铝元素的性质

姓名 厉瑞艳 学号 200511982

一、铝元素的性质

铝是元素周期表中第三周期主族元素，具有面心立方点阵，无同素异构转变，原子序数为13，原子量为26.9815。

铝具有一系列比其他有色金属、钢铁、塑料和木材等更优良的特性，如密度小，仅为2.7g/dm3。约为铜或钢的1/3；良好的耐蚀性和耐候性；良好的塑性和加工性能；良好的导热性和导电性；良好的耐低温性能，对光热电波的反射率高、表面性能好；无磁性；基本无毒；有吸音性；耐酸性好，抗核辐射性能好；弹性系数小；良好的力学性能；优良的铸造性能和焊接性能；良好的抗撞击性。

此外，铝材的高温性能、成型性能、切削加工性、铆接性、胶合性以及表面处理性能等比较好。纯铝比较软，富有延展性，易于塑性成形。如果根据各种不同的用途，要求具有更高的强度和改善材料的组织和其他各种性能，可以在纯铝中添加各种合金元素，生产出满足各种性能和用途的铝合金。铝合金可加工成板、带、条、箔、管、棒、型、线、自由锻件和模锻件等加工材，也可加工成铸件、压铸件等铸造材。

二、铝及铝合金材料分类 纯铝—1×××系，如1000系合金

Al-Mn系合金—3×××系，如3003系合金 非热处理型合金 Al-Si系合金—4×××系，如4043系合金 加工材 Al-Mg系合金—5×××系，如5083系合金 热处理型铝合金 Al-Cu系合金—2×××系，如2024系合金 Al-Mg-Si系合金—6×××系，如6063系合金 铝及铝合金 Al-Zn-Mg-Cu系合金—7×××系，如7075系合金 Al-Li系合金—8×××系，如8089系合金 纯铝系

非热处理型合金 Al-Si系合金，如ZL102系合金 铸造材 Al-Mg系合金，如ZL103系合金

热处理型铝合金 Al-Cu-Si系合金，如ZL107系合金

Al-Cu-Mg-Si系合金，如ZL110系合金 Al-Mg-Si系合金，如ZL104系合金 Al-Mg-Zn系合金，如ZL305系合金

铝及铝合金材料按合金成分与热处理方式分类，如表所示 类别 合金名称 简单铝硅合金 特殊铝硅合金 主要合金成分 （合金系） 铸造铝合金 Al-Si-Mg-Cu-Ni 铝铜铸造合金 铝镁铸造合金 铝锌铸造合金 Al-Cu Al-Mg Al-Zn 铸造性和耐蚀性差 力学性能高，抗蚀性好 能自动淬火，易于压铸 耐热性好，耐蚀性高 ZL301 ZL401 ZL109Re 1200 防锈铝 Al-Mn Al-Mg 硬铝 超硬铝 锻铝 Al-Cu-Mg Al-Cu-Mg-Zn Al-Mg-Si-Cu Al-Cu-Mg-Fe-Ni

三、铝及铝合金牌号及状态表示方法 1 变形铝及铝合金牌号及状态表示方法： （一） （1）中国变形铝及铝合金牌号及表示方法

根据新制定得GB/T16474-1996“变形铝及铝合金牌号表示方法”，凡是化学成分与变形铝及铝合金国际牌号注册协议组织（简称国际牌号注册组织）命名的合金相同的所有合金，其牌号直接采用国际四位数字体系牌号，未与国际四位数字体系牌号的变形铝合金接轨的，采用四位字符牌号（但试验铝合金在四位字符牌号前加X）命名，并按要求注册化学成分。 四位字符牌号命名方法应符合四位字符体系牌号命名方法的规定。

四位字符体系牌号的第一、三、四位为阿拉伯数字，第二位为英文大写字母（C、I、L、

力学性能较低，抗蚀性好，3A21 可焊，压力加工性能好 5A05 2A11 2A12 室温强度最高 锻造性能好，耐热性能好 7A04 7A09 2A70 2A80 Al-Si-Mg Al-Si-Cu Al-Si-Mg-Cu Al-Si 不能热处理强化，力学性能较低，铸造性能好 可热处理强化，力学性能较高，铸造性能良好 ZL101 ZL107 ZL105 ZL110 ZL109 可热处理强化，耐热性好，ZL201 ZL102 热处理和性能特点 举例 铝稀土铸造合金 Al-Re 变形 铝合金 不能热处理强化铝合金 可热处理强化铝合金 工业纯铝 Al 塑性好、耐蚀、力学性能低 1A99 1050 力学性能高 N、O、P、Q 、Z字母除外）。牌号的第一位数字表示铝及铝合金的组别，如1×××系为工业纯铝，2×××系为Al-Cu系合金，3×××为Al-Mn系合金。4×××为Al-Si系合金， 5×××为Al-Mg系合金，6×××为Al-Mg-Si系合金，7×××为Al-Zn-Mg-Cu系合金，8×××为Al-Li系合金，9×××为备用合金组。

牌号的第二位字母表示原始纯铝或铝合金的改型情况，最后两位数字用以标示同一组中不同的铝合金或表示铝的纯度。

（2）变形铝合金状态代号及表示方法

根据GB/T16475—1996标准规定，基础状态代号用一个英文大写字母表示。细分状态代号采用基础状态代号后跟一位或多位阿拉伯数字表示。 a 基础状态代号

基础状态代号分为5种，如表3-4所示。

b 细分状态代号

1)H(加工硬化)的细分状态，即在字母H后面添加两位阿拉伯数字(称做HXX状态)，或三位阿拉伯数字(称做HXXX状态)表示H的细分状态。 ①HXX状态：

H后面的第一位数字表示获得该状态的基本处理程序，如下所示：

H1——单纯加工硬化状态。适用于未经附加热处理，只经加工硬化即获得所需强度的状态。

H2——加工硬化及不完全退火的状态。适用于加工硬化程度超过成品规定要求后，经不完全退火，使强度降低到规定指标的产品。对于室温下自然时效软化的合金，H2与对应的H3具有相同的最小极限抗拉强度值，对于其他合余．H2与对应的Hl具有相同的最小极限抗拉强度值，但伸长率比H1稍高。

H3——加工硬化及稳定化处理的状态。适用于加工硬化后经低温热处理或由于加工过

程中的受热作用致使其力学性能达到稳定的产品。H3状态仅适用于在室温下逐渐时效软化(除非经稳定化处理)的合金。

H4——加工硬化及涂漆处理的状态。适用于加工硬化后，经涂漆处理导致了不完全退火的产品。

H后面的第二位数字表示产品的加工硬化程度。数字8表示硬状态；通常采用O状态的

最小抗拉温度与表3—5规定的强度差值之和，来规定HX8状态的最小抗拉强度值。对于O(退火)和HX8状态之间的状态，应在HX代号后分别添加从1列7的数字来表示，在HX后添加数字9表示比HX8加工硬化程度更大的超硬状态。各种HXX细分状态代号及对应的加工硬化程度如表3—6所示。

②HXXX状态：

HXXX状态代号如下所示：

H111——适用于最终退火后又进行了适量的加工硬化程度又不及H11状态的产品。

H112——适用于热加工成型的产品 该状态产品的力学性能有规定要求。

H116——适用于镁含量≥40％的5xxx系合金制成的产品。这些产品具有规定的力学性能和抗剥落腐蚀性能要求。

花纹板的状态代号。花纹板的状态代号和其对应的压花前的板材状态代号，如表3—7所示。

2)T(热处理)的细分状态，即在字母T后面添加一位或多位阿拉伯数字表示T的细分状

态。

①TX状态：

在T后面添加010的阿拉伯数字，表示的细分状态称做TX状态，如表3—8所示。T后面的数字表示对产品的基本处理程序。

②TXX状态及TXXX状态(消除应力状态除外)：

在TX状态代号后面再添加一位阿拉们数字称做TXX状态，或添加两位阿拉伯数字称做TXXX状态，表示经过了明显改变产品特性(如力学性能、抗腐蚀性能等)的特定工艺处理的状态，如表3—9所示。

③消除应力状态：

在上述TX或TXX或TXXX状态代号后面再添加“51”、或“510”、或511”、或“54”表示经历了消除应力处理的产品状态代号，如表3—10所示。

3)w的消除应力状态。正如T的消除应力状态代号表示方法，可在W状态代号后面添加

相同的数字(如51、52、54)，以表示不稳定的固溶热处理及消除应力状态。 c原状态代号与新状态代号的对照

原状态代号与新状态代号的对照如表3—11所示。

（二） ISO的编号方法及其状态代号 （1） 合金牌号

国际标准化组织(ISO)的铝及其合金的牌号是由化学元素符号与代表其成分百分数的数字组成(1SO2092—198l及ISO2107—1983)。在牌号前应冠以“ISO”，如已指明是国际标准牌号，则可省略。

1)重熔用的纯铝锭。电解厂生产的纯铝牌号由其化学元素符号(Al)与代表金属纯度的百分数字组成。数字应精确到小数点后两位或两位以上，如Al99．80。

2)加工的工业纯铝及其合金。它们的牌号由化学元素符号与代表金属纯度或合金元素含量的百分数数字组成。在工业纯铝产品牌号中，数字只表达到小数点后一位，如A199.0。如果工业纯铝产品还含有最大量不超过0.1%(铜则例外，为0.2%)的合金元素，则在数字后还应标出该合金元素的化学符号，如A199.0Cu，即是铝含量为99.0%，而铜含量小于0.2%的工业纯铝。

若工业纯铝中的某些杂质受到控制，且有特种用途时，应在牌号前冠以用途的大写拉丁字母。如纯度为99.5%Al的电工铝材的牌号为E—A199.5。

铝合金的牌号由基本元素A1及合金元素的化学元素符合与合金元素含量的平均百分数数字组成。合金元素含量小于1%的不标数字。如铜的平均含量为6%，Mn的含量小于1%的Al-Cu-Mn台金，其牌号A1Cu6Mn。

在合金牌号中表示合金元素的化学符号依其含量多少，按递减次序排列，如它们的含量大致相等，则按其化学元素符号的字母顺序排列。

国际标准中还规定变形铝及铝合金的牌号可用四位数字表示，即用美国铝业协会的牌号，但去掉前面的“AA”(美国铝业协会“Aluminum Association”的缩写)。 （2） 加工铝材的状态代号

按国际标准的规定、铝材的状态代号标在合金牌号后，用连字符号把它们分开。材料状态代号由字母与数字组成。

1)基本状态代号是指铝材加工的基本状态代号。

M——制造状态，表示热成形的材料，对其力学性能有一定的要求； F——加工状态，表示不控制力学性能的热加T的材料所处的状态；

O——退火状态，表示处于最低强度性能的完全退火的压力加工产品所处的状态； H——加工硬化状态；

T——不同于M、F、O与H状态的热处理状态，以提高其强度、硬度。 2)基本状态代号H和T的详细分类： H1——加工硬化；

H2——加上硬化后经部分退化； H3——加工硬化后经稳定化处理；

在数字之后另加字母，表示材料的最终加工硬化程度（字母X表示数字1、2、3)： HxH——充分硬化状态；

HxD——材料的抗拉强度大致处于O状态与HxH状态的之间； HxB——材料的抗拉强度大致处于O状态与HxD状态的之间； HxF——材料的抗拉强度大致处于HxD状态与HxH状态之间； HxJ——材料的抗拉强度比HxH状态大10MPa以上的状态； TA——热成形工序后冷却到室温．使其发生自然时效的状态； TB——固溶处理与自然时效状态；

TC——热加工后冷却到室温，再冷加工与自然时效后的状态；

TD——固溶处理、冷加丁与自然时效后的状态； TE——从热成形温度冷到室温再人工时效后的状态； TF——固溶处理与人工时效后的状态；

TG—-热加工温度冷却到室温，再冷加工与人工时效后的状态．用于冷加工可提高其强度的材料；

TH——固溶热处理、冷加工与人工时效后的状态； TL——固溶热处理、人工时效与冷加工的状态； TM——固溶热处理与稳定化处理后的状态。

变形铝合金的国际标难状态代号也可用美国铝业协会(AA)的状态代号替换，它们的对应关系如表3-12所示。

2 铸造铝合金的牌号与状态表示方法

（一） 中国铸造铝合金

（1）按GB8063规定，铸造铝合金牌号用化学元素及数字表示，数字表示该元素的平均含量。在牌号的最前面用“Z”表示铸造，例如ZAlSi7Mg表示铸造铝合金，平均含硅量（质量分数）为7%，平均含镁量（质量分数）小于1%。另外还有合金代号表示，合金代号由字母“Z”、“L”（他们分别是“铸”、“铝”的汉语拼音第一个字母）及其后的三位数字组成。ZL后面第一个数字表示合金系列，其中1、2、3、4分别表示铝硅、铝铜、铝镁、铝锌系列合金，ZL后面第二位、第三位两个数字表示顺序号。优质合金的数字后面附加字母“A”。

(2)合金铸造方法和变质处理代号： S——砂型铸造； J——金属型铸造； R——熔模铸造； K——完则铸造； B——变质处理。 (3)合金状态代号： F——铸态； T1——人工时效； T2——退火；

T4——固溶处理加自然时效；

T5——固溶处理加不完全人工时效； T6——固溶处理加完全人工时效； T7——固溶处理加稳定化处理； T8——固溶处理加软化处理。

（二） 美国及ISO铸造铝及铝合金

根据美国铝业协会(AA)规定，铸造铝台金用三位数字加小数点表示，小数点后是

“0”(即XXX.0)，表示纯铝及铝合金铸件成分，小数点后是“1”或“2”(即XXX.l或XXX.2)表示纯铝或铝合金铸锭。牌号的第一位是“1”表示铸造纯铝。第一位是“2”、“3”、“4”、“5”、“7”、“8”表示铸造铝合金。 UNS数字系统用A加五位数字表示铸造纯铝及铝金。ISO标准的铸造纯铝及铝合金中，纯铝铸锭用Al加99及小数点表示。小数点后为0，表示铝含量有效值为99%，例如铝含量为99.00%，牌号表示为A199.0。小数点后数字为5、7、8表示铝含量的小数点后的有效值，例如A199.5、A199.7等表示Al含量为99.5%、99.7%。铸造铝合金用A1加元素符号及元素的平均含量表示，牌号前加标准号。ISO铸造铝合金标准号有R164、R2147及3522。例如3522A1CuMgTi、R164A1CuMgTi、R214A1CuMgTi等。 四、铝合金的熔炼

铝合金的熔炼是铝合金铸件或铸锭生产过程中的重要工序，是能否获得优质铸件或铸锭的关键。它包括熔炼工艺的编制、配料计算、熔炼设备、工具的选择和准备、炉料及辅助材料的准备、去气除渣等熔炼过程的控制、变质处理、炉前分析、检查等内容，目的是要获得化学成分合格、氧化夹杂少、确保铸件或铸锭不产生气孔、疏松、夹杂等缺陷的成分均匀的铝合金液。

熔炼工艺： 配料计算

变质处理、细化晶粒 1 铝合金的熔炼技术 （1） 熔炼方法

国内铸造铝合金的熔炼 , 基本上仍采用传统的熔炼方法 , 即先预制合金锭 , 再经重熔合金锭 。前者大部分由冶炼厂或铝锭生产厂完成 。而在欧洲 、美国和日本 ,通常采用一次熔炼法 ,即直接从冶炼厂获得液态铝 , 不经过二次重熔 。

一次熔炼的优点在于：(1) 铝液洁净。由于减少一次熔化，即减少了氧化、吸气机会，尤其是减少了再生锭的“化学遗传”和“组织遗传”,这些遗传性是引起铸件表面“白斑”及“霉斑”的主要原因。(2) 节材。铝合金经重熔 ,其中铝烧损 115 %～2 %(视炉料状况) ,

静置、保温

浇铸 装炉及熔化 炉前分析、调整成分 精炼合金液 脱氧或扒渣 准备金属炉料 准备非金属材料 选择并准备熔炼、保温炉及工具

硅烧损 1 %～1. 5 % ,镁烧损 4 %～6 %。此外 ,增加一次精炼、打渣 ,熔化设备的维修等费用也提高一倍。(3) 节能。 （2） 熔化气氛及熔化炉

铝合金对熔化条件极为敏感。熔融后，过热与保温的温度和时间同铝液质量的关系极大。熔化过程中气氛不适时，也会导致大量的吸气和熔渣生成。最好是在中性气氛中熔炼。选择熔铝炉要根据熔化批量和合金种类、熔化条件(能源)、熔炉特点和操作条件 ,以及设备效率和能量消耗等各方面条件，并结合工厂实际综合决定。国内外熔铝炉可分为几种类型：直接和间接燃烧炉；燃烧坩埚炉；有芯和无芯工频感应炉；电阻坩埚炉及反射炉 。 2 国外铝合金熔炼技术新进展—合金喷粉技术

通常，铝的合金化是通过在铝液内直接加入块状的金属元素或间接的以中间合金的形式加入金属元素来实现的。铝的常用合金元素如硅、锰和铜等，其熔点比铝高两倍左右，因此，上述两种工艺都需要将铝首先过热到很高的温度并保温较长时间。这样，不仅能源消耗较大，生产周期较长，而且元素烧损比较严重。

近年来，西方发达国家开始采用喷粉技术向铝液内添加常用元素。喷粉工艺过程为，用气体作为载体，将合金元素粉末带入铝液内配制铝合金。到目前为止，人们采用喷粉工艺的合金元素主要有Si、Mg、Mn、Fe、Cu、Zn。

该工艺投入生产的一个主要工艺参数就是送定量的金属粉末进入铝液所需要的气量。目前生产商用的设备标定用气量为10～15L/Kg。但为了不堵塞，操作者通常用两倍的气量。为了降低成本，许多大的喷粉装置采用压缩空气。但如果气量过高，将导致熔体强烈搅动，产生烟雾，裹入夹杂，金属烧损。因此，气量控制一直是人们研究的主要内容。近年来，通过改中心喷射送料为环形喷射可使气耗量降为10～15L/Kg，达最佳工艺参数。

喷粉合金化工艺特点：

① 合金元素收得率高；②合金元素含量控制准确，保温时间短；③合金液体中气体及夹杂 物含量低；④ 熔体成分均匀；⑤ 易实现合金化的自动操作；⑥ 减少环境污染。 五、铝合金变质处理

在金属材料中，铝及其合金以其密度小、塑性高、导电导热性好、耐蚀性好、资源丰富，容易加工等优点，已广泛应用于各行各业及日常生活的各个方面。在铸造铝合金生产中，常采用加入微量元素（称做变质剂）进行变质处理的方法，来改善并细化组织，消除铸造缺陷。变质处理对提高铝合金的强度、硬度及伸长率，改善其冲击韧性及热稳定性具有重要作用和意义。

1 目前铝合金变质处理的方法和特点 （1） 纯金属及其盐类复合变质方法

在工业生产中，纯金属及其盐类复合变质方法以其方法简便、工艺过程简单、变质效果优良等特点在工业生产中得到广泛地应用。研究表明，钠、钾、锑、锶、硫、磷、砷、铋等纯金属及盐类对铝合金都有一定的变质作用。

20世纪20年代初人们发现钠对铝合金有变质作用，因此铸造铝合金的传统变质方法一直是钠及钠盐变质。该方法虽能有效地对共晶体进行细化，但在工艺和合金质量上存在不少问题：如铸件易产生皮下气孔，变质有效时间短等。

另外有人研究指出，钾比钠具有更强的变质效果。用纯金属钾及其盐类作为变质剂对铝合金变质处理后，合金的力学性能特别是伸长率要高于钠变质。但钾的变质有效时间仍偏短，对熔炼设备也存在一定的腐蚀作用。

80年代初，美国、日本等国先后采用锶及其盐类作铸造铝合金的变质剂。近年，我国也开始采用锶及其盐类作变质剂。锶变质效果好，且具有长效性。锶比钠更能使初生α相细小、均匀；从而改善了合金的强度，尤其是屈服强度和伸长率。

近些年发展了金属盐类复合变质剂（如K2TiF6+NaBF4+NaF+NaCl）对铝合金变质处理方法。结果表明：经盐类复合变质剂变质处理后Al-Si-Cu合金，共晶硅形貌呈现出一束束分枝很多“松树枝状”的极细针状。变质后，合金的抗拉强度和硬度显著提高，伸长率同时大幅度提高。

（2） 中间合金变质方法

在铝合金的变质处理中，中间合金应用较广泛，目前工业生产中主要采用的中间合金有以下几种：Al-Ba、Al-P、Al-5%Ti-1%B、Al-Sr、Al-Sb及Al-Bi中间合金等。

Al-Ba中间合金对共晶Al-Si合金的变质处理结果表明，加入Al-Ba合金30 min时，粗大的针片状共晶硅明显细化，大部分呈细小珊瑚状，只有共晶团边缘部分仍有针片状的共晶硅存在；继续延长加入时间，共晶硅尺寸变得更小，全部变为珊瑚状，在45 min时达到了最佳变质效果。Al-Ba合金达到与Al-Sr合金相同的变质效果，都使共晶硅由针片状变为细小珊瑚状，但是Al-Ba合金的价格比Al-Sr合金低。

Al-Sb中间合金变质剂，可以细化组织，同时显著提高铝合金的塑性和强度。用锑变质时，锑的加入量为0.4%左右，锑的密度为6.67 g/cm3，比铝大2.5倍，直接加入铝液中，会产生重度偏析，不易控制成分，故一般以Al-Sb中间合金的形式在精炼后加入。还应注意，经钠盐锶盐或铝锶中间合金变质过的铝合金，不能再用锑变质，否则性能变坏。 （3） 稀土变质方法

稀土变质剂具有很好的长效性、重熔稳定性，并无腐蚀作用。稀土元素的原子半径为0.174～0.204 mm，大于铝原子半径(0.143 mm)。稀土元素比较活泼，熔于铝液中极易填补合金相的表面缺陷，从而降低新旧两相界面上的表面张力，使晶核生长速度增大，同时在晶粒与合金液之间形成表面活性膜，阻止生成的晶粒长大，使合金的组织细化。此外铝与稀土形成的化合物在金属液结晶时作为外来的结晶晶核，因晶核数大量增加而使合金的组织细化。研究表明，稀土对铝合金具有良好的变质效果。 2 铝合金新的变质处理方法和特点

自20世纪70年代以来， 除了研制新型铝合金外还开发了许多新工艺和新技术，例如形变热处理工艺、粉末冶金工艺、电磁振荡法、激光变质处理、快速凝固技术、液态模锻和液态挤压技术、液态合金过滤及铝基复合材料等。

ZL108合金经激光熔凝处理后组织明显细化，熔凝区主要由等轴晶组成且枝晶生长具有方向性；熔凝区硬度明显提高。超声波震荡铝液也可起到变质作用。炉外铝钛硼丝变质法是近10年来国外发展起来的一种先进的细化晶粒的方法， 其变质过程是把盘架上绕成盘的φ6 mm ～φ10 mm的铝钛硼丝慢慢退转下来。并不断熔入到流槽不断流动的铝合金液中，与铝合金液发生作用，生成外来的异质结晶核心，从而实现细化晶粒的目的。

3 铝合金变质处理的发展趋势

铝合金的变质处理方法多种多样，并且各有利弊。在工业生产中，中间合金应用较广泛， 但是，变质处理的发展趋势，以朝着清洁、长效的方向发展，稀土变质剂具有长效性且无污染，因此大力研究和推广稀土在铝合金中的应用具有重要的经济意义。新技术、新能源的变质处理方法也具有广阔的研究前景。