铝合金材料加工与应用.ppt
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1、,铝合金材料的加工与应用,胡 治 流,广西大学材料科学与工程学院,1.铝工业的发展概况2.铝及铝合金相关基础知识3.铝及铝合金主要加工方法 3.1铝及铝合金的熔炼与铸造技术 3.2铝及铝合金的压力加工工艺4、铝加工产品开发分析5、铝加工产业发展形势6、广西铝工业发展的初步思考,主要内容,1 铝工业的发展概况,1.1 世界铝工业的发展概况1.2 中国铝工业的发展概况1.3广西铝工业的发展概况,铝资源极为丰富,铝在地壳中分布广,平均含量为8.1%,仅次于氧和硅,居第三位,在金属元素中居第一位。全球铝矿资源丰富,储量巨大,其中澳大利亚、几内亚、巴西、牙买加、印度及中国铝土矿极为丰富。越南和老挝的铝土
2、矿也超过10亿吨。,1.1 世界铝工业的发展概况,自电解法炼铝问世以来,铝的生产和消费量不断增加,近几十年,由于冶炼方法与工艺的不断改进和电力工业的发展,以及经济高速发展和社会文明需求的推进,发展惊人。1940年全世界原铝产量不到100万吨,到2004年世界铝产量和消费量均已超过4000万吨,到2010年已经突破4500万吨。,世界原铝主要产地集中在北美(美国和加拿大)、西欧(德国和法国)、俄罗斯、中国、澳洲(澳大利亚)和拉美(巴西)。美国铝业公司(ALCOA)、加拿大铝业公司(ALCAN)、雷诺金属公司(REYNOLDS)、恺撒铝及化学公司(KAISER)、波西涅工业公司(PECHINEY)
3、、瑞士铝业公司(ALUSWISSE)、德国联合工业公司(VAW)、中国铝业公司和俄罗斯铝业公司九大跨国铝业公司的产生能力和年产量占全世界的60%以上。,美国铝工业近期的三个目标,1.铝的成本降低25%30%,铝、钢零件成本小于(3:1)(3.5:1)。2.铝电解电流的效率大于97%,使铝及铝加工生产综合能耗大幅度下降。3.铝在汽车、交通运输及基础设施市场的用量提高50%,使之部分替代钢材成为国民经济和人民生活中的基础材料。,1.2 中国铝工业的发展概况,起步于1954年,到1983年成立中国有色金属工业总公司,才确立优先发展铝的方针,出现崭新局面,1989年全国铝产量已达76万吨,铝加工材达4
4、2万吨,全年铝消耗87万吨。1990年来,进入高速发展,国家投入千亿资金,从矿山开采、选矿、氧化铝和电解铝生产到铝加工、深度加工及产品销售应用得到蓬勃发展,形成完整工业体系和产业部门。,2001年中国电解铝的生产能力达427万吨,产量已达342.7万吨,超过美国(336万吨)。2004年年产量已达667.1万吨,稳居世界榜首,成了名符其实的铝业大国。截至2004年底,中国铝加工企业超过1100家,铝加工材年生产力达500万吨以上,年产量已达450万吨以上,位居世界第2。2004年中国再生铝产量超过200万吨,铝合金铸造产品超过120万吨,走到世界前列。2004年中国铝消费量达618万吨,占据世
5、界第2,而人均耗铝量也由80年代的0.8kg/(年.人),猛增到2004年的5.0kg/(年.人)。,截至2009年底,2009年中国电解铝产量已达1285万吨,中国铝加工企业1091家,铝加工材年生产力达2055万吨,年产量已达1650万吨2010年中国电解铝产量已达1619.4万吨,铝加工材产量已达2026万吨,1.3 广西铝工业的发展概况,广西铝企业,2005年实现工业产值88亿元,利税24亿元。2005年氧化铝产能90万吨,产量92.46万吨,占全国10.74%;电解铝产能27.35万吨,产量24.63万吨,占全国3.32%;铝材加工产能19万吨,产量16.5万吨,占全国2.82%。2
6、010年广西全区形成了年产620万吨氧化铝、100万吨电解铝、70万吨铝材加工的生产能力。,2010年广西实际年产529万吨氧化铝、69万吨电解铝、41(60?)万吨铝材。,广西铝产业目前仍处于原材料为主的资源初级开发,形成“一大(氧化铝)一少(电解铝)、一小(附加值)一弱(铝的配套产业)”的特点。整个有色金属产业仍然是初级产品多、深加工产品少。广西氧化铝项目主要布局在百色的平果、德保和靖西;电解铝项目主要布局在百色、来宾;铝加工主要布局在南宁、百色、柳州、来宾及沿海。,(,广西的铝工业及相关配套产业已初具规模,但产业链薄弱,电解铝和铝材加工产能产量低,与河南等尚有比较大差距,目前铝工业总量和
7、结构方面存在的问题也十分突出。广西铝业产品主要以铝锭为主,高附加值产品产量小,铝制品又以铝型材为主,仅有少部分板材及铝箔,与广西丰富的铝资源优势明显不相称。,广西铝工业未来的发展目标:“优先发展氧化铝,铝电结合发展电解铝,积极发展铝深加工”的思路,重点建设百色铝工业基地。预计到2015年,氧化铝、电解铝、铝加工产量分别达到800万吨、200万吨、150万吨,铝工业实现工业总产值600亿元,实现工业增加值230亿元。结构调整取得积极进展,节能减排取得明显成效,技术创新能力有所提高。,广西大学简介,广西大学是广西办学历史最悠久、规模最大的地方综合性大学。1928年创办,1939年被确认为国立大学。
8、1952年,毛泽东主席亲笔题写了校名。1997年,原广西大学与原广西农学院合并,组建新的广西大学。1999年,广西大学成为国家 211 工程项目建设学校;2004年,广西大学被批准为国家教育部和广西壮族自治区共建高校。,广西大学简介,广西大学现设有30个学院,学科涵盖了哲、经、法、文、理、工、农、管、教、艺术等十大学科门类。有97个本科专业,31个一级学科硕士点,175个二级学科硕士点,7个一级学科博士点,46个二级学科博士点,7个博士后科研流动站。目前拥有在校全日制本科生22631人,在校研究生总数16270人;广西大学现有教职工3672人,其中专任教师2006人。,广西大学材料学院简介,材
9、料学院现有材料成型及控制工程、材料科学与工程、金属材料工程、无机非金属材料工程4个本科专业和材料科学与工程1个一级学科硕士点,材料学、材料物理与化学、材料加工工程及凝聚态物理等4个二级学科硕士点,材料工程领域1个工程硕士点。,广西大学材料学院简介,学院拥有1个省部共建国家重点实验室培育基地-广西有色金属及特色材料加工重点实验室;1个教育部重点实验室-有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室;1个自治区级重点实验室-新材料及其制备技术实验室;有1个研发基地和19个产学研合作基地。按本科专业相应设有4个系,一个实验中心和一个研究所。,2008年12月,中央政治局委员刘延东视察广西大学材料学院重点实
10、验室,刘延东同志说:“你们的研究方面既结合国家需求,又结合地方经济,有水平,有特色,有创新。就像奥运会一样,有中国特色,又体现水平。”,郭书记和马主席视察广西大学材料科学与工程学院,广西铝工业要重点发展铝加工-郭声琨,铝工业要搞研究平台,我马上支持你们搞理工中心-马飚,2.铝及铝合金相关基础知识,2.1 铝及铝合金的特性及应用领域2.2 铝合金的分类及组织特点 2.3 铝的合金化与强化方法2.4 合金元素对组织性能的影响2.5 XXXX系铝合金特点及用途,铝工业高速发展的原因,铝之所以高速发展,主要原因是其优良性能、应用广泛和铝资源丰富,2.1 铝及铝合金的特性及应用领域,铝具有面心立方点阵,
11、无同素异构转变。银白色轻金属,质轻,密度为2.7 g/cm3,约为铁的1/3。但比强度高,可与合金钢相比。铝的熔点与纯度有关,并随铝的纯度的提高而升高,当纯度为99.996%时,熔点为660.24。铝具有优良的电导性、热导性,其电导性仅次于银和铜,居第三位,约为纯铜电导率的62%。,铝在大气中有优良抗蚀性。铝表面生成一层薄而致密并与基体金属牢固结合的氧化膜,阻止氧向金属内部扩散而起到保护作用。铝及其合金也易进行阳极氧化处理,表面形成一层坚固的、各种色彩的、美观的保护膜,可起到装饰与保护作用。铝的塑性很好,富有延展性,便于冷、热压力加工。可制成厚度为0.000638mm的铝箔和冷拔成极细的丝。纯
12、铝的热加工温度为400500,冷加工时的中间退火温度为350500。,铝的特性和应用1,1、重量轻 2、强度高,航空航天,武器装备,铝的特性和应用2,3、抗腐蚀 4、易成型 5、可焊接,交通运输,建筑,家用电器,铝的特性和应用3,2006年12月30日,东北轻合金有限责任公司自行设计制造的环轧生产线生产出迄今国内最大的铝合金锻环。该环直径达5150毫米,宽340毫米,厚100毫米。随着我国航天事业的飞速发展,大推力火箭和宇航器所需的铝合金直径在不断加大,未来几年将需要直径达5米及5米以上的锻环,,铝的特性和应用4,2006年,全世界的铝消费量(原铝+再生铝)已超过4000万吨,而铝材的消费量达
13、3000万吨以上(在所有的金属材料用量中仅次于钢铁):其中用于交通运输的铝材约占36左右,用于建筑业的铝材约占20左右,用于包装业的铝材约占20 左右。,汽车用铝,铝在汽车中的用量正在不断增加,汽车的单位用铝量从1990年的61公斤提高到2000年的102公斤。目前,汽车上铝比例最高的车辆都是高性能的车辆,如美洲虎、奥迪A8,同时整个汽车制造业的用铝量也在逐年增加。,汽车用铝,建筑领域,各种各样的铝产中正被用于新颖的家居环境和住宅建设,从外部装修到内部装修,如铝合金门幕墙板、铝塑板等。,建筑领域,制罐料用铝,铝的基本特性:重量轻,强度好,美观,合适做各种表面处理,耐腐蚀、耐气候性好,耐化学药品
14、,导热、导电好,对光、热、电波的放射性好,没有磁性,无毒,有吸音性,耐低温,良好的加工成形性以及高的回收再生性。应用领域:广泛应用于交通运输、包装容器、建筑装饰、航天航空、机械电器、电子通讯、石油化工、能源动力、文体卫生等行业,成为发展国民经济与提高人民物质和文化生活的重要基础材料。,2.2 铝合金的分类及组织特点,根据铝合金的成分、组织和工艺特点,可以将其分为铸造铝合金与变形铝合金两大类。变形铝合金是将铝合金铸锭通过压力加工(轧制、挤压、模锻等)制成半成品或成品,所以要求有良好的塑性变形能力。铸造铝合金则是将熔融的合金直接浇铸成形状复杂的甚至是薄壁的成型件,所以要求合金具有良好的铸造流动性。
15、,2.3 铝的合金化与强化方法,2.3.1固溶强化 纯铝中加入合金元素,形成铝基固溶体,造成晶格畸变,阻碍了位错的运动,起到固溶强化的作用,可使其强度提高。根据合金化的一般规律,形成无限固溶体或高浓度的固溶体型合金时,不仅能获得高的强度,而且还能获得优良的塑性与良好的压力加工性能。,AlCu、AlMg、AlSi、AlZn、AlMn等二元合金一般都能形成有限固溶体,并且均有较大的极限溶解度,因此具有较大的固溶强化效果。,2.3.2时效强化 强化通过热处理实现,主要是由于合金元素在铝合金中有较大的固溶度,且随温度的降低而急剧减小。所以铝合金经加热到某一温度淬火后,可以得到过饱和的铝基固溶体。这种过
16、饱和铝基固溶体放置在室温或加热到某一温度时,其强度和硬度随时间的延长而增高,但塑性、韧性则降低,这个过程称为时效。自然时效:在室温下进行的时效称为人工时效:在加热条件下进行的时效时效过程中使铝合金的强度、硬度增高的现象称为时效强化或时效硬化。,2.3.3过剩相强化 如果铝中加入合金元素的数量超过了极限溶解度,则在固溶处理加热时,就有一部分不能溶入固溶体的第二相出现,称为过剩相。在铝合金中,这些过剩相通常是硬而脆的金属间化合物。它们在合金中阻碍位错运动,使合金强化,这称为过剩相强化。在生产中常常采用这种方式来强化铸造铝合金和耐热铝合金。过剩相数量越多,分布越弥散,则强化效果越大。但过剩相太多,则
17、会使强度和塑性都降低。过剩相成分结构越复杂,熔点越高,则高温热稳定性越好。,2.3.4细化组织强化 许多铝合金组织都是由固溶体和过剩相组成的。若能细化铝合金的组织,包括细化固溶体或细化过剩相,就可使合金强化。铸造铝合金组织比较粗大,所以实际生产中常常利用变质处理的方法来细化合金组织。变质处理是在浇注前在熔融的铝合金中加入占合金重量23%的变质剂(常用钠盐混合物:2/3NaF+1/3NaCl),或Al-Ti-B中间合金,以增加结晶核心,使组织细化。经过变质处理的铝合金可得到细小均匀的共晶体加初生固溶体组织,从而显著地提高铝合金的强度及塑性。,2.4 合金元素对组织性能的影响,2.4.1.添加铜合
18、金元素 加铜有一定的固溶强化效果,此外时效析出的CuAl2相有明显的时效强化效果。铝合金中铜含量通常在2.5%8%,铜含量在4%6.8%时强化效果最好。随着铜含量的增加,铝合金的变形抗力增高,焊接性能和抗腐蚀性能,特别抗应力腐蚀性能下降。,2.4.2.添加硅合金元素 铝硅合金的共晶温度为577,此时硅在固溶体中的最大溶解度为1.65%。铝硅合金具有极好的铸造性能和抗蚀性。镁硅同时加入铝合金中形成铝镁硅系合金,强化相为Mg2Si。镁硅的质量比为1.73:1。有的Al-Mg-Si合金,为了提高强度,加入适当的铜,同时加入适当的铬以抵消铜对抗蚀性的不利影响。变形铝合金中,硅单独加入铝中只限于焊接材料
19、,硅加入铝中亦有一定的强化作用。,2.4.3.添加镁合金元素镁的含量小于6%,硅含量低,不能进行热处理强化,但可焊性良好,抗蚀性也好,有中等强度。镁对铝的强化是明显的,每增加1%镁,抗拉强度大约升高34MPa。如果加入1%以下的锰,可起补充强化作用。因此加锰后可降低镁含量,同时可降低热裂倾向,另外,锰还可以使Mg5Al5化合物均匀沉淀,改善抗蚀性和焊接性能。,2.4.4.添加锰合金元素铝锰合金的共晶温度是658,此时锰在固溶体中的最大溶解度为1.82%。合金强度随溶解度增加而不断增加,锰含量为0.8%时。伸长率达最大值。锰能阻止铝合金的再结晶过程,提高再结晶温度,并能显著细化再结晶晶粒。再结晶
20、晶粒的细化主要是透过MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。MnAl6的另一作用是能溶解杂质铁,形成(Fe、Mn)Al6,减小铁的有害影响。,2.4.5.添加锌合金元素 单独加入,在变形条件下对合金强度提高有限,同时存在应力腐蚀开裂倾向。同时加入锌和镁,形成MgZn2,对合金产生明显强化作用。MgZn2含量从0.5%12%时,可明显增加抗拉强度和屈服强度。在超硬铝合金中,锌镁的比例控制在2.7左右,应力腐蚀开裂抗力最大。再加入铜元素,形成Al-Zn-Mg-Cu合金,其强化效果在所有铝合金中最大。,2.5 XXXX系铝合金特点及用途,属于工业纯铝,具有密度小、导电性好、导热性高、熔解
21、潜热 大,光反射系数大,热中子吸收界面积较小及外表色泽美观等特性。表面成形成氧化膜,具有较好抗蚀性。不能热处理,只能冷作硬化提高强度,强度低。1050合金、带、箔材、管、棒、线材 导电体,食品、软管、小五金材、烟花粉1060合金 铝导体,1XXX系合金,以铜为主要合金元素的铝合金,包括Al-Cu-Mg合金、Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金和Al-Cu-Mn合金等,这些合金均属于热处理可强化合金。特点:强度高(常称硬铝合金)、耐热性能和加工性能良好,但耐蚀性不如多数其他合金,在一定条件下会产生晶间腐蚀,往往需要包覆一层纯铝,以提高其耐腐蚀性能。2014合金 板材、厚板,拉伸管、挤压管、锻件 应用
22、于高强度和硬度(高温)场合。用于飞机结构件,多级火箭第一级燃料槽与航天零件。2024合金 用于飞机结构。,2XXX系合金,以锰为主要合金元素的铝合金,属于热处理不可强化合金。塑性高,焊接性能好,是一种耐腐蚀性能良好的中等强度铝合金。3003合金 板材、厚板、线材、型、棒、箔材、运输液体的槽和罐、飞机油箱、洗衣机缸体。3004合金 易拉罐罐身,3XXX系合金,以Si为主要合金元素的铝合金,多数不能热处理强化。该合金熔点低,熔体流动性能好,容易补缩,并且不会使最终产品产生脆性。4032合金 锻件 活塞及耐热零件,4XXX系合金,以Mg位主要合金元素的铝合金,属于不可热处理强化铝合金。该系合金密度小
23、,属于中高强度铝合金,疲劳性能和焊接性能良好,耐海洋大气腐蚀性能好。5052合金 板材、冷加工棒材、拉伸管、箔材 用于制造油管、仪表、街灯支架,5XXX系合金,以镁和硅为主要合金元素并以Mg2Si为强化相的铝合金,属于热处理可强化铝合金。特点:中等强度,耐蚀性高,无腐蚀破裂倾向,焊接性能良好,焊接区腐蚀性能不变,成形性和工艺性能良好。该系合金用得最广的是6061和6063合金,它们具有最佳的综合性能和经济性。6063合金主要产品为挤压型材,是最佳的挤压合金,其应用量最大的为门窗建筑型材。,6XXX系合金,以Zn为主要合金元素的铝合金,属于热处理可强化铝合金。加Mg,则为Al-Zn-Mg合金,具
24、有良好的热变形性能,淬火范围很宽,在适当的热处理下能够得到较高的强度,焊接性能良好是高强可焊铝合金。7005合金 车辆零件 网球拍与垒球棒 再加入铜元素,形成Al-Zn-Mg-Cu合金,其强化效果在所有铝合金中最大,典型合金有7075合金 用作飞机材料结构。,7XXX系合金,8XXX系合金是以Fe为主要元素的铝合金9XXX系合金是备用元素的铝合金,3.1铝及铝合金的熔炼与铸造技术 3.2铝及铝合金的压力加工工艺,3.铝及铝合金主要加工方法,3.1铝及铝合金的熔炼与铸造技术,3.1.铝合金的熔炼特点3.1.铝合金的熔体净化处理3.1.铝合金的熔炼炉3.1.熔炼工艺3.1.铸锭方法3.1.熔铸技术
25、的发展趋势,3.1.铝合金的熔炼特点,熔炼:是金属合金化的一种方法,采用加热的方式改变金属物态,使基体金属和合金化组元按照要求配比熔制成成分均匀的熔体,并使其满足内部纯洁度、铸造温度和其他特定条件的一种工艺过程。目的:配制合金;通过适当的工艺措施(如精炼和过滤)提高金属净度;铸造成型为坯锭或铸件。熔铸质量在很大程度上影响压力加工过程和制品的质量。,铝非常活泼,易与气体和水发生反应Al+O2Al2O3;Al+H2O Al2O3+H2 这些反应都是不可逆的,一经反应,金属就不能还原,这样就造成了金属的损失。而且生成物(氧化物、碳化物)进入基体,将会污染金属,造成铸锭内部组织缺陷。对工艺设备(炉型、
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