1.2.1 铝的基本特性

铝在地壳中的含量为8%。由于铝的化学亲和力强, 在自然界中不可能以金属状态存在, 一般以氧化铝、 硅酸铝、 硫酸铝等化合物和它们的复合盐或水合物等状态存在。当前用于生产铝的主要矿石是Al2O3含量为40%~60%、 SiO2含量低于8%的铝土矿, 又称为铝矾土。最普遍采用的生产方法是用烧碱浸出法(或称拜耳法)从铝矾土中提取纯氧化铝, 然后以冰晶石为电解质, 用电解法(称为霍耳-埃鲁特法)从氧化铝中冶炼金属铝。生产1 t电解铝约需2 t氧化铝, 而生产2 t氧化铝约需4 t铝矾土。

1.铝及铝合金的物理性质和化学性质

铝是一种银白色的金属, 在自然界分布极广, 当今世界铝的年产量仅次于钢铁而跃居有色金属的首位。铝的重要特征是密度小, 在室温下, 纯铝密度约为2.7 g/cm3, 其液体密度为2.38 g/cm3, 铝合金的密度与合金的种类和含量有关, 其值在2.63~2.85 g/cm3之间, 仅为钢的密度的35%左右。 铝合金具有相当高的强度, 其比强度(强度与密度的比值)可与优质合金钢相比。铝的另一特点是具有良好的导电性和导热性, 仅次于银和铜, 但随着铝中杂质元素含量的增加, 其导电性和导热性有所降低。

铝的熔点为660 ℃, 沸点2 100~2 300 ℃。铝是比较活泼的金属, 在空气中极易氧化, 其表面生成一层致密的氧化膜Al2O3, Al2O3的熔点为2 010~2 050 ℃。铝表面生成的这层氧化膜可以防止铝的继续氧化, 对处于固态和液态的铝均有良好的保护作用。因此, 铝及某些铝合金在淡水、 海水、 浓硝酸盐、 汽油等以及各种有机物中具有足够的耐腐蚀性。应当指出的是, 纯铝的耐蚀性与铝的纯度有关。铝的纯度越高, 其耐腐蚀性越好。铝合金的耐蚀性随合金元素的不同而异, 一般说来, Al-Mn系和Al-Mg系合金的耐蚀性较好, 大多数成分较复杂的铝合金的耐蚀性不如前两者; 有些硬铝及超硬铝的制品要包铝, 以提高其耐腐蚀性。

铝在固态时属于面心立方结晶体, 可塑性较好, 能在热态和冷态下进行各种形式的压力加工。

2.铝及铝合金的优点

(1)密度小。纯铝的密度为2.7g/cm3, Al-Mg, Al-Li合金密度更低。

(2)耐腐蚀。纯铝表面覆有一层致密坚韧的无色透明氧化膜, 能抵抗风雨、 食品、 硝酸盐、 天然气等地浸蚀。铝材经化学或阳极化处理, 可以增加表面氧化膜的厚度, 使耐蚀性得到进一步提高, 并可利用阳极氧化膜的多孔结构, 吸附染料和重金属离子, 染成各种悦目耐晒的颜色。

(3)足够的强度。

(4)反射率高。

(5)电导性和热导性好。

(6)延展性好。

(7)耐冲击。铝及铝合金的弹性模量E等于7.2×104 MPa, 相当于钢的弹性模量的三分之一。高强度铝合金的屈服强度却比低碳结构钢的屈服强度高。因此铝制构件在冲击负荷作用下, 弹性变形量虽然比截面相同的钢制构件大, 却不易发生断裂或永久性变形。

(8)回收利用率高。

3.铝及铝合金的缺点

(1)不耐高温, 一般只能在200 ℃以下使用。

(2)焊接比较困难, 需要氩气保护。

(3)高强度铝合金的热处理工艺复杂, 而且对应力腐蚀特别敏感。

(4)硬度低, 表面容易擦伤, 在产品加工和运输过程中必须谨慎搬运, 妥善包装。

(5)铝的生产需要大量的能源。

1.2.2 铝合金的基本特性

1.铝合金的分类

(1)按合金的性能和用途分为: 耐腐蚀铝合金、 可焊铝合金、 高强铝合金(硬铝)、 超强铝合金(超硬铝)、 锻造铝合金、 特殊铝合金。

(2)按热处理特点分为: 热处理强化铝合金和热处理不强化铝合金。

(3)按合金主要成分分类: 见表1-1。

由于连续铸轧目前只能生产1×××、 3×××、 8×××及5052、 5182等少数几个系列的合金, 所以只介绍典型合金的成分范围, 见表1-2, 其用途见表1-3。