铝合金基础教材第一编1

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1、- 1 - 1概述11铝的历史1782 年，法国化学家 A.L. 拉博瓦着发现了矾土（即今天的氧化铝）具有金属氧化物的性能，并将这种金属命名为铝（Alumine ）1807 年英国电化学家，得彼 用电化学方法将矾土分离，确认了金属铝的存在，将其命名为Alumium,之后，又叫 Aluminum,又称为 Aluminium。1854 年，法国戴维用纳作还原剂炼铝，在拿破仑三世支持下建立了炼铝厂。1886年，美国霍尔，法国郝鲁特发明熔盐电解炼铝法，用冰晶石作溶剂，将氧化铝溶解，然后电解。1887 年，澳大利亚拜尔用湿式碱法发明了氧化铝提取方法，结合熔盐电解，确立了从矾土到金属铝的现代铝生产方法。-

2、 2 - 12 世界各国的原铝生产及消费世界各国原铝生产量分布（1999年）罗威 4%德国 3%巴西 5%南美 3%加拿大 10%苏联 13%其它 25%美国 16%中国 11%澳大利亚 7%印度 3%主要国铝产业及日本各领域铝材用量主要国铝总需要量构成比 (1998年)0%10%20%30%40%进口建设日用品(金属制品)电气通信一般机械包装其它出口世界各国新原铝消费量分布（1999年）法国 3%印度 3%韩国 4%德国 7%美国 26%中国 13% 日本 9%其它 26%加拿大 3%意大利亚 3%英国 3%2000年日本各领域铝材用量比食品业 10.5%进口 31.7%金属制品 12.5%

3、土木建筑 19.5%其它 9.8%出口 6.3%电力 1.1%化学 0.2%电气通信 4.6%产业机械 3.7%- 3 - 13 我国铝锭，铝材，铝型材产量（表1） 单位：万吨年份1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 铝锭1901 2178 2336 2810 2899 342 5 4358 5563 铝材1620 1761 1471 1766 2177 230 5 2988 铝型材828 886 38 3 462 578 106 7 1760 14 我国铝型材发展的三个阶段（表2）阶段特征标志1952 年1979 年为奠基阶段因国家军事发展需要，建立

4、 了以生产军品为主的铝加工厂。东北轻合金加工厂1956 年投 产，西南铝加工厂60 年末投产， 西北铝加工70 年代初产。1980 年1992 年为调整发展 阶段随着民用建筑材料市场发展 需要，（用铝窗代替木窗，钢 窗）涌现一批国营、民营铝型材厂，铝加工从军品转向 民品为主。广东铝材厂的大量建成。1992 年至今为高速发展阶 段民用建筑材与交通运输材相 结合的格局。国内几大铝加工厂如：兴发， 亚洲，金桥，忠旺，丛林， 等大型企业形成。15 我国铝型材行业资料1）目前有铝型材企业约650家2）挤压机为 2500台，其中 2000吨以上 57台， 5000吨以上 8 台，8000 吨以上 4 台。

5、3）拥有表面处理生产线约600 余条。4）产品结构：建筑铝型材：工业铝型材 =7：3 2有关铝产业在公元前 50003000 年就开始使用铁、铜，但直到100 年前才运用到铝，所以铝被称之为年轻的金属。铝因其性质优良而广泛用到高层建筑建材，车辆，船舶，电气通信器材，金属材料，在其越来越广泛应用的同时，其产量也仅次于铁而成为居第二位的金属。铝为什么如此引起注目呢，是因为其比重轻易加工。如：以挤压制造出的窗框，不经过焊接，弯曲等工艺，就能通过简单的组立、较低的成本制作成形状复杂且精密的物品。又如，- 4 - 用锻造法制作出的具有高品质的铝部品，作汽车配件有利于汽车的轻量化。铝是可回收的金属，废铝再

6、生简单，不必消耗像电解铝那么多能源，价值也高，使用铝对资源环境都有十分重要的意义。如上所述铝在降低输送机构的能耗及提升效率，使其科技水平提高，提高人民生活水平，扩大耐用消费领域，废物的再生利用，节约资源等方面都将是十分看好的金属材料。下图为和胜铝制品厂型材断面图例- 5 - 3铝的特征铝（99.996）的物理性质如下表所示。但含有不纯物或添加不同元素时，其性质会发生变化。像这种铝及铝合金的特征将在后文进行介绍。在室温下纯铝（ 99.996）的性质项目数值CGS 制SI 单位制 原子量26.98 原子序号13 晶体结构面心立方晶格常数4.096108cm 密度2.70(g/cm3) 线膨胀系数2

7、3.7106/deg 23.7 106/K 融点660.4融解热94.6cal/g 10.7KJ/mol 沸点2470 蒸发热2576 cal/g 291 KJ/mol 比热0.215 cal/(g deg) 24.3J/(K mol) 热传导率0.566 cal/(cmsdeg) 237W/(m K) 电传导率37.66/( mm2) 37.66Sm/mm2 比电阻0.02655 mm2/m 电阻温度系数4.2 103电化学当量0.3354g/(Ah) 磁化率0.61 106cm3/g 杨氏率6.97103kgf/mm268.3109N/m2 刚性率2.60103kgf/mm2 25.510

8、9N/m2泊松比0.34 - 6 - 31 轻量铝的比重约 2.70，在实用合金材料中仅 次 于 镁 （ 1.74 ）， 大 约 是 铁（7.87） ，铜(8.96)的 1/3，作为在一般所使用的金属中最轻的金属，在航空机，船舶，车辆等的交通机械， 建筑， 土木等领域起着轻量化的作用。32 硬度高在铝中添加各种元素后，进行加工或者热处理，能控制强度。除此外，依合金的种类，性质区别，抗拉强度可变范围为760Kgf/mm2 可依照用途选用比强度的材质。1711.55.3 2.7镁铝铁铜强度比比强度抗拉强度 /比重33 良好的加工性因延展性好， 能够简单制作出板， 金属薄片，棒，管，形材等各种形状的

9、制品。除此外切削，锻造，弯曲等的加工性能方面也很出色，特别是挤压加工，即使是断面复杂的形状也容易达到。34 良好的耐腐蚀性铝在空气中生成细密安定的氧化皮膜，这个皮膜防止自然腐蚀。 （此皮膜具有自已补修功能）特别在建筑，汽车，船舶，海洋开发等的领域，发挥着重要作用。35 良好的表面处理性能让表面形成无色透明的氧化皮膜，利用阳极氧化处理，在保持漂亮的银白色金属光泽的同时，耐蚀性，耐摩耗性也能得到飞跃般的改善。使用染色，自然发色，电解着色等方法，能够产生各种色调，因此在家庭用品建筑物的内外装修方面也多被使用。1.742.77.878.96镁铝铁铜比重平均侵蚀深度3um 400um 铝铁- 7 - 3

10、6 良好的低温特性随着温度的下降， 强度的上升，即将在极低温条件下也不会像普通钢那样因低温出现脆化。所以，在低温成套设备装置中也被广泛使用。37 焊接性好熔接，焊接，钎焊，电阻焊接，铆接，熔着等，用各式各样的方法能得到更好的连接。其焊接技术以惊人的速度发展，在更多的领域中设计及施工非常合理。38 电气传导性好导 电 率 约 为 铜 的 60 ， 使 用 铜 重 量一半的铝，能通过与铜同量的电流，可适用于送电线的配线。1066012100银铝铁铜导电率39 热传导性好 易传热，可使用于热交换器， 家庭用品， 用于 致热及致冷装置。1.020.520.140.93银铝铁铜热传导率310 反射性好铝

11、的表面有色光线及幅射热， 电波的反射大，在电解研磨面上可反射视光线的8090，红外线的 95。利用这些，可用于暖器的反射板， 照明装置，抛物面天线。311 非磁性铝几乎不受电磁器磁场影响，不带磁性。用于需要具有非磁性的各种电气机器类。312 无毒性无毒性，与食品类不会产生反应，适用于食品包装容器，家庭用器物。313 真空特性好铝用在真空装置的材料上时， 气体放出量非常小，真空性能比其它材料优越，因此，活用于各种的高真空泵及配管，高真空半导体装置，物理化学实验装置等。（cal/cm .sec ）- 8 - 4铝合金的种类铝合金有板，形材，管，棒，线，锻造品等的展伸材料，与金属模铸物，压铸等的铸物

12、材有较大的区别。另外，依照添加元素的种类，分可或不可热处理形，因为与挤压有关的材料为展伸材料，所以这里只叙述展伸材料。41 根据合金组成及热处理性分类在 JIS 规格内，根据合金名组成进行分类。JIS 展伸用铝合金根据主要添加的元素，按照以下分类：纯铝1000 系铝Al-Cu 系合金2000系合金Al-Mn 系合金3000系合金Al-Si 系合金4000系合金Al-Mg 系合金5000系合金Al-Mg-Si 系合金6000系合金Al-Zn-Mg 系合金7000系合金除了这些主要元素外，还被添加更多其它数种的合金元素，结合其使用目的制造。另外，各系的合金是否有热处理性，按照以下分类。纯铝（100

13、0系）非热处理型合金Al-Mn 系合金（3000系）Al-Si 系合金（4000 系）Al-Mg 系合金（5000 系）展伸材Al-Cu 系合金（2000系）热处理型合金Al-Mg-Si 系合金（6000系）Al-Zn-Mg 系合金（7000系）- 9 - 42 各系合金的性能及应用范围1) 1000 系铝材1000 番号表示工业用纯铝 ,1100、1200 较有代表性，纯度都在 99.00%以上的纯铝系材料 ,1100阳极氧化处理后光泽良好是因为添加微量Cu。1050、1070、1085 表示各自的纯度为99.50%、99.70%、99.85%以上的纯铝材料 .此系的材料加工性，耐腐蚀性都很

14、优越，但是因为强度低不适合于构造材。大多用于不要求强度的家庭用品，日用品，电气器具等。在纯铝里含有的不纯物为Fe，Si，随着不纯物减少耐腐蚀性就会提高，阳极氧化处理后的表面光泽改善。因此用于化学，食品，工业用容器，装饰品，标牌，反射板等等。另因Fe，Si 含量也会影响到冲床成形性，其量和比也同合金元素一样进行控制。另外，因导电，传热性能优越，1060、1070多用于配电用材料，散热材料。2）2000 系合金众所周知较有代表性的硬铝，超硬铝如2017，2024 其硬度可以和钢材匹敌，但因为含铜量较高耐腐蚀性低劣，在有腐蚀环境的情况下需要做充分防腐处理。作为航空器材表面为达到防腐目的，使用纯铝配合

15、的压延材料。2014作为高强度锻造材也有极为广泛的用途。因为熔化焊接性次于其它铝合金，一般用于铆钉，螺钉结合，电阻点的焊接。切削性良好，特别是添加了 Pb，Bi 的 2011合金作为很优良的快削性合金多用于机器部品。3）3000 系合金3003是此系代表性合金，根据添加的Mn 也不会减低铝的加工性，耐腐蚀性，且强度还会有所增加。在器物，建材，容器等有广泛的用途。于 3003 相当的合金里添加1%Mg 的 3004，3104因为可以让其增加强度多用于彩色铝材，铝罐，房顶的板材，门嵌板。4）4000 系合金4032 根据 Si 的添加控制热膨胀率，改善耐磨损性。还会因添加Cu，Ni，Mg 等微量元

16、素而提出高耐热性，用于作为锻造活塞用材料。4043熔点低，用于焊接线等， 另外因此合金的 Si 粒子分散阳极氧化处理皮膜呈灰色，用于高楼建筑的外装嵌板。5）5000 系合金- 10 - Mg 的添加量比较少，多用于装饰用材，器物用材，构造材。同时合金的种类也很多。Mg 添加量比较少的装饰用材， 高级器物用 5N01 合金，车辆用内装板， 建材，器物料用 5005，中程度含 Mg 代表性的合金 5052，其强度为中等， 也是最一般的合金， 5083因 Mg 含量高作为非热处理合金具有最高的强度，焊接性良好，因此作为焊接构造材用于船舶，车辆，化学设备等。此系合金在冷加工状态下强度稍低，延伸增加会显示经年变化，所以进行安定化处理。海水和工业地带的污染较强， 如外观无问题就不怎么需要防腐处理，另外如 5083其 Mg 含量高，过度的冷加工，高温状态下使用会产生应力腐蚀破裂，通常是作为构造材料软质材被