1.2.1 鋁的基本特性

鋁在地殼中的含量為8%。由于鋁的化學(xué)親和力強(qiáng), 在自然界中不可能以金屬狀態(tài)存在, 一般以氧化鋁、 硅酸鋁、 硫酸鋁等化合物和它們的復(fù)合鹽或水合物等狀態(tài)存在。當(dāng)前用于生產(chǎn)鋁的主要礦石是Al2O3含量為40%~60%、 SiO2含量低于8%的鋁土礦, 又稱為鋁礬土。最普遍采用的生產(chǎn)方法是用燒堿浸出法(或稱拜耳法)從鋁礬土中提取純氧化鋁, 然后以冰晶石為電解質(zhì), 用電解法(稱為霍耳-埃魯特法)從氧化鋁中冶煉金屬鋁。生產(chǎn)1 t電解鋁約需2 t氧化鋁, 而生產(chǎn)2 t氧化鋁約需4 t鋁礬土。

1.鋁及鋁合金的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)

鋁是一種銀白色的金屬, 在自然界分布極廣, 當(dāng)今世界鋁的年產(chǎn)量僅次于鋼鐵而躍居有色金屬的首位。鋁的重要特征是密度小, 在室溫下, 純鋁密度約為2.7 g/cm3, 其液體密度為2.38 g/cm3, 鋁合金的密度與合金的種類和含量有關(guān), 其值在2.63~2.85 g/cm3之間, 僅為鋼的密度的35%左右。 鋁合金具有相當(dāng)高的強(qiáng)度, 其比強(qiáng)度(強(qiáng)度與密度的比值)可與優(yōu)質(zhì)合金鋼相比。鋁的另一特點(diǎn)是具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性, 僅次于銀和銅, 但隨著鋁中雜質(zhì)元素含量的增加, 其導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性有所降低。

鋁的熔點(diǎn)為660 ℃, 沸點(diǎn)2 100~2 300 ℃。鋁是比較活潑的金屬, 在空氣中極易氧化, 其表面生成一層致密的氧化膜Al2O3, Al2O3的熔點(diǎn)為2 010~2 050 ℃。鋁表面生成的這層氧化膜可以防止鋁的繼續(xù)氧化, 對處于固態(tài)和液態(tài)的鋁均有良好的保護(hù)作用。因此, 鋁及某些鋁合金在淡水、 海水、 濃硝酸鹽、 汽油等以及各種有機(jī)物中具有足夠的耐腐蝕性。應(yīng)當(dāng)指出的是, 純鋁的耐蝕性與鋁的純度有關(guān)。鋁的純度越高, 其耐腐蝕性越好。鋁合金的耐蝕性隨合金元素的不同而異, 一般說來, Al-Mn系和Al-Mg系合金的耐蝕性較好, 大多數(shù)成分較復(fù)雜的鋁合金的耐蝕性不如前兩者; 有些硬鋁及超硬鋁的制品要包鋁, 以提高其耐腐蝕性。

鋁在固態(tài)時屬于面心立方結(jié)晶體, 可塑性較好, 能在熱態(tài)和冷態(tài)下進(jìn)行各種形式的壓力加工。

2.鋁及鋁合金的優(yōu)點(diǎn)

(1)密度小。純鋁的密度為2.7g/cm3, Al-Mg, Al-Li合金密度更低。

(2)耐腐蝕。純鋁表面覆有一層致密堅(jiān)韌的無色透明氧化膜, 能抵抗風(fēng)雨、 食品、 硝酸鹽、 天然氣等地浸蝕。鋁材經(jīng)化學(xué)或陽極化處理, 可以增加表面氧化膜的厚度, 使耐蝕性得到進(jìn)一步提高, 并可利用陽極氧化膜的多孔結(jié)構(gòu), 吸附染料和重金屬離子, 染成各種悅目耐曬的顏色。

(3)足夠的強(qiáng)度。

(4)反射率高。

(5)電導(dǎo)性和熱導(dǎo)性好。

(6)延展性好。

(7)耐沖擊。鋁及鋁合金的彈性模量E等于7.2×104 MPa, 相當(dāng)于鋼的彈性模量的三分之一。高強(qiáng)度鋁合金的屈服強(qiáng)度卻比低碳結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度高。因此鋁制構(gòu)件在沖擊負(fù)荷作用下, 彈性變形量雖然比截面相同的鋼制構(gòu)件大, 卻不易發(fā)生斷裂或永久性變形。

(8)回收利用率高。

3.鋁及鋁合金的缺點(diǎn)

(1)不耐高溫, 一般只能在200 ℃以下使用。

(2)焊接比較困難, 需要?dú)鍤獗Ｗo(hù)。

(3)高強(qiáng)度鋁合金的熱處理工藝復(fù)雜, 而且對應(yīng)力腐蝕特別敏感。

(4)硬度低, 表面容易擦傷, 在產(chǎn)品加工和運(yùn)輸過程中必須謹(jǐn)慎搬運(yùn), 妥善包裝。

(5)鋁的生產(chǎn)需要大量的能源。

1.2.2 鋁合金的基本特性

1.鋁合金的分類

(1)按合金的性能和用途分為: 耐腐蝕鋁合金、 可焊鋁合金、 高強(qiáng)鋁合金(硬鋁)、 超強(qiáng)鋁合金(超硬鋁)、 鍛造鋁合金、 特殊鋁合金。

(2)按熱處理特點(diǎn)分為: 熱處理強(qiáng)化鋁合金和熱處理不強(qiáng)化鋁合金。

(3)按合金主要成分分類: 見表1-1。

由于連續(xù)鑄軋目前只能生產(chǎn)1×××、 3×××、 8×××及5052、 5182等少數(shù)幾個系列的合金, 所以只介紹典型合金的成分范圍, 見表1-2, 其用途見表1-3。