铝和铝合金

铝材概述 铝（Aluminium）是一种银白色轻金属，商品常制成棒状、片状、箔状、粉状、带状和丝状。在潮湿空气中能形成一层防止金属腐蚀的氧化膜。铝粉和铝箔在空气中加热能猛烈燃烧，并发出眩目的白色火焰。铝易溶于稀硫酸、硝酸、盐酸、氢氧化钠和氢氧化钾溶液，难溶于水。 铝的相对密度2.70g/cm3，熔点660℃，沸点2327℃，具有良好的强度和塑性，添加合金元素后形成的铝合金具有较好的强度，超硬铝合金的强度甚至可达到600MPa，普通硬铝合金的抗拉强度一般也可达到200～450MPa，因此在机械制造中得到广泛的运用。 铝的导电性仅次于银和铜，居第三位，用于制造各种导线。铝具有良好的抗腐蚀性能和较好的塑性，适合于各种压力加工。铝材的分类 铝材：按有无合金成分，铝材分为纯铝和铝合金。铝合金按合金系列又分为Al-Mn合金、Al-Cu合金、Al-Si合金和Al-Mg合金等。 纯铝：纯铝按其纯度分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝三类。焊接主要是工业纯铝，工业纯铝的纯度为99.7-98.8%，其牌号有L1、L2、L3、L4、L5、L6六种。 铝合金：往纯铝中加入合金元素就得到了铝合金。根据铝合金的加工方法，可以分为变形铝合金和铸造铝合金两类。 变形铝合金按照其性能特点和用途又分为热处理可强化型铝合金（硬铝合金LY、超硬铝合金LC、锻造铝合金LD、特殊铝合金）和热处理不可强化型铝合金（防锈铝合金LF）。变形铝合金塑性好，适宜于压力加工。 铸造铝合金按加入合金元素不同，分为铝硅系（Al-Si）、铝铜系（Al-Cu）、铝镁系（Al-Mg）和铝锌系（Al-Zn）四种。 铝没有同素异构体，高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝、铝锰合金、铝镁合金等不可能通过热处理相变来提高强度。不能通过固溶时效析出强化相提高强度的称可热处理不可强化铝。热处理不可强化铝不能通过热处理的方法来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化。但是铝铜和铝镁硅等合金可通过固溶时效析出强化相提高强度，称为热处理可强化铝。热处理可强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能，它可分为硬铝合金LY、超硬铝合金LC、锻造铝合金LD和特殊铝合金等。在航空、汽车、造船、建筑、化工、机械等各工业部门有广泛应用。铝和铝合号的表示方法 我国目前的铝和铝合号表示方法在一般人看来比较混乱，基本上有三种体系牌号命名方法，即前苏联的牌号表示方法、四位字符体系和四位数字体系。1、 前苏联的牌号表示方法。2、 四位字符体系牌号命名方法。 1997年1月1日前，我国采用前苏联的牌号表示方法。规定以汉语拼音字母或国际元素符号作为主题词代号，表示其所属大类，如用L或AL表示铝，主题词以后，用成份数字顺序结合产品类别来表示，即主题词之后的代号可以表示产品的状态、特征或主要成份，如LF为防锈铝合金；LD为锻造用铝合金；LY为硬铝合金，这三种合金的主题词是铝合金。 一些老牌号的铝及铝合金化学成份与国际四位数字体系牌号不完全吻合，不能采用国际四位数字体系牌号代替，为保留国内现有的非国际四位数字体系牌号，不得不采用四位字符体系牌号命名方法，以便逐步与国际接轨。例如：老牌号LF21的化学成份与国际四位数字体系牌号3003不完全吻合，于是四位字符体系表示的牌号为3A21。 四位字符体系牌号的、三、四位为阿拉伯数字，第二位为英文大写字母（C、I、L、N、O、P、Q、Z字母除外）。牌号的位数字表示铝及铝合金的组别。除改型合金外，铝合金组别按主要合金元素（6XXX系按Mg2Si）来确定。主要合金元素指极限含量算术平均值为更大的合金元素。当有一个以上的合金元素极限含量算术平均值同为更大时，应按Cu、Mn、Si、Mg2Si、Zn、其他元素的顺序来确定合金组别。牌号的第二位字母表示原始纯铝或铝合金的改型情况，更后两位数字用以标识同一组中不同的铝合金或表示铝的纯度（1XXX系列牌号的更后两位数表示为更低铝含量的百分点，如1050含铝量99.5%、1060含铝量99.6%；2XXX～8XXX系列牌号的更后两位数没有特殊意义，仅用来区分同一组中不同的铝合金）。3、 四位数字体系牌号命名方法（目前国际标准方法）。 1997年1月1日，我国开始实施GB/T16474-1996《变形铝和铝合号表示方法》标准（新标准GB/T 16474-2011）。新的牌号表示方法采用变形铝和铝合金国际牌号注册组织推荐的国际四位数字体系牌号命名方法。例如工业纯铝有1070、1060等，Al-Mn合金有3003等，Al-Mg合金有5052、5086等。 四位字符体系和四位数字体系牌号个数字表示铝及铝合金的类别，其含义如下： 1XXX系列：工业纯铝（铝含量不小于99.00%。由于不含有其他技术元素，所以生产过程比较单一，价格相对比较便宜，是目前常规工业中更常用的一个系列。代表有1050、1060等。） 2XXX系列：Al-Cu、Al-Cu-Mn合金（以铜为主要合金元素的铝合金。2XXX系列铝合金的特点是硬度较高，其中以铜元素含量更高，大概在3-5%左右。2XXX系列铝棒属于航空铝材，在常规工业中不常应用。代表有2024、2A16、2A02等。） 3XXX系列：Al-Mn合金（以锰为主要合金元素的铝合金。我国3XXX系列铝合金的生产工艺较为。3XXX系列铝合金是由锰元素为主要成分，含量在1.0-1.5%之间，是一款防锈功能较好的系列。代表有3003、3A21等。） 4XXX系列：Al-Si合金（以硅为主要合金元素的铝合金。通常硅含量在4.5-6.0%之间。属建筑用材料、机械零件锻造用材、焊接材料；低熔点、耐蚀性好，具有耐热、耐磨的特性。代表有4A01等。） 5XXX系列：Al-Mg合金（以镁为主要合金元素的铝合金。5XXX系列铝合金属于较常用的合金铝板系列，含镁量在3-5%之间。主要特点为密度低、抗拉强度高、延伸率高、疲劳强度好，但不可做热处理强化。在相同面积下铝镁合金的重量低于其他系列，在常规工业中应用也较为广泛。代表有5052、5005、5083、5A05等。） 6XXX系列：Al-Mg-Si合金（以镁为主要合金元素，并以Mg2Si相为强化相的铝合金。6XXX铝合金主要含有镁和硅两种元素，故集中了4XXX系列和5XXX系列的优点。可使用性好，容易涂层，加工性好。代表有6061等，6061是一种冷处理铝锻造产品，适用于对抗腐蚀性、氧化性要求高的应用。） 7XXX系列：Al-Zn-Mg-Cu合金（以锌为主要合金元素的铝合金。也属于航空系列，是可热处理合金，属于超硬铝合金，有良好的耐磨性，也有良好的焊接性，但耐腐蚀性较差。代表有7075等。） 8XXX系列：其它（以其他元素为主要合金元素的铝合金。较为常用的为8011，大部分应用为铝箔，生产铝棒方面不太常用。） 9XXX系列：备用合金组4、铝铸件牌号的表示方法 1、铸造铝合金（ZL）：按成份中铝以外的主要元素硅、铜、镁、锌分为四类，代号编码分别为100、200、300、400。例如：ZL101、ZL204、ZL302、ZL401。 2、铝铸件牌号：我国容器用铝铸件牌号采用ZAl+主要合金元素符号+合金元素含量数百分率表示。例如：ZAlSi7Mg1A（7%的硅，1%的镁）、ZAlCu4（4%的铜）、ZAlMg5Si（5%的镁、不大于1%的硅）。铝和铝合金的状态 相同牌号的铝及铝合金，状态不同时，力学性能不相同。按照GB/T 16475-2008《变形铝和铝合金状态代号》标准，新状态代号规定如下：F---自由加工状态。适用于在成型过程中，对于加工硬化和热处理条件无特殊要求的产品，该状态产品对力学性能不作规定。O---退火状态。适用于经完全退火后获得更低强度的产品状态。 O1---高温退火后慢速冷却状态。 O2---热机械处理状态 O3---均匀化状态H---加工硬化状态。适用于通过加工硬化提高强度的产品（H后面的位数字表示获得该状态的基本处理程序，用数字1～4表示；H后面的第二位数字表示产品的加工硬化程度，用数字1～9来表示，1～9代表加工硬化程度越来越硬；H后面的第三位数字或字母表示影响产品特性，但产品特性仍接近其两位数字状态的特殊处理，H112、H116、H321状态除外）。 H1X---单纯加工硬化的状态 H2X---加工硬化及不完全退火的状态 H3X---加工硬化后稳定化处理的状态 H4X---加工硬化后涂漆（层）处理的状态W---固熔热处理状态。适用于经固溶处理后，在室温下自然时效的一种不稳定状态。该状态不作为产品交货状态，仅表示产品处于自然时效阶段。细分状态W_h表示室温下自然时效时间的不稳定状态，如W2h表示产品淬火后，在室温下自然时效2h。细分状态W_h/_51、W_h/_52、W_h/_54表示室温下具体自然时效时间的不稳定削除应力状态，如W2h/351表示产品淬火后，在室温下自然时效2h便开始拉伸的削除应力状态。T---不同于F、O或H状态的热处理状态。适用于固溶热处理后，经过（或不经过）加工硬化达到稳定的状态。T后面的数字1～10表示基本处理状态。T1～T10后面的附加数字表示影响产中特性的特殊处理。 T1---高温成型+自然时效 T2---高温成型+冷加工+自然时效 T3---固溶热处理+冷加工+自然时效 T4---固溶热处理+自然时效 T5---高温成形+人工时效 T6---固溶热处理+人工时效 T7---固溶热得理+过时效 T8---固溶热处理+冷加工+人工时效 T9---固溶热处理+人工时效+冷加工 T10---高温成型+冷加工+人工时效
铝和铝合金的主要用途 物质的用途在很大程度上取决于物质的性质。因为铝有多种优良性能，所以铝有着极为广泛的用途。铝及铝合金是当前用途十分广泛的、更经济适用的材料之一。世界铝产量从1956年开始超过铜产量一直居有色金属之首。当前铝的产量和用量（按吨计算）仅次于钢材，成为人类应用的第二大金属；而且铝的资源十分丰富，据初步计算，铝的矿藏储存量约占地壳构成物质的8%以上，在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量更丰富的金属元素。 铝的重量轻和耐腐蚀，是其性能的两大突出特点。 铝的密度很小，仅为2.70g/cm3，虽然它比较软，但可制成各种铝合金，如硬铝、超硬铝、防锈铝、铸铝等。这些铝合金广泛应用于飞机、汽车、火车、船舶等制造工业。此外，宇宙火箭、航天飞机、人造卫星也使用大量的铝及其铝合金。例如，一架超音速飞机约由70%的铝及其铝合金构成。船舶建造中也大量使用铝，一艘大型客船的用铝量常达几千吨。 铝的导电性仅次于银、铜和金，虽然它的导电率只有铜的2/3，但密度只有铜的1/3，所以输送同量的电，铝线的质量只有铜线的一半。铝表面的氧化膜不仅有耐腐蚀的能力，而且有一定的绝缘性，所以铝在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业中有广泛的用途。 铝是热的良导体，它的导热能力比铁大3倍，工业上可用铝制造各种热交换器、散热材料和炊具等。 铝有较好的延展性(它的延展性仅次于金和银)，在100～150℃时可制成薄于0.01mm的铝箔。这些铝箔广泛用于包装香烟、糖果等，还可制成铝丝、铝条，并能轧制各种铝制品。 铝的表面因有致密的氧化物保护膜，不易受到腐蚀，常被用来制造化学反应器、医疗器械、冷冻装置、石油精炼装置、石油和天然气管道等。 铝粉具有银白色光泽(一般金属在粉末状时的颜色多为黑色)，常用来做涂料，俗称银粉、银漆，以保护铁制品不被腐蚀，而且美观。 铝在氧气中燃烧能放出大量的热和耀眼的光，常用于制造爆炸混合物，如铵铝炸药(由硝酸铵、木炭粉、铝粉、烟黑及其他可燃性有机物混合而成)、燃烧混合物(如用铝热剂做的炸弹和炮弹可用来攻击难以着火的目标或坦克、大炮等)和照明混合物(如含硝酸钡68%、铝粉28%、虫胶4%)。 铝热剂常用来熔炼难熔金属和焊接钢轨等。铝还用做炼钢过程中的脱氧剂。铝粉和石墨、二氧化钛(或其他高熔点金属的氧化物)按一定比率均匀混合后，涂在金属上，经高温煅烧而制成耐高温的金属陶瓷，它在火箭及导弹技术上有重要应用。 铝板对光的反射性能也很好，反射紫外线比银强，铝越纯，其反射能力越好，因此常用来制造高质量的反射镜，如太阳灶反射镜等。 铝具有吸音性能，音响效果也较好，所以广播室、现代化大型建筑室内的天花板等也采用铝。 耐低温，铝在温度低时，它的强度反而增加而无脆性，因此它是理想的用于低温装置材料，如冷藏库、冷冻库、南极雪上车辆、氧化氢的生产装置。 各种飞机都以铝合金作为主要结构材料。飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架都可以用铝合金制造。飞机依用途的不同，铝的用量也不一样。着重于经济效益的民用机因铝合金价格便宜而大量采用，如波音767客机采用的铝合金约占机体结构重量 81%。军用飞机因要求有良好的作战性能而相对地减少铝的用量，如更大飞行速度为马赫数 2.5的F-15高性能战斗机仅使用35.5%铝合金。有些铝合金有良好的低温性能,在-183～-253[2oc]下不冷脆，可在液氢和液氧环境下工作，它与浓硝酸和偏二甲肼不起化学反应,具有良好的焊接性能,因而是制造液体火箭的好材料。发射“阿波罗”号飞船的“土星” 5号运载火箭各级的燃料箱、氧化剂箱、箱间段、级间段、尾段和仪器舱都用铝合金制造。 航天飞机的乘员舱、前机身、中机身、后机身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼都是用铝合金制做的。各种人造地球卫星和空间探测器的主要结构材料也都是铝合金。
以下是各种型号的应用领域： 1050食品、化学和酿造工业用挤压盘管，各种软管，烟花粉。 1060要求抗蚀性与成形性均高的场合，但对强度要求不高，化工设备是其典型用途。 1100用于加工需要有良好的成形性和高的抗蚀性但不要求有高强度的零件部件，例如化工产品、食品工业装置与贮存容器、薄板加工件、深拉或旋压凹形器皿、焊接零部件、热交换器、印刷板、铭牌、反光器具。 1145包装及绝热铝箔，热交换器。 1199电解电容器箔，光学反光沉积膜。 1350电线、导电绞线、汇流排、变压器带材。 2011螺钉及要求有良好切削性能的机械加工产品。 2014应用于要求高强度与硬度（包括高温）的场合。飞机重型、锻件、厚板和挤压材料，车轮与结构元件，多级火箭级燃料槽与航天器零件，卡车构架与悬挂系统零件。 2017是个获得工业应用的2XXX系合金，它的应用范围较窄，主要为铆钉、通用机械零件、结构与运输工具结构件，螺旋桨与配件。 2024飞机结构、铆钉、导弹构件、卡车轮毂、螺旋桨元件及其他种种结构件。 2036汽车车身钣金件。 2048航空航天器结构件与兵器结构零件。 2124航空航天器结构件。 2218飞机发动机和柴油发动机活塞，飞机发动机汽缸头，喷气发动机叶轮和压缩机环。 2219航天火箭焊接氧化剂槽，超音速飞机蒙皮与结构零件，工作温度为-270~300℃。焊接性好，断裂韧性高，T8状态有很高的抗应力腐蚀开裂能力。 2319焊拉2219合金的焊条和填充焊料。 2618模锻件与自由锻件。活塞和航空发动机零件。 2A01工作温度小于等于100℃的结构铆钉。 2A02工作温度200～300℃的涡轮喷气发动机的轴向压气机叶片。 2A06工作温度150～250℃的飞机结构及工作温度125～250℃的航空器结构铆钉。 2A10强度比2A01合金的高，用于制造工作温度小于等于100℃的航空器结构铆钉。 2A11飞机的中等强度的结构件、螺旋桨叶片、交通运输工具与建筑结构件。航空器的中等强度的螺栓与铆钉。 2A12航空器蒙皮、隔框、翼肋、翼梁、铆钉等，建筑与交通运输工具结构件。 2A14形状复杂的自由锻件与模锻件。 2A16工作温度250～300℃的航天航空器零件，在室温及高温下工作的焊接容器与气密座舱。 2A17工作温度225～250℃的航空器零件。 2A50形状复杂的中等强度零件。 2A60航空器发动机压气机轮、导风轮、风扇、叶轮等。 2A70飞机蒙皮，航空器发动机活塞、导风轮、轮盘等。 2A80航空发动机压气机叶片、叶轮、活塞、涨圈及其他工作温度高的零件。 2A90航空发动机活塞。 3003用于加工需要有良好的成形性能、高的抗蚀性可焊性好的零件部件，或既要求有这些性能又需要有比1XXX系合金强度高的工作，如厨具、食物和化工产品处理与贮存装置，运输液体产品的槽、罐，以薄板加工的各种压力容器与管道。 3004全铝易拉罐罐身，要求有比3003合金更高强度的零部件，化工产品生产与贮存装置，薄板加工件，建筑加工件，建筑工具，各种灯具零部件。 3105房间隔断、档板、活动房板、檐槽和落水管，薄板成形加工件，瓶盖、瓶塞等。 3A21飞机油箱、油路导管、铆钉线材等；建筑材料与食品等工业装备等。 5005与3003合金相似，具有中等强度与良好的抗蚀性。用作导体、炊具、仪表板、壳与建筑装饰件。阳极氧化膜比3003合金上的氧化膜更加明亮，并与6063合金的色调协调一致。 5050薄板可作为致冷机与冰箱的内衬板，汽车气管、油管与农业灌溉管；也可加工厚板、管材、棒材、异形材和线材等。 5052此合金有良好的成形加工性能、抗蚀性、可烛性、疲劳强度与中等的静态强度，用于制造飞机油箱、油管，以及交通车辆、船舶的钣金件，仪表、街灯支架与铆钉、五金制品等。 5056镁合金与电缆护套铆钉、拉链、钉子等；包铝的线材广泛用于加工农业捕虫器罩，以及需要有高抗蚀性的其他场合。 5083用于需要有高的抗蚀性、良好的可焊性和中等强度的场合，诸如舰艇、汽车和飞机板焊接件；需严格防火的压力容器、致冷装置、电视塔、钻探设备、交通运输设备、导弹元件、装甲等。 5086用于需要有高的抗蚀性、良好的可焊性和中等强度的场合，例如舰艇、汽车、飞机、低温设备、电视塔、钻井装置、运输设备、导弹零部件与甲板等。 5154焊接结构、贮槽、压力容器、船舶结构与海上设施、运输槽罐。 5182薄板用于加工易拉罐盖，汽车车身板、操纵盘、加强件、托架等零部件。 5252用于制造有较高强度的装饰件，如汽车等的装饰性零部件。在阳极氧化后具有光亮透明的氧化膜。 5254过氧化氢及其他化工产品容器。 5356焊接镁含量大于3%的铝-镁合金焊条及焊丝。 5454焊接结构，压力容器，海洋设施管道。 5456装甲板、高强度焊接结构、贮槽、压力容器、船舶材料。 5457经抛光与阳极氧化处理的汽车及其他装备的装饰件。 5652过氧化氢及其他化工产品贮存容器。 5657经抛光与阳极氧化处理的汽车及其他装备的装饰件，但在任何情况下必须确保材料具有细的晶粒组织。 5A02飞机油箱与导管，焊丝，铆钉，船舶结构件。 5A03中等强度焊接结构，冷冲压零件，焊接容器，焊丝，可用来代替5A02合金。 5A05焊接结构件，飞机蒙皮骨架。 5A06焊接结构，冷模锻零件，焊拉容器受力零件，飞机蒙皮骨部件。 5A12焊接结构件，防弹甲板。 6005挤压型材与管材，用于要求强高大于6063合金的结构件，如梯子、电视天线等。 6009汽车车身板。 6010薄板：汽车车身。 6061要求有一定强度、可焊性与抗蚀性高的各种工业结构性，如制造卡车、塔式建筑、船舶、电车、夹具、机械零件、精密加工等用的管、棒、形材、板材。 6063建筑型材，灌溉管材以及供车辆、台架、家具、栏栅等用的挤压材料。 6066锻件及焊接结构挤压材料。 6070重载焊接结构与汽车工业用的挤压材料与管材。 6101公共汽车用高强度棒材、电导体与散热器材等。 6151用于模锻曲轴零件、机器零件与生产轧制环，供既要求有良好的可锻性能、高的强度，又要有良好抗蚀性之用。 6201高强度导电棒材与线材。 6205厚板、踏板与耐高冲击的挤压件。 6262要求抗蚀性优于2011和2017合金的有螺纹的高应力零件。 6351车辆的挤压结构件，水、石油等的输送管道。 6463建筑与各种器具型材，以及经阳极氧化处理后有明亮表面的汽车装饰件。 6A02飞机发动机零件，形状复杂的锻件与模锻件。 7005挤压材料，用于制造既要有高的强度又要有高的断裂韧性的焊接结构，如交通运输车辆的桁架、杆件、容器；大型热交换器，以及焊接后不能进行固熔处理的部件；还可用于制造体育器材如网球拍与垒球棒。 7039冷冻容器、低温器械与贮存箱，消防压力器材，军用器材、装甲板、导弹装置。 7049用于锻造静态强度与7079-T6合金的相同而又要求有高的抗应力腐蚀开裂勇力的零件，如飞机与导弹零件--起落架液压缸和挤压件。零件的疲劳性能大致与7075-T6合金的相等，而韧性稍高。 7050飞机结构件用中厚板、挤压件、自由锻件与模锻件。制造这类零件对合金的要求是：抗剥落腐蚀、应力腐蚀开裂能力、断裂韧性与抗疲劳性能都高。 7072空调器铝箔与特薄带材；2219、3003、3004、5050、5052、5154、6061、7075、7475、7178合金板材与管材的包覆层。 7075用于制造飞机结构及期货 他要求强度高、抗腐蚀性能强的高应力结构件、模具制造。 7175用于锻造航空器用的高强度结构性。T736材料有良好的综合性能，即强度、抗剥落腐蚀与抗应力腐蚀开裂性能、断裂韧性、疲劳强度都高。 7178供制造航空航天器的要求抗压屈服强度高的零部件。 7475机身用的包铝的与未包铝的板材，机翼骨架、桁条等。其他既要有高的强度又要有高的断裂韧性的零部件。 7A04飞机蒙皮、螺钉、以及受力构件如大梁桁条、隔框、翼肋、起落架等。