典型合金特点如下。

1060(纯铝)属于普通工业纯铝, 含铝量不小于99.60%。特点是强度低, 加工强化是唯一的强化途径; 热加工和冷加工性能良好, 热导率、 电导率高; 耐蚀性、 焊接性能优良。可加工成不同规格的板、 带、 箔、 管、 棒、 线材, 广泛用作化工设备、 船舶设备、 铁道油罐车、 过氧化氢(H2O2)贮罐, 以及各种强度要求不高, 而要求加工性能良好、 耐蚀、 可焊的工业设备, 也可作为电导体材料、 仪器仪表材料、 焊条等。其组织为单相α-Al, 可能的杂质相为FeAl3, α-Fe2SiAl8, β-FeSiAl5。密度2.705 g/cm3, 熔化温度范围646~657 ℃, 熔炼温度720~760 ℃, 典型退火温度345 ℃, 不可热处理强化。

1100合金为含铝量为99.0%的普通纯铝。热处理不强化; 强度低, 但有良好的热加工和冷加工性能; 耐蚀性和焊接性能优良; 阳极氧化后可进一步提高其耐蚀性, 同时可获得美观的表面。广泛应用于从炊具到工业设备的各个领域。用于加工需要有良好的成形性和高的耐蚀性, 但不要求有高强度的零件部件, 例如化工产品、 食品工业包装与贮存容器、 薄板加工件、 深拉或旋压凹形器皿、 焊接零部件、 热交换器、 印刷板、 铭牌、 反光器具等。组织为单相α-Al, 可能的杂质相为FeAl3, α-Fe2SiAl8, β-FeSiAl5, Fe和Si为主要杂质。密度2.710 g/cm3, 熔化温度范围643~657 ℃, 熔炼温度720~760 ℃, 典型退火温度345 ℃, 热处理不强化。

3003合金是Al-Mn系典型合金。其突出特点是耐蚀性好, 仅在中性介质中的耐蚀性稍次于纯铝, 在其他介质中的耐蚀性与纯铝相近。强度比纯铝的高, 而塑性很好; 焊接性能优良; 导热导电性能比工业纯铝低。加锰以后有一定的固溶强化作用。锰在铝中的固溶度随温度降低而减小, 但热处理强化效果甚微, 因此3003合金为热处理不可强化合金。该合金是一个具有优良塑性和耐蚀性以及中等强度的通用合金, 主要用于加工需要有良好的成形性能、 高的耐蚀性可焊性好的零部件, 或既要求有这些性能又需要有比1×××系合金强度高的工件, 如厨具、 食物和化工产品处理与贮存装置, 运输液体产品的槽、 罐, 以薄板加工的各种压力容器与管道等。室温主要相组成物为α-Al, MnAl6; 可能的杂质相为(FeMn)Al6或(Fe、 Mn、 Si)Al6等。Mn是主要合金化元素, 虽然不可以热处理强化, 但Mn有一定的固溶强化作用使MnAl6有一定的弥散强化作用, 因此强度稍高于纯铝, Mn含量在0.6%~1.0%范围内, 合金的强度和伸长率均较好, Mn超过1.6%将会出现粗大硬脆的MnAl6相, 对合金局部的延展性会造成不利的影响, 所以Mn含量不要超过1.6%, 并控制在中限; Fe在该合金中一般作为杂质进行控制, 但允许达到0.7%, Fe能够减少Mn的偏析, 使退火板材晶粒得到细化。该合金的密度2.730 g/cm3, 熔化温度范围643~654 ℃, 熔炼温度730~770 ℃, 典型退火温度413 ℃, 热处理不可强化。

5052合金是Al-Mg系含镁较低的合金。特点是耐蚀性好, 热处理不可强化, 冷作硬化后具有中等强度, 其耐拉性能介于工业纯铝1100和铝锰系防锈铝3003之间。疲劳强度高, 在变形铝中仅次于3003合金; 有良好低温性能。随温度降低, 耐拉强度、 屈服强度、 伸长率均提高, 低温韧性也很好。退火状态塑性好, 加工硬化率高, 因而硬状态塑性低。冷变形度达到50%时再结晶温度约为288 ℃。可焊性良好, 但焊接裂纹敏感系数高。该合金广泛应用于耐蚀、 可焊、 中等强度的结构材料。此合金有良好的成形加工性能、 耐蚀性、 可烛性、 疲劳强度与中等的静态强度, 用于制造飞机油箱、 油管, 以及交通车辆、 船舶的钣金件, 仪表、 街灯支架与铆钉、 五金制品等。

2.铝合金中合金元素和杂质对产品性能的影响

(1)铜元素: 548 ℃时, 铜在铝中的最大溶解度为5.65%, 温度降至302 ℃时, 铜的溶解度为0.45%。铜是重要的合金元素, 有一定的固溶强化效果, 此外时效析出的CuAl2相有明显的时效强化效应。铝合金中铜含量通常在2.5%~5%, 铜含量在4%~6.8%时强化效果最好, 所以大部分硬铝合金的含铜量处于该范围。铝铜合金中可以含有较少的硅、 镁、 锰、 铬、 锌、 铁等元素。

(2)硅元素: 在共晶温度577 ℃时, 硅在α固溶体中的最大溶解度为1.65%。尽管溶解度随温度降低而减少, 但这类合金一般是不能热处理强化的。铝硅合金具有极好的铸轧性能和耐蚀性。若镁和硅同时加入铝中形成铝镁硅系合金, 强化相为Mg2Si 。镁和硅的质量比为1.73：1。设计铝镁硅系合金成分时, 基本上按此比例。有的铝镁硅合金为了提高强度, 加入适量的铜。同时加入适量的铬以抵消铜对耐蚀性的不利影响。Mg2Si在铝中的最大溶解度为1.85%, 且随温度的降低而减小。变形铝合金中, 硅单独加入铝中只限于焊接材料, 硅加入铝中亦有一定的强化作用。

(3)镁元素: 根据铝镁合金平衡相图的溶解度曲线, 镁在铝中的溶解度随温度下降而大大地变小, 但在大部分工业用变形铝合金中, 镁的含量均小于6%, 而硅含量也低, 这类合金是不能热处理强化的, 但可焊性良好, 耐蚀性也好, 并有中等强度。镁对铝的强化是明显的, 每增加1%镁, 抗拉强度大约升高34 MPa。如果加入1%以下的锰, 可起补充强化作用。因此加锰后既可降低镁含量, 又可降低热裂倾向, 还可以使Mg5Al8化合物均匀沉淀, 改善耐蚀性和合金性能。

(4)锰元素: 在共晶温度658 ℃处, 锰在α固溶体中的最大溶解度为1.82%。合金强度随溶解度增加不断增加, 锰含量为0.8%时, 伸长率达最大值。铝-锰合金是非时效硬化合金, 即热处理不强化合金。锰能阻止铝合金的再结晶过程, 并能显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化主要是通过MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。MnAl6的另一作用是能溶解杂质铁, 形成(Fe、 Mn)Al6, 减小铁的有害影响。 锰是铝合金的重要元素, 可以单独加入形成铝-锰二元合金, 更多的是和其他合金元素一同加入, 因此大多数铝合金中均含有锰。

(5)锌元素: 275 ℃时锌在铝中的溶解度为31.6%, 而在125 ℃时其溶解度则下降到5.6%。锌单独加入铝中, 在变形条件下对合金强度的提高十分有限, 同时存在应力腐蚀开裂倾向, 因而限制了它的使用。在铝中同时加入锌和镁, 形成强化相MgZn2, 对合金产生明显的强化作用, MgZn2含量从0.5%提高到12%时, 可明显增加耐拉强度和屈服强度。镁的含量超过形成MgZn2相所需要的量时, 还会产生补充强化作用。调整锌和镁的比例, 提高抗拉强度和增大应力腐蚀开裂抗力。所以在超硬铝合金中, 锌和镁的比例控制在2.7左右时, 应力腐蚀开裂抗力最大。如在铝-锌-镁基础上加入铜元素, 形成铝-锌-镁-铜系合金, 其强化效果在所有铝合金中最大, 也是航天、 航空工业中重要的铝合金材料。

(6)铁和硅: 铁在铝-铜-镁-镍-铁系锻造铝合金中, 硅在铝-镁-硅系锻铝中和在铝-硅系焊条及铝硅铸轧合金中, 均作为合金元素加入。在其他铝合金中, 硅和铁是常见的杂质元素, 对合金性能有明显的影响。它们主要以FeAl3和游离硅存在。当硅大于铁时, 形成β-FeSiAl5(或Fe2Si2Al9)相, 而铁大于硅时, 形成α-Fe2SiAl8(或Fe3SiAl12)。当铁和硅比例不当时, 会引起铸件产生裂纹。

(7)钛和硼: 钛是铝合金中常用的添加元素, 以铝-钛或铝-钛-硼中间合金加入。钛与铝形成TiAl3相, 成为结晶时的非自发核心, 起细化铸造组织和焊缝组织的作用。

(8)铬元素: 铬是铝-镁-硅系、 铝-镁-锌系、 铝-镁系合金中常见的添加元素。在600 ℃时, 铬在铝中的溶解度为0.8%, 室温时基本上不溶解。铬在铝中形成(CrFe)Al7和(CrMn)Al12等金属间化合物, 阻碍再结晶的形核和长大过程, 对合金有一定的强化作用, 还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。但会增加淬火敏感性, 使阳极氧化膜呈黄色。铬在铝合金中添加量一般不超过0.35%, 并随合金中过渡族元素的增加而降低。

(9)锶元素: 锶是表面活性元素, 在结晶学上锶能改变合金结晶的行为。因此用锶元素进行变质处理能改善合金的塑性加工性能和最终产品品质。由于锶的变质有效时间长、 效果和再现性好等优点, 近年来在铝-硅铸轧合金中取代了钠的使用。在挤压用铝合金中加入0.015%~0.03%锶, 使铸锭中β-AlFeSi相变成α-AlFeSi相, 可以减少铸锭均匀化时间60%~70%, 提高材料力学性能和塑性加工性; 改善制品表面粗糙度。对于高硅(10%~13%)变形铝合金中加入0.02%~0.07%的锶元素, 可使粗晶硅减少至最低限度, 力学性能也显著提高, 抗拉强度由233 MPa提高到236 MPa, 屈服强度由204 MPa提高到210 MPa, 伸长率δ5由9%提高到12%。在过共晶铝-硅合金中加入锶, 能减小粗晶硅粒子尺寸, 改善塑性加工性能, 可顺利进行热轧和冷轧。

(10) 锆元素: 锆也是铝合金的常用添加剂。一般在铝合金中加入量为0.1%~0.3%, 锆和铝形成ZrAl3化合物, 可阻碍再结晶、 形核与晶粒长大过程。锆亦能细化铸轧组织, 但比钛的作用小。有锆存在时, 会降低钛和硼细化晶粒的效果。在铝-锌-镁-铜系合金中由于锆对淬火敏感性的影响比铬和锰小, 因此宜用锆来代替铬和锰影响再结晶晶粒大小。

(11) 稀土元素: 稀土元素加入铝合金中, 使铝合金熔铸时增加成分过冷, 细化晶粒, 减少二次枝晶间距, 减少合金中的气体和夹杂, 并使夹杂相趋于球化, 还可降低熔体表面张力, 增加流动性, 有利于浇注成锭, 对工艺性能有着明显的影响。各种稀土加入量以约0.1%(原子分数)为好。含镁的铝合金能激化稀土元素的变质作用。

(12)杂质元素: 在铝中有时还存在钒、 钙、 铅、 锡、 铋、 锑、 铍及钠等杂质元素。这些杂质元素由于熔点高低不一, 结构不同, 与铝形成的化合物也不相同。因而对铝合金的影响也不一样, 不是必需时, 均应尽量减少。