鋁合金

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鋁合金通常使用等合金元素,20世紀初由德國人Alfred Wilm發明,對飛機發展幫助極大,一次大戰後德國鋁合金成分被列為國家機密。跟普通的碳鋼相比有更輕及耐腐蝕的性能,但抗腐蝕性不如純鋁。在乾淨、乾燥的環境下鋁合金的表面會形成保護的氧化層。造成電偶腐蝕(Galvanic corrosion)加速的情況有:鋁合金與不銹鋼接觸的情況、其他金屬的腐蝕電位比鋁合金低或是在潮濕的環境下。如果鋁和不銹鋼要一同使用必須在有water-containing systems或是戶外安裝兩金屬間電子或電解隔離。

鋁合金的成分需要向美國鋁業協會(Aluminium Association,AA)註冊。許多組織公佈更具體製造鋁合金的標準,包括美國汽車工程協會(Society of Automotive Engineers,SAE)特別是航空標準[1],還有美國材料試驗協會(American Society for Testing and Materials,ASTM)。

工程用途[编辑]

概要[编辑]

鋁合金廣泛的被應用在工程結構上。合金系統由數字系統分類(ANSI),或由名稱表示主要的組成合金(DINISO)。選擇正確的合金為一種指定的應用,需要考慮材料的強度、延性、成形性、焊接性、抗腐蝕性等等。簡短的歷史概述合金和製造技術,請參照[2]。鋁廣泛地使用在現代航空器裡是由於它高強度和較低的重量比率。

彈性度[编辑]

鋁使用不當,可能會導致些問題。尤其是在對比後,覺得鋁有“更好的表現”的那些直覺行事的設計師,機械師,或技術員。跟相比,相同大小的鋁重量只有鐵或鋼的三分之一,似乎有著巨大的吸引力。但必須注意到,剛性同時也減少了三分之二。因此,直接更換一個鋼鐵的零件,並施加可接受的力量,雖然不會造成破壞,但是鋁的彈性會造成零件三倍以上的撓度

即使材料不會破壞,過度的彈性亦不可取。尤其在要求精度或者有效率傳輸的地方。隨意地將鋼管更換為同樣大小的鋁管將造成一定程度彎曲。例如,用相同的尺寸的鋁管取代鋼管的自行車框架,增加彈性的操作下,負荷所造成的不同心度將會吸收運行的力量。若增加管壁的厚度來補強,則造成重量增加並喪失了彈性與重量比的優勢。

就這情況而言,最好重新設計鋁尺寸的部分,以適應其特點。例如,使自行車的框架鋁管具有超大直徑,而不是厚的管壁。這樣增加了強度,重量也沒有增加很多。[3]這樣處理的極限在於對挫曲的敏感性增加。

最新型的雪佛蘭Corvette汽車,是一個很好的例子,重新設計後的部分利用了鋁的優勢。使用了鋁的製底盤和懸掛系統零件,消除不必要的金屬後不但減輕也減少了截面積,這些車有大的尺寸和良好的剛度。因此,在同樣或更激烈的使用情況下不需要跟鋼製的零件一樣頻繁更換,大部分人對此覺得有吸引力。同樣地,鋁自行車框架可以改良設計,以便提供剛性和一些額外的靈活性,後者的功用可以當作另一種避震器。

鋁合金的強度和耐久性差別很大,不僅組成合金元素的差別,也由於製造過程的差異。這種可變性加上經驗曲線的使用,使鋁時常獲得了壞名聲。舉例來說,70年代早期許多設計不良的鋁自行車框架高頻率的損壞後,傷害了鋁的聲譽。然而,鋁零件廣泛的使用在航空器和高性能的汽車行業,放大來講是禁得起極微小的失敗率,同時也說明了自行車零組件沒有不可靠的問題。時間和經驗證明了鋁依舊是可靠的。

同樣地,鋁在汽車應用尤其是在引擎零件上,得益於一段時間內的發展。奧迪工程師,在評論最近由奧迪工廠恢復一台1930年代汽車聯盟賽車的V12引擎有超過500匹馬力,引擎所使用的鋁合金今天會被使用在像是除草機和家具上。在1960年代Corvair鋁製的汽缸蓋和曲軸箱,即使上螺紋被磨平及總體上的失敗仍得到了良好的名聲。這是已往不曾見過的設計。

其中一個重要的結構限制是鋁合金疲勞性能,而鋼具有較高的疲勞極限(理論上可以承受無限多的週期性載荷),鋁的疲勞極限是接近零,也就是說它最終將破壞,甚至非常小的循環荷載作用都可以使它破壞,但對於小的應力可以使用非常長的時間。

熱敏度[编辑]

通常必須考慮金屬的熱敏感性。事實上鋁對熱感應上相對地複雜,不像鋼將要熔化時發出亮紅色。由於鋁熔化之前沒有跡象顯示,使用噴燈成型時需要一些專門的知識。

鋁過熱的時候受到內部壓力和拉力,這些壓力往往會導致延遲的扭曲。舉例來說,常見的有翹曲或過熱裂開的汽車鋁缸蓋。幾年後,沿著鋁自行車框架焊接逐漸變成趨勢。1970年代黏著劑被用在一些自行車上,不幸的是當鋁管受到輕微腐蝕就會鬆動黏接,終究車架解體。因此,航天工業,完全避免熱進入零件[膠粘劑]間或機械扣件。

過熱的鋁可放心熱處理零件在一爐,並逐步冷卻-有退火的效果。然而這樣做的結果有可能造成扭曲,所以熱處理焊接自行車框架,會導致重要的部分產生不重合。如果不嚴重,冷卻之後有可能可以重合在一起。如果框架設計有相當的剛性,變形將需要很大的力量。

鋁的不耐高溫性不包括使用在火箭上,用於氣體燃燒可達3500 K的燃燒室,在Aagena上,階段引擎部分設計使用了再生鋁冷卻噴嘴,包括關鍵噴喉;實際上鋁極端高導熱性防止了噴喉在巨大的熱流下到達熔點,是一個可靠的輕組件。

家庭配線[编辑]

1960年代跟鋁的高導電性和比低的價格,在美國的家庭配線使用了鋁,即使許多裝置的設計不是能使用鋁導線的。新的用途帶了一些問題:

  • 鋁巨大的熱膨脹係數造成導線容易變長,最終連接到不同的金屬(螺絲),造成短路。
  • 純鋁有一個“蠕變”傾向,穩定持續的壓力(隨著溫度的上升),再次造成短路。
  • 電偶腐蝕(Galvanic corrosion)造成接觸端的金屬電阻增加。

這些過熱和過鬆的聯接,反而導致了一些火災。建造者對導線的選用開始變的謹慎,在新建築上許多法令禁止了它的用途。但較新的裝置,最終改善了連接設計,以避免鬆動和過熱。一開始的標示為"Al/Cu",現在則是印著"CO/ALR"。

另一種阻止發熱的方法,捲曲鋁線與銅線編成短辮,利用高壓捲曲並利用工具減少鋁的熱膨脹。現在,新的合金、設計和方法用在鋁導線和鋁端子的結合。

合金分类[编辑]

铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。

变形鋁合金牌号使用四位数字表示,其中包含了合金成份所佔的比例。破折號後的4位數號碼代表熱處理的類型,例如“6061-T6”。鑄造用鋁合金使用4至5位數號碼與一個小數點。在百位數的數字代表合金元素,小數點用來辨認是鑄件或是鋁錠。

鍛造用合金[编辑]

國際合金命名系統(International Alloy Designation System)被廣泛接受命名鍛造合金。每個合金是由於四位數號碼,其中第一位數為主要合金元素。

  • 1000系列至少含99%(重量百分比)的鋁。
  • 2000系列銅合金,強度媲美。以前稱為杜拉鋁,是常用的航太合金,但容易受到粒間腐蝕,逐漸被7000系列取代。
  • 3000系列錳合金,有加工硬化
  • 4000系列矽合金,亦稱為矽鋁明
  • 5000系列鎂合金,可解決加工硬化,強度媲美鋼鐵。
  • 6000系列鎂矽合金,易於加工,可沉積硬化,得到的強度不是很高。
  • 7000系列鋅合金,可析出硬化,在所有鋁合金中有最高強度。
  • 8000系列混合。

鍛造用鋁合金元素含量[编辑]

(重量百分比)

代號 其他
每種 總和
1060 0.25 0.35 0.05 0.03 0.03 0.03 0.05 0.05 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 最少99.6
1100 0.95 Si+Fe 0.05-0.20 0.05 0.10 0.05 0.15 最少99.0
2014 0.50-1.2 0.7 3.9-5.0 0.40-1.2 0.20-0.8 0.10 0.25 0.15 0.05 0.15 剩餘的
2024 0.50 0.50 3.8-4.9 0.30-0.9 1.2-1.8 0.10 0.25 0.15 0.05 0.15 剩餘的
2219 0.2 0.30 5.8-6.8 0.20-0.40 0.02 0.10 0.05-0.15 0.02-0.10 0.10-0.25 0.05 0.15 剩餘的
3003 0.6 0.7 0.05-0.20 1.0-1.5 0.10 0.05 0.15 剩餘的
3004 0.30 0.7 0.25 1.0-1.5 0.8-1.3 0.25 0.05 0.15 剩餘的
3102 0.40 0.7 0.10 0.05-0.40 0.30 0.10 0.05 0.15 剩餘的
5052 0.25 0.40 0.10 0.10 2.2-2.8 0.15-0.35 0.10 0.05 0.15 剩餘的
5083 0.40 0.40 0.10 0.40-1.0 4.0-4.9 0.05-0.25 0.25 0.15 0.05 0.15 剩餘的
5086 0.40 0.50 0.10 0.20-0.7 3.5-4.5 0.05-0.25 0.25 0.15 0.05 0.15 剩餘的
5154 0.25 0.40 0.10 0.10 3.1-3.9 0.15-0.35 0.20 0.20 0.05 0.15 剩餘的
5454 0.25 0.40 0.10 0.50-1.0 2.4-3.0 0.05-0.20 0.25 0.20 0.05 0.15 剩餘的
5456 0.25 0.40 0.10 0.50-1.0 4.7-5.5 0.05-0.20 0.25 0.20 0.05 0.15 剩餘的
6005 0.6-0.9 0.35 0.10 0.10 0.40-0.6 0.10 0.10 0.10 0.05 0.15 剩餘的
6005A 0.50-0.9 0.35 0.30 0.50 0.40-0.7 0.30 0.20 0.10 0.05 0.15 剩餘的
6060 0.30-0.6 0.10-0.30 0.10 0.10 0.35-0.6 0.5 0.15 0.10 0.05 0.15 剩餘的
6061 0.40-0.8 0.7 0.15-0.40 0.15 0.8-1.2 0.04-0.35 0.25 0.15 0.05 0.15 剩餘的
6063 0.20-0.6 0.35 0.10 0.10 0.45-0.9 0.10 0.10 0.10 0.05 0.15 剩餘的
6066 0.9-1.8 0.50 0.7-1.2 0.6-1.1 0.8-1.4 0.40 0.25 0.20 0.05 0.15 剩餘的
6070 1.0-1.7 0.50 0.15-0.40 0.40-1.0 0.50-1.2 0.10 0.25 0.15 0.05 0.15 剩餘的
6082 0.7-1.3 0.50 0.10 0.40-1.0 0.60-1.2 0.25 0.20 0.10 0.05 0.15 剩餘的
6105 0.6-1.0 0.35 0.10 0.10 0.45-0.8 0.10 0.10 0.10 0.05 0.15 剩餘的
6162 0.40-0.8 0.50 0.20 0.10 0.7-1.1 0.10 0.25 0.10 0.05 0.15 剩餘的
6262 0.40-0.8 0.7 0.15-0.40 0.15 0.8-1.2 0.04-0.14 0.25 0.15 0.40-0.7 0.40-0.7 0.05 0.15 剩餘的
6351 0.7-1.3 0.50 0.10 0.40-0.8 0.40-0.8 0.20 0.20 0.05 0.15 剩餘的
6463 0.20-0.6 0.15 0.20 0.05 0.45-0.9 0.05 0.05 0.15 剩餘的
7005 0.35 0.40 0.10 0.20-0.7 1.0-1.8 0.06-0.20 4.0-5.0 0.01-0.06 0.08-0.20 0.05 0.15 剩餘的
7072 0.7 Si+Fe 0.10 0.10 0.10 0.8-1.3 0.05 0.15 剩餘的
7075 0.40 0.50 1.2-2.0 0.30 2.1-2.9 0.18-0.28 5.1-6.1 0.20 0.05 0.15 剩餘的
7116 0.15 0.30 0.50-1.1 0.05 0.8-1.4 4.2-5.2 0.05 0.05 0.03 0.05 0.15 剩餘的
7129 0.15 0.30 0.50-0.9 0.10 1.3-2.0 0.10 4.2-5.2 0.05 0.05 0.03 0.05 0.15 剩餘的
7178 0.40 0.50 1.6-2.4 0.30 2.4-3.1 0.18-0.28 6.3-7.3 0.20 0.05 0.15 剩餘的
錳加鉻必須介於0.12-0.50%

“其他”限制適用於所有的元素,無論是表格中有或沒有。

鑄造用鋁合金[编辑]

美國鋁業協會(Aluminium Association,AA)採取與鍛造用合金相似的命名原則。英國標準(British Standard,BS)、德國標準(Deutsches Institut für Normung,DIN)使用了不同的名稱。

在美國鋁業協會(AA)系統,第二、第三位數代表了最小含鋁量,例如150.x代表最少含99.50%鋁。該數字小數點後值為0或1,指的鑄件和鑄錠分別[4]。美國鋁業協會系統下的主要鑄造用鋁合金列表如下:

  • 1xx.x系列:至少含99%鋁
  • 2xx.x系列:銅
  • 3xx.x系列:矽,銅和(或)鎂
  • 4xx.x系列:矽
  • 5xx.x系列:鎂
  • 6xx.x系列:鎂,矽
  • 7xx.x系列:鋅
  • 8xx.x系列:錫
  • 9xx.x系列:混合

命名合金[编辑]

用途概要[编辑]

常用航太合金[编辑]

這些鋁合金,被用在飛機及其他航空器結構有悠久的歷史。[5]

其他航太合金[编辑]

這些都是目前生產的,但較少廣泛使用,應用在航太上的鋁合金。

航海合金[编辑]

這些合金常被用在造船,海運業及鹽水成分較高的地方使用。[6]

易拉罐合金[编辑]

这些合金大量应用于易拉罐,包括啤酒、汽水饮料、食品等易拉罐包装。

建筑装饰用合金[编辑]

这些合金大量应用于建筑幕墙装饰中

註解[编辑]

  1. ^ SAE Aluminium specifications list, accessed Oct 8, 2006. Also SAE Aerospace Council, accessed Oct 8, 2006.
  2. ^ R.E. Sanders, Technology Innovation in Aluminium Products, The Journal of The Minerals, 53(2):21–25, 2001. Online ed.
  3. ^ For a tube of constant wall thickness, stiffness scales as the cube of the diameter, whereas mass scales proportionally. So an aluminium tube with twice the diameter of a steel tube but the same wall thickness will be roughly 8/3 stiffer and 2/3 the weight. If 1.5 times the diameter, it will be roughly the same stiffness and half the weight, and so on.
  4. ^ I. J. Polmear, Light Alloys, Arnold, 1995
  5. ^ Fundamentals of Flight, Shevell, Richard S., 1989, Englewood Cliffs, Prentice Hall, ISBN 0-13-339060-8, Ch 18, pp 373-386.
  6. ^ Boatbuilding with Aluminum, Stephen F. Pollard, 1993, International Marine, ISBN 0-07-050426-1