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鋁合金知識

2018-08-30

鋁合金是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料,在航空、航天、汽車、機械製造、船舶及化學工業中已大量應用。工業經濟的飛速發展,對鋁合金焊接結構件的需求日益增多,使鋁合金的焊接性研究也隨之深入。目前鋁合金是應用最多的合金。MG真人

氧化鋁在1808年在實驗室利用電解還原為鋁材,於1884年即被作為建築材料使用在美國華盛頓紀念碑尖頂上至今;鋁材加入各種金屬元素合成的鋁合金材料已被建築工業廣泛應用在各環節上。異性鋁材定製

1908年美國鋁業公司發明電工鋁合金1050,並製成鋼芯鋁絞線,開創高壓遠程輸電先鋒。

1915年美國鋁業公司發明2017合金,1933年發明2024合金,使鋁在航空器中的應用得以迅速擴大。 1933年美國鋁業公司發明6061合金,隨即創造了擠壓機淬火工藝,顯著擴大了擠壓型材應用範圍。

1943年美國鋁業公司發明了6063合金及7075合金,開創了高強度鋁合金的新紀元。昆山鋁棒

1965年美國鋁業公司又發明了A356鑄造鋁合金,這是經典鑄造鋁合金。

隨著對鋁合金材料方麵的研究深入,高強鋁合金(2000、7000係列)以其優異的綜合性能在商用飛機上的使用量已經達到其結構質量的80%以上,因此得到全球航空工業界的普遍重視。鋁合金開始逐漸應用於生活、軍事、科技方麵。 [1] 

理化性質

編輯

物質特性

鋁合金密度低,但強度比較高,接近或超過優質鋼,塑性好,可加工成各種型材,具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性,工業上廣泛使用,使用量僅次於鋼。一些鋁合金可以采用熱處理獲得良好的機械性能、物理性能和抗腐蝕性能。硬鋁合金屬AI—Cu—Mg係,一般含有少量的Mn,可熱處理強化.其特點是硬度大,但塑性較差。超硬鋁屬Al一Cu—Mg—Zn係,可熱處理強化,是室溫下強度最高的鋁合金,但耐腐蝕性差,高溫軟化快。鍛鋁合金主要是Al—Zn—Mg—Si係合金,雖然加入元素種類多,但是含量少,因而具有優良的熱塑性,適宜鍛造,故又稱鍛造鋁合金。 [2] 

物質結構

純鋁的密度小(ρ=2.7g/cm3),大約是鐵的 1/3,熔點低(660℃),鋁是麵心立方結構,故具有很高的塑性(δ:32~40%,ψ:70~90%),易於加工,可製成各種型材、板材,抗腐蝕性能好。但是純鋁的強度很低,退火狀態 σb 值約為8kgf/mm2,故不宜作結構材料。通過長期的生產實踐和科學實驗,人們逐漸以加入合金元素及運用熱處理等方法來強化鋁,這就得到了一係列的鋁合金。 添加一定元素形成的合金在保持純鋁質輕等優點的同時還能具有較高的強度,σb 值分別可達 24~60kgf/mm2。這樣使得其“比強度”(強度與比重的比值 σb/ρ)勝過很多合金鋼,成為理想的結構材料,廣泛用於機械製造、運輸機械、動力機械及航空工業等方麵,飛機的機身、蒙皮、壓氣機等常以鋁合金製造,以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接,結構重量可減輕50%以上。

鋁合金的典型機械性能(Typical Mechanical Properties)

   

鋁合金的典型物理性能(Typical Physical Properties)

   

鋁合金牌號及狀態

   

熱膨脹係數

(20-100℃)

μm/m·k

   

熔點範圍

(℃)

   

電導率20℃(68℉)

(%IACS)

   

電阻率20℃(68℉)

Ωmm2/m

   

密度(20℃)(g/cm3)

   


製造工藝

編輯

合成工藝

鋁和鋁合金可以用各種不同的方法熔煉。常使用的是無芯感應爐和槽式感應爐、坩堝爐和反射式平爐(使用天然氣或燃料油燃燒)以及電阻爐和電熱輻射爐。爐料種類廣泛,從高質量的預合金化鑄錠一直到專門由低等級廢料構成的爐料都可以使用。然而,即使在最適宜熔煉澆注的條件下,熔化的鋁也易受三種類型的不良影響:

·在高溫條件下,隨著時間的推移,氫氣的吸附導致溶解在熔液中氫氣的增加。

·在高溫條件下,隨著時間的推移,熔液發生氧化。

·合金元素的喪失。

氫氣是很容易被熔化的鋁吸附的。不幸的是,在熔化的鋁合金中,氫氣的溶解度基本上大於其在固體鋁中的溶解度。當鋁合金凝固時,氫氣從熔液中排出,收縮孔隙度擴大並放大,同時伴隨著力學性能的喪失。氫氣一般源自濕爐料和潮濕的熔化工具,但主要的氫氣源是環境中的濕氣。因為熔煉時幾乎難以防止氫氣的吸附,所以澆注前必須從熔液中除去氫氣。最常使用的方法是向熔液中鼓入幹燥的氮氣或氬氣泡。使用氯氣除去氫氣是格外有效的。然而,由於環境和安全原因常排除它在生產中使用。

過去已利用減壓測試法測量出溶解在熔液中的氫氣量,其過程是將熔化鋁的試樣注入鋼杯中,並讓它在真空腔中凝固。觀察凝固過程發現,在凝固過程中氣泡變化的程度指示了存在的氫氣量。同時使用凝固後的試樣切片可以檢查形成氣泡的大小。遺憾的是,這些方法並不精確,而且受到熔體中作為氫氣泡晶核存在的氧化物顆粒的影響很大。測試溶解氫氣的更好方法是使用專門設計的利用液體萃取技術顯示氫氣的儀器。

鋁在熔液表麵瞬時形成非常穩定的氧化物。氧化的速度隨著溫度的升高和某些合金元素(如鎂和鈹)的存在而增加。而如果鋁熔液表麵沒有受到於擾,那麽在其表麵形成的氧化物膜是自我限製的,任何紊流都會將氧化物膜攪和到大部分的熔液中,並產生新鮮的表麵以有利於更多的氧化物形成。生成的氧化物膜和氧化物雜質非常有害於鑄鋁件的性能,然而,在合金冶煉、熔化金屬的轉運或澆注和鑄型注滿的過程中都會引起紊流。

熔液中的氧化物顆粒成為形成縮孔和氣孔的品核。缺少氧化物雜質時,氣孔和碾微孔隙也就基本消失了。對於鑄鋁件的生產,減少氧化物雜質是特別重要的一個條件。因為通常它們的液相線與固相線之問有非常大的幅差,而在多孔隙的狀態下冷凝,則很難給孔隙提供補給。

鑄件的氧化膜則形成了極易失效的脆弱麵,鑄鋁合金力學性能的不均勻性恰恰就是由於這些氧化膜的存在而引起的,如果沒有這些氧化膜,不均勻性就會減少,鑄件性能的重複性就會優於鍛件,用X射線檢查時,這些氧化膜通常是不可見的,但必須做到事前預防而不要等事後發現時再去修補。

在熔融狀態下,可以利用熔劑的覆蓋來控製氧化物。這些熔劑一般為氯化鎂鹽。它們漂浮在熔液的表而上。但仍要定期從熔液表麵清除氧化物,可以采用熔液通過過濾床的辦法從大熔爐中清除這些懸浮的氧化物雜質。較小規模生產時,可以在澆注係統中設置過濾器來清除氧化物。

為了防止在鑄件中形成氧化膜,則需要讓金屬以毫尤紊流的狀態進入到鑄型的型腔.對大多數鑄件來說,利用重力澆注的方法就不可能做到這一點,因為直澆道的水頭高度會加快流動速度從而發生紊流,所以一定要采用反重力法或液位模具澆注技術。這樣過濾器減緩金屬流動的速度,使其慢到足以防止氧化物產生。另外必須從底部注入模具的型腔,注入鑄件各個液位的次序電要精心設計好,以免發生“瀑布”——模具中液態金屬從較高液位掉落到較低的液位,從而在新生金屬表麵形成氧化物。利用從底部注入模具的方法,液態金屬頂上的氧化層將升入到上砂箱層麵的頂部並流入冒口的頂,這樣則不會損害鑄件。

很多鑄鋁合金都含有像鎂這樣的會慢慢與氧氣發生反應的元素,熔化的金屬保存時間過長,這些元素就會被逐漸氧化,導致鑄件的化學成分不達標,而其他一些合金元素,例如具有低氣化壓的鋅,還會從浴槽的表而蒸發。 [3] 

加工工藝

矽對硬質合金有腐蝕作用。雖然一般將超過12%Si的鋁合金稱為高矽鋁合金,推薦使用金剛石刀具,但這不是絕對的,矽含量逐漸增多對刀具的破壞力也逐漸加大。因此有些廠商在矽含量超過8%時就推薦使用金剛石刀具。

矽含量在8%-12%之間的鋁合金是一個過渡區間,既可以使用普通硬質合金,也可以使用金剛石刀具。但使用硬質合金應使用經PVD(物理鍍層)方法、不含鋁元素的、膜層厚度較小的刀具。因為PVD方法和小的膜層厚度使刀具保持較鋒利的切削刃成為可能(否則為避免膜層在刃口處異常長大需要對刃口進行足夠的鈍化,切鋁合金就會不夠鋒利),而膜層材料含鋁可能使刀片膜層與工件材料發生親合作用而破壞膜層與刀具基體的結合。因為超硬鍍層多為鋁、氮、鈦三者的化合物,可能會因硬質合金基體隨膜層剝落時少量剝落造成崩刃。

建議使用下列三類刀具之一:

1.不鍍層的超細顆粒硬質合金刀具

2.帶未含鋁鍍層(PVD)方法的硬質合金刀具,如鍍TiN、TiC等

3.用金剛石刀具

刀具的容屑空間要大,一般建議用2齒,前角、後角要大(如12°-14°,包括端齒後角)。

如果隻是一般銑麵,可以用45°主偏角的可轉位麵銑刀,配用專門加工鋁合金的刀片,應該效果更好。

鋁合金常用板材厚度:高級金屬屋麵(和幕牆)係統的一般為0.8-1.2mm(而傳統的一般要≥2.5mm).


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