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变形铝合金

/wrought aluminium alloys/
条目作者陈昌麒

陈昌麒

最后更新 2023-08-12
浏览 249
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通过各种变形加工,以板材、棒材、型材或锻件等形式应用的铝合金。

英文名称
wrought aluminium alloys
所属学科
材料科学与工程

变形铝合金具有密度小、导电导热性好、易加工、强度和延性相当好、耐蚀性良好等特点。

变形铝合金的生产一般采用熔炼和铸锭法。铸锭经均匀化处理后进行各种变形加工,如轧制、挤压、拉拔、锻造等。根据需要进行中间退火及最终热处理。部分变形铝合金也可采用粉末冶金法制成锭坯,然后进行各种变形加工。常用的变形铝合金制品有板材(厚板和薄板)和箔材,圆棒、方棒和线材,管材、型材和锻件。

纯铝的导电性能好,耐蚀性和塑性变形性好,但强度很低。合金元素的作用是使合金强化,但同时也考虑改善其塑性、韧性、抗蚀性及加工性等。常用的合金元素有铜、镁、锌、硅、锰、铬、锆,以及锂、铁、镍等。其中铜、镁、锌、锂等由于室温下在铝中有一定固溶度,可对合金起固溶强化作用。由于这些元素的固溶度随温度变化较大,又有明显的沉淀强化作用,能使铝合金强度大幅度提高。锰、铬、锆等元素与铝形成金属间化合物,主要起控制再结晶和晶粒长大的作用。铁、镍等由于形成稳定的化合物而对合金高温性能有利。在变形铝合金中,一般铁和硅是主要杂质元素,对性能有不利影响。

变形铝合金分为不能热处理强化的和可以热处理强化的两大类。不能热处理强化的变形铝合金主要强化方式是固溶强化、冷变形强化、细晶强化和弥散强化。可以热处理强化的变形铝合金主要强化方式是沉淀强化(又称时效强化),即通过固溶和时效,析出沉淀物而使合金强度提高。通常可以热处理强化的变形铝合金的强度要比不能热处理强化的变形铝合金高得多。但沉淀强化在高温下是不稳定的,固溶强化和弥散强化则可以在高温下起作用。

  不能热处理强化的变形铝合金主要有各种纯度的铝及加锰、加镁的合金。这类合金强度较低,塑性较好,可以通过加工硬化来提高强度。铝锰系合金用于强度要求不高、要求延性高和抗蚀性好的地方,如饮料罐、炊事用具及屋面板等。铝镁系合金强度可以达到300兆帕以上,广泛用于焊接结构。其中厚板可用于自卸卡车车身,装运石油、牛奶等用的大罐,以及压力容器。此外,由于其抗蚀性好,也适用于小型船舶的船壳和大船的上层结构。此外还用于建筑装潢。

  可以热处理强化的变形铝合金主要是铝铜系、铝铜镁系、铝镁硅系、铝锌镁系和铝锌镁铜系合金。中等强度的合金易焊接,高强度合金的焊接性差。这类合金的比强度和比刚度高,主要用于飞机结构,制造飞机的机身、机翼等。铝铜镁系合金在飞机结构上使用最典型的有2024合金(中国相当合金为LY12),抗拉强度在470~480兆帕,屈服强度在不同热处理状态为325~450兆帕。铝锌镁铜系合金在飞机结构上使用的最典型材料为7075合金(中国相当合金为LC9),抗拉强度在540~570兆帕,屈服强度在430~500兆帕。铝铜系合金2219(中国相当合金为LY16),由于其室温强度高,高低温性能好,且可焊接,在航空航天方面也有广泛应用。铝镁硅系合金是用途广泛的中等强度结构合金。它们具有良好的焊接性、抗蚀性和抗应力腐蚀开裂的优点,大量用于各种形式的挤压制品。最广泛使用的是6063合金(中国相当合金为LD1)。淬火时效状态的典型性能为,抗拉强度245兆帕,屈服强度215兆帕。此类合金对着色阳极化处理及其他表面处理方法均有良好效果,适于制造建筑型材及装饰抛光件。

中国生产的变形铝合金按其特性分成4类,并按此分类命名和标记(表1)。表中除防锈铝外,均为可热处理强化合金。国际上通用的变形铝合金命名和标记是用美国铝协会提出的四位数字法,按主要合金元素来划分合金系。第一位数字表示主要合金系,如纯度大于99.0%的铝为1,铝铜合金系为2,铝锰合金系为3,铝硅合金系为4,铝镁合金系为5,铝镁硅合金系为6,铝锌合金系为7,其他合金系为8;第二位数字表示合金的改型或纯度限;第三、四两位数字表示某一特定合金。

表1 中国变形铝合金的分类和标记

名称

标记

合金系

特性

例子

防锈铝

LF

Al-Mn

Al-Mg

抗蚀性好,强度低,加工性好,焊接性好

LF21、

LF3、LF6

硬铝

LY

Al-Cu-Mg

强度高

LY12

超硬铝

LC

Al-Zn-Mg-Cu

强度很高

LC4、LC9

锻铝

LD

Al-Mg-Si-Cu

Al-Cu-Mg-Fe-Ni

锻造性好

耐热性好

LD5、LD10

LD7

变形铝合金的热处理状态和冷变形程度也有专门的符号标记。中国的标记方法见表2

表2 中国变形铝合金热处理状态的标记

状态

代号

热加工

R

退火

M

淬火

C

淬火后冷轧

CY

淬火(自然时效)

CZ

淬火(人工时效)

CS

Y

3/4硬、1/2硬、1/3硬、1/4硬

Y1、Y2、Y3、Y4

特硬

T

变形铝合金的发展一方面是改进生产工艺,改善性能和降低成本;另一方面是开发各种性能优异的新合金。前者主要是提高合金纯度(降低铁和硅的含量),开发新的热处理和热机械处理方法,并已取得很显著的效果;后者主要是采用快速凝固和机械合金化以及粉末冶金技术,开发性能非常优异的新合金。此外,超塑性变形铝合金、铝锂合金和铝基复合材料的发展也已取得可喜的成果。

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