鋁是什么?詳細介紹該材料的特性和使用上的注意事項

發布日期: 2024-05-10

鋁是最常見的一種非鐵金屬。鋁具有許多鐵系金屬材料所不具備的特征,用途非常廣泛。在進行產品設計時,需要充分了解材料的特征,以選擇適當的材料種類、加工方法、熱處理等。本文將討論鋁的特性和類型。
鋁是最常見的一種非鐵金屬。

 

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?鋁的特征
鋁具有以下突出特征。
鋁具有以下突出特征。
?質量輕
鋁的比重約為2.7,是鋼材的三分之一左右。充分發揮其質輕的特性,可廣泛應用于運輸機器(如飛機、人造衛星、新型列車等)、建筑材料、移動家電(智能手機等)等領域。
?強度高
純鋁可與其他金屬制成合金,以提高其強度(單位密度的抗拉強度)。 其中,添加鋅和鎂后經過熱處理的 7000 系列合金強度特別高,典型的 A7075(超硬鋁)也被用于飛機部件。
?不易生銹
鋁易與氧發生反應,在其表面生成非常致密的氧化皮膜。氧化皮膜具有保護作用,可以防止材料被腐蝕。鋁具有耐腐蝕性,可以用于海洋開發、船舶、建筑等領域。有研究報告表明,該材料產品在暴露于海風的環境中,使用了30年也不會發生問題。
?易于加工
適用于鋁材的加工方法有很多。它具有良好的延展性,適用于塑性加工;其熔點較低并且流動性良好,所以也適合于鑄造加工。還易于切割和焊接。由于可以使用多種加工方法,它可以加工成各種形狀,從薄片形狀(如鋁箔)到復雜形狀。
?導熱性良好
鋁的導熱性約是鐵的3倍。由于鋁易于導熱,常用于汽車散熱器、各種熱交換器、電子設備的散熱器等。
?導電性良好
鋁的導電率是同等重量銅的兩倍。鋁還具有重量輕的特點,用它作為輸電線材料,可以使塔架之間的間距更寬,從而降低施工成本。近年來逐漸出現了用鋁線取代銅線作為輸電線的趨勢。
?易于回收
鋁材長期使用后不易劣化;熔點低,產品使用后可以融化、回收再利用。盡管需要消耗制作新品時3%的能源用于回收,但回收再利用后生產的產品質量與新品基本等同。
?不帶磁性
鋁是無磁性的,不會受到周圍磁場的影響。因此,常被用于拋物面天線、醫療設備、船舶的磁力羅盤、超導相關產品等。它的另一個優點是比金、銀和銅等其他非磁性材料便宜。
?耐低溫
即使在極低的溫度下,如液氮(-196°C)和液氧(-183°C),強度也不會降低,反而會增加。 因此,它常被用于低溫設備、LNG(液化天然氣)儲罐、太空開發和生物技術等領域。
?反射熱量和光線
鋁具有反射紅外線、紫外線和電磁輻射的特性。 如果提高純度或進行鏡面處理,反射率還會進一步提高。暖氣設備的反射板、太空服、多棱鏡等就是利用了鋁的這些特性。
?外表美觀
未加工的鋁是一種表面美觀的材料。陽極氧化等表面處理可以增強其表面的美觀性。此外,還可以通過電解著色,賦予多彩的顏色。因其設計性較高,所以被廣泛應用于建筑外飾和包裝材料等。
?無毒
鋁不會與食品類發生反應。即使進入人體,99% 以上也會被排出體外,且對土壤沒有危害。因此,鋁常用于食品和藥品的包裝、與人體接觸的醫療設備等。

?使用鋁時的注意事項
雖然鋁具有許多出色的特性,但也有一些使用注意點。
雖然鋁具有許多出色的特性,但也有一些使用注意點。
  • 強度略低于鋼材料
鋁具有出色的比強度,但強度仍低于鋼材。它適用于如像飛機機翼那樣柔韌性構造;不適合用于齒輪那樣需要強度的零部件。
  • 在特定條件下會發生腐蝕
鋁雖然不易生銹,但在含鹽環境中或與不同金屬接觸時可能會發生腐蝕。因此,當需要避免腐蝕時,有時會使用陽極氧化處理。
  • 線膨脹系數較大
鋁的線膨脹系數是鐵系材料的2倍左右。因此可能會發生較大的熱應力、對于反復加熱和冷卻的零部件,有可能會導致熱疲勞損傷。
  • 無疲勞極限
對于鐵系材料來說,一般都有一個疲勞極限,即存在不發生金屬疲勞的應力下限。也就是說,如果設計中只產生低于疲勞極限的可變載荷,理論上這種材料可以無限期使用。然而,由于鋁材沒有疲勞極限,因此在設計時有必要將使用過程中產生的可變應力和SN曲線等進行比較,即使在預期產品壽命期間出現裂紋擴展,也需要確認是否存在強度問題。
  • 難焊接
鋁表面形成的氧化膜熔點高達約 2000 ℃,因此必須在焊接前去除氧化膜層。此外,由于鋁具有高導熱性和低熔點,焊接時熱量會迅速傳遞到母材上,從而可能導致母材脫落。為防止出現這種情況,必須逐漸改變焊槍的移動速度。因此,鋁的焊接有一定難度,建議外包給有良好記錄的承包商。

?典型的鋁材類型
通過在鋁中添加鐵、鋅、鎂、銅和其他金屬,可以生產出各種類型的合金。
純鋁的強度較低,因此通常通過添加其他金屬進行合金化。 通過在鋁中添加鐵、鋅、鎂、銅和其他金屬,可以生產出各種類型的合金。
工業用鋁材根據最終產品的用途等,大致分為拉拔用合金和鑄造用合金。拉拔用合金是指利用塑性變形進行加工時使用的合金材料。而鑄造用合金顧名思義就是用于鑄造的合金材料。
拉拔用合金
?A1050
A1050 是一種典型的純鋁材料。 它的強度較低,但具有出色的可加工性和耐腐蝕性,主要用于裝飾品和電力電纜等。
?A2017
A2017 是一種被稱為硬鋁的合金材料。 它的耐腐蝕性較低,但強度較高,可用于飛機、汽車和機械零件等。
?A2024
A2024是一種被稱為超硬鋁的合金材料,強度高于 A2017。
?A5052
A5052 是流通最廣的鋁合金,具有出色的耐腐蝕性、可加工性和可焊性。 它可用于制造型材和鈑金件。
?A6061
A6061 是一種耐腐蝕性能極佳的鋁合金,經過 T6 熱處理后,其耐腐蝕性能進一步增強。
?A6063
A6063 具有優異的耐腐蝕性和表面光潔度等特性,是擠壓產品中使用最多的鋁合金??捎糜谥圃熹X窗框和電氣材料。
?A7075
A7075 是一種被稱為超級硬鋁的合金材料,在所有鋁合金中強度最高。戰前,日本是世界上第一個開發出這種材料的國家,并將其用于零式艦載戰斗機,為其卓越的性能做出了巨大貢獻。 作為一種具有代表性的飛機材料,它至今仍被廣泛使用。
鑄造用合金
?AC2B
AC2B 具有出色的可鑄性,可用作普通鋁鑄造合金。 它可用于發動機缸蓋和閥體。
?AC4C
AC4C 是一種具有出色的鑄造性、耐腐蝕性和機械性能的合金。 它可用于變速器殼體和壓縮機殼體。
?ACD10
ACD10 是一種適用于壓鑄的材料,因其出色的可鑄性、可加工性和機械性能而被廣泛使用。 它可用于發動機缸體等。

?鋁和各種金屬之間的差異
下表對鋁與其他金屬材料的特性進行了比較。
通過下表可以看出,鋁是一種易于使用的材料,具有許多優良特性,如比重小、耐腐蝕和可加工性好等。
不銹鋼
? (A5052) (SS400) (SUS304) (C1100)
熔點(°C) 649 1580 1400~1450 1083
比重 2.7 7.9 7.9 8.9
強度 Δ Ο Ο ×
耐腐蝕性 × Ο
加工性 Ο Ο Ο
導熱性 Ο Ο
電導率 Δ Δ
磁性 無(磁性再收到巨大的力變形時可能會產生。)
耐低溫 × ◎(除奧氏不銹鋼外,無耐低溫性能。)
安全性
焊接性 Δ Ο Ο ×

?總結
鋁是一種具有許多突出特點的材料,如比強度高、重量輕、可加工性強和表面美觀。它的比強度優勢尤為顯著,今后也將繼續廣泛地應用于各種產品。但它不僅有優點,也有一些注意事項。建議充分了解鋁材的特征,以及與其它金屬材料之間的差異,并有效地使用它們。

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