根据所含合金元素和热处理方式的不同,不同牌号的铝材可表现出多种多样的性能。这些性能包括美观的外观、易于加工、良好的耐腐蚀性,以及高强度重量比、良好的可焊性和高断裂韧性等。归根结底,选择合适的铝材牌号取决于其预期用途以及必须承受的工作条件。
以下各节将依次概述每种铝合金系列,总结其主要特性、典型牌号及常见用途,以指导材料选择。
根据所含合金元素和热处理工艺的不同,不同牌号的铝材可呈现出多种多样的性能。这些性能包括美观的外观、易加工性、良好的耐腐蚀性,以及高强度重量比、良好的可焊性和高断裂韧性等。归根结底,选择合适的铝材牌号取决于其预期用途以及必须承受的工作条件。
以下各节将依次概述各铝合金系列,总结其主要特性、典型牌号及常见用途,以指导材料选择。
表1. 不同铝合金系列的比较
系列
主要合金元素
代表性牌号
可热处理
典型特性
常见应用
1xxx
纯铝(≥99%)
1050、1060、1100、1350
无
耐腐蚀性极佳,导电性和导热性极佳,强度低,成形性极佳
电线导线、化工设备、反射器、食品和化工行业
2xxx
铜 (Cu)
2014、2024、2219
是
高强度、良好的可加工性、耐腐蚀性较低、可焊性有限
航空航天结构件、飞机配件、高强度结构部件
3xxx
锰 (Mn)
3003、3004、3105
否
强度适中,成形性极佳,耐腐蚀性良好
屋顶和外墙板、炊具、热交换器、储罐
4xxx
硅 (Si)
4032、4043、4643
通常不适用*
熔点较低,耐磨性好,适合焊接和钎焊
焊接填充丝、钎焊材料、汽车零部件
5xxx
镁 (Mg)
5005、5052、5083、5086
中等至高强度,优异的耐腐蚀性(特别是在海洋环境中),极佳的可焊性
海洋结构、压力容器、运输设备、造船
6xxx
镁+硅 (Mg₂Si)
6061、6063
中等强度、良好的耐腐蚀性、极佳的挤压性能、良好的可焊性
结构型材、建筑构件、汽车车架、机械设备
7xxx
锌 (Zn)
7050、7075
强度极高,抗疲劳性良好,耐腐蚀性低于大多数其他系列
飞机结构、航空航天部件、国防装备、体育用品
8xxx
其他元素(Fe、Ni、Li 等)
8006、8011、8079、8090
因情况而异
性能取决于合金成分和预期应用
箔材和包装、电导体、航空航天专用合金
9xxx
未分配
—
该系列目前未使用
1xxx系列铝合金(1050、1060、1100、1145、1200、1230、1350等)具有耐腐蚀性优异、导热性和导电性高、力学性能较低以及加工性能优异等特点。 通过应变硬化可适度提高其强度。铁和硅是该系列的主要杂质。
2xxx系列铝合金(2011、2014、2017、2018、2124、2219、 2319,以及201.0、203.0、206.0、224.0和242.0等铸造牌号)需要进行固溶热处理才能达到最佳性能。 在固溶热处理状态下,其力学性能与低碳钢相当,有时甚至超过后者。在某些情况下,会采用沉淀热处理(时效处理)来进一步提高力学性能。这种处理可提高屈服强度,但会牺牲部分伸长率,而其对抗拉强度的影响相对较小。
2xxx系列的耐腐蚀性不如大多数其他铝合金,在某些条件下,这些合金可能会发生晶间腐蚀。尽管如此,在温度高达150°C(300°F)且需要良好强度的零部件中,它们仍能表现良好。 除2219号牌外,这些合金的可焊性有限,尽管其中一些具有优异的切削加工性能。2024号铝合金是该系列中最受欢迎的合金,广泛应用于飞机制造。
3xxx系列铝合金(3003、3004、 3105,以及383.0、385.0、A360和390.0等铸造级)通常不可热处理,但其强度比1xxx系列高出约20%。 由于铝中只能有效添加有限量的锰(最高约1.5%),因此只有少数几种合金将锰作为主要元素。
硅是4xxx系列(4032、4043、4145、4643等)中的主要合金元素,其添加量最高可达12%,可显著降低熔点范围。 正因如此,铝硅合金被用于焊接丝以及作为铝材连接的钎焊合金,这些场合通常要求熔点范围低于母材。含有相当量硅的合金在施加阳极氧化处理后会呈现深灰色至炭黑色,因此常被广泛应用于建筑领域。
镁是5xxx系列的主要合金元素。单独使用或与锰配合使用时,可形成中等至高强度、可加工硬化型合金。 作为硬化元素,镁的效能远高于锰——约0.8%的镁相当于1.25%的锰——且其添加量可显著更高。 该系列铝合金(5005、5052、5083、5086 等)具有良好的焊接性能,并在海洋环境中具有相对较好的耐腐蚀性。 但是,对于镁含量较高的合金,应限制冷加工量和工作温度(约 150°F),以避免发生应力腐蚀开裂。
6xxx系列铝合金(6061、6063)中硅和镁的含量比例大致符合形成硅化镁(Mg₂Si)所需的比例,这使得它们具有可热处理性。 尽管强度不如大多数 2xxx 和 7xxx 系列合金,但 6xxx 系列具有良好的成形性、可焊性、可加工性以及相对较好的耐腐蚀性,同时具备中等强度。 该可热处理系列的各牌号可在 T4 状态(固溶热处理但未进行时效处理)下进行成形,并在成形后通过时效处理强化至 T6 状态的全部性能。
锌(含量为1%至8%)是7xxx系列(7075、7050、7049以及710.0和711.0等铸造级)中的主要合金元素。 当与含量较低的镁结合时,便形成了一种强度从中等至极高的可热处理合金。通常还会少量添加铜和铬等其他元素。 7xxx系列合金广泛应用于机身结构、移动设备及其他受力较大的部件。高强度7xxx合金对应力腐蚀开裂的抵抗能力较弱,因此通常采用略微过时效的状态使用,以在强度、耐腐蚀性和断裂韧性之间取得更好的平衡。
8xxx系列(8006、8111、8079以及850.0、851.0和852.0等铸造牌号)专用于2xxx至7xxx系列中未使用的合金元素。 铁和镍可在不显著降低导电性的前提下提高强度,因此常用于 8017 等导体合金中。铝锂合金 8090 以其极高的强度和刚度而著称,是专为航空航天应用而开发的。 8000系列合金对应于统一编号系统中的代号,例如A98XXX。
9xxx系列目前尚未投入使用。
本文按合金系列对铝进行了分类。铝系列中的相关指南涵盖了您在阅读本文时所需的配套内容。《铝的性能》详细介绍了各系列之间相互区别的力学、物理及性能特征。 《铝规格》解释了用于精确定义各牌号的四位数代号和状态体系,而《铝标准》则阐述了不同地区规范这些代号的框架。
铝的牌号根据其主要合金元素分为1xxx至9xxx系列。每个系列在强度、耐腐蚀性、可加工性和可热处理性方面都具有独特的组合特性。
2xxx、6xxx 和 7xxx 系列属于可热处理材料,可通过固溶处理和时效处理提高强度。1xxx、3xxx、4xxx 和 5xxx 系列通常不可热处理,主要通过应变强化来提高强度。
7xxx系列主要以锌为主要合金元素,其中包含一些强度最高的铝合金,例如7075。这些合金广泛应用于航空航天及其他高应力场合。
5xxx系列是镁合金,在海洋环境中具有相对较好的耐腐蚀性,因此5083和5086等牌号成为海洋应用领域的热门选择。
硅会降低铝的熔点范围,因此4xxx系列合金被用于焊接丝和钎料中——在这些应用中,熔点需要低于母材的熔点。