%。尽管溶解度随温度降低而减少，介这类合金一般是不能热处理强化的。铝硅合金具有极好 的铸造性能和抗蚀性。
若镁和硅同时加入铝中形成铝镁硅系合金，强化相为MgSi。镁和硅的质量比为1.73:1。设计Al-Mg-Si系合金成分时，基体上按此比例配置镁和硅 的含量。有的Al-Mg-Si合金，为了提高强度，加入适量的铜，同时加入适量的铬以抵消铜对抗蚀性的不利影响。
Al-Mg2Si合金系合金平衡相图富铝部分如图 所示。Mg2Si 在铝中的最大溶解度为1.85%，且随温度的降低而减速小。
变形铝合金中，硅单独加入铝中只限于焊接材料，硅加入铝中亦有一定的强化作用。
镁元素
Al-Mg合金系平衡相图富铝部分如图 所示。尽管溶解度曲线表明，镁在铝中的溶解度随温度下降而大大地变小，但是在 大部分工业用变形铝合金中，镁的含量均小于6%，而硅含量也低，这类合金是不能热处理强化的，但是可焊性良好，抗蚀性也好，并有中等强度。
镁对铝的强化是明显的，每增加1%镁，抗拉强度大约升高瞻远34MPa。如果加入1%以下 的锰，可能补充强化作用。因此加锰后可降低镁含量，同时可降低热裂倾向，另外锰还可以使Mg5Al8化合物均匀沉淀，改善抗蚀性和焊接性能。
锰元素
Al-Mn合金系平平衡相图部分如图 所示。在共晶温度658时，锰在 固溶体中的最大溶解度为1.82%。合金强度随溶解度增加不断增加，锰含量为0.8%时，延伸率达最大值。Al-Mn合金是非时效硬化合金， 即不可热处理强化。
锰能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化 主要是通过
MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。MnAl6的另一作用是能溶解杂质铁，形成（Fe、Mn）Al6，减小铁的有害影响。
锰是铝合金的重要元素，可以单独加入形成Al-Mn二元合金，更多的是和其它合金元素一同加入，因此大多铝合金中均含有锰。
锌元素
Al-Zn合金系平衡相图富铝部分如图 所示。275时锌在铝中的溶解度为31.6%，而在125时其溶解度则下降到5.6%。
锌单独加入铝中，在变形条件下对铝合金强度的提高十分有限，同时存在应力腐蚀开裂、倾向，因而限制了它的应用。
在铝中同时加入锌和镁，形成强化相Mg/Zn2，对合金产生明显的强化作用。Mg/Zn2含量 从0.5%提高到12%时，可明显增加抗拉强度和屈服强度。镁的含量超过形成Mg/Zn2相所需超硬铝合金中，锌和镁的比例控制在2.7左右时，应力腐蚀 开裂抗力最大。
如在Al-Zn-Mg基础上加入铜元素，形成Al-Zn-Mg-Cu系合金，基强化效果在所有铝合金中最大，也是航天、航空工业、电力工业上的重要的铝合金材料。
2．微量元素的影响
铁和硅
铁在Al-Cu-Mg-Ni-Fe系锻铝合金中，硅在Al-Mg-Si系锻铝中和在Al-Si系焊条及铝硅铸造合金中，均作为合金元素加的，在基它铝合金 中，硅和铁是常见的杂质元素，对合金性能有明显的影响。它们主要以FeCl3和游离硅存在。在硅大于铁时，形成β-FeSiAl3(或 Fe2Si2Al9)相，而铁大于硅时，形成α-Fe2SiAl8(或Fe3Si2Al12)。当铁和硅比例不当时，会引起铸件产生裂纹，铸铝中铁含量过 高时会使铸件产生脆性。
钛和硼
钛是铝合金中常用的添加元素，以Al-Ti或Al-Ti-B中间合金形式加入。钛与铝形成 TiAl2相，成为结晶时的非自发核心，起细化铸造组织和焊缝组织的作用。Al-Ti系合金产生包反应时，钛的临界含量约为0.15%，如果有硼存在则减 速小到0.01%。
铬
铬在Al-Mg-Si系、Al-Mg-Zn系、Al-Mg系合金中常见的添加元素。600℃时，铬在铝中溶解度为0.8%，室温时基本上不溶解。
铬在铝中形成（CrFe）Al7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。但会场增加淬火敏感性，使阳极氧化膜呈黄色。
铬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的增加而降低。
锶
锶是表面活性元素，在结晶学上锶能改变金属间 化合物相的行为。因此用锶元素进行变质处理能改善合金的塑性加工性和最终产品质量。由于锶的变质有效时间长、效果和再现性好等优点，近年来在Al-Si铸 造合金中取代了钠的使用。对挤压用铝合金中加入0.015%~0.03%锶，使铸锭中β-AlFeSi相变成汉字形α-AlFeSi相，减少了铸锭均匀化 时间60%~70%，提高材料力学性能和塑性加工性；改善制品表面粗糙度。对于高硅（10%~13%）变形铝合金中加入0.02%~0.07%锶元素，可 使初晶减少至最低限度，力学性能也显著提高，抗拉强度бb 由233MPa提高到236MPa，屈服强度б0.2由204MPa提 高到210MPa，延伸率б5由9%增至12%。在过共晶Al-Si合金中加入锶，能减小初晶硅粒子尺寸，改善塑性加工性能，可顺利地热轧和冷轧。
锆元素
锆也是铝合金的常用添加剂。一般在铝合金中加入量为0.1%~0.3%，锆和铝 形成ZrAl3化合物，可阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒。锆亦能细化铸造组织，但比钛的效果小。有锆 存在时，会降低钛和硼细化晶粒的效果。 在Al-Zn-Mg-Cu系合金中，由于锆对淬火敏感性的影响比铬和锰的小，因此宜用锆来代替铬和锰细化再结晶组织。
杂质元素
稀土元素加入铝合金中，使铝合金熔铸时增加成分过冷，细化晶粒，减少二次晶间距，减少合金中的气体和夹杂，并使夹杂相趋于球化。还可降低熔体表面张力，增加流动性，有利于浇注成锭，对工艺性能有着明显的影响。
各种稀土加入量约为0.1%at%为好。混合稀土（La-Ce-Pr-Nd等混合）的添加，使Al-0.65%Mg-0.61%Si合金时效G•区形成的临界温度降低。含镁的铝合金，能激发稀土元素的变质作用。
杂质元素的影响
钒在铝合金中形成VAl11难熔化合物，在熔铸过程中起细化晶粒作用，但比钛和锆的作用小。钒也有细化再结晶组织、提高再结晶温度的作用。
钙在铝合金中固溶度极低，与铝形成CaAl4化合物，钙又是铝合金的超塑性元素，大约5%钙和5%锰的铝合金具有超塑性。钙和硅形成CaSi，不溶于铝， 由于减小了硅的固溶量，可稍微提高工业纯铝的导电性能。钙能改善铝合金切削性能。CaSi2不能使铝合金热处理强化。微量钙有利于去除铝液中的氢。
铅、锡、铋元素是低熔点金属，它们在铝中固溶度不大，略降低合金强度，但能改善切削性能。铋在凝固过程中膨胀，对补缩有利。高镁合金中加入铋可防止钠脆。
锑主要用作铸造铝合金中的变质剂，变形铝合金很少使用。仅在Al-Mg变形铝合金中代替铋防止钠脆。锑元素加入某些Al-Zn-Mg-Cu系合金中，改善热压与冷压工艺性能。
铍在变形铝合金中可改善氧化膜的结构，减少熔铸时的烧损和夹杂。铍是有毒元素，能使人产生过敏性中毒。因此，接触食品和饮料的铝合金中不能含有铍。焊接材料中的铍含量通常控制在8µg/ml以下。用作焊接基体的铝合金也应控制铍的含量。
钠在铝中几乎不溶解，最大固溶度小于0.0025%，钠的熔点低（97.8℃）,合金中存在钠时，在凝固过程中吸附在枝晶表面或晶界，热加工时，晶界上的 钠形成液态吸附层，产生脆性开裂时，形成NaAlSi化合物，无游离钠存在，不产生“钠脆”。当镁含量超2%时，镁夺取硅，析出游离钠，产生“钠脆”。因 此高镁铝合金不允许使用钠盐熔剂。防止“钠脆”的方法有氯化法，使钠形成NaCl排入渣中，加铋使之生成Na2Bi进入金属基体；加锑生成Na3Sb或加 入稀土亦可起到相同的作用。
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