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第二节:蚀刻加工用的铝合金及分类

第二节:蚀刻加工用的铝合金及分类
铝合金按其产品类型可分为板材、棒材、线材和型材。
(1)板材类板材是工业上用得最多的一种材料,板材按其厚度又分为厚板类和薄板类。
①厚板类。按美国标准,厚板是指厚度大于。. 25in(6. 3mm)的产品。2 X XX和7XXX系列合金的厚板也有包铝形式。对于飞机等飞行器构件,最常用的合金是2024, 2124, 2219, 7075, 7050, 7150, 7475, 7178等;对于航海应用、低温燃料箱组与压力容器,最常用的合金是5083, 5086, 5456等;对于一般应用,最常用的是1050, 1010, 1100, 3003, 5052, 6061, 6063等。

②薄板类。按美国标准,薄板是指厚度为0. 006-0. 249in(0. 15—6. 3mm)的产品。其表面状态分为:工厂一般精整XX和7XXX系列薄板也有包铝形式、一面光亮精整或两面光亮精整。对于2X。除少数外,1XXX、2XXX、3 X X X、5XXX, 7XXX系与6061等系列·的大多数铝合金都能生产薄板,且具有范围很广的用途,从建筑小五金到运输设备,从家用小电器到飞机构件等。
(2)棒材与线材类2011,用于制铆接件与零配件;1350,6262是专门设计供制作螺钉的产品;2117, 60536101, 6201广泛用作线材;2024-T4是螺栓与螺丝的标准材料;5056合金用作拉链;5056包铝合金可制作防虫纱窗网等。

铝合金按其加工性能可分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金又分为可热处理强化变形铝合金和不可热处理强化变形铝合金(见图1-3)

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一、变形铝合金的分类及主要性能
1,美国铝协会分类
变形铝合金各国分类型号不尽相同,按美国铝协会标准,变形铝合金可分为以下系列。
(1) 1xxX系该系列产品是纯铝系列。其特征是具有优良的抗腐蚀性能、高电导率、高热导率、低力学性能及优良的可加工性。通过应变硬化,可使强度获得中等程度增加。典型用途包括化工设备、反射器、热交换器、导电体、电容器、包装用箔片、建筑和装饰镶边等。

(2) 2 X X X系Cu是该系合金的主要合金元素,合金中经常还有作为次要添加成分的Mg。该系列中的合金抗蚀性能不是很好,而且在某些情况下还会受到晶间腐蚀。因此,呈薄板形式的这些合金通常要用一层高纯度的铝或6 X X X系的AI-Mg-Si合金予以包覆。
该系列中的合金特别适合于制作对于强度/质量比要求高的部件和结构件,常用来制造卡车与飞机轮子构件、卡车悬挂系统构件、飞机机身与蒙皮,及要求在高达1500C (300 0F)的温度下仍需具有良好强度的结构部件。除2219合金外,这些合金都具有有限的可焊接性,但这个系列中多数合金具有优良的可机加工性能。

(3) 3 X X X系Mn是该系合金的主要合金元素。该系合金一般不可用热处理方法进行强化处理,但有比1XXX系合金高20%以上的强度。由于只有有限含量的Mn(1. 5写左右)能有效地添加进铝中,因此Mn仅在很少数合金中用作主要元素。该系合金只有三种广泛应用的通用合金,即3003, 3004, 3105。该系合金的机械强度比1XXX系高,塑性好,焊接性能好,其抗蚀性能仅比高纯铝略低。
故可用于饮料、罐头、炊事用具、热交换器、贮槽、遮蓬、家具、公路标志、屋顶、幕墙板等。
(4) 4XXX系Si是该系合金的主要合金元素,Si能以较大量(12%)加到铝中。这个系列的合金一般不可热处理强化。该系合金可用作焊接铝用的焊丝和钎料。这类合金在阳极氧化时,表面呈深灰至炭黑色。4032合金具有低的热膨胀系数和高的耐磨性,适合于生产锻造引擎活塞。

(5) 5X X X系Mg是该系合金的主要合金元素。当Mg用作主要合金元素或与Mn一起使用时,能形成具有中等强度或高强度的可加工硬化合金。这个系列的合金具有良好的焊接性能,并在海洋空气中具有良好的抗蚀性能。该系合金用途包括建筑材料、装饰和装饰镶边、罐头和罐头盖、家用电器、街灯标准件、船舶、低温燃料箱组、吊车部件及汽车结构件等。
(6) 6XXX系该系合金含有Si与Mg,属可热处理强化合金。该系合金具有中等强度,但不如多数的2XXX和7 X X X合金强度高。该系合金具有良好的成形性、可焊接性、可机加工性和抗蚀性。可用于建筑材料、自行车车架、运输设备、桥梁栏杆和焊接结构件等。
(7) 7X X X系Zn是该系合金的主要合金元素,添加量为100^800。属具有中等强度至很高强度的可热处理强化合金。可用于制作飞机机体结构件、移动式设备及其他高应力部件。
2.国产铝合金分类
国产变形铝合金分类如下。
(1)纯铝这类铝材国产牌号为L及LG系列合金,对应美国铝协为1XXX系列合金。可分为工业纯铝(L)和高纯铝(LG ),纯度在99.50% —99.79%的铝称为工业纯铝,纯度为99.8%^-99.99%的铝称为高纯铝。
纯度对铝的各种性能有显著影响。纯铝的主要杂质是Fe和Si,含量增加时,虽能提高合金强度,但却降低了合金塑性、电导率和抗蚀性能。

纯铝具有高的可塑性、耐蚀性、导电性和导热性。但强度低、热处理不可强化、切削性能不好。可气焊但不易钎焊,易承受各种压力加工,如拉伸、弯曲等。
纯铝主要用于不承受载荷,但要求具有高的可塑性、良好的焊接性、高的耐蚀性或高的导电导热性的结构元件。如铝箔用于制作垫片及电容器,其他半成品用于制作电子管隔离罩、飞机通风系统零件等。在民用行业广泛用于各种低强度电器壳体的制作
(2)防锈铝防锈铝包括Al-Mn, A1-Mn-Mg, Al-Mg, Al-Mg-Mn系合金。
它们的机械强度比纯铝高,但不可进行热处理强化。该系合金有高的抗蚀性能,故此得名。该系合金还具良好的焊接性能。

Q Al-Mn, Al-Mn-Mg系防锈铝。对应美国铝协会牌号为3 X X X系列合金。
这类合金国产牌号只有LF-21一种(3003), Mn在铝中并无明显强化作用,也不能进行热处理强化,常采用冷加工方法来提高其力学性能。在退火状态下有高的塑性,但退火处理方法不当时,由于Mn在合金内极易产生偏析而使合金的晶粒不均匀。如退火时低Mn部分先再结晶,优先长大形成粗大晶粒,而高Mn部分后再结晶,晶粒较细。这种晶粒不均匀的材料在冲压时易使Mn偏析,造成橘皮状粗糙面,从而严重影响表面处理质量。在加工时常放宽Fe杂质的范围以减少晶粒细化;或采取快速退火来获得细晶粒组织板材。在半冷作硬化时塑性尚好,冷作硬化
时塑性低,耐蚀性好,焊接性良好。
合金中Si杂质可降低Fe的晶粒细化作用,Cu杂质影响合金抗蚀性能。该系合金的可焊性能、切削加工性能、阳极氧化性能与工业纯铝相当。含1%Mg的合金在深冲后有加工软化现象,而其他合金则无此现象,适于制作变薄深拉的工件,如易拉罐等。

② Al-Mg, Al-Mg-Mn系防锈铝。这类合金国产牌号是除LF-21以外的其他LF系列合金,对应美国铝协牌号为5XXX系列合金。

该合金系的主要元素是Mg。当Mg用作主要合金元素或与Mn一起使用时,能形成具有中等强度或高强度的可加工硬化合金。在该系合金中添加Zr与F。可提高再结晶温度。Si能改善流动性。Mn或Cr能中和Fe对抗蚀性的不利影响。Zn对合金的抗蚀性无影响,但能提高合金的铸造性能与强度。Ti与B能细化合金晶粒。少量Be能防止熔铸和焊接时的氧化倾向。
由于该系合金有轻微的时效硬化和强烈的沿晶界沉淀倾向,只能在退火(30。一3600C)或冷作硬化状态下使用。合金通过冷作硬化可使其强度明显提高,但塑性下降、抗蚀性能恶化,而随后采用加热的方法,无论是塑性或抗蚀性能都可重新获得改善。

这个系列的合金具有良好的焊接性能,并在海洋空气中具有良好的抗蚀性能。Al-Mg合金经光亮酸蚀或电解抛光的表面有很高的反射能力,即使在阳极氧化后反射能力仍很高,且保持光泽的能力比其他同类性质的材料高得多。
(3)硬铝这类合金国产牌号为LY系列合金,对应美国铝协会牌号为2 X X X系列合金。
硬铝合金又称杜拉铝,Cu和Mg是这一系列合金的主要合金元素,合金的强度主要决定于Cu,它的强化相为CuAl2 o Mg能进一步提高合金的强度,并能改善硬铝抗晶间腐蚀的能力,并能消除Fe杂质对合金自然时效的影响。
合金中添加了Mn元素,由于Mn抑制挤压与固溶处理时的再结晶过程,产生挤压效应,进而提高合金强度;另一作用是能消除Fe杂质对合金抗蚀性能的不利影响,稳定人工时效组织,有利于合金耐热性能的提高。

由于该系合金中Cu是主要合金元素,所以不具有较好的抗蚀性能。呈薄板形式的该系合金通常要用一层高纯度的铝或Al-Mg-Si合金予以包覆。
该系合金中除少数合金外,都具有有限的可焊接性。但这个系列中多数合金具有优良的可机加工性能和高的强度。广泛用于飞行器和其他强度要求高的结构件。
(4)锻铝合金这类合金国产牌号为LD系列合金,对应美国铝协会牌号为6XXX系列合金。
① Al-Mg-Si系锻铝合金。该系合金具有中等的强度,优良的可焊性能和抗蚀性能,并可热处理强化。为了得到高的强度,该系合金在淬火后须立即进行人工时效。该系合金中Mg, Si含量比为1.73时,其合金材料表面光洁,易于阳极氧化。
②A1-Mg-Si-Cu系锻铝合金。该系合金是在Al-Mg-Si合金的基础上发展而来,合金中的Cu能提高合金强度。该系合金具有良好的可焊性能、机加工性能和抗蚀性能。强度高于AI-Mg-Si系合金,并有较高的耐热性和较好的热塑性。

(5)超硬铝合金这类合金国产牌号为LC系列合金,对应美国铝协会牌号为7XXX系列合金。
AI-Zn-Mg系列是中等强度可焊超硬铝合金。Zn和Mg是该系合金中的主要合金元素,该系合金具有中等强度,良好的可焊性能和抗均匀腐蚀能力。Zn/Mg –2.0-3.8的合金,虽强度不高,但有高的塑性、可焊性和抗应力腐蚀开裂性能,
且抛光性能好;Zn/Mg>7的合金具有极好的挤压性能,同时具有较高的强度、可焊性和抗应力腐蚀开裂的性能。
(6)特殊铝合金在这系合金中值得一提的是列人国家标准的LT“合金。该合金杂质含量极低,是含Mg1.5% 5Yo-%的高纯防锈铝。该合金具有良好的加工成形性能和抗蚀性能,同时又具有很好的抛光性和表面处理性能。

二、铸造铝合金的分类及主要性能
以铸件形式应用的铝合金称为铸造铝合金。作为铸造材料,具有如下优良特性:
①填充狭窄部分的良好流动性;
②适应其他许多金属所要求的低熔点;
③熔融铝的热量可快速向铸模传递,铸造周期较短;
④氢是合金中唯一可较好溶解的气体,且铝中氢的可溶性可通过处理得到时效控制;
⑤许多铸造铝合金没有热脆开裂和撕裂倾向;
⑥化学稳定性好;
⑦良好的铸造表面光洁度,铸件表面光泽,很少或没有表面缺陷。
铸造铝合金具有与变形铝合金相同的合金系。铸造铝合金同样可分为不可热处理强化和可热处理强化两大类。除含有强化元素外,还必须含有足够量的共晶元素(主要是Si)使合金具有相当的流动性,并易于填充铸造时铸件的收缩。所以铸造铝合金中Si元素的最大含量超过多数变形铝合金中Si元素的含量,这也是变形铝合金和铸造铝合金的主要差别。
A 1-Si成分相图示出了单一的共晶系统的状况,该共晶系统使多数高铝铸件能大量生产。Si含量范围大约从4%到共晶点12%时,可减少废料损失,能生产形状复杂多变的铸件,并使铸件具有较好的表面和内在质量。具有这些优点是因为Si增强了熔融铝的流动性,减少了裂纹,把收缩孔隙降到最小程度。

1. Al-Si系铸造铝合金(相当于4XXX系)
Si是该系合金的主要合金元素。如在合金中添加Cu和Mg元素,可使合金通过热处理强化。特别是Cu含量较高的合金不但具有较高的强度,而且还具有较好的铸造性能和耐热性能,但抗蚀性能较差。合金中的Fe杂质可降低合金强度、塑性和抗蚀性,常向合金添加Mn来消除其影响。Ti能使铸件晶粒细化,改善铸造性能。
该系合金抗蚀性、焊接性、流动性均好,膨胀系数、收缩率小,适于铸造复杂零件。
2. Al-Cu系铸造铝合金(相当于2 X X X系)
Cu是该系合金的主要合金元素,约在4%^5%。合金中Fe和Si等有害杂质元素能降低合金的强度和塑性。该系合金可经热处理强化,获得相当高的强度和韧性,特别是用Fe含量低于0.15%的铸锭来制造则更是如此。该系合金如能以特定的工艺减少凝固时产生的应力,便能成功地用于生产高强度、高韧性的铸件。
含Cu量在9%-i0肠的该系合金,由于受其高温强度和耐磨性的限制,只少量用于飞机汽缸盖、某些汽车活塞和缸体。
该系合金强度高、热处理效果好、热稳定性好、密度高,但其抗蚀性能差、铸造性能差、热裂纹倾向大。
3. AI-Cu-Si系铸造铝合金(相当于3XXX系)
该系合金是应用最为广泛的一种铸造合金系。在该系合金中,Cu对合金的强度起作用;Si能改善合金的铸造性能并降低铸件的热脆性,特别是对于形状复杂的工件Si的较高含量很重要。由于Mg能提高合金对热处理的敏感性,所以含Mg的该系列合金还可用热处理进行强化。

4. Al-Mg系铸造铝合金(相当于5XXX系)
该系合金具有中到高的强度和韧性,对于海水和海洋气氛有高耐蚀性是该系合金的主要优点。该系合金具有良好的切削性能和低的粗糙表面,通过阳极氧化处理后具有很漂亮的外观,但其铸造性能不如Al-Si系合金。在合金中降低Mg的含量,并添加少量Zn, Ti等合金元素,能提高合金的铸造性能。
5. A l-Zn系铸造铝合金
该系合金铸造性能良好,并有良好的切削性、焊接性能、抗蚀性能和尺寸稳定性。有时显示时效硬化能力,密度高,铸造性能好。但用金模铸造时易产生热裂纹。

6. Al-Zn-Mg系铸造铝合金(相当于7 X X X系)
该系合金可用自然时效或人工时效来强化。在铸造状态下,具有中到优良的拉伸性能,良好的尺寸稳定性,良好的机加工性和一般抗蚀性。该系合金有高的共晶熔点,可采用硬钎接装配铸件。该系合金虽然铸造性能不佳,如采用良好的铸造工艺及精密控制操作过程,用砂模亦可生产相当复杂的铸件。
7. Al-Sn系铸造铝合金(相当于8xxx系)
该系合金具有极好的润滑性能,对于轴承制造,该系合金优于其他许多材料。但铸造方法将十分明显地影响其耐磨性能。合金中Sn的细小树枝状晶形分布对获得最佳耐磨性能非常重要,这种树枝状分布状态需要细小的枝状晶间隙,可用快速冷却的方法获得。

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