铝合金材料的应用与开发潜力

铝合金材料的应用与开发潜力

甘斌

甘斌

南南铝业股份有限公司广西南宁市530031

摘要：随着经济的发展和工业时代的到来，现代工业对于资源、能源和环境问题越发关注，这也促成了以铝合金材料为代表的轻合金材料成为了应用最广泛的材料之一。本文主要综述了铝合金材料的基本概念、制备方法、性能以及在各领域中的实际应用，最后对其发展前景作出展望。

关键词：铝合金材料；应用；开发潜力

引言

与工程结构钢和不锈钢相比，铝合金作为结构材料具有不可比拟的优点：①质量更轻、强度较高，可以减轻结构构架的质量；②外观好，有与不锈钢材料及其它金属材料截然不同的光泽与质感，而造价又低于不锈钢结构；③耐腐蚀性能好、免维护，尤其适用于一些在较强腐蚀环境下服役的结构体；④有利于环境保护，铝易回收，再处理成本低，再利用率高，回收剩余价值高；等等。因此，铝合金作为结构材料的应用越来越广泛，在车辆、航空、建筑等领域呈现良好的发展势头。特别是在体育馆、环保等大跨度标志性建筑中应用前景广阔，国内外大型空间建筑的网壳结构已开始大量应用铝合金结构构件，如丰田博物馆、康涅狄格大学及夏威夷大学竞技场、贝尔竞技中心等。

1铝合金的基本概述

铝合金的应用可追溯到19世纪末期，霍尔-埃鲁电解法的发明和直流电解生产技术的提高使得工业大规模生产铝的成本下降，铝成为一种工业上常用的金属。随后，研究者通过加入镁和铜等合金元素制造出了硬铝合金，使铝的强度提高了两倍，在两次世界大战中这种合金被大量应用于船舶和其他军火工业中。军事上成功的应用促使企业投入更多的人力和资金到铝合金的研究领域。战后，军需的锐减又迫使各大铝业公司积极开发民用新产品，把铝合金的应用进一步推广到电子电气、日用五金、生活建筑和食品包装等领域，使得铝合金用量逐年递增。截止2009年，世界原铝（包括再生铝）的产量和消费量已超过4200万吨，相对于1970年翻了接近5倍，预计到2020年世界原铝和再生铝产量将突破1亿吨大关。铝合金有着庞大的家族群体，通过加工方法的不同可以将其分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金指通过挤压、拉伸、锻造和轧制等机械加工方法生产出的棒材、型材、板材等铝合金材料，这类合金通常具备较好的塑性和可加工性能，常见的有3、5、6xxx系合金等。而铸造铝合金则泛指通过铸造加工获得的铝合金，通常具备较好的流动性和收缩性，常见的方法有低压铸造、真空铸造等。铸造成形后的材料具有极高的耐磨性能和硬度，常用作承构件，比如被广泛用于船舶舷窗框和支架的ZAlMg10铸造铝合金。

2铝合金材料的应用

2.1铝合金在船体结构上的应用

近年来，对船舰的轻量化、机动性等要求的提高以及对合金材料再生利用的要求，使铝合金在船舰结构上的应用获得了空前的发展，特别是在中小型舰艇的制造中发挥了极为重要的作用。20世纪60年代，美国海军先后开发出铝镁（Al-Mg）系列板材及挤压型材，同时开发了耐海水腐蚀性能良好的铝镁硅（Al-Mg-Si）系合金，及中强可焊的铝锌镁（Al-Zn-Mg）系合金等，为铝合金在船舰上的应用打下了良好基础。目前，在船壳体结构上用的铝合金主要是5083、5086、5456这3种合金，它们的耐腐蚀性能、机械性能和焊接性能都很好。1966-1971年美国建成的14艘“阿希维尔”级高速炮艇是第一批全铝军舰，主甲板和船底板为12.7mm厚的5086-H32铝合金，型材用的是5086-H112铝合金，全艇共用了71t铝材。2003年美国海军装备的江海特种作战艇，最高航速达78km/h，该艇艇体采用铝合金制造，高速行驶时吃水只有0.23m。俄罗斯在船体上使用较多的是铝-铜-镁（Al-Cu-Mg）系合金，作为快艇壳体材料，目前已有各种类型的铝合金高速艇船1000多艘，广泛应用于军事。我国于20世纪60年代以后形成舰船及装甲板用铝合金系列，如LF系、LD30、LD31、919铝合金、147、4201和180铝合金（也称2103合金）等。20世纪60年代初，我国用LY12CZ铝合金做船体，也成批建造了水翼快艇。20世纪80年代，我国用180合金建成了一艘全铝结构的海港工作艇“龙门”号。目前，我国船体结构上主要使用180合金。

2.2铝合金材料代替铜芯成为电线电缆生产企业的新宠

从铝合金材料的生产成本和它的应用范畴的来看，对未来电缆行业发展都有极大的发展潜力，在未来的几年里，铝合金很有可能成为电线电缆生产企业的新宠。从市场铜的价格趋势来看，铜材料的价格十分昂贵，加上各地越来越多的电网兴建给铝合金的发展带来了机会，也能让电线电缆企业找到更合适的电缆材料，同时也有效的解决对铜材料的过渡依懒性。首先，我国是个人口大国，国内资源有限，特别是铜矿资源，再加上这几年铜的价格不断上升却不减的局面，令众多的电线电缆企业发展十分艰难，随着电缆电线的生产本不断增加，电缆企业的利润越来越少，一些企业开始为了盈利不择手段，在铜材方面动脑筋，参杂质量，造成破坏铜等现象在业内比比皆是。

2.3铝合金在电子电气领域的应用

目前，全世界每年生产的原铝（包括再生铝）约有8%被用于电子电气领域，其中电子导体几乎全是铝合金。究其原因，首先铝及铝合金在价格上远低于铜及铜合金，这能有限控制铺设电缆等的成本。其次，由于铝合金的密度远低于铜合金，这使得铝合金可以在较轻的质量下获得所需的电导率，并且显著降低运输成本。此外，铝合金的回收利用率远高于铜合金，并且耐腐蚀性极高，这能有效降低维修费用。当前，高压输电线中常用的为铝包钢芯铝绞线，该合金具有良好的导电性和较高的强度，并且通过加入Zr、Y等元素，增强了高温耐热性能。铝合金在计算机、通信设备、家用电器等领域也有着相当大的需求。铝制电解电容器凭借优良的性能和低廉的价格，一直是电容器市场的首选之一。在电解电容器中，阴极箔是一种腐蚀材料，其表面既要有良好的耐蚀性，又需要局部腐蚀的特性，因此常采用3xxx系Al-Mn系合金。家用空调中则常选用散热性好的铝合金作为散热器的材料，如8079铝合金。此外，铝合金还常用于计算机和家电的包装材料，雷达天线的抛物面板材，计算机的磁盘基板等。

3铝合金未来的发展趋势

随着航空、车辆等领域技术的不断发展，对结构材料的要求也越来越高。针对以上存在的问题，以提高和完善铝合金结构材料使用性能为目标，同时兼顾材料制备的成本，铝合金结构材料的发展应加强以下几个方面：①加强铝合金材料的高纯净化生产技术研究，特别是在铸锭过程中的杂质分离技术、晶粒细化与均匀化技术、防止吸气技术、特别是氢含量控制等方面，加强工艺技术改进与提高，为形成高性能的铝合金结构材料打下良好基础。②加强热处理技术的研发，实现对铸锭或中间坯料中析出物的选择、尺寸、分布形态与状态的有效控制，提高产品的加工成形率，从而降低产品的制造成本。③加强对铝基复合材料及其成形技术的研究与开发，这对提高铝合金结构材料的综合性能是非常有帮助的。铝基复合材料不仅可以保持铝合金原本的良好性能，同时也可大大改善铝合金原先受到限制的一些性能，尤其是提高铝合金的模量、耐磨性和降低热膨胀性，从而满足航空航天、交通等领域结构材料的需求。增强铝基复合材料是由铝合金基体和高性能增强体复合而成的一种高技术新材料，针对不同的性能要求，通过选择合适的铝基体、增强体及它们之间的优化组合，可以获得优异的综合性能。

结语

铝合金材料作为现代社会使用量最大，适用领域最广泛的材料之一，凭借其优异的性能和巨大的发展潜力承担了推动材料工业发展和科技进步的重要使命和任务，并逐渐成为了当代世界衡量一个国家科技实力和国民经济水平的重要标准之一。

参考文献：

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[2]魏星.世界铝工业概述[J].轻金属，2016（1）.

[3]罗苏，吴锡坤等.铝型材加工实用技术手册[M].长沙：中南大学出版社，2006.