lhejin

鋁合金

aluminiumalloys

以鋁為基加入其他元素組成的合金。純鋁的導電、導熱和耐蝕性能良好，主要用作導電、導熱材料，但強度低，不宜作結構材料。鋁可與許多化學元素形成合金以改善性能。鋁合金比重輕，比強度接近合金鋼，比剛度超過鋼，塑性好，鑄造和可切削性也較好，適宜制造重量輕的結構部件，因此成為航空工業不可缺少的材料，在交通運輸、建筑、輕工、化工、儀表機械等部門，在家用器具方面也得到廣泛應用。鋁及某些鋁合金用陽極氧化等法處理，通過著色工藝，生成各種顏色（見鋁的氧化著色），廣泛作包裝、裝飾材料使用。

考爾斯兄弟（Cowles）于1885年首先制出含鐵和銅的鋁合金。早期使用的鋁合金中最常用的合金元素是銅、鋅和鎂，主要的使用形態是鑄態。1906年前后，德國人維爾姆（A.Wilm）在可變形的鋁銅合金中加入鎂，以獲得固溶強化效果，但發現該合金經過淬火在室溫放置若干時間后（即進行時效處理），硬度大增。他指出，含銅4％，鎂、錳、鐵、硅各0.5％的鋁合金，時效硬化效果最為明顯。這一研究使鋁合金得以作為結構材料使用，對鋁合金的發展起了推動作用。這類鋁合金就是后來得到廣泛應用的杜拉鋁（Duralumin），即硬鋁合金。第一次世界大戰期間，鋁合金已用作飛艇的結構材料。1921年帕茨（A.Pacz）發現在鑄造鋁硅合金中加入萬分之幾的鈉（后來稱為變質處理），合金性能獲得很大改善，于是鑄造鋁硅合金便得到大量應用（見金屬的強化）。

1938年紀尼埃(A.Guinier)和普雷斯頓(G.D.Pres-ton)對鋁合金的時效處理初始階段進行研究，指出硬度的增加是由于溶質原子偏聚（即形成GP區）的結果（見脫溶）。這是對金屬學理論的一大貢獻。鋁合金研究和發展初期主要與航空工業聯系在一起，此后用途不斷擴大，發展很快；在金屬材料中，鋁的產量僅次于鋼鐵，居于有色金屬的首位。

鋁合金中的主要合金元素有鎂、硅、銅、鋅和錳。主要合金系列有Al-Cu-[hjm]g、Al-Zn-[hjm]g-Cu、Al-[hjm]g-Si、Al-[hjm]n、Al-[hjm]g和Al-Si系其中Al-Cu-[hjm]g和Al-Zn-[hjm]g-Cu系合金是飛機使用的薄板、中厚板、鍛件和擠壓件的基本材料，而Al-[hjm]g-Si系合金在航空工業，特別在建筑工業中得到廣泛應用幾種常見的二元鋁合金系相圖(鋁角部分)見圖1[鋁硅、鋁銅、鋁鎂和鋁鋅二元相圖(鋁角部分)]。

鐵和硅是鋁合金的主要雜質鐵和鋁形成FeAl和多種金屬化合物。在鑄造合金中，硅、鐵作為合金添加劑加入到某些鋁合金中時，會形成更多的FeAl等化合物，當它們呈片狀存在時，使合金塑性降低，耐蝕性變差。在變形的Al-[hjm]g系合金中，鐵和硅也損害合金的強度塑性和抗蝕性。所以在硬鋁合金中還應控制鐵和硅的相對含量。此外，鐵和硅對鋁合金的氧化著色也有不利影響。

變形鋁合金具有較高的強度和塑性，能用金屬塑性變形加工成各種形狀的材料。其中熱處理可強化的合金的強化途徑，除采用加工硬化外，主要通過固溶-時效、形變熱處理等工藝改善合金的強度。幾種典型的變形鋁合金的成分和性能見表1[幾種典型的變形鋁合金的成分和性能]。

硬鋁合金熱處理可強化。包括Al-Cu-[hjm]g系和Al-Cu-[hjm]n系合金硬鋁合金的強度和耐熱性能都好，但耐蝕性能不如純鋁和防銹鋁合金。合金成分和組織分布的均勻性和工藝因素(尤其是熱處理工藝)影響耐蝕性能頗大。常采用包鋁方法提高硬鋁制品在海洋和潮濕大氣中的耐蝕性。硬鋁合金廣泛用于制造飛機的各種構件和鉚釘材料。在造船、建筑等部門也大量應用硬鋁合金。用量最多和使用最廣的合金牌號是LY12和LY11Al-Cu-[hjm]g系合金的強度與銅和鎂的含量有關，含銅4％和鎂2％的合金具有較高的強度，而含銅3～4%和鎂0.5～1.2%的合金具有最好的自然時效效果。添加1%以下的錳可消除鐵的有害影響，改善合金的耐蝕性和耐熱性。由Al-Cu-[hjm]g系發展出來的Al-Cu-[hjm]g-Fe-Ni系鍛造合金具有良好的高溫強度和工藝性能。Al-Cu-[hjm]n系合金的工藝性能良好，易于焊接，主要用于制造耐熱可焊的結構材料和鍛件，典型的合金為LY16。

超硬鋁合金屬于Al-Zn-[hjm]g-Cu系合金，是強度最高的鋁合金。合金的強度可達80公斤力/毫米，但耐熱和耐蝕性能差。超硬鋁合金是在Al-Zn-[hjm]g系的基礎上發展起來的。鋅和鎂共存于合金中，在固溶時效后形成GP區、亞穩相或相使合金得到強化。這種合金對缺口敏感，抗應力腐蝕性差，工業上很少使用；適當地控制鋅和鎂的比例并添加銅、錳等元素以進一步提高合金的強度，改善塑性和耐應力腐蝕性能后，這種合金才在工業上廣泛使用。典型的合金為LC4，固溶-時效處理后的強度達60公斤力/毫米，主要用于制作飛機的蒙皮、螺釘、承力構件、大梁桁條、隔框和翼肋等。

防銹鋁合金是熱處理不可強化合金，靠冷加工硬化提高強度。主要用于制造飛機油箱、油路導管、鉚釘線等，在建筑、食品工業中也廣泛應用。防銹鋁合金包括Al-[hjm]n和Al-[hjm]g系合金。Al-[hjm]n系合金中，通常含錳量1.0～1.6％，塑性和深沖性能良好，但易形成粗大晶粒。Al-[hjm]g系合金強度和耐蝕性能優于Al-[hjm]n系合金，焊接性好，合金的品種多。合金含鎂可降低合金的比重。二元Al-[hjm]g系合金晶粒粗大，加少量錳可細化晶粒，提高耐應力腐蝕的性能。高鎂的鋁鎂合金易出現“鈉脆性”，即不溶于鋁的微量雜質鈉呈游離態富集于晶界，嚴重損害合金的熱塑性加工性能。

鍛鋁合金以Al-[hjm]g-Si系合金為主，該系合金高溫強度低，熱塑性好，可鍛成形狀復雜的鍛件和模鍛件，也可軋成板材及其他型材。此類合金除含有鎂和硅元素外，常含有銅。主要強化相為化合物[hjm]gSi相。過剩的鎂將會影響強化效果，而過剩的硅對強度無明顯的影響，常要求含較高的硅。典型的合金為LD10和LD5。

鑄造鋁合金可采用金屬鑄造成形工藝直接獲得零件的鋁合金，合金元素含量一般高于相應的變形鋁合金系的含量。中國鑄造鋁合金以“ZL”表示，依主要添加元素分為四類此外，Al-[hjm]n鑄造合金可著色做裝飾材料。幾種鑄造鋁合金的牌號、化學成分和性能見表2[幾種典型鑄造鋁合金成分和性能]。

鋁硅系合金常稱“硅鋁明”或“矽鋁明”(Silumin)，與其他系鑄造合金相比，該系合金成分位于共晶成分附近，有良好的鑄造性能和耐磨性能，熱脹系數小，是鑄造鋁合金中品種最多、用量最大的合金。工業用鋁硅合金的硅含量可高達25％。分為過共晶鋁硅合金（硅含量大于14％）、共晶鋁硅合金（硅含量為10～14％）和亞共晶鋁硅合金（硅含量小于10％）。變質處理可提高鋁硅合金的力學性能。過共晶鋁硅合金的變質劑為磷，亞共晶和共晶鋁硅合金的變質劑為鈉鹽。經過變質處理和未經變質處理的鑄造鋁硅合金系的力學性能見圖2[鑄造鋁硅合金的力學性能]。添加0.2～0.6％鎂的鋁硅合金（ZL101）廣泛用于制作各種結構件如殼體、缸體、箱體和框架等。添加適量的銅和鎂能提高合金的力學性能和耐熱性，此類合金（如ZL108）廣泛用于制造活塞等部件。

鋁銅系合金應用最早的鑄造鋁合金。此類合金可以通過固溶-時效處理進行強化，含4.5～5.3％銅的合金強化效果最佳。加入適量的錳和鈦能顯著提高室溫、高溫強度和鑄造性能（ZL201），主要用于制作承受大的動、靜載荷和形狀不復雜的砂型鑄件。

鋁鎂系合金密度最小的鑄造鋁合金。含鎂12％的合金強化效果最佳。實用的合金中含鎂量不超過11.5％。典型的二元合金是ZL301。該系合金在大氣和海水中抗腐蝕性能好，在室溫下具有良好的綜合力學性能和可切削性能，常用作雷達底座，飛機的發動機匣、螺旋槳、起落架等零件。由于加工后表面光亮呈銀白色，可作裝飾材料。

鋁鋅系合金鑄造和耐蝕性能差，熱裂傾向大，有應力腐蝕傾向。為改善性能，常加入硅、鎂元素，典型的合金為ZL401，常稱為“鋅硅鋁明”。在鑄造條件下這種合金即可取得淬火的作用，有“自行淬火”之稱。這種合金不經熱處理即可使用。經變質處理后的鑄件具有較高的強度。經穩定化處理后，尺寸穩定，常用于制作模型、型板及設備支架等。

熱處理固溶熱處理和時效處理是鋁合金最重要的熱處理工藝。鋁合金與鋼不同，在固態下僅有溶解和脫溶轉變，淬火狀態并不能達到合金強化的目的。淬火的目的是通過迅速冷卻，在低溫下獲得不穩定的過飽和組織，給自然和人工時效創造條件。可以熱處理強化的鋁合金經過固溶和時效處理后，強度和硬度能明顯增高。強化的效果同時效處理的溫度和時間有密切關系。時效產物對鋁銅合金硬度的影響見圖3[時效產物對鋁銅合金硬度的影響]。

時效處理按溫度可分為自然時效和人工時效。自然時效通常在室溫下進行。在人工時效中，先低溫后高溫的時效稱為分級時效Al-Cu-[hjm]g系硬鋁合金須經固溶和自然時效或人工時效處理，而超硬鋁LC4合金一般采用分級時效處理。自然時效處理后的合金，在230～250短時間保溫后快冷到室溫，合金又重新軟化，恢復到新淬火狀態，放置在室溫下仍能正常地進行自然時效處理，這種現象稱為“回歸”。在生產中自然時效處理后的鋁合金，經回歸處理重新軟化，就可以進行各種冷變形（如鉚接）操作。

參考書目

L.F.Mondolfo，AluminiumAlloys:StructureandProperties，Butterworths，London，1976.