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铝合金

aluminiumalloys

以铝为基加入其他元素组成的合金。纯铝的导电、导热和耐蚀性能良好，主要用作导电、导热材料，但强度低，不宜作结构材料。铝可与许多化学元素形成合金以改善性能。铝合金比重轻，比强度接近合金钢，比刚度超过钢，塑性好，铸造和可切削性也较好，适宜制造重量轻的结构部件，因此成为航空工业不可缺少的材料，在交通运输、建筑、轻工、化工、仪表机械等部门，在家用器具方面也得到广泛应用。铝及某些铝合金用阳极氧化等法处理，通过着色工艺，生成各种颜色（见铝的氧化着色），广泛作包装、装饰材料使用。

考尔斯兄弟（Cowles）于1885年首先制出含铁和铜的铝合金。早期使用的铝合金中最常用的合金元素是铜、锌和镁，主要的使用形态是铸态。1906年前后，德国人维尔姆（A.Wilm）在可变形的铝铜合金中加入镁，以获得固溶强化效果，但发现该合金经过淬火在室温放置若干时间后（即进行时效处理），硬度大增。他指出，含铜4％，镁、锰、铁、硅各0.5％的铝合金，时效硬化效果最为明显。这一研究使铝合金得以作为结构材料使用，对铝合金的发展起了推动作用。这类铝合金就是后来得到广泛应用的杜拉铝（Duralumin）,即硬铝合金。第一次世界大战期间，铝合金已用作飞艇的结构材料。1921年帕茨（A.Pacz）发现在铸造铝硅合金中加入万分之几的钠（后来称为变质处理）,合金性能获得很大改善,于是铸造铝硅合金便得到大量应用（见金属的强化）。

1938年纪尼埃(A.Guinier)和普雷斯顿(G.D.Pres-ton)对铝合金的时效处理初始阶段进行研究，指出硬度的增加是由于溶质原子偏聚（即形成GP区）的结果（见脱溶）。这是对金属学理论的一大贡献。铝合金研究和发展初期主要与航空工业联系在一起，此后用途不断扩大，发展很快；在金属材料中，铝的产量仅次于钢铁，居于有色金属的首位。

铝合金中的主要合金元素有镁、硅、铜、锌和锰。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系合金是飞机使用的薄板、中厚板、锻件和挤压件的基本材料，而Al-[hjm]g-Si系合金在航空工业,特别在建筑工业中得到广泛应用几种常见的二元铝合金系相图(铝角部分)见图1[铝硅、铝铜、铝镁和铝锌二元相图(铝角部分)]。

铁和硅是铝合金的主要杂质铁和铝形成FeAl和多种金属化合物。在铸造合金中，硅、铁作为合金添加剂加入到某些铝合金中时，会形成更多的FeAl等化合物，当它们呈片状存在时,使合金塑性降低,耐蚀性变差。在变形的Al-[hjm]g系合金中,铁和硅也损害合金的强度塑性和抗蚀性。所以在硬铝合金中还应控制铁和硅的相对含量。此外，铁和硅对铝合金的氧化着色也有不利影响。

变形铝合金具有较高的强度和塑性，能用金属塑性变形加工成各种形状的材料。其中热处理可强化的合金的强化途径，除采用加工硬化外,主要通过固溶-时效、形变热处理等工艺改善合金的强度。几种典型的变形铝合金的成分和性能见表1[几种典型的变形铝合金的成分和性能]。

硬铝合金热处理可强化。包括Al-Cu-[hjm]g系和Al-Cu-[hjm]n系合金硬铝合金的强度和耐热性能都好,但耐蚀性能不如纯铝和防锈铝合金。合金成分和组织分布的均匀性和工艺因素(尤其是热处理工艺)影响耐蚀性能颇大。常采用包铝方法提高硬铝制品在海洋和潮湿大气中的耐蚀性。硬铝合金广泛用于制造飞机的各种构件和铆钉材料。在造船、建筑等部门也大量应用硬铝合金。用量最多和使用最广的合金牌号是LY12和LY11Al-Cu-[hjm]g系合金的强度与铜和镁的含量有关，含铜4％和镁2％的合金具有较高的强度，而含铜3～4%和镁0.5～1.2%的合金具有最好的自然时效效果。添加1%以下的锰可消除铁的有害影响,改善合金的耐蚀性和耐热性。由Al-Cu-[hjm]g系发展出来的Al-Cu-[hjm]g-Fe-Ni系锻造合金具有良好的高温强度和工艺性能。Al-Cu-[hjm]n系合金的工艺性能良好,易于焊接,主要用于制造耐热可焊的结构材料和锻件,典型的合金为LY16。

超硬铝合金属于Al-Zn-[hjm]g-Cu系合金，是强度最高的铝合金。合金的强度可达80公斤力/毫米，但耐热和耐蚀性能差。超硬铝合金是在Al-Zn-[hjm]g系的基础上发展起来的。锌和镁共存于合金中，在固溶时效后形成GP区、亚稳相或相使合金得到强化。这种合金对缺口敏感,抗应力腐蚀性差,工业上很少使用；适当地控制锌和镁的比例并添加铜、锰等元素以进一步提高合金的强度，改善塑性和耐应力腐蚀性能后，这种合金才在工业上广泛使用。典型的合金为LC4，固溶-时效处理后的强度达60公斤力/毫米，主要用于制作飞机的蒙皮、螺钉、承力构件、大梁桁条、隔框和翼肋等。

防锈铝合金是热处理不可强化合金，靠冷加工硬化提高强度。主要用于制造飞机油箱、油路导管、铆钉线等，在建筑、食品工业中也广泛应用。防锈铝合金包括Al-[hjm]n和Al-[hjm]g系合金。Al-[hjm]n系合金中，通常含锰量1.0～1.6％,塑性和深冲性能良好,但易形成粗大晶粒。Al-[hjm]g系合金强度和耐蚀性能优于Al-[hjm]n系合金,焊接性好，合金的品种多。合金含镁可降低合金的比重。二元Al-[hjm]g系合金晶粒粗大,加少量锰可细化晶粒,提高耐应力腐蚀的性能。高镁的铝镁合金易出现“钠脆性”，即不溶于铝的微量杂质钠呈游离态富集于晶界，严重损害合金的热塑性加工性能。

锻铝合金以Al-[hjm]g-Si系合金为主,该系合金高温强度低，热塑性好,可锻成形状复杂的锻件和模锻件,也可轧成板材及其他型材。此类合金除含有镁和硅元素外，常含有铜。主要强化相为化合物[hjm]gSi相。过剩的镁将会影响强化效果，而过剩的硅对强度无明显的影响，常要求含较高的硅。典型的合金为LD10和LD5。

铸造铝合金可采用金属铸造成形工艺直接获得零件的铝合金，合金元素含量一般高于相应的变形铝合金系的含量。中国铸造铝合金以“ZL”表示，依主要添加元素分为四类此外,Al-[hjm]n铸造合金可着色做装饰材料。几种铸造铝合金的牌号、化学成分和性能见表2[几种典型铸造铝合金成分和性能]。

铝硅系合金常称“硅铝明”或“矽铝明”(Silumin)，与其他系铸造合金相比，该系合金成分位于共晶成分附近，有良好的铸造性能和耐磨性能，热胀系数小，是铸造铝合金中品种最多、用量最大的合金。工业用铝硅合金的硅含量可高达25％。分为过共晶铝硅合金（硅含量大于14％）、共晶铝硅合金（硅含量为10～14％）和亚共晶铝硅合金（硅含量小于10％）。变质处理可提高铝硅合金的力学性能。过共晶铝硅合金的变质剂为磷，亚共晶和共晶铝硅合金的变质剂为钠盐。经过变质处理和未经变质处理的铸造铝硅合金系的力学性能见图2[铸造铝硅合金的力学性能]。添加0.2～0.6％镁的铝硅合金（ZL101）广泛用于制作各种结构件如壳体、缸体、箱体和框架等。添加适量的铜和镁能提高合金的力学性能和耐热性，此类合金（如ZL108）广泛用于制造活塞等部件。

铝铜系合金应用最早的铸造铝合金。此类合金可以通过固溶-时效处理进行强化,含4.5～5.3％铜的合金强化效果最佳。加入适量的锰和钛能显著提高室温、高温强度和铸造性能（ZL201），主要用于制作承受大的动、静载荷和形状不复杂的砂型铸件。

铝镁系合金密度最小的铸造铝合金。含镁12％的合金强化效果最佳。实用的合金中含镁量不超过11.5％。典型的二元合金是ZL301。该系合金在大气和海水中抗腐蚀性能好，在室温下具有良好的综合力学性能和可切削性能,常用作雷达底座,飞机的发动机匣、螺旋桨、起落架等零件。由于加工后表面光亮呈银白色，可作装饰材料。

铝锌系合金铸造和耐蚀性能差，热裂倾向大，有应力腐蚀倾向。为改善性能,常加入硅、镁元素,典型的合金为ZL401，常称为“锌硅铝明”。在铸造条件下这种合金即可取得淬火的作用，有“自行淬火”之称。这种合金不经热处理即可使用。经变质处理后的铸件具有较高的强度。经稳定化处理后，尺寸稳定，常用于制作模型、型板及设备支架等。

热处理固溶热处理和时效处理是铝合金最重要的热处理工艺。铝合金与钢不同，在固态下仅有溶解和脱溶转变，淬火状态并不能达到合金强化的目的。淬火的目的是通过迅速冷却，在低温下获得不稳定的过饱和组织，给自然和人工时效创造条件。可以热处理强化的铝合金经过固溶和时效处理后，强度和硬度能明显增高。强化的效果同时效处理的温度和时间有密切关系。时效产物对铝铜合金硬度的影响见图3[时效产物对铝铜合金硬度的影响]。

时效处理按温度可分为自然时效和人工时效。自然时效通常在室温下进行。在人工时效中，先低温后高温的时效称为分级时效Al-Cu-[hjm]g系硬铝合金须经固溶和自然时效或人工时效处理,而超硬铝LC4合金一般采用分级时效处理。自然时效处理后的合金，在230～250短时间保温后快冷到室温，合金又重新软化，恢复到新淬火状态,放置在室温下仍能正常地进行自然时效处理,这种现象称为“回归”。在生产中自然时效处理后的铝合金，经回归处理重新软化，就可以进行各种冷变形（如铆接）操作。

参考书目

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