铝及铝合金的基本知识
出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《现代工程材料实用手册》第432页（3900字）
(一)铝的特性和应用
铝作为一种化学元素，在地壳组成中占第三位，约占8．13%，仅次于氧和硅。铝在自然界中以化合物状态存在，铝的矿石铝矾土(含Al2O3约47%～65%)是炼铝最好的原料；此外还有高岭土(含Al2O3约38%)、矾土石(含Al2O340%～60%)、明矾石(含Al2O3约37%)。铝的生产分为两步，第一步是用氢氧化钠或碳酸钠，从铝矿石中把氧化铝分离出来，第二步由氧化铝电解制取金属铝。
铝属于有色金属中的轻金属，外观呈银白色，其密度为2．70g／cm3，只有钢材的1／3左右，是建筑装饰工程各类轻结构的基本材料之一。铝的熔点较低(660℃)，对光和热的反射能力强，因此常用来制造反射镜、冷气设备的屋顶等；铝有很好的导电性和导热性，因此常用来制造导电材料、导热材料和蒸煮器皿等；铝在低温环境中，其强度和韧性均不下降，因此常用来作为低温材料用于航空和航天工程及制造冷冻食品的储运设备等；铝有很好的延展性和塑性，可加工成管材、板材、线材、铝箔等。但是，纯铝的强度和硬度均比较低，屈服强度为80～100MPa，硬度为17～44HB。为提高铝的使用价值，常加入适量的合金元素，因此在建筑装饰工程中常使用的是铝合金。
铝的化学性质活泼，在空气中能与氧结合成致密、坚固的氧化铝(Al2O3)薄膜。这层氧化铝薄膜能保护下面的铝不再受到腐蚀，故铝在空气中和水中有较好的耐蚀能力，可以抵抗硝酸和醋酸的腐蚀。纯铝产品有铝锭和铝材两种。
按其纯度可分为高纯铝(纯度为99．93%～99．99%，牌号有L01，L02，L03，L04，L05，主要用于科学研究)、工业高纯铝(纯度为98．85%～99．90%，牌号有L0，L00两种，主要用于制造铝箔、包铝及冶炼铝合金)和工业纯铝(纯度为98．50%～99．00%，牌号有L1，L2，L3，L4，L5，L6，L7，用于制作电线、电缆及配制合金)三种。
(二)铝合金的种类
由于纯铝的强度很低而限制了其应用范围，工业生产中常采用合金化的方式，即为了提高铝的实用价值，在纯铝中加入适量的镁、锰、铜、锌、硅等元素组成铝合金。铝合金仍然能保持质轻的特点，但其机械性能和耐蚀性明显提高，如铝－锰铝合金、铝－铜铝合金、铝－铜－镁系硬铝合金、铝－锌－镁铜系超硬铝合金等。
按加工方法不同，铝合金又可分为变形铝合金、铸造铝合金和装饰铝合金3种。
1．变形铝合金
变形铝合金是通过冲压、弯曲、辊轧等工艺使其组织、形状发生变化的铝合金。我国生产的变形铝合金包括防锈铝合金－LP、硬铝合金－LY、超硬铝合金－LC、锻铝合金－LD等。
(1)防锈铝合金
防锈铝合金为铝－镁合金和铝－锰合金，合金中的主要合金元素是锰和镁。锰的作用主要是提高其抗蚀能力，并起固熔强化作用；镁也起固熔强化作用，并使合金密度降低。
防锈铝合金抗腐蚀性能高、塑性很好。这类铝合金不能进行时效强化，属于不能热处理强化的铝合金，但可冷变形加工，利用加工产生硬化，提高铝合金的强度。
防锈铝合金的牌号用“LF”加顺序号表示，如LF1，LF2，…，LF21等。
(2)硬铝合金
硬铝合金又称杜拉铝，为Al-Cu-Mg系合金，还含有少量的锰。各种硬铝合金都可进行时效强化，它是属于可热处理强化的，并亦可进行变形强化的铝合金。
硬铝合金根据其硬度不同，又可分为低合金硬铝、标准硬铝和高合金硬铝三种。低合金硬铝中Mg、Cu的含量低，塑性好，强度低，主要用于制作铆钉；标准硬铝合金元素含量中等，强度和塑性属中等水平，退火后变形加工性能良好，主要用于轧材、锻材、冲压件等；高合金硬铝合金元素含量较多，强度和硬度高，塑性及变形加工性能较差，用于制作航空模锻件及重要销、轴等零件。
硬铝合金的牌号用“LY”加顺序号表示，如LY1，LY2，…，LY11等。
硬铝合金的不足之处，一是抗蚀性较差，特别是在海水等环境中其抗蚀性更差。为了防护，可在外面包一层高纯度铝(称为包铝)；二是固熔处理的加热温床范围很窄，所以必须严格控制加热温度。
(3)超硬铝合金
超硬铝合金为Al-Mg-Zn-Cu系合金，并含有少量的铬和锰。经热处理后，可强化为强度最高的一种铝合金。但其抗蚀性差，在高温下软化快，可通过包铝法(每面包铝厚度不小于板厚的2%～8%)加以提高。多用于制造受力大的重要构件，如飞机大梁、起落架等。
超硬铝合金的牌号用“LC”加顺序号表示，如LC1，LC2，…，LC9等。
(4)锻铝合金
锻铝合金为Al-Mg-Si-Ni-Fe系合金，其不仅具有良好的热塑性、铸造性和锻造性，并且具有较高的机械性能，主要用于承重的锻件和模锻件。锻铝合金常用来制造建筑型材。
锻铝合金的牌号用“LD”加顺序号表示，如LD1，LD2，…，LD11等。
常用变形铝合金的牌号、化学成分、机械性能与用途，如表14－18所示。
表14－18 常用变形铝合金的牌号、化学成分、机械性能与用途
注：1．化学成分摘自GB3190－1982《铝及铝合金加工产品的化学成分》。
2．热处理代号：M表示退火，CZ表示淬火+自然时效，CS表示淬火+人工时效。
2．铸造铝合金
铸造铝合金按主要合金元素的不同，可分为Al-Si铸造铝合金、Al-Cu铸造铝合金、Al－Mg铸造铝合金和Al-Zn铸造铝合金4类。
(1)Al-Si铸造铝合金
Al－Si铸造铝合金其铸造性能优良，但强度与塑性都较差，常需要进行变质处理，即在浇铸前向合金内液体中加入占合金质量2%～3%的变质剂(常用钠盐混合物，如2／3NaF+1／3NaCl)以细化组成，提高其强度和塑性。
(2)Al-Cu铸造铝合金
Al－Cu铸造铝合金强度较高，耐热性好，但铸造性能不好，耐蚀性较差。
(3)Al-Mg铸造铝合金
Al-Mg铸造铝合金强度高，表观密度小(仅为2．55)，有良好的耐蚀性，但其铸造性不好，耐热性低。
(4)Al－Zn铸造铝合金
Al-Zn铸造铝合金价格比较低，铸造性能优良。
3．装饰性铝合金
装饰性铝合金是以铝为基体而加入其他合金元素所构成的一种新型合金。这种铝合金除了应具备必须的机械和加工性能外，并且具有特殊的装饰性能和装饰效果，其不仅可代替常用的铝合金材料，还可替代镀铬的锌、铜或铁件，避免镀铬加工时对环境的污染。
日本研制出一种“电解发色”的装饰性铝合金，其主要成分为：Mn占0．5%～2．0%(能使铝合金生成有色的膜)；Mg占0．5%～4．0%(能使铝合金组织细化)。另外，再加入0．1%～1．0%的Cr(能使表面具有光泽)、0．01%～0．3%的Ti(能使组织细化，并改善热裂性)、0．002%～0．01%的Be(能改善表面光泽，防止熔炼时氧化)。
这种铝合金的强度非常高，抗拉强度可达195MPa，屈服强度可达80MPa以上，延伸率δ10约27%。它在阳极氧化后，随着氧化溶液不同(不同的氧化工艺)，由于本身含有不同的添加元素，而呈现出不同的颜色(如驼色、金黄色、青铜色、黄色、琥珀色、灰白色等)，其装饰效果很好。