铝合金材料的用途特性及重要形貌介绍

铝及其合金的主要特性

铝是一种多面材料，具有多种用途，包括作为复合材料的基体金属。它具有银白色外观，可用作纯金属或合金。

它非常轻，只需少量的合金元素即可增加其强度。它还具有很强的耐腐蚀性。这是由于氧化铝钝化膜与表面紧密相连，当表面受损时能够自发更新。

铝的其他重要特性包括其高导热性和易成型性——无论是通过铸造、热加工或冷加工还是机加工——以及其中性味道和无毒。

铝或其合金的常见用途：

飞机、航空航天和汽车行业的高强度/低重量应用

建筑行业中的抛光和拉丝表面以及阳极氧化颜色

食品行业的无毒/无味包装和机械

 

铝的生产

只有从铝土矿中才能经济地提取铝。生产过程包括两个基本步骤。

纯氧化铝的提取

氧化铝的回收开始于将铝土矿压碎和细磨，并在压力下与氢氧化钠一起加热。在这个过程中，水溶性铝酸钠与未溶解的铁、钛和硅残留物一起形成。添加新鲜氢氧化铝的“晶种”以引发纯氢氧化铝 (Al(OH)3) 的沉淀。通过在 1200 °C 下煅烧，然后除去水并留下纯的无水氧化铝（氧化铝）。

将氧化铝转化为铝（Hall-Heroult 工艺）

纯氧化铝的化学反应需要通过电化学过程从其氧化物中提取铝。由于氧化铝的熔点很高（2050°C），它与冰晶石混合以降低熔点。

电解发生在一个大的碳或石墨内衬钢容器中，该容器包含用于导电的钢棒和作为阳极的碳块。在电解过程中，阳极的碳与氧化铝的氧发生反应，在二次反应中，生成金属铝并形成二氧化碳：2Al2O3 + 3C → 4Al + 3CO2。

此过程可生产纯度为 99-99.9% 的铝。其中大部分用于铝合金。

铝合金

与纯铝相比，在铝中加入极少量的合金元素可以提高抗拉强度、屈服强度和硬度。最重要的合金元素是 Si、Mg、Cu、Zn 和 Mn。在合金可以冷加工之前，这些主要是共晶化合物必须通过热加工过程精细分散。

铝合金的老化

许多铝合金经过时效硬化以改善机械性能。这可以自然地或人工地完成。

自然时效硬化（例如 AlCuMg）。固溶退火后，工件被淬火，从而抑制了固溶体中 Al2Cu 的析出。然后让工件在环境温度下老化。在此过程中，铝晶格从过饱和溶液中沉淀出铜。在铝晶格中产生的合成应变导致强度和硬度的增加。这个过程需要5-8天。

在人工时效硬化中，时效发生在升高的温度下，从而减少了加工时间。例如，对于 AlMgSi 合金，在固溶退火和淬火后，在 120-175 °C 下时效会在 4-48 小时内发生。 Mg2Si 相的析出在铝晶格中产生内部应变，从而导致强度和硬度的增加。

锻造铝合金

锻造铝合金的主要合金元素是铜、镁、锌和锰。硅和铁影响机械性能和耐腐蚀性，可以是杂质或合金元素，具体取决于所需的纯度和应用。

锻造铝合金的常见用途：

机械工程和模具制造中的板材，用于轧制产品，例如板材和带材，以及散热器和热交换器等电镀产品

用于飞机制造或装饰应用（如装饰件和反射器）的特定半成品的电镀板

机械工程、输送和电子技术应用，以及高强度运动和休闲产品，如滑雪板固定器和山地自行车齿轮

铸造铝合金

铝铸件主要是合金化以提高金属的机械性能，并根据其主要合金元素——硅、镁和铜进行区分。 超过固溶体饱和度的合金含量会以纯金属（如硅）或共晶相和金属间相的形式析出。

硅提高了铝的可铸性。 在共晶合金中，例如 AlSi12，在铸造前添加少量钠以细化共晶。 在这个精炼过程中，硅不是以粗针状或板状沉淀，而是与 α-固溶体形成非常细的共晶。 这些合金的硬化效果非常低，因此添加镁以使其时效硬化。

具有特定特性的铸造合金用于各种产品组，包括活塞、滑动轴承、机械工程零件、气缸盖和制动蹄的制造。

一些更重要的铸造合金及其性能

AlSi10Mg 时效硬化。 抗震耐腐蚀

AlSi5Cu1 时效硬化。 焊接和薄截面的良好可铸性

AlMg3 耐海水

AlSi25+ CuNi 时效硬化。 活塞专用合金； 由于其高硅含量而耐磨

AlMgSiPb 适用于机械加工

AlSi9Cu3 可铸通用合金和最重要的压铸合金