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了解鋁合金種類及特性以便應用於表面處理技術應用

 
鋁合金通常使用等合金元素,20世紀初由德國人Alfred Wilm發明,對飛機發展幫助極大,一次大戰後德國鋁合金成分被列為國家機密。跟普通的碳鋼相比有更輕及耐腐蝕的性能,但抗腐蝕性不如純鋁。在乾淨、乾燥的環境下鋁合金的表面會形成保護的氧化層。造成電偶腐蝕(Galvanic corrosion)加速的情況有:鋁合金與不銹鋼接觸的情況、其他金屬的腐蝕電位比鋁合金低或是在潮濕的環境下。如果鋁和不銹鋼要一同使用必須在有water-containing systems或是戶外安裝兩金屬間電子或電解隔離。
 
鋁合金的成分需要向美國鋁業協會(Aluminium Association,AA)註冊。許多組織公佈更具體製造鋁合金的標準,包括美國汽車工程協會(Society of Automotive Engineers,SAE)特別是航空標準[1],還有美國材料試驗協會(American Society for Testing and Materials,ASTM)。
 
鋁合金廣泛的被應用在工程結構上。合金系統由數字系統分類(ANSI),或由名稱表示主要的組成合金(DINISO)。 選擇正確的合金為一種指定的應用,需要考慮材料的強度、延性、成形性、焊接性、抗腐蝕性等等。 簡短的歷史概述合金和製造技術,請參照[2]。鋁廣泛地使用在現代航空器裡是由於它高強度和較低的重量比率。
 

彈性度

鋁使用不當,可能會導致些問題。尤其是在對比後,覺得鋁有「更好的表現」的那些直覺行事的設計師,機械師,或技術員。 跟相比,相同大小的鋁重量只有鐵或鋼的三分之一,似乎有著巨大的吸引力。但必須注意到,剛性同時也減少了三分之二。因此,直接更換一個鋼鐵的零件,並施加可接受的力量,雖然不會造成破壞,但是鋁的彈性會造成零件三倍以上的撓度

如果失敗是不是一個問題,但過度的彈性是不可取的。尤其在要求精度或者有效率傳輸的地方。隨意的將鋼管更換為同樣大小的鋁管將造成一定程度彎曲。例如,用相同的尺寸的鋁管取代鋼管的自行車框架,增加彈性的操作下,負荷所造成的不同心度將會吸收運行的力量。為了增加剛性增加管壁的厚度,造成重量增加,也喪失了彈性與重量比的優勢。
就這情況而言,最好重新設計鋁尺寸的部分,以適應其特點。例如,使自行車的框架鋁管具有超大直徑,而不是厚的管壁。這樣增加了強度,重量也沒有增加很多[3]。這樣處理的極限在於對挫曲的敏感性增加。
 
最新型的雪佛蘭Corvette汽車,是一個很好的例子,重新設計後的部分利用了鋁的優勢。使用了鋁的製底盤和懸掛系統零件,消除不必要的金屬後不但減輕也減少了截面積,這些車有大的尺寸和良好的剛度。因此,在同樣或更激烈的使用情況下不需要跟鋼製的零件一樣頻繁更換,大部分人對此覺得有吸引力。同樣地,鋁自行車框架可以改良設計,以便提供剛性和一些額外的靈活性,後者的功用可以當作另一種避震器。
 
鋁合金的強度和耐久性差別很大,不僅組成合金元素的差別,也由於製造過程的差異。這種可變性加上經驗曲線的使用,使鋁時常獲得了壞名聲。舉例來說,70年代早期許多設計不良的鋁自行車框架高頻率的損壞後,傷害了鋁的聲譽。然而,鋁零件廣泛的使用在航空器和高性能的汽車行業,放大來講是禁得起極微小的失敗率,同時也說明了自行車零組件沒有不可靠的問題。時間和經驗證明了鋁依舊是可靠的。
 
同樣地,鋁在汽車應用尤其是在引擎零件上,得益於一段時間內的發展。 奧迪工程師,在評論最近由奧迪工廠恢復一台1930年代汽車聯盟賽車的V12引擎有超過500匹馬力,引擎所使用的鋁合金今天會被使用在像是除草機和傢具上。在1960年代Corvair鋁製的汽缸蓋和曲軸箱,即使上螺紋被磨平及總體上的失敗仍得到了良好的名聲。這是已往不曾見過的設計。
 
其中一個重要的結構限制是鋁合金疲勞性能,而鋼具有較高的疲勞極限(理論上可以承受無限多的週期性載荷),鋁的疲勞極限是接近零,也就是說它最終將破壞,甚至非常小的循環荷載作用都可以使它破壞,但對於小的應力可以使用非常長的時間。
 

熱敏度

通常必須考慮金屬的熱敏感性。事實上鋁對熱感應上相對地複雜,不像鋼將要熔化時發出亮紅色。由於鋁熔化之前沒有跡象顯示,使用噴燈成型時需要一些專門的知識。

鋁過熱的時候受到內部壓力和拉力,這些壓力往往會導致延遲的扭曲。舉例來說,常見的有翹曲或過熱裂開的汽車鋁缸蓋。幾年後,沿著鋁自行車框架焊接逐漸變成趨勢。1970年代黏著劑被用在一些自行車上,不幸的是當鋁管受到輕微腐蝕就會鬆動黏接,終究車架解體。因此,太空工業,完全避免熱進入零件[膠粘劑]間或機械扣件。
 
過熱的鋁可放心熱處理零件在一爐,並逐步冷卻-有退火的效果。然而這樣做的結果有可能造成扭曲,所以熱處理焊接自行車框架,會導致重要的部分產生不重合。如果不嚴重,冷卻之後有可能可以重合在一起。如果框架設計有相當的剛性,變形將需要很大的力量。
 
鋁的不耐高溫性不包括使用在火箭上,用於氣體燃燒可達3500 K的燃燒室,在Aagena上,階段引擎部分設計使用了再生鋁冷卻噴嘴,包括關鍵噴喉;實際上鋁極端高導熱性防止了噴喉在巨大的熱流下到達熔點,是一個可靠的輕組件。
 

合金編號

鍛造用和鑄造用鋁合金使用不同的命名系統。鍛造用鋁合金使用四位數號碼,其中包含了合金成份所佔的比例。破折號後的4位數號碼代表熱處理的類型,例如「6061-T6」。鑄造用鋁合金使用4至5位數號碼與一個小數點。在百位數的數字代表合金元素,小數點用來辨認是鑄件或是鋁錠。
 

鍛造用合金

國際合金命名系統(International Alloy Designation System)被廣泛接受命名鍛造合金。每個合金是由於四位數號碼,其中第一位數為主要合金元素。
  • 1000系列至少含99%(重量百分比)的鋁
  • 2000系列銅合金,強度媲美。以前稱為杜拉鋁,是常用的航太合金,但容易受到粒間腐蝕,逐漸被7000系列取代。
  • 3000系列錳合金,有加工硬化
  • 4000系列矽合金,亦稱為矽鋁明
  • 5000系列鎂合金,可解決加工硬化,強度媲美鋼鐵。
  • 6000系列鎂矽合金,易於加工,可沉積硬化,得到的強度不是很高。
  • 7000系列鋅合金,可析出硬化,在所有鋁合金中有最高強度。
  • 8000系列混合

鑄造用鋁合金

美國鋁業協會(Aluminium Association,AA)採取與鍛造用合金相似的命名原則。英國標準(British Standard,BS)、德國標準(Deutsches Institut für Normung,DIN)使用了不同的名稱。 在美國鋁業協會(AA)系統,第二個二位數代表了最小含鋁量,例如150.x代表最少含99.50 %鋁。該數字小數點後值為0或1,指的鑄件和鑄錠分別[4]。美國鋁業協會系統下的主要鑄造用鋁合金列表如下:
  • 1xx.x系列:至少含99%鋁
  • 2xx.x系列:銅
  • 3xx.x系列:矽,銅和(或)鎂
  • 4xx.x系列:矽
  • 5xx.x系列:鎂
  • 6xx.x系列:鎂,矽
  • 7xx.x系列:鋅
  • 8xx.x系列:錫
  • 9xx.x系列:混合

命名合金

用途概要

常用航太合金

這些鋁合金,被用在飛機及其他航空器結構有悠久的歷史[5]

其他航太合金

這些都是目前生產的,但較少廣泛使用,應用在航太上的鋁合金。 利豐行事業有限公司 www.li-fung.biz

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