耐热铝合金的发展及应用

第一篇：耐热铝合金的发展及应用

耐热铝合金的研究发展及应用

1．前言

为了能在150～350℃温度范围内用低密度、低价格的铝合金代替钛合金,在过去的二十年内，快速凝固耐热铝合金受到广泛重视。该领域的研究发展很快，相继开发了以Al-Fe、Al-Cr为基的一系列耐热铝合金，并且得到实际应用。

2．耐热铝合金的发展

传统的高强铝合金主要是亚共晶成分的合金，含有在端际固溶体中固溶度原子分数大于2%的合金元素，通过时效过程中金属间化合物的析出使合金达到强化。但在150℃以上的环境温度下，这些析出相以很快的速度粗化，材料性能急剧下降，限制了使用范围。七十年代后期，为了满足先进战斗机对材料的需求，美国空军把注意力集中于开发在350℃温度以下能取代钛合金的铝合金，并资助了一些研究项目，耐热铝合金的研究开始受到重视。

要提高铝合金的耐热性能，必须在合金中形成大量弥散分布且具有热稳定性的析出相。要达到这个要求，加入的合金元素应该在液态时固溶度高，固态时几乎不固溶并有较低的扩散系数，满足这个要求的是大部分过渡族金属元素和镧系元素(表1)。采用快速凝固技术可以提高这些元素在铝中的极限固溶度，在合金中形成足够数量的弥散粒子，耐热铝合金就是在铝合金中加入一定量这些元素的基础上发展起来的。

表1 合金元素在铝合金中的固溶度和扩散速度 2.1 Al-Fe-Ce合金

美国铝公司(Alcoa)根据合金元素的作用和资源、价格等方面的因素，选择铝和Cr、Mn、Fe、Ni、Co及Ce六种元素组成的六个二元系和十五个三元系进行了系统研究，每种合金中溶质元素加入总量为5%原子分数。研究发现，几乎所有的合金都表现出较好的热稳定性，而且三元系的性能优于二元系。经过数次对合金成分和合金元素含量的优化后发现，Al-Fe-Co和Al-FeCe合金的性能超过了预定要求达到的指标。经过大量的前期研究工作，认为耐热铝合金以含Fe的合金系性能较好，所以最终选择了Al-Fe-X(Co、Ni、Ce)合金系进行进一步深入研究，最后合金成分确定为Al-8Fe-4Ce，并发展成为实用化的耐热铝合金。

2.2 Al-Fe-V-Si合金

由于Fe和V在铝中的溶解度低，扩散系数小，所以美国联合信号公司(Allied Signal)选择Al-Fe-V合金进行研究。在研究过程中，发现其中某个炉次合金的耐热性明显好于其它炉次，进一步的分析发现，该合金中的硅含量比其它合金明显高。对合金的熔炼过程分析，在使用含SiO2的坩埚进行熔炼时，SiO2被还原成Si进入了铝液。Si进入铝合金后，形成了Al13(Fe,V)3Si，而Al-Fe-V三元系的其它合金中却没有这种析出物。对该析出物的研究发现，它和基体之间有特定的位向关系，并且在适当的Fe/V比例时，析出相和基体之间有很好的晶格匹配，两相之间的界面能较低，高温下的粗化速度较Al-Fe-V系的其它析出物缓慢，使合金的耐热性得到提高。在此基础上发展了Al-Fe-V-Si系列的耐热铝合金,成功地应用于航空、航天及汽车零件。

2.3 Al-Cr-Zr合金

早期由Elagin和Federov对低浓度Al-Cr-Zr合金进行的研究虽然不多，但表明了该合金作为耐热铝合金的发展潜力，Alcan和Sheffiled大学在较宽的合金成分范围内对Cr和Zr加入后的热稳定性进行了研究，发现含Cr的合金在直到450℃的温度都具有阻止溶质聚集和析出相粗化的能力，并保持高的固溶强化效果。而加入Zr后，在高温还会产生时效硬化现象。在这些早期工作的基础上，得到含4%～4.5%Cr和1.5%～2.5%Zr的合金具有良好的热稳定性。如果在合金中再加入少量的Mn，其耐热性可以进一步提高。与Al-Fe系耐热铝合金的不同之处在于，Al-Cr系耐热铝合金在固结成形后，还需要进行后续的热处理，以达到最佳力学性能。

总之，近十几年来，对耐热铝合金进行了大量的研究，相继开发了一系列快速凝固耐热铝合金。除上述合金外,主要的还有Pratt&Whitney开发的Al-Fe-Mo-V合金，Pechiney开发的Al-Fe-Mo-Zr合金和Sumitomo开发的Al-Fe-V-Mo-Zr合金。这类合金主要以Al-Fe和Al-Cr为基础，添加表1所列的过渡族金属元素和镧系元素，形成以下几种三元、四元和多元合金：

(1)Al-Fe-X，X代表铝中共晶形成元素Ce、Ni等；

(2)Al-Fe-Y(-Y)，三元或四元，Y代表铝中包晶形成元素Mo、V、Zr、Ti等；(3)Al-Fe-Si-Y，Y同样代表铝中包晶形成元素；(4)Al-Cr-Zr-Mn合金。

3．快速凝固耐热铝合金的组织及性能 3.1 Al-Fe二元快凝耐热铝合金的组织和性能

Al-Fe二元合金在平衡条件下,由α-Al和Al3Fe组成。由于Al3Fe是硬脆相且以粗大针状出现在α-Al基体上，严重割裂了基体的连续性，使合金强度低、韧性差。而快凝技术可改变铁在α-Al中的固溶度及Al3Fe的形态和分布，并使Al3Fe成为合金的弥散强化相，使合金获得意想不到的高耐热性。

Al-Fe合金的组织受冷却速度的影响，冷却速度不同,其组织形态也不同。例如：用气体雾化的Al-8Fe合金粉末，不同尺寸的颗粒，可能出现5种不同的微观组织，即显微α-Al，胞状α-Al，α-Al+Al6Fe，共晶组织以及Al3Fe初生相。而用熔体旋铸法制得的Al-Fe合金，条带由薄变厚，其组织形态由微晶变为细等轴晶、菊花状及放射状枝晶。合金中的Al3Fe形态和分布也受冷却速度的影响。冷却速度增加时，Al3Fe由粗大的棒状转变为细小的棒状，再转变成菊花状，进一步增加冷却速度，Al3Fe变得非常细小，甚至出现“光学无特性”组织。提高冷却速度，合金中的第二相不仅仅是平衡相Al3Fe，同时还有亚稳相Al6Fe及AlmFe(m=4.4)。

Al-Fe二元合金的性能主要取决于弥散相的体积分数和大小。当合金中铁含量由2%增加到10%时，弥散相体积分数由7%增加到18%，弥散相直径由0.13μm仅增加到0.21μm。这种弥散相的热稳定性较好，加热温度低于300℃时，尺寸变化不大。含铁8%的合金，500℃下加热100h后，弥散相也仅由原来的0.21μm长大到0.32μm，且弥散相体积分数不受加热温度的影响。

合金中铁元素含量决定弥散相体积分数，进而影响合金性能。对气体雾化Al-(2～10)Fe粉末热挤压后的性能研究表明：随着合金中铁含量的增加，弥散相体积分数增高，合金的拉伸强度增加。但是，铁含量增加到8%后，铁含量再增加，强度增加缓慢，而延伸率却显著下降。合金的高温强度取决于弥散相的热稳定性，在低于300℃热暴露时，由于弥散相变化很小，因而强度变化也不大；但在300℃以上热暴露时，弥散相(主要是Al3Fe)有粗化的趋势，强度开始下降，但合金的延伸率随温度的升高而增大。

Al-Fe二元合金的其他主要性能特点还有：在均衡密度差的情况下，合金较小变形量的抗力(0.1%蠕变强度)较高，可与钛合金相比美；在100℃和某一给定应力下，该合金的蠕变抗力较传统铝合金也有显著的改善。

3.2 Al-Fe-Ce快凝耐热铝合金的组织及性能

Ce是镧系元素，在铝基体中有小的溶解度和低扩散速度，而且能形成高体积分数的二元和三元金属间化合物,起弥散强化作用。这些金属间化合物一部分是热处理发生转变形成的亚稳相，其他是稳定相。因此，此类合金具有较高的强度和热稳定性。

Al-Fe-Ce合金的平衡相有：二元相Al3Fe4,Al6Fe和Al4Ce，三元相Al13Fe3Ce,Al10Fe2Ce和Al20Fe5Ce。Al6Fe,Al10Fe2Ce和Al20Fe5Ce并非是平衡相。Raghavan等对气体雾化挤压后的Al-8.8Fe-3.7Ce合金的组织进行了研究，结果表明：合金中的金属间化合物有球状亚稳相Al6Fe，棒状亚稳相Al20Fe5Ce(主要弥散相)，等轴型亚稳相Al10Fe2Ce(主要沉淀相)，以及平衡相Al13Fe4Ce和Al13Fe3Ce。当对挤压态合金进行热处理时，亚稳相分解转化。分解开始温度约300℃，在400℃下长时间受热亚稳相基本转变为相应的平衡相，其中Al6Fe转变成Al3Fe4,Al10Fe2Ce和Al20Fe5Ce转变成Al13Fe3Ce。

对气体雾化Al-8.32Fe-3.4Ce合金的性能进行了研究，结果表明：该合金常温拉伸和屈服强度均高达500MPa以上，在低于300℃受热后，室温下测得的强度基本不变，显示了较高的热稳定性。高于300℃时，强度开始下降，但仍保持较高的水平。如300℃热暴露100h后，室温下测得的强度仍在300MPa以上。合金受热强度下降的原因有两方面：一是亚稳相转变成平衡相，弥散强化作用减弱；二是晶粒长大和相粗化。

在研究加入其他合金元素对Al-Fe-Ce合金组织和性能影响时，发现钛的加入有利于提高合金的热稳定性，其原因是钛可以阻塞合金元素的扩散通道，起提高再结晶温度的作用。例如，Al-8.9Fe-4.3Ce旋转叶片法快凝合金加入1%的钛后，室温抗拉强度375MPa，300℃时的抗拉强度仍保持275MPa。此外，Al-Fe-Ce合金中加入Ni、Zr等合金元素后，均有利于提高合金的强度。

3.3 Al-Fe-Si快凝耐热铝合金的组织及性能

快凝Al-Fe-V-Si耐热铝合金最早由AlliedCorp公司开发，该合金是在Al-Fe-V基础上引入了硅元素。合金中加入硅后，使原来针状Al3Fe相变为球形Al13(Fe,V)3Si相，这是该合金中唯一的弥散相。虽然Al13(Fe,V)4Si仍是一种亚稳相，但热稳定性极佳，在温度高于500℃时仍保持亚稳状态。

对采用平面流铸法生产的Al-13.4Fe-0.85V-2.23Si合金条带组织进行了分析，发现Al13(Fe,V)4Si相沿晶成簇分布。由于弥散相沿晶分布，改变了合金再结晶温度并抑制了晶粒的生长，使合金具有较高的热稳定性。其中合金元素钒能降低弥散相颗粒与基体间的界面能，减小颗粒粗化驱动力。合金在510℃受热时，弥散相也没有明显粗化。

Al-Fe-V-Si快凝铝合金具有许多优异的性能。例如：100℃和300℃下的拉伸强度分别高达470MPa和320MPa，屈服强度也在370MPa和300MPa以上。采用快凝/粉末冶金(RS/PM)法生产的该合金，断裂时呈一定的各向异性，这与原颗粒表面包覆的氧化物挤压过程中被拉伸有关；但该合金的冲击值较高，轴向K1c值，可高达21MPa.m1/2，径向值略低些。K1c值随着温度的升高而降低，316℃时仅是25℃时的一半。William，Richard和Chan等把高温韧性差的原因归于断口分层。Al-Fe-V-Si合金较其他成分的快凝耐热铝合金还具有高的疲劳强度和抗疲劳裂纹生长能力。研究表明：疲劳裂纹多在原颗粒界面或微孔上形核，扩展过程中常遇到细弥散相及变形亚结构的抑制，甚至裂纹能重新弥合，这是其疲劳强度高的原因。此外，该合金还具有较一般铸造合金高的抗腐蚀能力。

3.4 其他Al-Fe基耐热铝合金的组织及性能

Al-Fe-V-Mo是具有包晶反应的快凝耐热铝合金，该合金中出现的金属间化合物相有：AlFe(Mo,V),，Al6Fe和Al3Fe。Al-8Fe-2Mo-1V是其典型合金，该合金中弥散相体积分数约占17%左右，金属间化合物尺寸在0.1～1μm之间。此合金的常温强度和高温强度较高，见表1。

Al-Fe基耐热铝合金中加入锆形成Al3M型沉淀相，这类沉淀相与α-Al基体

表1 部分快速凝固耐热铝合金的性能 间的界面能较小，因而，锆元素加入不仅可以减小沉淀相的析出速率，还可以降低粗化速度，增加了合金的热稳定性。Al-Fe-V-Zr合金中的相有胞状S′相，Al3Fe，Al3Zr及Al6Fe相，其中Al3Zr相体积分数较高，且多在热挤压过程中形成。该合金性能特点是，附带的耐蚀性特别好，其原因是化学成分和显微结构细化两者的综合作用结果。Al-Fe-Mo-Zr合金中的钼存在形式比较复杂，尚难准确确定，但衍射证明钼均匀分布于粉末中。此类合金中由于钼固溶改变了晶格常数，且在后续的热处理过程中形成大量的Al3Zr相，使合金强度提高。屈服强度高达650MPa，极限抗拉强度高达730MPa；300℃时的高温强度也比快凝Al-Fe-V-Si合金高。

Al-Fe-Cr-Zr雾化合金存在Al13Cr2，Al3Zr，Al3(Fe、Cr)及Al31Fe4金属间化合物相，合金粉末越细，即冷却速度越高，Al13Cr2越细小，平衡相Al13Fe43越少。其中Al3Cr2，Al3Zr和Al3(Fe、Cr)相具有良好的热稳定性和抗粗化能力，而Al3Zr相与基体存在共格关系，沉淀强化效果较好，导致该合金具有高的常温和高温强度及韧性。采用多级雾化热挤压工艺制备的Al-6.8Fe-3.75Cr-1.52Zr合金常温拉伸强度达465MPa，伸长率5.0%，而400℃时的强度仍保持108MPa，伸长率升到9.3%。

快凝Al-Fe-Ni系耐热合金，由于存在以Al(FeNi)2为基的三元τ相，可有效地增加合金的模量，同时，τ又是剪切时的稳定相，再加上τ相与α-Al基体具有良好的取向关系，使合金强度和热稳定性显著增加。Al-Fe-Ni合金中加入少量Mo、Cr后，合金中出现AlxMo(x表示制造条件不同，化合物的原子组成比不同)等相，合金在480℃时极限抗拉强度仍高达490MPa，冲击值K1c也保持在12MPa.m1/2左右。

Al-Li-Mn-Zr雾化及喷射沉积合金中存在第二相：Al6Mn，Al4Mn，Al3Zr，Al3Li和AlLi，其中锰和锆弥散相抑制了再结晶和晶粒长大，加速含锂相的时效。这类合金常温强度和韧性均较低，但在高温时却保持较高的性能。例如：250℃时仍保持常温85%～90%的模量和强度。

4．快凝耐热铝合金的应用及存在的问题

开发快凝耐热铝合金的最终目的是取代飞机零件中的钛合金。近些年来的研究成果表明，这方面的工作已取得了很大进展，快凝耐热铝合金的某些性能已相当或超过了部分钛合金的。例如：Al-Fe-Zr-V的比强度与Ti-6Al-4V相当，而Al-Fe-Ce在150℃和230℃时屈服强度分别为449MPa和391MPa，已超过Ti-6Al-4V合金的，再加上这些新型合金密度低，价格便宜，一般不含有贵重的战略元素，已经有可能在230～350℃的温度范围内与常规的钛合金竞争，甚至取代钛合金。目前，快凝耐热铝合金已成功地用于制造气体涡轮发动机的压缩翼片和叶片，以及涡轮和散热片等部件，还可以用于制造火箭和宇宙飞船上的某些构件。当快凝耐热铝合金用于制造飞机构件时，造价一般只是钛合金的30%～50%，而飞机重量却可以减轻15%左右。如果进一步提高其耐热性能，应用范围还将扩大。

快凝耐热铝合金目前存在的问题主要有以下几方面。性能方面：

1、快凝耐热铝合金的疲劳强度、蠕变强度还不够高，这与粉末冶金过程中原始颗粒界面和氧化物有关；

2、快凝耐热铝合金的断裂韧性也不甚理想，尤其是存在明显的中温脆性，引起脆性的原因还待进一步研究。成本方面：采用粉末冶金工艺的快凝耐热铝合金，虽然性能比熔铸合金优越，但制造成本偏高却成了该合金面临的挑战。

快凝耐热铝合金今后的研究方向将主要集中在以下几方面：

1、发展低成本的新型快凝工艺。由于喷射沉积快凝工艺相对RS/PM工艺而言，生产工序简化，避免了原始粉末颗粒界面氧化问题，可使合金的韧性得到提高，生产成本降低。因此，应进一步完善喷射沉积快凝工艺，使其应用于实际生产。

2、进一步研究合金的耐热机理，包括过固溶的基体在受热过程中的作用。

3、研究引起合金中温脆性的原因及解决措施，进一步提高合金的韧性。

第二篇：铝及铝合金焊丝发展

铝及铝合金焊接工艺及其焊丝发展

组员（第五组）：李庆树 关子健 梁志宽 黄理宽 莫先耀 陈长阳

摘要： 铝合金具有良好的耐蚀性、较高的比强度和导热性以及在低温下能保持良好力学性能等特点，在航空航天、汽车、电工、化工、交通运输、国防等工业部门被广泛地应用。掌握铝合金的焊接性特点、焊接操作技术、接头质量和性能、缺陷的形成及防止措施等，对正确制定铝合金的焊接工艺，获得良好的接头性能和扩大铝合金的应用范围具有十分重要的意义。随着焊接工艺发展，铝合金焊丝也受到人们的关注，介绍铝合金焊丝的化学成分、产品性能及选择原则,阐述其生产工艺的发展现状,指出我国焊丝生产存在的问题,展望铝合金焊丝的发展趋势。

关键词:铝及铝合金;焊丝;焊接：工艺

Aluminum and aluminum alloy welding wire technology and its development Abstract: aluminum alloy has high corrosion resistance, good specific strength and thermal conductivity and the temperature can maintain good mechanical properties and other characteristics, are widely used in aerospace, automotive, electrical, chemical, transportation, national defense and other industrial sectors.Master of aluminum alloy welding characteristics, operation technology and joint quality and performance, welding defect formation and prevent measures of welding process, the correct formulation of the aluminum alloy, and has very important significance to obtain the good performance of the scope of application of the joint and the expansion of aluminum alloy.With the development of welding technology, welding wire of aluminum alloy is attention, introduces the chemical composition, product performance and selection principle of aluminum alloy welding wire, mainly describes the present situation of its production process, points out the existing problems of China's production of welding wire, aluminum alloy wire development trend prospect.Keywords: aluminum and aluminum alloy;welding wire;welding process

第一章

1.1铝合金的分类、成分和性能

（1）铝合金的分类

铝合金可分为变形铝合金（双分为非热处理强化铝合金、热处理强化铝合金两类）铸造铝合金。变形铝合金是指经不同的压力加工方法制成的板、带、管、型、条等半成品材料；铸造铝合金以合金铸锭供应。

按GB/T3190—1996和GB/T16474—1966的规定，铝合金牌号命名的基本原则是：可直接采用国际四位数字体系牌号。四位字符牌号的第一位、第三位、第四位为阿拉伯数字，第二位为英文大写字母。2×××为Al－Cu系，3×××为Al－Mn系，4×××为Al－Si系，5×××为Al－Mg系，6×××为Al－Mg－Si系，7×××为Al－Zn系，8×××为Al－其他元素，9×××为Al－备用系。这样，我国变形铝合金的牌号表示法与国际上的通用方法基本一致。

1）非热处理强化铝合金

非热处理强化铝合金通过加工硬化、固溶强化提高力学性能，特点是强度中等、塑性及耐蚀性好，又称防锈铝，原先代号为LF××。Al－Mn合金和Al－Mg合金属于防锈铝合金，不能热处理强化，但强度比纯铝高，并且具有优异的抗腐蚀性和良好的焊接性，是目前焊接结构中应用最广的铝合金、超硬铝、锻铝等。

硬铝 硬铝的牌号是按铜的增加顺序编排的。Cu是硬铝的主要成分，为了得到高的强度，Cu含量一般应控制在4.0%～4.8%。Mn也是硬铝的主要成分，主要作用是消除铁对抗蚀性的不利的影响，还能细化晶粒、加速时效硬化。在硬铝合金中，铜、硅、镁等元素能形成溶解于铝的化合物，从而促使硬铝合金在热处理时强化。

退火状态下硬铝的抗拉强度为160～220MPa，经过淬火及时效后抗拉强度增加至312～460MPa。但硬铝的耐蚀性能差，为了提高合金的耐蚀性，常在硬铝板表面覆盖一层工业纯铝保护层。

超硬铝 合金中锌、镁、铜的平均总含量可达9.7%～13.5%，在当前航空航天工业中仍是强度最高和应用最多的一种轻合金材料。超硬铝的塑性和焊接性差，接头强度远低于母材。由于合金中锌含量较多，形成晶间腐蚀及焊接热裂纹的倾向较大。

锻铝 具有良好的热塑性，而且铜含量越少热塑性越好，适于作锻件用。具有中等强度和良好的抗蚀性，在工业中得到广泛应用。

（2）铝合金的性能 铝合金的物理性能见表1.3。

防锈铜器（铝锰合金、铝镁合金）主要用于要求高的塑性的焊接性、在液体或气体介质中工作的低载荷零件，如油箱、汽油或润滑油导管、各种液体容器和其他用深拉制作的小负荷零件等。铝合金被广泛应用航空航天、建筑、汽车、机械制造、电工、化学工业、商业等领域。铝合金在飞机制造中是主要的结构材料，它约占骨架质量的55%，而且大部分关键轴承部件，如涡轮发动机轴向压缩机叶片、机翼、骨架、外壳、尾翼等是由铝合金制造的。

1.2 铝合金的焊接性特点

铝合金熔化焊时有如下困难和特点： [1]（1）铝和氧的亲和力很大，因此在铝及铝合金表面总有一层难熔的氧化铝膜远远超过铝的熔点，这层氧化膜不溶于金属并且妨碍被熔融填充金属润湿。在焊接或钎焊过程中应将氧化膜清除或破坏掉。

（2）熔焊时，铝合金的焊接性首先体现在抗裂性上。在铝中加入铜、锰、硅、镁、锌等合金元素可获得不同性能的合金，各种合金元素对铝合金焊接裂纹的影响不同。

（3）铝合金的固态和液态色泽不易区别，焊接操作时难以控制熔池温度。（4）焊后焊缝易产生气孔，焊接接头区易发生软化。

对铝合金进行焊接，可以用多种不同的焊接方法，表1.4所列的为部分铝合金的相对焊接性。

现代科学技术的发展促进了铝合金焊接技术的进步。可焊接的铝合金材料范围逐步扩大，现在不仅可以成功地焊接非热处理强化的铝合金，而且解决了传统的航空航天和军工等行业，逐步扩大到国民经济生产和人民生活的各个领域。铝合金的焊接方法和材料选用 2.1铝合金的焊接方法

铝合金的焊接方法很多，各种方法有其不同的应用场合。除了传统的熔焊、电阻焊、气焊方法外，其他一些焊接方法（如等离子弧焊、电子束焊、真空扩散焊等）也可以容易地将铝合金焊接在一起。

铝合金常用焊接方法的特点及适用范围见表2.1。应根据铝及铝合金的牌号、焊件厚度、产品结构以及对焊接性的要求等选择。

（1）气焊

氧－乙炔气焊火焰的热功率低，热量较分散，因此焊件变形大、生产率低。用气焊焊接较厚的铝焊件时需预热，焊后的焊缝金属不但晶粒粗大、组织疏松，而且容易产生氧化铝夹杂、气孔及裂缝等缺陷。这种方法只用于厚度范围在0.5～10㎜的不重要铝结构件和铸件的焊补上。

（2）钨极氩弧焊

这种方法是在氩气保护下施焊，热量比较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，焊接接头的强度和塑性高，在工业中获得起来越广泛的应用。钨极氩弧焊用于铝合金是一种较完善的焊接方法，但钨极氩弧焊设备较复杂，不宜在室外露天条件下操作。

（3）熔化极氩弧焊

自动、半自动熔化极氩弧焊的电弧功率大，热量集中，热量影响区小，生产效率比手工钨极氩弧焊可提高2～3倍。可以焊接厚度在50㎜以下的纯铝及铝合金板。例如，焊接厚度30㎜的铝板不必预热，只焊接正、反两层就可获得表面光滑、质量优良的焊缝。半自动熔化极氩弧焊适用于定位焊缝、断续的短焊缝及结构形状不规则的焊件，用半自动氩弧焊焊炬可方便灵活地进行焊接，但半自动焊的焊丝直径较细，焊缝的气孔敏感性较大。

（4）脉冲氩弧焊 1）钨极脉冲氩弧焊

用这种方法可明显改善小电流焊接过程的稳定性，便于通过调节各种工艺参数来控制电弧功率和焊缝成形。焊件变形小、热影响区小，特别适用于薄板、全位置焊接等场合以及对热敏感性强的锻铝、硬铝、超硬铝等的焊接。2）熔化极脉冲氩弧焊

可采用的平均焊接电流小，参数调节范围大，焊件的变形及热影响区小，生产率高，抗气孔及抗裂性好，适用于厚度在2～10㎜铝合金薄板的全位置焊接。

（5）电阻点焊、缝焊

可用来焊接厚度在4㎜以下的铝合金薄板。对于质量要求较高的产品可采用直流冲击波点焊、缝焊机焊接。焊接时需要用较复杂的设备，焊接电流大、生产率较高，特别适用于大批量生产的零、部件。

（6）搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是一种可用于各种合金板焊接的固态连接技术。与传统熔焊方法相比，搅拌摩擦焊无飞溅、无烟尘，不需要添加焊丝和保护气体，接头无气孔、裂纹。与普通摩擦相比，它不受轴类零件的限制，可焊接直焊缝。这种焊接方法还有一系列其它优点，如接头的力学性能好、节能、无污染、焊前准备要求低等。由于铝及铝合金熔点低，更适于采用搅拌摩擦焊。

2.2 铝用焊接材料

（1）焊丝

采用气焊、钨极氩弧焊等焊接铝合金时，需要加填充焊丝。铝及铝合金焊丝分为同质焊丝和异质焊丝两大类。为了得到良好的焊接接头，应从焊接构件使用要求考虑，选择适合于母材的焊丝作为填充材[2]。

选择焊丝首先要考虑焊缝成分要求，还要考虑产品的力学性能、耐蚀性能，结构的刚性、颜色及抗裂性等。选择熔化温度低于母材的填充金属，可大大减小热影响区的晶间裂纹倾向。对于非热处理合金的焊接接头强度，按1000系、4000系、5000系的次序增大。含镁3%以上的5000系的焊丝，应避免在使用温度65℃以上的结构中采用，因为这些合金对应力腐蚀裂纹很敏感，在上述温度和腐蚀环境中会发生应力腐蚀龟裂。用合金含量高于母材的焊丝作为填充金属，通常可防止焊缝金属的裂纹倾向。

目前，铝合金常用的焊丝大多是与基体金属成分相近的标准牌号焊丝。在缺乏标准牌号焊丝时，可从基体金属上切下狭条代用。较为通用的焊丝是HS311，这种焊丝的液态金属流动性好，凝固时的收缩率小，具体优良的抗裂性能。为了细化缝晶粒、提高焊缝的抗裂性及力学性能，通常在丝中加入少量的Ti、V、Zr等合金元素作为变质剂。

选用铝合金焊丝应注意的问题如下。

1）焊接接头的裂纹敏感性 影响裂纹敏感性的直接因素是母材与焊丝的匹配。选用熔化温度低于母材的焊缝金属，可以减小焊缝金属和热影响区的裂纹敏感性。例如，焊接硅含量0.6%的6061合金时，选用同一合金作焊缝，裂纹敏感性很大，但用硅含量5%的ER4043焊丝，由于其熔化温度比6061合金低，在冷却过程中有较高的塑性，所以抗裂性能良好。此外，焊缝金属避免镁与铜的组合，因为Al－Mg－Cu有很高的裂纹敏感性。

2）焊接接头的力学性能 工业纯铝的强度最低，4000系列铝合金居中，5000系列铝合金强度最高。铝硅焊丝虽然有较高的抗裂性能，但含硅焊丝的塑性较差，所以对焊后需要塑性变形加工的接头来说，应避免选用含硅焊丝。

3）焊接接头的使用性能 填充金属的选择除取决于母材成分外，还与接头的几何形状、运行中的抗腐蚀性要求以及对焊接件的外观要求有关。例如，为了使容器具有良好的抗腐蚀能力或防止所储存产品对其的污染，储存过氧化氢的焊接容器要求高纯度的铝合金。在这种情况下，填充金属的纯度至少要相当于母材。

（2）焊条

铝合金焊条型号、规格与用途见表2.2。铝合金焊条的化学成分和力学性能见表2.3。

（3）保护气体

焊接铝合金的惰性气体有氩所和氦气。氩气的技术要求为Ar＞99.9%,氧＜0.005%，氢＜0.005%，水分＜0.02mg/L，氮＜0.015%。氧、氮增多，均恶化阴极雾化作用。氧＞0.3%，则使钨极烧损加剧，超过0.1%使焊缝表面无光泽或发黑。

钨极氩弧焊时，交流加高频焊接选用纯氩气，适用大厚度板；直流正极性焊接选用Ar+He或纯Ar。

熔化极氩弧焊时，当板厚＜25㎜时，采用纯Ar。当板厚为25～50㎜时，采用添加10%～35%Ar的Ar+He混合气体。当板厚为50～75㎜时，宜采用添加10%～35%或50%He的Ar+He混合气体。当板厚＞75㎜时，推荐添加50%～75%He的Ar+He混合气体。

第二章 铝合金焊丝的化学成分

铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金又分为热处理强化铝合金和热处理不可强化铝合金。用于焊接铝合金的铝合金焊丝分为电极丝及填充丝。铝合金焊丝化学成分,除铝基体外一般还含有各种主要合金元素、添加的微量元素及杂质元素[3]。合金元素的种类和含量决定着焊丝的使用性能,如力学性能、焊接性能、耐蚀性能等。以用途广泛的ＥＲ5356合金焊丝为例,其化学成分(质量分数)为:Ｍｇ5%、Ｃｒ0.10%、(Ｆｅ+Ｓｉ)0.3%、Ｃｕ≤0.05%、Ｚｎ0.05%、Ｍｎ0.15%、Ｔｉ0.1%、Ａｌ余量。其中,主要合金元素Ｍｇ与Ａｌ形成固溶体基体,少量形成Ａｌ8Ｍｇ5粒子;Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ等都是起微合金化、强韧化作用的微量元素。Ｃｒ和Ｍｎ能提高合金的耐应力腐蚀性能;Ｔｉ可形成ＴｉＡｌ3,起细化晶粒、提高抗裂纹能力的作用,并可改善合金的可焊性;杂质Ｆｅ和Ｓｉ会降低合金的耐蚀性和机械性能,尤其对Ｍｎ含量较高的金更为明显;杂质元素Ｎａ严重影响合金的热变形性能,Ｎａ含量超过0.001%就会出现“Ｎａ脆性”,在高Mｇ合金中尤为显著。我国铝及铝合金焊丝型号以“Ｓ”开头,后面的化学元素符号表示主要合金组成,尾部的数字表示同类焊丝的不同品种。铝合金焊丝产品及性能

1904年瑞典人奥斯卡尔凯·吉尔伯格(ＯｓｃａｒＫｊｅｌｌｂｅｒｇ)建立了世界第一家焊条厂(ＯＫ焊条厂,即现在的ＥＳＡＢ公司)。其后,焊接冶金研究不断深入,20世纪50年代、70年代相继开发出了实心焊丝气保焊和气保护药芯焊丝,并得到广泛应用。在“七五”、“八五”期间,我国重点推广ＣＯ2半自动化焊接技术,带动了实心焊丝的发展[4-5]。目前,我国已有近百家实心焊丝生产厂,几十家药芯焊丝生产厂,并能够自行设计制造实心焊丝、药芯焊丝生产线。铝及铝合金的广泛应用以及铝合金焊接技术的飞速进步,使得铝及铝合金焊丝日益引起人们的关注。目前,国外只有少数几家公司掌握铝及铝合金焊丝生产技术,如德国的ＶＡＷ、美国的Ａｌｃｏａ、日本的ＫＯＫ等。日本的铝及铝合金焊丝的工业标准(ＪＩＳＺ3232)基本是参照美国标准,其产品质量在1970年以前尚落后于欧美等国,其后产品质量显著提高,目前已达到国际先进水平[6]。3 铝及铝合金焊丝材料的选用

铝及铝合金焊丝广泛应用于铝合金氩弧焊及气焊。焊丝选用主要根据母材的种类、接头的抗裂性能、机械性能、抗腐蚀性能及经阳极化处理后焊缝与母材的色彩协调等方面的要求综合考虑。一般来说,焊接铝及铝合金都采用与母材相同或相近牌号的焊丝,这样可以获得较好的耐蚀性;但焊接热裂倾向大的热处理强化合金时,选择焊丝时则主要考虑抗裂性。铝镁合金焊接时,为弥补焊接过程中镁的烧损,应避开焊缝易出现裂纹的镁含量临界点(2%),一般采用含镁量比基材高1%～2%的焊丝。另外,采用含Ｍｇ量高的铝合金焊丝焊接高Ｚｎ铝合金时可提高焊缝的抗裂性。以6005Ａ型材为例,其镁含量为0.65%、硅含量为0.70%,采用ＥＲ5356铝合金焊丝可以满足上述要求。依据美国ＡＬＣＯＴＥＣ铝焊接研究所提供的技术资料,并参照德国、日本等国文献报道,焊接7005铝合金型材时可选用的焊丝牌号有ＥＲ5356、ＥＲ5183,接头综合性能均较高;二者比较,ＥＲ5356接头强度稍差,但延伸率较大。综合国外铝合金车辆的成功制造经验,选择ＥＲ5356焊丝焊接7005基材较好[7]。4 铝及铝合金焊丝生产工艺

目前国内铝合金焊丝线坯的生产工艺大致有立式半连续铸造-挤压法、连铸连轧法、水平连铸连拉法三种。立式半连续铸造-挤压法的工艺流程:配料→熔化→精炼→立式半连续铸造(Υ162ｍｍ圆锭)→铸锭均匀化→铸铸锭加热→热挤压→Υ8ｍｍ线坯;连铸连轧法的工艺流程:配料→熔化→精炼→连续铸造(边长为40～50ｍｍ菱形截面坯料)→热连轧(13道次)→Υ9.8ｍｍ线坯;水平连铸连拉法的工艺流程:配料→熔化→精炼→水平连铸连拉(12个或24个结晶器并联)→Υ12ｍｍ线坯[8]。

目前国内研制的军工用铝合金焊丝线坯的生产主要采用立式半连续铸造-挤压法,其特点是产品质量好、性能稳定,所用设备也可用于生产其它铝合金线材(如铆钉线等),但设备投资较大,工序多,占地面积大,工模具消耗和能耗较高,生产过程中的几何废料也高,产品成品率相对较低;国外铝合金焊丝线坯的生产多采用连铸连轧法,设备投资适中,产品单重大、成材率高(90%以上)、质量相对稳定;水平连铸连拉法的特点是设备投资少,线材的成品率高(90%以上),在纯铝焊丝线坯的生产中优势明显,有取代其它工艺的趋势,但这种方法目前还有一些工艺问题有待解决。结束语

目前我国生产的铝合金焊丝存在严重的质量不稳定问题,某些用途(特别是高速列车)的铝合金焊丝尚依靠进口。因此,控制焊丝的化学成分,提高焊丝的产品质量非常重要。此外,焊丝的表面抛光度、清洁度、丝径均匀度、焊丝翘距和螺旋度等对焊丝质量的影响也不可忽视,同样也是目前铝及铝合金焊丝研制和生产中迫切需要解决的问题。焊丝与焊材比例体现着一个国家的焊接自动化水平[9]。据报道,按照此比例计算,德国的焊接自动化水平达到80%,日本为70%,美国为56%,俄罗斯为40%,我国约为15%。我国应大力发展和推广使用各类焊丝;进一步降低实心焊丝的成本,改善焊缝成形性,减少飞溅;扩大药芯焊丝品种,提高焊丝质量,开发抗气孔性优良的焊丝;全面降低焊接材料发尘量;尽快开展环境协调型焊材的理论研究和应用开发。

参考文献

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第三篇：铝合金材料的应用与交通工具的轻量化

铝合金材料的应用与交通工具的轻量化

杜明义

（东北轻合金有限责任公司,黑龙江,哈尔滨）

摘要：本文通过铝合金在汽车行业上的应用，深入分析了交通工具的轻量化发展趋势，揭示了铝合金材料在交通运输领域良好的应用前景与应用空间。关键词：铝合金、轻量化

Application of aluminum alloy material and lightweight of the vehicle

DU Ming-yi(Northeast Light Alloy Co.,LTD, Harbin)Abstract: This paper introduced application of aluminum alloy material in the automobile industry.Analysed the development trend of vehicle lightweight deeply.Opening out favorable application foreground and application space of aluminum alloy material in the traffic and transportation field.Key: Aluminum alloy、lightweight

轻量化的研究是现代车身设计的一大主流。当前，节能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽车技术发展的趋势，尤其是节能和环保更是关系人类可持续发展的重大问题。因此，降低燃油消耗、减少向大气排出CO2和有害气体及颗粒已成为汽车界主要的研究课题。减少汽车自身质量既汽车轻量化是汽车降低燃油消耗及减少排放的最有效措施之一。目前，汽车轻量化的途径有两种，一是优化汽车框架结构；一个是在车身制造上采用轻质材料。而目前车身制造上常采用的轻质材料为铝合金材料。

目前，世界交通运输业用铝为产量的26%，而我国仅为5.7%。随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们越来越追求生活质量的提高，对交通工具的需求越来越大。因此，铝合金材料在交通运输业上的发展空间还很大。而且，铝合金是最常见的汽车用轻金属，在汽车上使用较早，相对比较成熟。现代轿车发动机活塞几乎都用铸铝，这是因为活塞作为主要的往复运动件要靠减重来减小惯性，减轻曲轴配重，提高效率，并需要材料有良好的导热性，较小的热膨胀系数，以及在350℃左右有较好的力学性能，而铸铝能符合这些要求。同时由于活塞、连杆采用了铸铝件，减轻了重量，从而减少发动机的振动，降低了噪声，使发动机的油耗下降，这也符合了汽车的发展趋势。

汽车车身约占汽车总重量的30%，对汽车本身来说，约70%的油耗是用在车身质量上的，所以汽车车身铝化对减轻汽车重量，提高整车燃料经济性至关重要。奥迪汽车公司最早于1980年在Audi80和Audi 100上采用了铝车门，然后不断扩大应用。1994年奥迪斥资800万欧元建立的铝材中心（1994-2002），两年前被更名为“奥迪铝材及轻量设计中心”。1994年开发了第一代Audi A8全铝空间框架结构（ASF）,ASF车身超过了现代轿车钢板车身的强度和安全水平，但汽车自身重量减轻了大约40%。随后于1999年在这里诞生的奥迪A2,成为首批采用该技术的量产车。2002年，奥迪铝材及轻量设计中心又见证了第二代奥迪A8 的诞生。

在此期间，美铝还开发了全新的汽车生产技术。如今，铝制车身制造的自动化操作程度已达80%，赶上了传统钢制车身生产的自动化水平。

业内人士认为，这些令人振奋的全新发展动向表明了奥迪打算将铝材料更广泛地运用于量产车的决心。此外，奥迪与美铝一直保持着良好的合作关系，双方合作的目标是共同开发一款全新的可以量产的全铝制车身汽车。

美铝为全球汽车制造商提供品种繁多、性能优异的汽车部件和总成，包括车身覆盖件的铝板、压铸轮毂、配电系统、底盘和悬架部件，以及保险杆、发动机支架、传动轴、车顶系统等总成。包括奥迪A8的第二代ASF框架结构、宝马5和7系列的铝制悬架、日产Altima的发动机罩和轮毂、法拉利612-Scaglietti的全铝车体结构和捷豹XJ采用的真空压铸技术，美铝的产品和解决方案使这些车型向着更轻量化，更技术化的方向发展。

目前，铝合金材料在现代汽车轻量已经显示出非常重要的重用。制约铝合金在汽车上大量应用的主要原因之一是其价格比刚材高，为了促进铝在汽车上的应用，必须降低材料成本。除开发低成本的铝合金和先进的铝合金成型工艺外，回收再生技术可进一步降低铝的成本。扩大铝合金应用的另一个研究方向是开发新的各种连接技术，今后发展的多材料结构轿车要求连接两种不同类型的材料（如铸铁-铝、钢-铝、铝-镁等），对这些联接技术以及对材料和零件防腐蚀的表面处理技术是今后扩大铝在汽车上应用的重要课题

汽车广泛应用的铝制轮毂就是铝合金在汽车上应用中的一个例子，铝合金轮毂的优点是：

1、省油

平均每个铝合金轮毂比相同尺寸的钢轮毂轻2kg，一台轿车用5个便省了10kg重量。根据日本实验，5座的轿车重量每减轻1kg，一年约节省20L汽油。而美国汽车工程师学会发表的研究报告指出，铝合金轮毂虽然比一般钢轮毂贵，但每辆汽车跑到2万km是，其所节省的燃料费便足够抵回成本。

2、增加发动机寿命

根据发动机负荷与功率曲线图，当负荷增大至某一程度后，其功率反呈降低，此边际将就表示此时每1单位负荷，发动机将更吃力（特别耗油），发动机负荷减轻，自然减少故障，延长寿命。

3、散热好 铝合金的热传导系数为钢的3倍。散热效果好，长途高速行驶之时，也能使轮胎保持在适当的温度，使刹车鼓及轮胎不易老化，增加寿命，降低爆胎的机会。

4、真圆度好

精度高达0.05mm，运转平衡性能好，有利于消除一般车身超长及方向盘抖动现象。

5、坚固耐用

铝合金轮毂之耐冲击力、抗张力及热力等各项强度较钢轮毂要高。这也是铝合金在国防工业、航空工业扮演重要角色的原因之一。

6、美观

一般钢轮毂因生产所限，形式单调呆板，缺乏变化；铝合金轮毂则有各式各样的设计，加上光泽、颜色效果好，从而提高了汽车的价值与美德。

综上所述，铝合金在汽车行业上的应用前景是很好的，但是值得我们注意的是，据波音公司称在梦幻飞机的用材中铝材仅占飞机自身质量的20%，碳纤维增强的复合材料却占到50%强。这是迄今为止铝材用量最少而复合材料却占到50%多的客机。碳纤维增强的航空复合材料的强度比钢的还高，而其密度又比铝的低，是制造航空航天器的良好材料，不过其价格目前比航空航天铝材贵得多，就性价比来说不是在今后一段时间内在全部的航空器制造中都具有替代铝材的明显优势，大多数客机铝材用量仍占其自身质量的70%左右，但铝材受到的严峻挑战却是显然的，不可掉以轻心，必须开发新的合金，新的加工工艺，大幅度提高材料的性能，迎接挑战。

总之，虽然在铝材料短缺的背景下，目前一些公司开始用其它材料代替铝材料，但新型替代材料不会完全代替铝材料。在未来二三十年内，铝材料在同类材料中仍占第一位，铝合金材料在交通运输行业上更是大有作为的。

参考文献：

1、王金涛.张桂林 中国对铝材需求将不断增长,经济参考报，2005年10月15日

2、王祝堂.航空铝材受到严峻挑战,中国有色网，2006年4月27日

3、连惠红.身轻如燕—轻量化和铝合金材料的应用,车主之友，2005年10月21日

第四篇：铝合金的发展前景及应用展望

铝合金的发展前景及应用展望

前言

经过对铝合金化学成分的组成与优化，铝合金型材的铸造工艺、热挤压加工工艺和人工时效工艺进行优化，形成了合理的工艺路线和工艺流程。在此工艺路线和工艺流程的指导下生产出的铝合金型材强度高、延伸率大，延展成型性能好，且具有良好的抗腐蚀性能，已突破普通铝合金建筑材料的应用范围的局限，除应用于铝合金建筑门窗、幕墙外，可用做高层建筑的阳台护栏、栅栏、交通护栏、指示牌、广告牌，以及交通运输设施，汽车、高速列车、航空航天、船舶、军工以及大型建筑结构等领域。因其良好的耐腐蚀性能，不仅可以杜绝碳素钢，铸铁护栏因生锈而带来的反复维护的成本与烦恼，且表面多彩化，可与建筑群、建筑小区的人文环境效果匹配，大大丰富了建筑物的外立面，增强建筑的整体美感。目前，该项成果正在进一步向交通高速公路护栏、汽车等行业渗透推广。论文部分

一 铝合金的发展前景

2.1 铝合金在汽车领域应用前景广阔

铝合金的优良特性以及节能、环保、安全的三大汽车技术发展主题确定了铝在汽车行业应用的美好前景，特别是以宝马、奔驰、卡迪拉克等品牌为代表的高档轿车的引进，为铝合金的应用提供了新的市场。

在近期和不久的将来，汽车工业将加快对钢制产品的替代工作，并渴望在如下方面取得进展：

1、全铝车身，包括美国福特、通用、日 本本田、德国奥迪的概念车车身已经大量采用铝合金，与钢结构相比，重量减轻40％以上；2、底盘结构件及支架和悬挂类零部件；

3、储气罐，后保险杠；

4、新材料的开发，为铝合金应用领域的扩展提供了可能。如德国开发成功的泡沫铝材AFS(aluminumfoamsandwich)具有高的刚度／重量和强度／重量之比，能够有效吸收冲击能，具有防震防噪音、易于回收等特点，在车门立柱，保险杠，门侧防撞杆、前防撞梁、军车上的防爆板、轿车发动机零部件等方面拥有极强的应用前景；

5、铝镁合金、铝钛合金在汽车车轮、电器件、内饰件等方面的应用也正在逐步扩大。

2.2 稀土锌铝合金镀层金属制品前景看好

如由马鞍山鼎泰金属制品（集团）公司研制开发的国产新一代稀土锌铝合金镀层钢丝、钢绞线，投放市场后，受到用户青睐。专家认为该产品潜在市场十分巨大，前景相当广阔。

稀土锌铝合金镀层钢丝、钢绞线、钢丝绳是新一代耐腐蚀金属制品，目前世界公认的、有产品标准可遵循的只有两种，一种是含铝55％、硅6％、锌43.4％，称为Galval－ume；另一种是含铝5％和微量稀土元素（0.03％～0.1％），称为Galfan。在80年代末90年代初，一些发达国家已经普遍采取热浸镀锌铝合金层，这一国际性钢铁制品镀覆技术，生产和开发稀土锌铝合金镀层金属制品，到1997年全球年产量超过100万吨。发达国家以该新产品替代镀锌钢丝及其制品的比例已达到70％以上；在日 本已接近95％。至1998年，全世界约有90多家公司从国际铅锌研究组织（ILZRO）获得Galvalume合金和应用Galfan合金生产各类钢材和制品的许可。

我国是90年代中期开始研制稀土锌铝合金镀层钢丝、钢绞线，并取得成功。国家计委组织有关部门对国产稀土锌铝镀层钢丝、钢绞线进行技术鉴定，其主要技术性能指标超过国际电工委员会IEC、美国ASTM标准，成为迄今我国金属制品企业惟一通过国家“二委一办”鉴定的稀土合金镀层产品，并很快列入国家级重点新产品开发项目，在全国推广应用。

近年来我国电力产业的快速发展，拉动了稀土合金镀层钢丝、钢绞线的需求。在“十五”期间，我国电力建设投资总规模将达到6000亿元，其中电源投资1800亿元，一批大型水电站和大型坑口火电厂将陆续开工。“十五”期间，国家电力公司还将投资建540万千瓦的装机容量。而这些用于电力架空线设计寿命在工业大气中为30年，但普通镀锌架空线的使用寿命只有10年，有的还不足10年，因此需要用高耐腐蚀、高寿命的稀土合金镀层钢丝、钢绞线替代。所以说，这一新颖稀土锌铝合金镀层金属制品的市场前景越来越被看好。

国家计划委员会稀土办组织的该新产品的技术鉴定报告认为：开发高质量、高抗蚀性的稀土锌铝合金镀层钢丝产品，为国家基础产业提供优质配套服务，符合我国的产业技术经济政策，具有显著的经济效益和社会效益，同时具有一定的出口创汇能力。并在国家基本停止贷款新建项目的情况下，国家计委稀土办破例专项贷款3300万元，以扩大新一代稀土合金镀层金属制品生产规模。

马鞍山鼎泰金属制品公司制定了“十五”发展规划，将投资1亿元，扩大稀土多元合金镀层金属制品生产规模，在2005年之前生产能力力争达到10万吨，形成规模效应，满足国内市场的需求，进一步占有国际市场。

2.3 热交换器用复合铝合金材料)汽车热交换器用三层复合铝合金材料是制造水箱散热器，汽车空调冷凝器,蒸发器,中冷器等部件的关键材料，也是国际上自八十年代后发展起来的高性能铝合金材料。包括五个系列，16种牌号.采用轧制复合工艺，在国内铝加工业属于首创.1999年通过了国家攻关项目验收,2000年申报了国家科技进步奖.国外汽车产量达1000万辆左右的国家有美国，日 本，德国，韩国等.世界汽车用三层复合铝合金箔材年需求量达100万吨。我国年需1.2万吨。目前尚无专业生产厂家.项目总投资4.5亿人民币,年产热卷坯料4万吨,三层符合箔带8000吨，复合箔带1万吨，其他箔材2000吨，年销售收入15.4亿元,毛利4.2亿元.二 稀土铝合金

2.4 稀土是铝、镁、锌、铜等有色金属良好的净化剂和变质剂，一般只要加入千分之几，就能起到消除有害杂质影响，细化晶粒并产生合金化的作用，从而提高材料的加工和使用性能。

稀土铝合金是代替铜材制造电线电缆的理想材料。我国冶炼厂生产的铝锭，由于受自然资源的影响，含硅量较高，而硅又是影响导电性能的主要有害杂质，使我国以往生产的铝导线导电性能常常达不到国际电工委员会的标准，成为长期困扰我国铝导线行业的一大难题。

我国科学家们借助稀土的作用解决了这个难题，在世界上率先采用微量稀土处理铝液，使其与硅使用形成硅化物析出晶界，加上稀土的微合金化作用，克服了硅的有害影响，明显改善了导电性能，由于稀土还能细化晶粒强化基体，还提高了电线电缆的机械强度和加工性能，使我国生产的铝电线电缆不但导电性能略高于国际电工委员会标准，还比以前机械强度提高了20％，抗腐蚀性能提高了一倍，耐磨性能更是提高了约10倍，一举改变了我国铝电线电缆生产的落后状况，使产品达到了国际先进水平。

用普通铝制造的铝导线，生产过程中常出现断线，而采用高强度、高导电性的稀土铝合金拉制的铝导线，在生产和使用中断线率明显下降。在广东省沿海地区遭受的一次强台风袭击中，许多电线电缆遭到严重破坏，过后人们惊异地发现，凡采用稀土铝合金制造的电缆线均安然无恙。高导电高强度稀土铝电缆已用于50万伏超高压输电线，还成功地用在长江大跨度输电线路上。由于提高了强度，用于一万伏输电线路，一般不用钢芯加强，节省了大量镀锌钢丝。用稀土铝合金拉制的各种电线电缆，电能损耗小，经久耐用，已经成为国家级电网的规范性产品。目前，我国年产能力已超过40万吨，形成了一个强大的稀土铝导线输电网，每年可为国家节电40亿度，创造了可观的经济效益。

稀土在铸造铝合金中应用也取得同样良好的效果。在用量最多的铝硅系铸造合金中，加上千分之几的稀土，就能明显改善合金的机械加工性能，已有多种牌号的产品用于飞机、船舶、汽车、柴油机、摩托车和装甲车等方面的活塞、齿轮箱、汽缸和仪器仪表等器部件上。

稀土用于建筑铝材和民用铝制品上，可以提高材料的冲压性能、耐腐蚀性能、机械强度和表面光洁度，既能改善产品质量，又能提高成品率。稀土建筑铝型材经久耐用不变形，质感好。稀土铝合金用于高压锅和普通铝锅等制品方面，由于强度大和冲压性能好，可以减簿制品的壁厚，既节省材料又精巧耐用。

我国科学家们在研究开发稀土铝合金过程中，发明了在铝电解槽中直接电解制备稀土铝合金的新工艺，配合对掺法和铝热还原法可以生产出不同品质和用途的稀土铝合金。我国的稀土铝合金生产工艺和应用技术已达到国际先进水平。2.5 稀土在铸造铝合金中的发展现状

稀土在铸造铝合金中的应用国外开展的较早，德国在二战期间就研制了四种稀土铝合金用于制造发动机、内燃机的复杂零件。我国在这方面的研究和应用始于20 世纪60年代。虽然起步较晚，但 发展较快，从机理研究到实际应用都做了大量的工作，并已经取得了一些成果。2.5.1.RE中间合金对A356合金 流动性 铝合金中添加适量稀土元素对精炼效果具有促进作用。稀土元素可以改善夹杂物形态，净化晶界。作者采用真空吸铸法研究了Al的影响，实验结果证明合金熔体中加入适量的稀土元素，能够使固液相线温度差减少，减小合金的糊状凝固趋势，并且降低合金熔体表面张力，此外还有去气、除杂的精炼作用，这都会使熔体流动性提高，粘度降低，有利

已研究开发出一种含有稀土化合物的铝合金新型熔剂，该熔剂通过发生一系列的物理和化学反应，不仅可使A356合金熔体720℃时的含氢量由大于0.30ml／100g(Al)下降到0.10 ml／100g(Al)以下，除气效果显著，并使A356合金的室温抗拉强度提高7.27％，延伸率提高85.58％。但是，过量的稀土元素也会加剧富RE相的聚集，成为夹杂物，从而降低合金熔体的流动性。2.5.2.稀土对铝合金的细化作用

有目的地抑制柱状晶和双柱状晶生长，促进细小等轴晶形成，这种工艺过程就叫作晶粒细化处理。由于晶粒得以细化，合金的性能得到提高，同时还使缩松、热裂、针孔等缺陷下降。细化处理的最基本方法是抑制形核，以及向熔体中添加晶粒细化剂的外来形核质点。目前，添加细化剂的方法成为最有效、最实用的方法。铸造铝合金中常用的共有三种类型的晶粒细化剂：二元Al－Ti合金、二元Al－B合金和三元Al－Ti－B合金。中间合金(晶粒细化剂)加入到铝合金熔体中发生溶解，释放出金属间化合物相，在铝合金中加入稀土，既可细化晶粒，也可明显细化枝晶组 织(减小二次枝晶间距)，其最佳效果对应于不同的稀土含量。但是，其细化效果弱于Ti、B等元素。稀土加入的临界值与合金的 熔炼、浇铸条件有密切关系。只

采用一般细化剂，随着铝液 静置时间的延长，细化效果逐渐衰退；采用 Al－5Ti－1B－10RE中间合金，稀土元素能阻止细化元素发生聚集、沉淀，对Ti、B的细化作用有一定的促进作用，可有效抑制铝硅合金长时间静置过程中晶粒尺寸的衰退，适合于大批量生产汽车铝合金铸件。2.5.3.稀土对铝硅合金的变质作用

铸造Al－Si合金中Si相在自然生长条件下会长成块状或片状的脆性相，它严重割裂基体，降低合金的强度和塑性，因而需要将它改变成有利的形态。变质处理使共晶Si由粗大的 片状变成细小纤维状或层片状，从而提高合金性能。迄今已发现，碱金属中的K、Na，碱土 金属中的Ca、Sr，稀土元素Eu、La、Ce和混合稀土，氮族元素Sb、Bi，氧族元素S、Te等均 具有变质作用。在Al－Si间合金或稀土氯化物和氟化物，可使共晶Si相由片条状变成球粒状。不同稀土的变质能力不同，大体上随着原子半径由大变小，变质能

稀土变质剂具有很好的长效性和重熔稳定性，吸气倾向小，无污染、加入工艺简便、无腐蚀作用。研究结果表明，含La为0.056％变质后的合金，重熔10次，每次取样进行金相检验，发现最终仍有变质效果，La的最终浓度仍有0.035％，仍处于最佳变质范围之内。0.3 ％混合稀土变质合金，重熔5次，发现最终仍有良好变质效果。

变质工艺直接影响着稀土的变质效果。对Al－Si合金，获得稳定变质组织的关键是减 少稀土的烧损，并防止稀土的偏聚，使稀土迅速均匀地扩散到铝液中。稀土变质有一潜伏期，即必须在高温下保持一定时间，稀土才能发挥最大变质作用。

2.6稀土在铸造铝合金面临的机遇和对策

我国稀土在铝合金中的应用经历过一个特殊的高速发展时期。1989年，我国含稀土的铝及其制品的总量达到12万吨，约占铝产量的16％。但是，近年来稀土在铝合金中的应用发展速度明显放缓。在此形势下，要充分利用我国的稀土资源优 势，以企业为主体，走产学研结合之路，进行稀土的深加工，实现稀土在铸造铝合金领域应 用的可持续发展，提高进入WTO以后的国际竞争力。2.6.1.加强应用基础研究，正确评价稀土的作用

尽管稀土元素本身的精炼、细化和变质能力并不是最强，但是辅以常规精炼剂、细化剂和变质剂进行复合熔体处理，可以获得更好的精炼、细化和变质效果，从而提高铸件性能。因此，应该开展以下基础研究工作：进一步深入研究稀土在铸造铝合金中的精炼、细化和变质机 制；研究稀土元素与常用细化元素Ti和B、稀土元素与常用变质元素Sr和Na在铸造铝合金中 的变质作用；研究含稀土与其它细化元素和变质元素对铸造铝合金的复合细化和复合变质作 2.6.2.研究优质铝合金稀土添加剂的制备工艺

由于对稀土元素的作用机制研究不足，目前含稀土的细化型和变质型中间合金质量差别大，加上现场生产工艺的复杂性，限制了稀土在铝合金铸造生产中的广泛应用。因此，要推动稀 土在铸造铝合金中的应用，应该研究不同成分和组织特征的含稀土复合细化剂和复合变质剂 对铸造铝合金的细化和变质效果，在此基础上研究含稀土细化剂、变质剂和精炼剂的制备工艺。

3前景展望

铝合金是汽车上应用得最快和最广的轻金属，这主要是因为铝合金本身的性能已经达到重量轻、强度高、耐腐蚀的要求。早期铝合金仅用于变速器外壳、油泵、化油器等不受强烈冲击的部件。现在，铝材中添加强化元素后，强度大大加强，并仍然具有质轻、散热性好等特性，这可以满足发动机活塞及气缸盖等较恶劣工作环境的要求。铝合金进一步拓展其应用范围后，随之而来的是进一步降低了整车重量，提高了整车的经济性

铝合金型材强度高、延伸率大，延展成型性能好，且具有良好的抗腐蚀性能，已突破普通铝合金建筑材料的应用范围的局限，除应用于铝合金建筑门窗、幕墙外，可用做高层建筑的阳台护栏、栅栏、交通护栏、指示牌、广告牌，以及交通运输设施，汽车、高速列车、航空航天、船舶、军工以及大型建筑结构等领域。因其良好的耐腐蚀性能，不仅可以杜绝碳素钢，铸铁护栏因生锈而带来的反复维护的成本与烦恼，且表面多彩化，可与建筑群、建筑小区的人文环境效果匹配，大大丰富了建筑物的外立面，增强建筑的整体美感。目前，该项成果正在进一步向交通高速公路护栏、汽车等更多更广的行业渗透推广

第五篇：各种铸造铝合金牌号的主要特点及应用[最终版]

各种铸造铝合金牌号的主要特点及用途

各种铸造铝合金牌号的主要特点及用途

ZL101的特点是成分简单，容易熔炼和铸造，铸造性能好，气密性好、焊接和切削加工性能也比较好，但力学性能不高。适合铸造薄壁、大面积和形状复杂的、强度要求不高的各种零件，如泵的壳体、齿轮箱、仪表壳（框架）及家电产品上的零件等。主要采用砂型铸造和金属型铸造。Zl101A 由于是在ZL101的基础上加了微量Ti，细化了晶粒，强化了合金的组织，其综合性能高于Zl101、ZL102，并有较好的抗蚀性能，可用作一般载荷的工程结构件和摩托车、汽车及家电、仪表产品上的各种结构件的优质铸件。其使用量目前仅次于ZL102。多采用砂型和金属型铸造。（ZL101A合金是以ZL101合金为基础严格控制杂质含量，改进铸造技术可以获得更高的力学性能。铸造性能，耐腐蚀性能和焊接性良好。用于铸造各种壳体零件，飞机的泵体、汽车变速箱、燃油箱的弯管等）

Zl102 这种合金的最大特点是流动性好，其它性能与ZL101差不多，但气密性比ZL101要好，可用来铸造各种形状复杂、薄壁的压铸件和强度要求不高的薄壁、大面积、形状复杂的金属或砂型铸件。不论是压铸件还是金属型、砂型铸件，都是民用产品上用得最多的一个铸造铝合金品种。

Zl104 因其工晶体量多，又加入了Mn，抵消了材料中混入的Fe有害作用，有较好的铸造性能和优良的气密性、耐蚀性，焊接和切削加工性能也比较好，但耐热性能较差，适合制作形状复杂、尺寸较大的有较大负荷的动力结构件，如增压器壳体、气缸盖，气缸套等零件，主要用压铸，也多采用砂型和金属型铸造。

Zl105、ZL105A 由于加入了Cu，降低了Si的含量，其铸造性能和焊接性能都比ZL104差，但室温和高温强度、切削加工性能都比ZL104要好，塑性稍低，抗蚀性能较差。适合用作形状复杂、尺寸较大、有重大负荷的动力结构件。如增压器壳体、气缸盖、气缸套等零件。Zl105A是降低了ZL105的杂质元素Fe的含量，提高了合金的强度，具有比ZL105更好的力学性能，多采用铸造优质铸件。

ZL106 由于提高了Si的含量，又加入了微量的Ti、Mn，使合金的铸造性能和高温性能优于ZL105气密性、耐蚀性也较好，可用作一般负荷的结构件及要求气密性较好和在较高温度下工作的零件，主要采用砂型和金属型铸造。

ZL107 ZL107有优良的铸造性能和气密性能，力学性能也较好，焊接和切削加工性能一般，抗蚀性能稍差，适合制作承受一般动负荷或静负荷的结构件及有气密性要求的零件。多用砂型铸造。

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各种铸造铝合金牌号的主要特点及用途

ZL108 ZL108由于含Si量较高，又加入了Mg、Cu、Mn，使合金的铸造性能优良，并且热膨胀系数小，耐磨性好，强度高，并具有较好的耐热性能。但抗蚀性稍低。适合制作内燃发动机的活塞及其它要求耐磨的零件以及要求尺寸、体积稳定的零件。主要采用压铸和金属型铸造，也可采用砂型铸造。

ZL109 这是复杂合金化的Al-Si-Cu-Mg-Ni合金，由于含Si量提高，并加入了Ni，使合金具有优良的铸造性能和气密性能以及较高的高温强度，耐磨性和耐蚀性也得到提高，线膨胀系数和密度也有较大的降低，适合制作内燃发动机活塞及要求耐磨且尺寸、体积稳定的零件。主要用金属型铸造和砂型铸造。

ZL111 ZL111是复杂合金化的合金能，由于还加入了Mn、Ti，使该合金有优良的铸造性能，较好的耐蚀性、气密性，高的强度。其焊接和切削加工性能一般。适合铸制形状复杂、承受重大负荷的动力结构件（如飞机发动机的结构件、水泵、油泵、叶轮等），要求气密性较好和在较高温度下工作的零件。主要采用金属型和砂型铸造，也可采用压铸。ZL114A ZL112是复杂合金化的合金能，由于还加入了Mn、Ti，使该合金有优良的铸造性能，较好的耐蚀性、气密性，高的强度。其焊接和切削加工性能一般。适合铸制形状复杂、承受重大负荷的动力结构件（如飞机发动机的结构件、水泵、油泵、叶轮等），要求气密性较好和在较高温度下工作的零件。主要采用金属型和砂型铸造，也可采用压铸。ZL115 有较好的铸造性能和较高的力学性能，主要用作大负荷的工程结构件及其它零件，如阀门壳体、叶轮等。主要采用砂型和金属型铸造。ZL116 因去掉了ZL115合金中的Zn、Sb，加入了Ti、Be两种微量元素，使合金的晶粒得到细化，杂质Fe的有害作用得到消减，从而使合金具有较好的铸造性能、气密性能及较高的力学性能。适合铸制承受大载荷的动力结构件，如飞机、导弹上的一些零件和民用品上要求综合性能较好的各种零件。主要用砂型和金属型铸造

ZL117合金是一种复杂合金化的Al-Cu-Mg过共晶型耐磨合金。因其含Si量达19-22%，并加了微量元算Mn和稀土元素RE，使合金成为软基体上分布着许多硬度很高的初晶Si质点的高级耐磨材料，并有很好的铸造性能以及很好的室温和高温强度，低的热膨胀系数。适合铸制内燃发动机活塞、刹车片及其它要求耐磨的活尺寸体积稳定的又有高强度的结构件。主要用金属型铸造，也可用砂型铸造。此外，航空工业部还研制了三种铝硅系合金（ZL112Y、ZL113Y、ZL117Y）。ZL112Y和ZL113Y都是Al-Si-Cu压铸合金，两者都有很好的铸造性能、气密性能及高的力学性能，适合铸制要求强度和工作温度较高、气密性好的零件，也可用作活塞等要求耐磨、尺寸体积稳定、传热性能好的其它零件。主要用压铸也可用砂型和金属型铸造。与Zl108合金不同的是降低了Si含量，提高了起固溶强化和析出硬化作用的Cu的含量，因而其室温和高温性能都比Zl108要好。

ZL201有较好的室温和高温机械性能，塑性一般，焊接和切削加工性能一般，但流动性较差，有热裂倾向，抗蚀性较差，适合铸造较高温度（200-300℃）下工作的结构件或常温下承受较大动载荷或静载荷的零件，以及在低温（-70℃）工作的零件。多用砂型铸造。ZL201A 这种合金大大降低了杂质Fe、Si的含量，比ZL201有更高的室温和高温机械性能。其切削加工和焊接性能好，但铸造性能较差。可用于在300℃工作的零件或在常温下承受较大动或静载荷的零件。多用砂

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各种铸造铝合金牌号的主要特点及用途

型铸造。

ZL202 ZL202有比较好的铸造性能和较高的高温强度、硬度及耐磨性能，但抗蚀性较差。适合铸制工作温度在250℃载荷不大的零件，如气缸头等。主要用砂型铸造和金属型铸造。

ZL203 由于ZL203降低了Si的含量，流动性稍差，热裂倾向较大，抗蚀性也比较差，但有较好的高温强度和焊接及切削加工性能。适合铸制工作温度在250℃以下承受载荷不大的零件以及常温下有较大载荷的零件，如仪表零件，曲轴箱体等。多用砂型铸造和低压铸造。

ZL204A 这是高纯度、高强度铸造Al-Cu合金，也有较好的塑性和较好的焊接和切削加工性能，但铸造性能较差。适合铸制有较大载荷的结构件，如支承座、支臂等零件。多采用砂型铸造和低压铸造。

ZL205A 这是目前世界上使用强度最高的铝合金。有较好的塑性和抗蚀性，切削加工和焊接性能优良，但铸造性能比较差。适合铸制承受大载荷的结构件及一些气密性要求不高的零件。主要采用砂型铸造、低压铸造，也可用金属型铸造。

ZL207 ZL207有很高的高温强度。铸造性能一般，焊接和切削加工性能也一般，但室温强度不高。适合铸制温度在400℃下工作的各种结构件。如飞机发动机上的活门壳体、炼油行业中的一些耐热构件等。多采用砂型铸造和低压铸造。

ZL209 ZL209合金的抗拉强度、屈服点、高温强度均比ZL201A高，焊接和切削加工性能也较好，但铸造性能和延伸率均较差。适合铸制在较高温度下工作要求耐磨的各种构件，如内燃发动机上零件等。多采用砂型铸造。

ZL301 这是现有铝合金中抗腐蚀能力最强的一个品种，切削加工性能很好，焊接性能也比较好，强度高，阳极氧化性能好，但铸造工艺复杂，操作麻烦，且铸件易产生疏松、热裂等缺陷。适合铸造工作温度在150℃下的海水等腐蚀介质中有较大载荷的各种零件，如海洋舰船砂锅内的各种构件、石油行业的泵壳体、叶轮、框架等零件、多采用砂型铸造。

ZL303 高温强度比ZL301好，抗蚀能力好（比ZL301稍差），切削加工性能优越，焊接性能好，铸造性能比ZL301要好，不能热处理，使机械性能比ZL301低得多。适合铸造在海水、化工、燃气等腐蚀介质下承受中等载荷的航空发动机、导弹、内燃机、化工泵、油泵、石化气泵壳、转子、叶片等零件。主要用压力铸造和砂型铸造。

ZL305 ZL305因加入了Zn，降低了Mg的含量，铸造性能和自然时效后的组织稳定性均比ZL301和ZL303合金好，形成疏松、热裂的倾向小。又因为添加了Ti、Be两微量元素，适该合金的综合性能好，抗应力

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各种铸造铝合金牌号的主要特点及用途

腐蚀能力强，但高温下的力学性能差。适合铸制承受较大载荷的在100℃以下的海水、化工、燃气等腐蚀介质中工作的航空机、内燃机、化工泵、油泵、石化气泵泵壳、转子、叶片等零件。主要采用砂型铸造。

ZL401 ZL401铸造性能很好，缩孔和热裂倾向小，有较高的机械性能，焊接和切削加工性能好，但比重大、塑性低，耐蚀性较差。多用作压铸和模具、模板及工作温度不超过200℃、承受中等载荷的航空机、内燃机、车辆等产品上的结构件。主要用压力铸造，也用砂型和金属型铸造。

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