鋁及其合金論文

鋁及其合金摘要鋁合金分兩大類：鑄造鋁合金，在鑄態(tài)下使用；變形鋁合金，能承受壓力加工，力學(xué)性能高于鑄態(tài)?？杉庸こ筛鞣N形態(tài)、規(guī)格的鋁合金材。主要用于制造航空器材、日常生活用品、建筑用門窗等。鋁合金按加工方法可以分為形變鋁合金和鑄造鋁合金。形變鋁合金又分為不可熱處理強(qiáng)化型鋁合金和可熱處理強(qiáng)化型鋁合金。不可熱處理強(qiáng)化型不能通過(guò)熱處理來(lái)提高機(jī)械性能，只能通過(guò)冷加工變形來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，它主要包括高純鋁、工業(yè)高純鋁、工業(yè)純鋁以及防銹鋁等?？蔁崽幚韽?qiáng)化型鋁合金可以通過(guò)淬火和時(shí)效等熱處理手段來(lái)提高機(jī)械性能，它可分為硬鋁、鍛鋁、超硬鋁和特殊鋁合金等。鑄造鋁合金變形鋁合金固溶強(qiáng)化時(shí)效強(qiáng)化正文一.概述1825年由丹麥化學(xué)家奧斯德發(fā)現(xiàn)。1827年德國(guó)化學(xué)家武勒重復(fù)了奧斯德的實(shí)驗(yàn)，并不斷改進(jìn)制取鋁的方法。1854年德國(guó)化學(xué)家德維爾用鈉代替鉀還原氯化鋁，制得鋁錠。地殼中含量7%以上，在全部化學(xué)元素中含量占第三位(僅次于氧和硅)，在全部金屬元素中占第一位。鋁呈銀白色，密度2.702g/cm3，熔點(diǎn)660.37^，沸點(diǎn)2467°C。鋁熱法：用鋁從其它氧化物中置換金屬。如：8Al+3Fe3O4=4Al2O3+9Fe+795千卡高溫下鋁也與非金屬反應(yīng)，亦溶于酸或堿中。但與水、硫化物，濃硫酸、任何濃度的醋酸，以及一切有機(jī)酸類均無(wú)作用。鋁以化合態(tài)存在于各種巖石或礦石里，如長(zhǎng)石、云母、高嶺土、鋁土礦、明磯。鋁由其氧化物與冰晶石(Na3AlF6)共熔電解制得。純鋁大量用于電纜、日用器皿；其合金質(zhì)輕而堅(jiān)韌，是制造飛機(jī)、火箭、汽車的結(jié)構(gòu)材料。二?工業(yè)純鋁1?純鋁的特性鋁：原子序數(shù)為13，原子量為26.98，面心立方結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)660C，密度2.702，晶格常數(shù)4.05A，原子直徑2.86A，標(biāo)準(zhǔn)電極電位一1.67V高的耐大氣腐蝕性：鋁在大氣中極易和氧作用生成一層牢固致密的氧化膜，厚度約為50?100A,可防止鋁繼續(xù)氧化；即使在熔融狀態(tài)，仍然能維持氧化膜的保護(hù)作用。因此，鋁在大氣環(huán)境中是抗蝕的。A12O3膜具有酸、堿兩重性，因此，純鋁除在氧化性的濃硝酸(80?98%)中有極高的穩(wěn)定性外(優(yōu)于Ni-Cr系不銹鋼)，在硫酸、鹽酸、堿、鹽和海水中均不穩(wěn)定。良好的低溫性能、無(wú)低溫脆性：在攝氏零度以下隨著溫度的降低，其強(qiáng)度和塑性提高。高的導(dǎo)電性：位于銀、銅、金之后。高的導(dǎo)熱性：熱交換器。無(wú)磁性：沖擊不產(chǎn)生火花，用于制作如儀表材料、電氣設(shè)備的蔽材料，易燃、易爆物的生產(chǎn)器材等。低強(qiáng)度、高塑性：強(qiáng)度為80MPa?130MPa，延伸率30?50%，鋁箔。2?鋁中雜質(zhì)主要雜質(zhì)為Fe和Si，其次有Cu、Zn、Mn、Ni、Ti等。Fe、Si含量及相對(duì)比例(鐵硅比)對(duì)純鋁性能有很大影響。共晶溫度時(shí)的極限溶解度，鐵0.052%、硅1.65%，并隨溫度下降而急劇減小。鋁中存在很少的鐵或硅時(shí)就出現(xiàn)FeA13或B(Si)，它們性質(zhì)硬脆，使純鋁塑性變差，尤其針狀的FeA13影響更甚。Fe、Si共存時(shí)，出現(xiàn)FeA13和B(Si)相、a(Fe3SiA112)及B(Fe2Si2A19)。WFe>WSi，富Fe化合物a(Fe3SiA112)。WSi>WFe，富Sip(Fe2Si2)，骨骼狀a(Fe3SiA112)，枝條狀a(Fe3SiA112)，粗針狀B(Fe2Si2A19)。這些相又硬又脆，使鋁的塑性急劇下降，后者尤為嚴(yán)重。硅含量控制要求更嚴(yán)格，F(xiàn)e：SiN2?3。鋁中鐵硅比不當(dāng)時(shí)，會(huì)引起純鋁鑄錠產(chǎn)生裂紋。W(Fe+Si)小于0.65%時(shí)，WFe>WSi以減少鑄錠開裂傾向。W(Fe+Si)大于0.65%時(shí)，共晶數(shù)量增加，熱裂紋易被共晶液體充填而愈合。所以鐵硅比的影響減小。FeA13、a、B相的電位比鋁高，破壞了純鋁表面氧化膜的連續(xù)性，因而降低了純鋁的耐蝕性，同時(shí)也降低了純鋁的導(dǎo)電性。高純鋁N99.999%工業(yè)高純鋁99.95%?99.996%工業(yè)純鋁：99.00%?99.85%3?純鋁的應(yīng)用高純鋁主要用于科研、化學(xué)工業(yè)、電子工業(yè)以及其它一些特殊用途。日常生活用品用1050A(L3)制造。大部分純鋁用于熔制鋁合金，有些純度不高的鋁有時(shí)也用來(lái)加工成各種半成品。1A50食品、化學(xué)和釀造工業(yè)用擠壓盤管，各種軟管，煙花粉1A60要求抗蝕性與成形性均高的場(chǎng)合，但對(duì)強(qiáng)度要求不高，化工設(shè)備是其典型用途1070用于加工需要有良好的成形性和高的抗蝕性但不要求有高強(qiáng)度的零件部件，例如化工產(chǎn)品、食品工業(yè)裝置與貯存容器、薄板加工件、深拉或旋壓凹形器皿、焊接零部件、熱交換器、印刷板、銘牌、反光器具1A45包裝及絕熱鋁箔，熱交換器1A99電解電容器箔，光學(xué)反光沉積膜超高純鋁：5N5-6N的超高純鋁（每種雜質(zhì)的最大含量0.4ppm比原鋁更好的導(dǎo)電性、延展性、反射性和抗腐蝕性，在電子工業(yè)及航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的用途。半導(dǎo)體制造業(yè)用濺射靶材：制造芯片時(shí)，等離子態(tài)鋁沉積于硅片上形成一層薄而均勻、缺陷極少的鋁膜，隨后在膜上涂一層感光性樹脂，經(jīng)曝光腐蝕掉無(wú)用的部但未感光的樹脂），而保留的極窄的鋁條便是所需的導(dǎo)電體。集成電路配線：超高純鋁中的痕量雜質(zhì)鈾與釷是越少越好，因?yàn)樗鼈兪欠派湫栽?，在不斷釋放a粒子，造成集成電路出現(xiàn)故障，使程序失誤與混亂。超高純鋁5N2U+Th<5ppb（wt%）、超高純鋁5N5U+Th<1ppb（wt%）超導(dǎo)電纜穩(wěn)定化材料：5N2及5N5靶材應(yīng)用于平板顯示器用濺射靶材。電氣電子材料：5N2超純鋁用于制造光電子存儲(chǔ)媒體，如CD、CD-ROM、CD-RW、數(shù)據(jù)盤或微型盤、DVD銀盤等。在銀盤中用5N超純鋁濺射膜作為光反射層。三?鋁合金純鋁中加入適量其它元素如Si、Cu、Mg、Zn等即為鋁合金1?鋁合金的分類與應(yīng)用（1）?按鋁合金所處相圖的位置分類：鋁合金：形變鋁合金、鑄造鋁合金小能熱處珥!/拓化的雷合京A］「E冶金）/%小能熱處珥!/拓化的雷合京A］「E冶金）/%溫.段/紀(jì)1）形變鋁合金：相圖中D點(diǎn)以左的部分。該類鋁合金加熱至固溶線FD以上時(shí)能形成單相a固溶體，塑性好，適用于壓力加工成形。不能熱處理強(qiáng)化的形變鋁合金：相圖中F點(diǎn)以左的部分，組織為單相固溶體，且其溶解度不隨溫度而變化，無(wú)法進(jìn)行熱處理強(qiáng)化；可熱處理強(qiáng)化的形變鋁合金：相圖中F和D之間的形變鋁合金，固溶體的溶解度隨著溫度而顯著變化，可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。2）鑄造鋁合金：相圖中D點(diǎn)以右的部分，有共晶鋁合金、亞共晶鋁合金和過(guò)共晶鋁合金之分。（2）?按加入合金元素后鋁合金的性能特點(diǎn)分類：1）防銹鋁合金：主加元素為Mn或Mg，形成Al-Mg《5XXX》或Al-Mn《3XXX》Mg：是固溶強(qiáng)化和降低密度，對(duì)耐蝕性能的影響較??；Mn：提高合金的抗蝕能力和固溶強(qiáng)化。該類合金為單相固溶體，具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力以及較好的冷變形能力和焊接性能，不能時(shí)效強(qiáng)化，但可形變強(qiáng)化。2）硬鋁合金Al-Cu合金中再加合金元素Mg或Mn形成的Al-Cu-Mg和Al-Cu-Mn系鋁合金。Al-Cu-Mg系硬鋁稱為普通硬鋁Al-Cu-Mn系硬鋁稱為耐熱硬鋁硬鋁可通過(guò)熱處理（固溶+時(shí)效）強(qiáng)化，也可形變強(qiáng)化。硬鋁存在兩點(diǎn)不足，一是抗蝕性差，由于合金中含有大量的銅，而含銅固溶體和化合物的電極電位均高于晶界，因此易產(chǎn)生晶界腐蝕，使用過(guò)程中需采取包鋁陰極保護(hù)、噴漆等防腐措施。二是硬鋁的固溶處理溫度范圍窄。^口2A12（LY12）為495?503°C。低于該溫度時(shí)固溶體的過(guò)飽和度不足，影響時(shí)效效果；高于該溫度時(shí)，又易產(chǎn)生晶界熔化。3）超硬鋁合金為Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量的鉻和錳。形變鋁合金中力學(xué)性能最高，抗拉強(qiáng)度達(dá)600?700MPa。超硬鋁的熱處理強(qiáng)化效果（固溶+時(shí)效）最顯著，熱塑性好，易加工成形，但缺口敏感性大，疲勞極限低，抗蝕性差，高溫下軟化快。落架等4）鍛造鋁合金鍛鋁有Al-Mg-Si、Al-Cu-Mg-Si、Al-Cu-Mg-Fe-Ni等合金系。該類合金的合金元素種類多而含量少，具有良好的熱塑性和鍛造性，并可熱處理強(qiáng)化。Al-Mg-Si系合金：宜于制造形狀復(fù)雜的型材和鍛件，如飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)中工藝性和耐蝕性要求較高的零件；Al-Cu-Mg-Si系合金；用于制造形狀復(fù)雜、承受中等載荷的各類大型鍛件和模鍛件，但該合金有應(yīng)力腐蝕和晶界腐蝕的傾向，不宜作薄壁零件；Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金：因含有較多的Fe、Ni，因而具有較高的耐蝕性能，適宜于制造發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞、汽輪機(jī)葉片等耐高溫和耐腐蝕的零件。（3）?典型鋁合金固溶時(shí)效后的性能表1:典型鋁合金固溶時(shí)效后的性能合金類別代號(hào)主要化學(xué)成分,%熱處理機(jī)械性能CuMgMn其它°bHB防銹鋁5A054.5~5.50.3~0.6退火成%870—3A211.0~1.61702330硬鋁2.2~3.00.2~0.5固溶處理+自然時(shí)30024703.8~4.80.4~0.80.4~0.8420181002A123.8~4.91.2~1.80.3~0.948011131超硬鋁7A041.4~2.01.8~2.80.2~0.6Zn5.0~7.0固效處理+人工時(shí)效600121502.2~2.82.5~3.20.2~.5Zn7.6~8.66807190鍛鋁1.8~2.60.4~0.80.4~0.8Si0.7~1.2420131051.9~2.51.4~1.8NiFe440131205A103.9~4.80.4~0..80.4~1.0Si0.5~1.2480101352?鋁合金的強(qiáng)化固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、過(guò)剩相強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、冷變形強(qiáng)化?固溶強(qiáng)化無(wú)限互溶合金系的組元間具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)、原子尺寸差異小，固溶體晶格畸變程度較低，因而固溶強(qiáng)化效果不大。如鋁鋅、鋁銀合金系，固溶強(qiáng)化作用差，因此，Al-Zn、Al-Ag簡(jiǎn)單二元合金沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。固溶強(qiáng)化效果主要取決于基體金屬與合金元素原子半徑差別的大小，原子半徑差別越大，強(qiáng)化效果越明顯，采用溶解度超過(guò)1%的其他幾個(gè)元素，如Al-Mg，Al-Cu、A1-Mn、A1-Si合金系有實(shí)用價(jià)值用多元少量合金化來(lái)形成新的強(qiáng)化相或改變沉淀硬化特性，使固溶強(qiáng)化效果更大，如Al-Cu-Mg系，可形成CuAl2(9相)、Al，CuMg(S相)等強(qiáng)化相，從而使合金獲得顯著強(qiáng)化。?沉淀強(qiáng)化(時(shí)效強(qiáng)化)鋁合金固溶強(qiáng)化效果有限，要想獲得高強(qiáng)度，必須配以時(shí)效強(qiáng)化處理。合金元素在鋁中要有較大的極限溶解度，其溶解度隨溫度的降低而急劇減小，時(shí)效過(guò)程中形成均勻、彌散分布的共格或半共格過(guò)渡相，這種相在基體中能造成較強(qiáng)烈的應(yīng)變場(chǎng)，提高對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高合金的強(qiáng)度?？蔁崽幚韽?qiáng)化鋁合金：A1-Cu-Mg、Al-Mg-Si和Al-Zn-Mg系。?過(guò)剩相強(qiáng)化：加入鋁中的合金元素量超過(guò)其極限溶解度時(shí)，固溶加熱后便有一部分不能溶入固溶體的第二相出現(xiàn)，稱之為過(guò)剩相。鋁合金中的過(guò)剩相多為硬而脆的金屬間化合物，在合金中起阻礙位錯(cuò)滑移的作用，使強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性降低。Al-Si共晶鑄造合金的主要強(qiáng)化手段是靠過(guò)剩相強(qiáng)化。隨著硅含量增加，過(guò)剩相的數(shù)量增多，合金的強(qiáng)度、硬度相應(yīng)提高。但硅含量不能超過(guò)共晶成分太多，以免出現(xiàn)多角形的板塊狀初晶硅，導(dǎo)致強(qiáng)度和塑性的急劇降低。（4）?細(xì)晶強(qiáng)化：鋁合金中添加微量合金元素使鋁合金固溶體基體和過(guò)剩相組織細(xì)化，以提高鋁合金機(jī)械性能，這是細(xì)晶強(qiáng)化。鑄造鋁合金：加入微量元素（變質(zhì)劑）進(jìn)行變質(zhì)處理來(lái)細(xì)化鑄態(tài)組織。變質(zhì)處理適用于不能熱處理強(qiáng)化或強(qiáng)化效果不大的鋁合金。如鑄造鋁硅合金中加入微量鈉或鈉鹽或者銻等變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理，細(xì)化組織，可以顯著提高強(qiáng)度和塑性;鑄造鋁合金中加入少量錳、鉻或鉆等使雜質(zhì)鐵的板塊狀或針狀化合物AlFeSi細(xì)化，從而提高塑性。變形鋁合金中添加微量鈦、鋯、鈹以及稀土元素，能形成難熔化合物，合金結(jié)晶過(guò)程時(shí)作為非自發(fā)晶核，起到細(xì)化晶粒作用，提高合金的強(qiáng)度和塑性。例如鋁錳合金中添加0.02?0.3%Ti可細(xì)化組織。（5）鋁合金的固溶時(shí)效強(qiáng)化（固溶時(shí)效強(qiáng)化機(jī)制及步驟）通過(guò)高溫加熱使鋁合金中的強(qiáng)化相溶入基體，隨后快冷以抑制強(qiáng)化相在冷卻過(guò)程中重新析出，以獲得鋁基過(guò)飽和固溶體的過(guò)程。時(shí)效處理：過(guò)飽和固溶體在室溫下放置一段時(shí)間或加熱到一定溫度保溫一定時(shí)間后，基體中析出新相的過(guò)程。自然時(shí)效：過(guò)飽和固溶體在室溫下放置一段時(shí)間的時(shí)效人工時(shí)效：過(guò)飽和固溶體加熱到一定溫度保溫一定時(shí)間的時(shí)效100,A圖2：固溶時(shí)效強(qiáng)化3?鋁合金的合金化鋁合金強(qiáng)化是以Al與合金元素間形成的金屬間化合物在固溶體中的溶解度變化為基礎(chǔ)。各元素在鋁中的極限溶解度:Zn(31.6一2)、Mg(17.4一1)、Cu(5.65一0.5)、Mn(1.82)、Si(1.65)、Ag(56.5)、Ge(7.2)、Li(4.2)、Ti(1.3)Zn、Mg、Cu、Si與Al組成的二元和三元化合物在Al中的溶解度隨溫度的降低而強(qiáng)烈地減小，故可通過(guò)熱處理來(lái)提高強(qiáng)度，能形成這種化合物或強(qiáng)化飽和固溶體。Al—Zn—Mg—Cu系，為熱處理強(qiáng)化型Al合金。Al—Mg、Al—Si和Al—Mn等，加入的臺(tái)金元素雖然也有明顯的溶解度變化，但熱處理強(qiáng)化效果不大，只能以退火或冷作硬化狀態(tài)應(yīng)用，故稱之為非熱處理強(qiáng)化型鋁合金。Cr、Mn、Zr等在Al中的溶解度很小，但明顯改善合金強(qiáng)度和抗蝕性、抑制再結(jié)晶和細(xì)化晶粒。(1)-鑄造鋁合金鑄造有色金屬及其合金牌號(hào)表示方法統(tǒng)一如下：鑄造有色純金屬的牌號(hào)為Z+該金屬元素符號(hào)+純度百分含量數(shù)字(或用一短橫加順序號(hào))。如ZA199.5和ZTi-1。鑄造有色合金的牌號(hào)為Z+基體元素符號(hào)+主要合金元素符號(hào)及其名義百分含量數(shù)字+其他合金元素符號(hào)及其百分含量數(shù)字。如ZA1Si7Cu4、ZCuZn31A12、ZSnSb11Cu6等?；旌舷⊥猎胤?hào)用RE表示。優(yōu)質(zhì)合金在牌號(hào)后標(biāo)注字母“A”。鑄造鋁合金包括：Al-Si系鑄造鋁合金：代號(hào)為ZL1+兩位數(shù)字順序號(hào)又稱硅鋁明。其中ZL102(ZAlSi12)是含12%Si的鋁硅二元合金，稱為簡(jiǎn)單硅鋁明.在普通鑄造條件下，ZL102組織幾乎全部為共晶體，由粗針狀的硅晶體和a固溶體組成，強(qiáng)度和塑性都較差。生產(chǎn)上用鈉鹽變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理，得到細(xì)小均勻的共晶體加一次a固溶體組織，以提高性能。加入其他合金元素的鋁硅鑄造合金稱復(fù)雜(或特殊)硅鋁明。Al-Si系鑄造鋁合金的鑄造性能好，具有優(yōu)良的耐蝕性、耐熱性和焊接性能。用于制造飛機(jī)、儀表、電動(dòng)機(jī)殼體、汽缸體、風(fēng)機(jī)葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞等。Al-Cu系鑄造鋁合金：這類合金的耐熱性好，強(qiáng)度較高；但密度大，鑄造性能、耐蝕性能差，強(qiáng)度低于Al-Si系合金。常