铝合金加工的冶金基础.docx

1、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Fe0.15%,Si0.15%,99.5%纯铝含Fe0.4%,Si0.25%,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L (Al)+Al3Fe，655,Fe 1.7%Al3Fe相在Fe38.741.5%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

2、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，312/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 L (Al)+Si，577,Si12.6%(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()以及Si相

3、和三元化合物Al12Fe3Si(-AlFeSi相t5)及Al9Fe2Si2(-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.1.2 1系合金的性质1.2.1 1050(1) 化学组成(mass%)(JIS)SiFeCuMnMgCrZnTi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

4、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-

5、Mg系Al-Cu二元状态图如图1.4所示L (Al)+Al2Cu()，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, 相约有52.5%53.7%的Cu组成范围是金属化合物Al2Cu,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 L (Al)+Al2CuMg，518,Cu 24.5%,Mg 10.1%L (Al)+Al2Cu+ Al2CuMg508,Cu 33.1%,Mg 6%L (Al)

6、+ Al2CuMg+Mg32(Al,Cu)49,475L (Al) +Mg32(Al,Cu)49, + Al3Mg2 450,Cu 2.7%,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, (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（），如图1.6。（3）Al-Mn系，Al-Mn-Mg系

7、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.L (Al)+Al6Mn，658.5,Mn 1.95%L+ Al4Mn Al6Mn,710,Mn4.113%Al6Mn化合物里Mn25.2%, Al4Mn化合物Mn大概为29.432%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)L (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Al6

8、Mn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,(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5

9、77, Si 12.6%里持有共晶点的共晶系(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424%,Cu为24.5%Al-Si系的亚共晶组成,作为初晶(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.L (Al)+Si;577,Si 12.6%L +Si+Al2Cu;524,Cu 27.0% ,Si 5.25%三元共晶(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的溶体化固溶于相中, 相中的Cu以及Si的固溶度和

10、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Si410%,Mg0.250.6%.展伸材用合金Mg0.251.5%Si0.201.5%,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。L (Al)+Mg2Si;595,Mg 8.25%Si4.75%( Mg2Si 13%,Mg/Si=1.73)(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(Al)中的Mg2Si的固溶度因过剩的Si及其Mg的存在而减少。Al

11、-Si-Mg系，因Ai-Mg2Si拟二元系而将(Al)- Mg2Si-Si领域和(Al)- Mg2Si-Al3Mg2分开，各自的领域都存在三元共晶反应。L (Al)+Mg2Si+ SiL (Al)+Mg2Si+ Al3Mg2凝固组织(Al)-是由树枝状晶体和间隙晶出的+ 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Cu 0.10.9%,Mn0.051.0%,Cr0.050.35%的合金,Cu约到0.4%固溶于(Al)中,在这以上则生成Al2CuMg或Al5Cu2Mg8Si6Mn因为Al6Mn或不纯物Fe,Si的存在形成

12、Al6(Mn,Fe), -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-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 L (Al)+Al3Mg2,450,Mg35.0%(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()持有Mg36.137.8%的组成范围,实用合金Mg量为0.55.6%,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

13、,Cr等,Al-Mg-Mn系的情况下,生成(Al)固溶体,相(Al3Mg2), Al6Mn, Al10Mg2Mn。 Al-Mg-Cr系的情况下，生成(Al)固溶体,相(Al3Mg2),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,Zn 94% (Al) (Al)+Zn偏析反应:277, Zn 77.7% (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

14、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, (Al) Al3Mg2 ,Al2Mg3Zn3MgZn2之间的三元系共晶反应.L (Al)+ Al2Mg3Zn3 拟二元共晶反应:489,Mg18%,Zn45%L (Al)+ MgZn2+ Al2Mg3Zn3 三元共晶反应:475,Mg11.3%,Zn60.4%L (Al)+ Al3Mg2+ Al2Mg3Zn3 三元共晶反应:447,Mg30%,Zn12%随着温度低下T相(Al2Mg3Zn3)及其相(MgZn2)的溶解度减少,析出T相及其相.图1.15表示Al-Zn-Mg-Cu四元合金于460生成的相,

15、 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.1.2 1系合金的性质1.2.2 1070(1)化学组成(mass%)(JIS)SiFeCuMnMgCrZnTi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

16、)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

17、易.1.3 2系合金的性质1.3.1 2011(1)化学组成(mass%)(JIS)SiFeCuMnMgCrZnPbbiTi其它Al各个计0.40以下0.70以下5.06.0-0.30以下0.200.60.200.60.05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

18、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。1.3.2 2017(1)化学组成(mass%)(JIS)SiFeCuMnMgCrZnZr+TiTi其它Al各个计0.200.80.7以下3.54.50.41.00.40.80.10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)

19、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)1.4 3系合金的性质1.4.1 3003(1)化学组成(mas

20、s%)(JIS)SiFeCuMnMgCrZnTiZr+Ti其它Al各个计0.6以下0.70以下0.050.201.01.5-0.10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

21、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。1.5 5000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

22、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1.5.2 JIS500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

23、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

24、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5N0

25、2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

26、,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180250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。 1.6 6000系合金1.6.1 6063(1)化学组成(mass%)(JIS)(2)调质 (3)

27、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.1.6.1 6061(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.1.6.2 6N01(1)化学组成(mass%)(JIS)(2)调质