铝及铝合金的特点、分类及热处理方法

5.3　非铁金属材料

除铁基合金以外的其它金属及其合金称为非铁金属材料（又称有色金属材料）。非铁金属材料具有许多钢铁材料所不及的优良特性，是现代工业中不可缺少的材料。本节扼要介绍目前工程上广泛应用的铝、铜、钛及其合金，以及滑动轴承合金。

5.3.1铝及铝合金

5.3.1.1纯铝

纯铝具有银白色金属光泽，密度为2.72g/cm³，熔点为660.4℃，具有良好的导电性和导热性，其导电性仅次于银和铜。纯铝在空气中易氧化，表面形成一层能阻止内层金属继续被氧化的致密的氧化膜，因此具有良好的抗大气腐蚀性能。纯铝具有面心立方结构，无同素异构转变，无磁性。纯铝具有极好的塑性和较低的强度（纯度为99.99%时，R_m=45 N/mm²，A=50%），良好的低温性能（到-235℃塑性和冲击韧度也不降低），冷变形加工可提高其强度，但塑性降低。纯铝具有优良的工艺性能，易于铸造、切削和冷、热压力加工，还具有良好的焊接性能。

纯铝中含有少量铁、硅等杂质元素，杂质含量增加，其导电性、抗蚀性及塑性都降低。纯铝按纯度分为纯铝(99%<w_Al<99.85%)、高纯铝(w_Al≥99.85%)。按GB/T16474—1996规定，压力加工产品的牌号用1XXX表示，1表示纯铝。第二位字母若为A，表示为原始纯铝；若为其它字母表示原始纯铝的改型情况。后两位数字表示最低铝质量分数(以百分之几计)中小数点后面的两位。按GB/T8063—1994规定，铸造产品的牌号用Z＋铝元素化学符号＋铝的最低质量分数(以百分之几计)表示。高纯铝主要用于科学试验和化学工业。纯铝的主要用途是配制铝合金，还可用来制造导线、包覆材料、耐蚀和生活器皿等。

5.3.1.2铝合金

    纯铝的强度和硬度很低，不适宜作为工程结构材料使用。向铝中加入适量Si、Cu、Mg、Zn、Mn等元素（主加元素）和Cr、Ti、Zr、B、Ni等元素（辅加元素），组成铝合金，可提高强度并保持纯铝的特性。

    1)铝合金的分类

    根据铝合金的成分和生产工艺特点，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。铝合金一般都具有如图5-21所示的相图，在此图上可直接划分变形铝合金和铸造铝合金的成分范围。图5-21中成分在D点以左的合金，加热至固溶线（DF线）以上温度可以得到均匀的单相α固溶体，塑性好，适于进行锻造、轧制等压力加工，称为变形铝合金。成分在D点以右的合金，存在共晶组织，塑性较差，不宜压力加工，但流动性好，适宜铸造，称为铸造铝合金。

在变形铝合金中，成分在F 点以左的合金，固溶体成分不随温度而变化，不能通过热处理方法进行强化，称为不可热处理强化的铝合金；成分在FD之间的合金，固溶体成分随温度而变化，可通过热处理方法进行强化，称为可热处理强化的铝合金。

2)铝合金的热处理

铝合金热处理的主要工艺方法有退火、淬火和时效。

(1) 退火

① 再结晶退火  在再结晶温度以上保温一段时间后空冷，用于消除变形工件的冷变形强化，提高塑性，以便继续进行成形加工。

② 低温退火  目的是消除内应力，适当增加塑性，通常在180～300℃保温后空冷。

③ 均匀化退火  目的是消除铸锭或铸件的成分偏析及内应力，提高塑性，通常在高温长时间保温后空冷。

(2) 淬火（固溶处理） 将铝合金加热到固溶线以上保温后快冷，使第二相来不及析出，得到过饱和、不稳定的单一α固溶体。淬火后铝合金的强度和硬度不高，具有很好的塑性。

(3) 时效  将淬火后铝合金在室温或低温加热下保温一段时间，随时间延长其强度、硬度显著升高而塑性降低的现象，称为时效。室温下进行的时效称为自然时效；低温加热下进行的时效称为人工时效。时效的实质，是第二相从过饱和、不稳定的单一α固溶体中析出和长大，由于第二相与母相（α相）的共格程度不同，使母相产生晶格畸变而强化。

铝合金时效强化效果与加热温度和保温时间有关，时效温度越高，时效速度越快。每一种铝合金都有其最佳时效温度和时效时间，若时效温度过高或保温时间过长，铝合金反而会软化，称为过时效，如图5-22 所示。

图5-22  铝合金时效硬化曲线示意图

(4) 回归  自然时效后的Al合金，在200～250℃短时(几秒至几分钟)保温，然后水淬急冷，可使已时效强化的Al合金的力学性能及物理性能恢复到淬火态的数值，这种现象称为回归。回归处理后的Al合金，仍能自然时效，但每次回归处理后，其强度有所降低，故一般回归处理次数以3～4次为限。利用回归现象，可随时进行飞机的铆接和修理等。

3)变形铝合金

变形铝合金依据其性能特点可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金四种，其中防锈铝合金为不可热处理强化铝合金，其它三种为可热处理强化铝合金。其牌号分别用2XXX～8XXX表示（详见GB/T16474—1996）。第一位数字依次表示以Cu、Mn、Si、Mg、Mg-Si、Zn、其它元素为主要合金元素的铝合金组别。第二位字母若为A，表示为原始合金；其它字母表示原始合金的改型情况。后两位数字表示顺序号。表5-19为常用变形铝合金的牌号、化学成分及力学性能，其中旧牌号为按GB3190—1982的牌号。通常在变形铝合金牌号后面还附有表示合金状态的代号（详见GB/T16475—1996）。

(1) 防锈铝合金  防锈铝合金包括Al-Mn系和Al-Mg系合金，其主要性能特点是具有很高的塑性、较低或中等的强度、优良的耐蚀性能和良好的焊接性能。防锈铝只能用冷变形来强化，一般在退火态或冷作硬化态使用。

常用Al-Mn系防锈铝合金有3A21，其抗腐蚀性较好，有良好的塑性和焊接性能，常用来制造需弯曲、冷拉或冲压的零件，如管道、容器、油箱等。

常用Al-Mg系防锈铝合金有5A02、5A03、5A05、5A06等，此类合金有较高的疲劳性能和抗振性，强度高于Al-Mn系合金，但耐热性较差，广泛用于航空航天工业中，如制造油箱、管道、铆钉、飞机行李架等。

表5-19  常用变形铝合金的代号、化学成分及力学性能（GB/T3190—1996）

(2) 硬铝合金  硬铝是可热处理强化铝合金中应用最广泛的一种，包括Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mn系两类。

    常用Al-Cu-Mg系硬铝可分为低强度硬铝（铆钉硬铝），如2A01，其强度比较低，但有很高的塑性，主要作为铆钉材料；中强度硬铝（标准硬铝），如2A11；高强度硬铝，如2A12。Al-Cu-Mg系硬铝的焊接性和耐蚀性较差，对其制品需要进行防腐保护处理，对于板材可包覆一层高纯铝，通常还要进行阳极氧化处理和表面涂装，为提高其耐蚀性一般采用自然时效。部分Al-Cu-Mg系硬铝具有较高的耐热性，如2A11、2A12，可在较高温度使用。Al-Cu-Mn系硬铝为超耐热硬铝合金，具有较好的塑性和工艺性能，常用合金有2A16、2A17(LY17)。硬铝合金常制成板材和管材，主要用于飞机构件、蒙皮、螺旋桨、叶片等。

(3) 超硬铝合金  超硬铝为Al-Zn-Mg-Cu系合金，是强度最高的变形铝合金，常用合金有7A04、7A09等。超硬铝合金具有良好的热塑性，但疲劳性能较差，耐热性和耐蚀性也不高。超硬铝的板材表面通常包覆w_Zn=1%的铝锌合金，零构件也要进行阳极化防腐蚀处理。超硬铝合金一般采用淬火加人工时效的热处理强化工艺，主要用于工作温度较低、受力较大的结构件，如飞机蒙皮、壁板、大梁、起落架部件等。

(4) 锻铝合金  锻铝合金有Al-Cu-Mg-Si系和Al-Cu-Mg-Fe-Ni系两类，锻铝合金热塑性好，可用锻压方法来制造形状较复杂的零件。一般在淬火加人工时效后使用。

Al-Cu-Mg-Si系锻铝常用牌号有6A02(LD2)、2A50、2A14等，主要用于制造要求中等强度、高塑性和耐热性零件的锻件、模锻件，如各种叶轮、导风轮、接头、框架等。

Al-Cu-Mg-Fe-Ni系锻铝常用代号有2A70、2A80(LD8)、2A90(LD9)等，此类合金耐热性较好，主要用于250℃温度下工作的零件，如航空发动机活塞、叶片、超音速飞机蒙皮等。

(5) 铝锂合金  铝锂合金是一种新型的变形铝合金，大体可分为Al-Li-Cu、Al-Li-Mg两个体系，它具有密度低、比强度高、比刚度大、疲劳性能良好、耐蚀性及耐热性高等优点，国外已用于制造飞机构件、火箭和导弹的壳体、燃料箱等。目前Al-Li合金的应用还存在一些问题，如价格较高，熔铸工艺还有问题，废料回收未解决等，故世界上许多国家还都在投入人力、物力进行Al-Li合金的研究和开发。

4)铸造铝合金

铸造铝合金主要有Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系四种，其代号分别用ZL1、ZL2、ZL3、ZL4加两位数字的顺序号表示（GB1173—1974）；若为铸锭，则在ZL后加D；若为优质，则在代号后加A；需表示状态时，在合金代号后用短横线连接状态代号；铸造方法代号不写入合金代号中。铸造铝合金的牌号用ZAl＋主要合金元素的化学符号和平均质量分数(以百分之几计)表示，若平均质量分数小于1%，一般不标数字（GB/T8063—1994）。表5-20为常用铸造铝合金的牌号、化学成分及力学性能。表5-21为热处理状态代号和铸造方法代号。

表5-20  常用铸造铝合金的牌号（代号）、化学成分及力学性能（GB/T1173—1995）

(1) Al-Si系铸造铝合金  Al-Si系铸造铝合金俗称硅铝明，其中ZL102为Al-Si二元合金，称为简单硅铝明，其余为Al-Si系多元合金，称为复杂硅铝明。Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，密度小，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。简单硅铝明强度较低，不能热处理强化，生产中常采用变质处理来细化组织，改善性能，通常用于制造形状复杂但强度要求不高的铸件，如飞机、仪表壳体等。复杂硅铝明可通过热处理来强化，常用代号有ZL101、ZL104、ZL105、ZL109等，用于制造低、中强度的形状复杂的铸件，如电机壳体、气缸体、风机叶片、发动机活塞等。

(2) Al-Cu系铸造铝合金  Al-Cu系铸造铝合金有较高的强度、耐热性，但密度大、耐蚀性差，铸造性能不好，常用代号有ZL201、ZL203等，主要用于制造较高温度下工作的要求高强度的零件，如内燃机气缸头、增压器导风叶轮等。

(3) Al-Mg系铸造铝合金  Al-Mg系铸造铝合金的耐蚀性好，强度高，密度小，但铸造性能差，耐热性低。常用代号有ZL301、ZL303等，主要用于制造在腐蚀介质下工作的承受一定冲击载荷的形状较为简单的零件，如舰船配件、氨用泵体等。

(4) Al-Zn系铸造铝合金  Al-Zn系铸造铝合金铸造性能好，强度较高，但密度大，耐蚀性较差。常用代号有ZL401、ZL402等，主要用于制造受力较小、形状复杂的汽车、飞机、仪器零件。

表5-21  热处理状态代号及铸造方法代号