铝合金加工的冶金基础.docx
《铝合金加工的冶金基础.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《铝合金加工的冶金基础.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
铝合金加工的冶金基础
铝合金及加工的冶金基础
第一章．铝合金的物理化学
1×××系合金
工业纯铝常见杂质为Fe和Si，99.8%纯铝含
Fe<0.15%,Si<0.15%,99.5%纯铝含Fe<0.4%,
Si<0.25%,99.0%Al含Fe+Si1.0%.
Al-Fe系是共晶反应系,Al-Fe
二元相图如图1.1所示
Lα（Al）+Al3Fe，655℃,Fe1.7%
Al3Fe相在Fe38.7~41.5%范围随温度降低析出,Al中Fe固溶度655℃最大为0.052%,600℃为0.025%,500℃为0.006%.工业纯铝中,不纯物Fe主要是Al-Fe共晶相中析出Al3Fe化合物树枝状晶体,Al-Fe系化合物依铸造凝固时的冷却速度形成多种准安定相，铸造冷却速
度为1℃/S以下时形成Al3Fe平衡相，
3~12℃/S时形成准安定相Al6Fe（含Fe25.7wt%）,
12℃/S以上时形成准安定相AlmFe（Al4Fe）及其
Al9Fe2（Fe31.5wt%）.这些准安定相当加热到
500℃时会转化为平衡相.图1.2表示Al-Si系
二元状态图,主要不纯物元素Si与Al发生共晶反应
Lα（Al）+Si，577℃,Si12.6%
α（Al）固溶体中Si固溶度为1.65%,随着温度低而减少,
晶出的硅相为Si99.85%以上,图1.3不Al-Fe-Si三元相
图铝角的液相面和固相面,Al-Fe-Si三元系里,形成二元
化合物的Al3Fe（θ）以及Si相和三元化合物
Al12Fe3Si（α-AlFeSi相t5）及
Al9Fe2Si2（β-AlFeSi相t6）
如果Fe/Si比大,则形成Al-Fe二元系的相,
当Fe/Si比小于1时,则形成Al-Fe-Si三元系的化合物.
铝及铝合金观察到的析出相结晶构造如表1.3所示.
1.21×××系合金的性质
1.2.11050
（1）化学组成（mass%）（JIS）
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr
Zn
Ti
其它
Al
各个
计
0.25
以下
0.40以下
0.05
以下
0.05
以下
0.05
以下
------
0.05
以下
0.03
以下
0.03
以下
--
99.50
以上
（2）调质
退火
约345℃*,空冷另外炉冷**
*
**保温时间,决定于炉内全部材料达到退火温度的时间,冷却速度不是很重要.
（3）物理性质
（4）机械性质
（i）于室温下标准的机械性质
（ii）高温以及低温的机械性质
（5）耐腐蚀性
（6）其它
焊接性
良好
钎焊性
良妇,但因高温强度低,有时会产生竺变形
机械加工性
因为是一般的软质,延性高,切削加工较难
表面处理性
良好,铸造时形成纵木模样,有时会形成阳极氧化皮膜的色调不均.
材料特性的概要
用途例
强度低,但成形性,焊接性,耐腐蚀性优越,另外,因为传热,导电性能优越,用于器物,反射板,照明器具,装饰品,导电材,热交换器.
其它特征及其
注意事项
再结晶时晶粒容易变大,成形后表面容易粗糙,方向异性大,深绞加工后,
因为变形电阻小,箔压延也容易.
（2）Al-Cu系，Al-Cu-Mg系
Al-Cu二元状态图如图1.4所示
Lα（Al）+Al2Cu（θ），548℃,Cu33.2%
Al中最大Cu固有溶度为548℃时5.65%,
300℃时0.45%,随着温度降低析出Al2Cu,
θ相约有52.5%~53.7%的Cu组成范围
是金属化合物Al2Cu,η相约有70.0%~72.1%的
Cu组成范围是化合物AlCu,
Al-Cu-Mg系的铝侧的状态图如图1.5
此三元系里存在Al-Cu系和Al-Mg系的
二元共晶和Al-Cu-Mg系的三元共晶
Lα（Al）+Al2CuMg，
518℃,Cu24.5%,Mg10.1%
Lα（Al）+Al2Cu+Al2CuMg
508℃,Cu33.1%,Mg6%
Lα（Al）+Al2CuMg+Mg32（Al,Cu）49,475℃
Lα（Al）+Mg32（Al,Cu）49,+Al3Mg2
450℃,Cu2.7%,Mg32%
另外,Al-Cu-Mg系还存在Al2CuMg,Al5Cu6Mg2,
AlCuMg,Mg32（AlCu）49,Al7Cu3Mg6,五种三元化合物.
此合金系的实用合金为重要的化合物Al2CuMg和
Al2Cu相,α（Al）+Al2Cu+Al2CuMg三相领域
的固溶限为,508℃时Cu4.05%,Mg1.75%,300℃时Cu0.4%,Mg0.3%。
因不纯物Fe的存在，晶出Al7Cu2Fe（α），如图1.6。
（3）Al-Mn系，Al-Mn-Mg系
Al-Mn二元系状态图如图1.7所示,
表示Mn4.1%以下时,为共晶反应,Mn
超过4.1%时,为领先于共晶反应的包晶反应.
Lα（Al）+Al6Mn，658.5℃,Mn1.95%
L+Al4MnAl6Mn,710℃,Mn4.1~13%
Al6Mn化合物里Mn25.2%,Al4Mn化合物
Mn大概为29.4~32%Al中的Mn固溶度
658.5℃时为1.82%,随着温度降低Mn
的固溶度则急剧减少.实用合金组成
Mn约为1.0%.
因不纯物Fe的存在,而构成Al-Mn-Fe系
三元共晶（图1.8）
Lα（Al）+Al6Mn+Al3Fe;654℃
因为Fe的存在,Al中的Mn溶解度减少,
也易于生成Al6Mn.对于Al6Mn中Fe的
溶解度大,但对于Al3Fe中Mn的溶解度
小,不纯物Si的存在晶出三元化合物
Al12Mn3Si相,Fe和Si共存时则固溶象
Al12（MnFe）3Si的Fe.
Al-Mn系合金成份含有Mg的Al-Mn-Mg系的状态图如图1.9所示,Al侧因Mg的存在不生成三元化合物,α（Al）+Al6Mn共晶的共晶点向低温度侧,低Mn浓度侧移动.Al-Mn-Mg系的实用
合金组成大概Mn1%,Mg1%.
因不纯物Fe,Si的存在,而生成
Al16（Mn,Fe）,Al12（MnFe）3Si,Mg2Si
（4）Al-Si系,Al-Si-Cu系,Al-Si-Mg系
Al-Si二元状态图如图1.2所示.
Al-Si系为577℃,Si12.6%里持
有共晶点的共晶系α（Al）固溶体
的最大Si固溶度为1.65%,随着
温度降低而减少.
Al-Si-Cu系的Al侧的状态图如
图1.10所示,实用合金的组成
Si为4~24%,Cu为2~4.5%
Al-Si系的亚共晶组成,作为初晶
α（Al）固溶体晶出树枝状晶体,
接下来向二元共晶凝固,最终凝固部
为Al-Si-Cu三元共晶.
Lα（Al）+Si;577℃,Si12.6%
Lα+Si+Al2Cu;524℃,Cu27.0%,
Si5.25%
三元共晶α（Al）的固溶度为524℃时,Cu4.9%,
Si1.1%,最终凝固部偏析,晶出的Al2Cu
相约为500℃的溶体化固溶于α相中,
α相中的Cu以及Si的固溶度和温度
同时明显降低.
Al-Si-Mg系的Al侧的状态图如
图1.11所示,三元系实用合金组成为
铸造用Si4~10%,Mg0.25~0.6%.
展伸材用合金Mg0.25~1.5%
Si0.20~1.5%,在其组成范围不存在
三元化合物.MG-Si系里生成
Mg2Si相,在Ai-Mg2Si拟二元系构
成拟二元共晶系。
Lα（Al）+Mg2Si;595℃,Mg8.25%
Si4.75%（Mg2Si13%,Mg/Si=1.73）
α（Al）中的Mg2Si的固溶度从595℃
的1.85%（Mg0.68%,Si1.16%）开始,
随着温度低减,而急剧减少,析出Mg2Si
α（Al）中的Mg2Si的固溶度因过
剩的Si及其Mg的存在而减少。
Al-Si-Mg系，因Ai-Mg2Si拟二元系
而将α（Al）-Mg2Si-Si领域和
α（Al）-Mg2Si-Al3Mg2分开，各自的领域都存在三元共晶反应。
Lα（Al）+Mg2Si+Si
Lα（Al）+Mg2Si+Al3Mg2
凝固组织α（Al）-是由树枝状晶体和间隙晶出的
α+Si共晶相而构成，于最终凝固部里Mg浓缩
后形成非平衡的Mg2Si相。
展伸材用Al-Mg–Si系实用合金为提高强度，
而含有Cu0.1~0.9%,Mn0.05~1.0%,
Cr0.05~0.35%的合金,Cu约到0.4%固溶于
α（Al）中,在这以上则生成Al2CuMg或Al5Cu2Mg8Si6
Mn因为Al6Mn或不纯物Fe,Si的存在形成
Al6（Mn,Fe）,α-ALMnSi.Cr形成Cr化合物
Al7Cr,Al7（Cr,Fe）,Al13（Cr,Fe）4Si4.
不纯物Fe含有0.7%以下,生成
β-Al-FeSi,Q-Al-FeSiMg相.
（5）Al-Mg系
Al-Mg系状态图如图1.12所示
Al侧为共晶反应系
Lα（Al）+Al3Mg2,450℃,Mg35.0%
α（Al）中的Mg的最在固溶度为450℃时,
则为14.9%,Mg的固溶度很大,Al3Mg2
金属间化合物相（β）持有Mg36.1~37.8%的组成范围,实用合金Mg量为0.5~5.6%,如果Mg量多因凝固时的偏析而晶出Al3Mg2.
实用合金为了提高强度,控制再结晶,添加少量Mn,Cr等,Al-Mg-Mn系的情况下,生成α（Al）固溶体,β相（Al3Mg2）,Al6Mn,Al10Mg2Mn。
Al-Mg-Cr系的情况下，生成α（Al）固溶体,β相（Al3Mg2）,θ相（Al7Cr），E相（Al18Mg3Cr2）
因不纯物Si存在晶出Mg2Si，Fe的存在晶出Al6（Mn，Fe）。
（6）Al-Zn-Mg系
Al-Zn系状态图如1.13所示,
Al-Zn二元系里存在共晶,偏析反应
L（Al）+Zn,381℃,Zn94%
（Al）（Al）+Zn偏析反应:
277℃,Zn77.7%
（Al）中的Zn的最大固溶度为381℃时,
可达到83.1%,为277℃时可达到32.4%
Al-Zn-Mg三元系状态图如图1.14所示
Al-Zn-Mg系里存在Al-Al2Mg3Zn3（T）
拟二元共晶,α（Al）Al3Mg2,Al2Mg3Zn3
MgZn2之间的三元系共晶反应.
Lα（Al）+Al2Mg3Zn3
拟二元共晶反应:
489℃,Mg18%,Zn45%
Lα（Al）+MgZn2+Al2Mg3Zn3
三元共晶反应:
475℃,Mg11.3%,Zn60.4%
Lα（Al）+Al3Mg2+Al2Mg3Zn3
三元共晶反应:
447℃,Mg30%,Zn12%
随着温度低下T相（Al2Mg3Zn3）及其η
相（MgZn2）的溶解度减少,析出T相及其η相.
图1.15表示Al-Zn-Mg-Cu四元合金于460℃生成的相,Al-Zn-Mg系含铜的实用组成的合金系形成三元系Al-Zn-Mg相以外的Al2CuMg或者Al2Cu.
1.21×××系合金的性质
1.2.21070
（1）化学组成（mass%）（JIS）
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr
Zn
Ti
其它
Al
各个
计
0.20
以下
0.25以下
0.04
以下
0.03
以下
0.03
以下
------
0.04
以下
0.03
以下
0.03
以下
--
99.70
以上
（2）调质
退火
约345℃*,空冷另外炉冷**
*中间退火,随着Fe,Si固溶量减少,软化温度降低
**保温时间,决定于炉内全部材料达到退火温度的时间,冷却速度不是很重要.
（3）物理性质
（4）机械性质
（i）于室温下标准的机械性质
（ii）高温以及低温的机械性质
（5）耐腐蚀性
耐腐蚀性
良好,Fe量少,比1050合金好.
应力腐蚀开裂
退火材,硬质材,在使用中及实验室均未发现此现象
剥离腐蚀
退火材,硬质材,在使用中及实验室均未发现此现象
（6）其它
焊接性
良好
钎焊性
良妇,但因高温强度低,有时会产生竺变形
成形性
到半硬质材为止,非常良好,硬质材也可,变形电阻小.
机械加工性
因为是一般的软质,延性高,切削加工较难
表面处理性
良好
材料特性的概要
用途例
强度低,但成形性,焊接性,耐腐蚀性优越,另外,因为传热,导电性能优越,用于器物,反射板,照明器具,装饰品,导电材等.
其它特征及其
注意事项
再结晶时晶粒容易变大,成形后表面容易粗糙,方向异性大,深绞加工后,
因为变形电阻小,箔压延也容易.
1.32×××系合金的性质
1.3.12011
（1）化学组成（mass%）（JIS）
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr
Zn
Pb
bi
Ti
其它
Al
各个
计
0.40
以下
0.70以下
5.0
6.0
--------
-------
------
0.30
以下
0.20
0.6
0.20
0.6
0.05
以下
0.15
以下
残部
（2）调质
*热处理的产品于退火时,最好加热415℃,将其温度保持1h以上,冷却最理想为每时30℃以下的速度冷却到260℃,260℃以下冷却速度无问题.
（3）物理性质
（4）机械性质
（5）耐腐蚀性
（6）其它
焊接性
一般不可
钎焊性
一般不可
成形性
冷加工性不怎么好，锻造可以。
机械加工性
切削加工性非常好
表面处理性
为了防腐蚀，在阳极氧化皮膜处理时，要检讨处理条件
材料特性的概要
用途例
快削合金，强度高（和2017同等），但耐腐蚀性不好，可热锻造，于腐蚀环境T8比T3合适。
用于棒，线，光学机械部品，螺丝制品。
其它特征及其
注意事项
Al中添加不固溶的少量Pb，Bi，而付与快削性。
1.3.22017
（1）化学组成（mass%）（JIS）
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr
Zn
Zr+Ti
Ti
其它
Al
各个
计
0.20
0.8
0.7
以下
3.5~
4.5
0.4~
1.0
0.4~
0.8
0.10
以下
0.25
以下
0.20
以下
0.15
以下
0.05
以下
0.15
以下
残部
（2）调质
*热处理的产品于退火时,最好加热415℃,将其温度保持1h以上,冷却最理想为每时30℃以下的速度冷却到260℃,260℃以下冷却速度无问题.
（3）物理性质
（4）于室温下标准的机械性质
（5）耐腐蚀性
（6）其它
焊接性
要注意设定相等的条件
钎焊性
一般不可
成形性
比较好,但因常温时效性大,用于航空机的铆钉时,溶体化处理后1小时内铆接
机械加工性
比较好
表面处理性
为了防腐蚀，在阳极氧化皮膜处理时，要检讨处理条件
材料特性的概要
用途例
硬铅.常温时效可以获得很大强度.切削加工性好,但耐腐蚀性较劣.用于机械部品,螺钉,铆钉,光学机械过给机的叶轮.
其它特征及其
注意事项
1980年下半年以后,铆钉用的Cu,Mg量大幅度下降,主要用提高溶体化处理后成形性的2217合金（Al-2.6%Cu-0.35%Mg）
1.43×××系合金的性质
1.4.13003
（1）化学组成（mass%）（JIS）
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr
Zn
Ti
Zr+Ti
其它
Al
各个
计
0.6
以下
0.70以下
0.05
0.20
1.0
1.5
-------
------
0.10
以下
-----
-------
0.05
以下
0.15
以下
残部
（2）调质
退火
约415℃,空冷另外炉冷*
*保温时间,决定于炉内全部材料达到退火温度的时间,冷却速度不是很重要.
（3）物理性质
（4）机械性质
（ii）高温以及低温的机械性质
（i）于室温标准的机械性质
（5）耐腐蚀性
（6）其它
焊接性
良好
钎焊性
良好，特别适用于炉中钎焊。
成形性
冲床成形性优越，锻造性也好
机械加工性
因强度低，象软质材一样切削性不好。
表面处理性
良好
材料特性的概要
用途例
成形性，耐腐蚀性很好，因强度比工业用纯铝约高10%，而被广泛使用。
用于器物，容器箱，化妆板等。
其它特征及其
注意事项
因为再结晶中的Mn的作用，有时会产生粗大结晶粒和很强的异方向性。
1.55000系合金
1.5.1实用合金的种类和用途
主要添加元素为镁。
JIS规格中规定了从镁含量低的5N01合金到5056合金，计13种，表1.5.1表示5000系合金的化学成分.光辉合金5N01合金为了防止其光辉性低减,尽量降低不纯物Fe,Si等,为了提高光辉性添加微量Cu主要构造用合金为了提高强度，结晶粒微细化，提高耐腐
蚀性而添加Mn和Cr元素。
5052以上含
镁合金为了控制Mg氧化，
很多情况下添加几ppm的Be，另一方面，
为了防止高镁合金热压延开裂，有时进行
Na地金规制。
不进行Na规制时，为防止
Na的恶化影响而采取其它方法添加0.02%
微量Bi也较有效.
表1.5.2表示的是5000系合金的特性和用途例.5000系合金有适当和强度,并且耐腐蚀性,成形加工性,表面处理性,焊接性都较优越而用途极为广泛.Mg添加得少的材料用于装饰用材,器物用材,Mg添加多的材料用于焊接构造材.特别是于海水中5000系合金经纯铝的耐孔食性优越,多用于海洋构造物和船舶用材.5052,5082,5182合金硬质材用于罐的终部，作为磁盘材料用的5086合金研磨和表面处理时材料要均一且平滑需要规制Fe，Si等不纯物。
表1.5.2JIS500系合金的特性和用途
合金称呼
材料特性的概要
用途例
5005
加工性,耐腐蚀性优越,阳极氧化后加工良好,比6063型材更平衡.
建筑用内外装,车辆船舶的内装
5052
有代表性的中强度合金,耐腐蚀性,加工性好,特别是疲劳强度高,耐海水性优越.
一般板金,船舶,车辆,建筑等
5652
规制了5052不纯物元素,控制过氧化氢气的分解的合金,其它特性和5052同等.
过氧化氢气容器
5154
比5052强度高了20%,其它特性和5052同等.
和5052同样的压力容器.
5254
规制了5052不纯物元素,控制过氧化氢气的分解的合金,其它特性和5052同等.
过氧化氢气容器
5454
经5052强度高了20%,表示的特性和5154同等,在严峻的环境下耐腐蚀性比5154优越.
汽车用车轮,压力容器,海岸构造物.
5086
比5154强度高,耐海水性优越的非热处理系焊接构造用合金.
船舶,压力容器,磁盘
5082
接近于5083的强度,成形加工性,耐腐蚀性好.
罐的接头部分
5182
与5082相比，强度高了约5%，其它特性和5082相同
罐的接头部分，汽车用材
5083
实用非热处理合金中最高强度的焊接构造用合金，耐海水性，低温特性很好。
船舶，车辆，压力容器，低温用容箱
5056
耐腐蚀性优越，国切削加工表面的精加工，阳极氧化处理性和染色性很好
照相机镜胴，通信机械部品，拉链。
5N01
强度和3003等同，因光辉处理后的阳极氧化处理可以得到很好的光辉度，深绞性，耐腐蚀性很好
厨房用品，照相机，装饰部品，铬板
5N02
铆钉用合金，耐海水性良好
铆钉
1.5.2实用合金的诸性能
表1.5.3表示的是代表性实用5000系合金的展伸材的物理性质,比重受Mg的影响大,随Mg的添加量高而减低,另外,Al-Mg系合金为共晶系,Mg量超多溶融范围就越广.
表1.5.4表示的是代表性实用5000系合金展伸材的机械性质.图1.5.1表示的是Al-Mg二元合金退火材的Mg的量和拉伸性质的关系.因Mg的固溶强化Mg量越多强度就越高,延伸率为随Mg量增加有2%增加的倾向.但是同图1.5.2和张出成形限界图比较,二轴变形并不一定因Mg的比例而使破损歪斜增大.
图1.5.3表示5083合金于各温度下的抗拉性质.低温情况下,强度和延伸率都增加,5083合金因无低温脆性强度也很高而用于低温容器,在高温下,因延伸率增加,作为提高成形性的一个方法是,250℃前后的温间成形和更高温的超塑性成形等而用5182和5083合金试验.
表1.5.5表示5000系合金的电位及耐腐蚀性,5000系合金一般情况下耐腐蚀性很好,含3.5%以上Mg合金于加工状态下使用时,需考虑应力,腐蚀开裂,含Mg4%以上的Al-Mg合金的应力腐蚀开裂作为改善方法是,冷延加工后,比通常安定化处理温度约高180℃~250℃加热，冷却后进行10%以上冷间压延，有时进行更通常的安定化处理。
1.66000系合金
1.6.16063
（1）化学组成（mass%）（JIS）
（2）调质
（3）物理性质
（4）机械性质
（i）于室温下标准的机械性质
（ii）高温以及低温的机械性质
（iii）蠕变特性
（5）耐腐蚀性
（6）其它
焊接性
良好
钎焊性
良好,适合于真空钎焊
成形性
铝合金中挤压加工性很好,适合于薄肉宽幅形材,以及复杂的中空形材
机械加工性
强度低,较劣
表面处理性
良好
材料特性的概要
用途例
比6061合金强度低,挤压性很好,可以做成复杂的断面形材,因耐腐蚀性,表面处理性良好,多作为用于铝窗的代表性挤压合金.建筑,车辆,家具,家电制品,装饰品.
1.6.16061
（1）化学组成（mass%）（JIS）
（2）调质
（3）物理性质
（4）机械性质
（ii）于室温下标准的机械性质
（ii）高温以及低温的机械性质
（iii）蠕变特性
（5）耐腐蚀性
（6）其它
焊接性
良好,因金属组织,焊接条件热影响部会发生微小缺陷.
钎焊性
不可进行通常钎焊,但也有可能
成形性
作为中强度合金挤压加工性很好
机械加工性
中程度
表面处理性
阳极氧化皮膜处理性良好,但如果组织不均一就会产生表面处理不均
材料特性的概要
用途例
中强度,挤压性,耐腐蚀性,表面处理性优越,广泛应用于挤压材,板材,锻造材.用于铁道车辆,汽车部材,陆上构造物,船舶.
1.6.26N01
（1）化学组成（mass%）（JIS）
（2）调质
升级会员 