铝是什么?详细介绍该材料的特性和使用上的注意事项
发布日期: 2024-05-10
铝是最常见的一种非铁金属。铝具有许多铁系金属材料所不具备的特征,用途非常广泛。在进行产品设计时,需要充分了解材料的特征,以选择适当的材料种类、加工方法、热处理等。本文将讨论铝的特性和类型。
铝的特征
铝具有以下突出特征。
・质量轻
铝的比重约为2.7,是钢材的三分之一左右。充分发挥其质轻的特性,可广泛应用于运输机器(如飞机、人造卫星、新型列车等)、建筑材料、移动家电(智能手机等)等领域。
・强度高
纯铝可与其他金属制成合金,以提高其强度(单位密度的抗拉强度)。 其中,添加锌和镁后经过热处理的 7000 系列合金强度特别高,典型的 A7075(超硬铝)也被用于飞机部件。
・不易生锈
铝易与氧发生反应,在其表面生成非常致密的氧化皮膜。氧化皮膜具有保护作用,可以防止材料被腐蚀。铝具有耐腐蚀性,可以用于海洋开发、船舶、建筑等领域。有研究报告表明,该材料产品在暴露于海风的环境中,使用了30年也不会发生问题。
・易于加工
适用于铝材的加工方法有很多。它具有良好的延展性,适用于塑性加工;其熔点较低并且流动性良好,所以也适合于铸造加工。还易于切割和焊接。由于可以使用多种加工方法,它可以加工成各种形状,从薄片形状(如铝箔)到复杂形状。
・导热性良好
铝的导热性约是铁的3倍。由于铝易于导热,常用于汽车散热器、各种热交换器、电子设备的散热器等。
・导电性良好
铝的导电率是同等重量铜的两倍。铝还具有重量轻的特点,用它作为输电线材料,可以使塔架之间的间距更宽,从而降低施工成本。近年来逐渐出现了用铝线取代铜线作为输电线的趋势。
・易于回收
铝材长期使用后不易劣化;熔点低,产品使用后可以融化、回收再利用。尽管需要消耗制作新品时3%的能源用于回收,但回收再利用后生产的产品质量与新品基本等同。
・不带磁性
铝是无磁性的,不会受到周围磁场的影响。因此,常被用于抛物面天线、医疗设备、船舶的磁力罗盘、超导相关产品等。它的另一个优点是比金、银和铜等其他非磁性材料便宜。
・耐低温
即使在极低的温度下,如液氮(-196°C)和液氧(-183°C),强度也不会降低,反而会增加。 因此,它常被用于低温设备、LNG(液化天然气)储罐、太空开发和生物技术等领域。
・反射热量和光线
铝具有反射红外线、紫外线和电磁辐射的特性。 如果提高纯度或进行镜面处理,反射率还会进一步提高。暖气设备的反射板、太空服、多棱镜等就是利用了铝的这些特性。
・外表美观
未加工的铝是一种表面美观的材料。阳极氧化等表面处理可以增强其表面的美观性。此外,还可以通过电解着色,赋予多彩的颜色。因其设计性较高,所以被广泛应用于建筑外饰和包装材料等。
・无毒
铝不会与食品类发生反应。即使进入人体,99% 以上也会被排出体外,且对土壤没有危害。因此,铝常用于食品和药品的包装、与人体接触的医疗设备等。
使用铝时的注意事项
虽然铝具有许多出色的特性,但也有一些使用注意点。
- 强度略低于钢材料
铝具有出色的比强度,但强度仍低于钢材。它适用于如像飞机机翼那样柔韧性构造;不适合用于齿轮那样需要强度的零部件。
- 在特定条件下会发生腐蚀
铝虽然不易生锈,但在含盐环境中或与不同金属接触时可能会发生腐蚀。因此,当需要避免腐蚀时,有时会使用阳极氧化处理。
- 线膨胀系数较大
铝的线膨胀系数是铁系材料的2倍左右。因此可能会发生较大的热应力、对于反复加热和冷却的零部件,有可能会导致热疲劳损伤。
- 无疲劳极限
对于铁系材料来说,一般都有一个疲劳极限,即存在不发生金属疲劳的应力下限。也就是说,如果设计中只产生低于疲劳极限的可变载荷,理论上这种材料可以无限期使用。然而,由于铝材没有疲劳极限,因此在设计时有必要将使用过程中产生的可变应力和SN曲线等进行比较,即使在预期产品寿命期间出现裂纹扩展,也需要确认是否存在强度问题。
- 难焊接
铝表面形成的氧化膜熔点高达约 2000 ℃,因此必须在焊接前去除氧化膜层。此外,由于铝具有高导热性和低熔点,焊接时热量会迅速传递到母材上,从而可能导致母材脱落。为防止出现这种情况,必须逐渐改变焊枪的移动速度。因此,铝的焊接有一定难度,建议外包给有良好记录的承包商。
典型的铝材类型
纯铝的强度较低,因此通常通过添加其他金属进行合金化。 通过在铝中添加铁、锌、镁、铜和其他金属,可以生产出各种类型的合金。
工业用铝材根据最终产品的用途等,大致分为拉拔用合金和铸造用合金。拉拔用合金是指利用塑性变形进行加工时使用的合金材料。而铸造用合金顾名思义就是用于铸造的合金材料。
拉拔用合金
・A1050
A1050 是一种典型的纯铝材料。 它的强度较低,但具有出色的可加工性和耐腐蚀性,主要用于装饰品和电力电缆等。
・A2017
A2017 是一种被称为硬铝的合金材料。 它的耐腐蚀性较低,但强度较高,可用于飞机、汽车和机械零件等。
・A2024
A2024是一种被称为超硬铝的合金材料,强度高于 A2017。
・A5052
A5052 是流通最广的铝合金,具有出色的耐腐蚀性、可加工性和可焊性。 它可用于制造型材和钣金件。
・A6061
A6061 是一种耐腐蚀性能极佳的铝合金,经过 T6 热处理后,其耐腐蚀性能进一步增强。
・A6063
A6063 具有优异的耐腐蚀性和表面光洁度等特性,是挤压产品中使用最多的铝合金。可用于制造铝窗框和电气材料。
・A7075
A7075 是一种被称为超级硬铝的合金材料,在所有铝合金中强度最高。战前,日本是世界上第一个开发出这种材料的国家,并将其用于零式舰载战斗机,为其卓越的性能做出了巨大贡献。 作为一种具有代表性的飞机材料,它至今仍被广泛使用。
铸造用合金
・AC2B
AC2B 具有出色的可铸性,可用作普通铝铸造合金。 它可用于发动机缸盖和阀体。
・AC4C
AC4C 是一种具有出色的铸造性、耐腐蚀性和机械性能的合金。 它可用于变速器壳体和压缩机壳体。
・ACD10
ACD10 是一种适用于压铸的材料,因其出色的可铸性、可加工性和机械性能而被广泛使用。 它可用于发动机缸体等。
铝和各种金属之间的差异
下表对铝与其他金属材料的特性进行了比较。
通过下表可以看出,铝是一种易于使用的材料,具有许多优良特性,如比重小、耐腐蚀和可加工性好等。
铝 | 铁 | 不锈钢 | 铜 |
(A5052) | (SS400) | (SUS304) | (C1100) | |
熔点(°C) | 649 | 1580 | 1400~1450 | 1083 |
比重 | 2.7 | 7.9 | 7.9 | 8.9 |
强度 | Δ | Ο | Ο | × |
耐腐蚀性 | ◎ | × | ◎ | Ο |
加工性 | ◎ | Ο | Ο | Ο |
导热性 | ◎ | Ο | Ο | ◎ |
电导率 | ◎ | Δ | Δ | ◎ |
磁性 | 无 | 有 | 无(磁性再收到巨大的力变形时可能会产生。) | 无 |
耐低温 | ◎ | × | ◎(除奥氏不锈钢外,无耐低温性能。) | ◎ |
安全性 | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ |
焊接性 | Δ | Ο | Ο | × |