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鋁合金的發(fā)展前景及應(yīng)用展望

2019-09-26 15:11:28 作者：本網(wǎng)整理來源：《腐蝕與防護(hù)之友》分享至：

1 前言

經(jīng)過對(duì)鋁合金化學(xué)成分的組成與優(yōu)化，鋁合金型材的鑄造工藝、熱擠壓加工工藝和人工時(shí)效工藝進(jìn)行優(yōu)化，形成了合理的工藝路線和工藝流程。在此工藝路線和工藝流程的指導(dǎo)下生產(chǎn)出的鋁合金型材強(qiáng)度高、延伸率大，延展成型性能好，且具有良好的抗腐蝕性能，已突破普通鋁合金建筑材料的應(yīng)用范圍的局限，除應(yīng)用于鋁合金建筑門窗、幕墻外，可用做高層建筑的陽臺(tái)護(hù)欄、柵欄、交通護(hù)欄、指示牌、廣告牌，以及交通運(yùn)輸設(shè)施，汽車、高速列車、航空航天、船舶、軍工以及大型建筑結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。

因其良好的耐腐蝕性能，不僅可以杜絕碳素鋼，鑄鐵護(hù)欄因生銹而帶來的反復(fù)維護(hù)的成本與煩惱，且表面多彩化，可與建筑群、建筑小區(qū)的人文環(huán)境效果匹配，大大豐富了建筑物的外立面，增強(qiáng)建筑的整體美感。目前，該項(xiàng)成果正在進(jìn)一步向交通高速公路護(hù)欄、汽車等行業(yè)滲透推廣。

2 鋁合金的發(fā)展前景

2.1 鋁合金在汽車領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊

鋁合金的優(yōu)良特性以及節(jié)能、環(huán)保、安全的三大汽車技術(shù)發(fā)展主題確定了鋁在汽車行業(yè)應(yīng)用的美好前景，特別是以寶馬、奔馳、卡迪拉克等品牌為代表的高檔轎車的引進(jìn)，為鋁合金的應(yīng)用提供了新的市場。

在近期和不久的將來，汽車工業(yè)將加快對(duì)鋼制產(chǎn)品的替代工作，并渴望在如下方面取得進(jìn)展：1、全鋁車身，包括美國福特、通用、日本本田、德國奧迪的概念車車身已經(jīng)大量采用鋁合金，與鋼結(jié)構(gòu)相比，重量減輕40％以上；2、底盤結(jié)構(gòu)件及支架和懸掛類零部件；3、儲(chǔ)氣罐，后保險(xiǎn)杠；4、新材料的開發(fā)，為鋁合金應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展提供了可能。如德國開發(fā)成功的泡沫鋁材AFS（aluminumfoamsandwich）具有高的剛度／重量和強(qiáng)度／重量之比，能夠有效吸收沖擊能，具有防震防噪音、易于回收等特點(diǎn)，在車門立柱，保險(xiǎn)杠，門側(cè)防撞桿、前防撞梁、軍車上的防爆板、轎車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等方面擁有極強(qiáng)的應(yīng)用前景；5、鋁鎂合金、鋁鈦合金在汽車車輪、電器件、內(nèi)飾件等方面的應(yīng)用也正在逐步擴(kuò)大。

2.2 稀土鋅鋁合金鍍層金屬制品前景看好

如由馬鞍山鼎泰金屬制品（集團(tuán)）公司研制開發(fā)的國產(chǎn)新一代稀土鋅鋁合金鍍層鋼絲、鋼絞線，投放市場后，受到用戶青睞。專家認(rèn)為該產(chǎn)品潛在市場十分巨大，前景相當(dāng)廣闊。

稀土鋅鋁合金鍍層鋼絲、鋼絞線、鋼絲繩是新一代耐腐蝕金屬制品，目前世界公認(rèn)的、有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)可遵循的只有兩種，一種是含鋁55 ％、硅6 ％、鋅43.4 ％，稱為Galval － ume；另一種是含鋁5 ％和微量稀土元素（0.03 ％～ 0.1 ％），稱為Galfan。在80 年代末90 年代初，一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)普遍采取熱浸鍍鋅鋁合金層，這一國際性鋼鐵制品鍍覆技術(shù)，生產(chǎn)和開發(fā)稀土鋅鋁合金鍍層金屬制品，到1997 年全球年產(chǎn)量超過100 萬噸。發(fā)達(dá)國家以該新產(chǎn)品替代鍍鋅鋼絲及其制品的比例已達(dá)到70％以上；在日本已接近95％。至1998 年，全世界約有90 多家公司從國際鉛鋅研究組織（ILZRO）獲得Galvalume 合金和應(yīng)用Galfan 合金生產(chǎn)各類鋼材和制品的許可。

我國是90 年代中期開始研制稀土鋅鋁合金鍍層鋼絲、鋼絞線，并取得成功。國家計(jì)委組織有關(guān)部門對(duì)國產(chǎn)稀土鋅鋁鍍層鋼絲、鋼絞線進(jìn)行技術(shù)鑒定，其主要技術(shù)性能指標(biāo)超過國際電工委員會(huì)IEC、美國ASTM 標(biāo)準(zhǔn)，成為迄今我國金屬制品企業(yè)惟一通過國家“二委一辦”鑒定的稀土合金鍍層產(chǎn)品，并很快列入國家級(jí)重點(diǎn)新產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目，在全國推廣應(yīng)用。

近年來我國電力產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，拉動(dòng)了稀土合金鍍層鋼絲、鋼絞線的需求。在“十五”期間，我國電力建設(shè)投資總規(guī)模將達(dá)到6000 億元，其中電源投資1800 億元，一批大型水電站和大型坑口火電廠將陸續(xù)開工。“十五”期間，國家電力公司還將投資建540 萬千瓦的裝機(jī)容量。而這些用于電力架空線設(shè)計(jì)壽命在工業(yè)大氣中為30 年，但普通鍍鋅架空線的使用壽命只有10 年，有的還不足10 年，因此需要用高耐腐蝕、高壽命的稀土合金鍍層鋼絲、鋼絞線替代。所以說，這一新穎稀土鋅鋁合金鍍層金屬制品的市場前景越來越被看好。

國家計(jì)劃委員會(huì)稀土辦組織的該新產(chǎn)品的技術(shù)鑒定報(bào)告認(rèn)為：開發(fā)高質(zhì)量、高抗蝕性的稀土鋅鋁合金鍍層鋼絲產(chǎn)品，為國家基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)提供優(yōu)質(zhì)配套服務(wù)，符合我國的產(chǎn)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)具有一定的出口創(chuàng)匯能力。并在國家基本停止貸款新建項(xiàng)目的情況下，國家計(jì)委稀土辦破例專項(xiàng)貸款3300 萬元，以擴(kuò)大新一代稀土合金鍍層金屬制品生產(chǎn)規(guī)模。

馬鞍山鼎泰金屬制品公司制定了“十五”發(fā)展規(guī)劃，將投資1 億元，擴(kuò)大稀土多元合金鍍層金屬制品生產(chǎn)規(guī)模，在2005 年之前生產(chǎn)能力力爭達(dá)到10 萬噸，形成規(guī)模效應(yīng)，滿足國內(nèi)市場的需求，進(jìn)一步占有國際市場。

2.3 熱交換器用復(fù)合鋁合金材料

汽車熱交換器用三層復(fù)合鋁合金材料是制造水箱散熱器，汽車空調(diào)冷凝器，蒸發(fā)器，中冷器等部件的關(guān)鍵材料，也是國際上自八十年代后發(fā)展起來的高性能鋁合金材料。包括五個(gè)系列，16 種牌號(hào)。采用軋制復(fù)合工藝，在國內(nèi)鋁加工業(yè)屬于首創(chuàng)。1999 年通過了國家攻關(guān)項(xiàng)目驗(yàn)收，2000 年申報(bào)了國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)。國外汽車產(chǎn)量達(dá)1000 萬輛左右的國家有美國，日本，德國，韓國等。世界汽車用三層復(fù)合鋁合金箔材年需求量達(dá)100 萬噸。我國年需1.2 萬噸。目前尚無專業(yè)生產(chǎn)廠家。項(xiàng)目總投資4.5 億人民幣，年產(chǎn)熱卷坯料4 萬噸，三層符合箔帶8000 噸，復(fù)合箔帶1 萬噸，其他箔材2000 噸，年銷售收入15.4 億元，毛利4.2 億元。

二稀土鋁合金

2.4 稀土是鋁、鎂、鋅、銅等有色金屬良好的凈化劑和變質(zhì)劑，一般只要加入千分之幾，就能起到消除有害雜質(zhì)影響，細(xì)化晶粒并產(chǎn)生合金化的作用，從而提高材料的加工和使用性能。

稀土鋁合金是代替銅材制造電線電纜的理想材料。我國冶煉廠生產(chǎn)的鋁錠，由于受自然資源的影響，含硅量較高，而硅又是影響導(dǎo)電性能的主要有害雜質(zhì)，使我國以往生產(chǎn)的鋁導(dǎo)線導(dǎo)電性能常常達(dá)不到國際電工委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，成為長期困擾我國鋁導(dǎo)線行業(yè)的一大難題。

我國科學(xué)家們借助稀土的作用解決了這個(gè)難題，在世界上率先采用微量稀土處理鋁液，使其與硅使用形成硅化物析出晶界，加上稀土的微合金化作用，克服了硅的有害影響，明顯改善了導(dǎo)電性能，由于稀土還能細(xì)化晶粒強(qiáng)化基體，還提高了電線電纜的機(jī)械強(qiáng)度和加工性能，使我國生產(chǎn)的鋁電線電纜不但導(dǎo)電性能略高于國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，還比以前機(jī)械強(qiáng)度提高了20％，抗腐蝕性能提高了一倍，耐磨性能更是提高了約10倍，一舉改變了我國鋁電線電纜生產(chǎn)的落后狀況，使產(chǎn)品達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

用普通鋁制造的鋁導(dǎo)線，生產(chǎn)過程中常出現(xiàn)斷線，而采用高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性的稀土鋁合金拉制的鋁導(dǎo)線，在生產(chǎn)和使用中斷線率明顯下降。在廣東省沿海地區(qū)遭受的一次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)襲擊中，許多電線電纜遭到嚴(yán)重破壞，過后人們驚異地發(fā)現(xiàn)，凡采用稀土鋁合金制造的電纜線均安然無恙。高導(dǎo)電高強(qiáng)度稀土鋁電纜已用于50 萬伏超高壓輸電線，還成功地用在長江大跨度輸電線路上。由于提高了強(qiáng)度，用于一萬伏輸電線路，一般不用鋼芯加強(qiáng)，節(jié)省了大量鍍鋅鋼絲。

用稀土鋁合金拉制的各種電線電纜，電能損耗小，經(jīng)久耐用，已經(jīng)成為國家級(jí)電網(wǎng)的規(guī)范性產(chǎn)品。目前，我國年產(chǎn)能力已超過40 萬噸，形成了一個(gè)強(qiáng)大的稀土鋁導(dǎo)線輸電網(wǎng)，每年可為國家節(jié)電40 億度，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

稀土在鑄造鋁合金中應(yīng)用也取得同樣良好的效果。在用量最多的鋁硅系鑄造合金中，加上千分之幾的稀土，就能明顯改善合金的機(jī)械加工性能，已有多種牌號(hào)的產(chǎn)品用于飛機(jī)、船舶、汽車、柴油機(jī)、摩托車和裝甲車等方面的活塞、齒輪箱、汽缸和儀器儀表等器部件上。

稀土用于建筑鋁材和民用鋁制品上，可以提高材料的沖壓性能、耐腐蝕性能、機(jī)械強(qiáng)度和表面光潔度，既能改善產(chǎn)品質(zhì)量，又能提高成品率。稀土建筑鋁型材經(jīng)久耐用不變形，質(zhì)感好。稀土鋁合金用于高壓鍋和普通鋁鍋等制品方面，由于強(qiáng)度大和沖壓性能好，可以減簿制品的壁厚，既節(jié)省材料又精巧耐用。

我國科學(xué)家們?cè)谘芯块_發(fā)稀土鋁合金過程中，發(fā)明了在鋁電解槽中直接電解制備稀土鋁合金的新工藝，配合對(duì)摻法和鋁熱還原法可以生產(chǎn)出不同品質(zhì)和用途的稀土鋁合金。我國的稀土鋁合金生產(chǎn)工藝和應(yīng)用技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

2.5 稀土在鑄造鋁合金中的發(fā)展現(xiàn)狀

稀土在鑄造鋁合金中的應(yīng)用國外開展的較早，德國在二戰(zhàn)期間就研制了四種稀土鋁合金用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)的復(fù)雜零件。我國在這方面的研究和應(yīng)用始于20 世紀(jì)60 年代。雖然起步較晚，但發(fā)展較快，從機(jī)理研究到實(shí)際應(yīng)用都做了大量的工作，并已經(jīng)取得了一些成果。

2.5.1. 稀土在鋁合金中的精煉作用

鋁合金中添加適量稀土元素對(duì)精煉效果具有促進(jìn)作用。稀土元素可以改善夾雜物形態(tài)，凈化晶界。作者采用真空吸鑄法研究了Al RE 中間合金對(duì)A356合金流動(dòng)性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明合金熔體中加入適量的稀土元素，能夠使固液相線溫度差減少，減小合金的糊狀凝固趨勢(shì)，并且降低合金熔體表面張力，此外還有去氣、除雜的精煉作用，這都會(huì)使熔體流動(dòng)性提高，粘度降低，有利于夾雜物和氣體的排除?！∫蜒芯块_發(fā)出一種含有稀土化合物的鋁合金新型熔劑，該熔劑通過發(fā)生一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，不僅可使A356 合金熔體720℃時(shí)的含氫量由大于0.30ml ／ 100g（Al）下降到0.10 ml ／100g（Al）以下，除氣效果顯著，并使A356合金的室溫抗拉強(qiáng)度提高7.27％，延伸率提高85.58％。但是，過量的稀土元素也會(huì)加劇富RE 相的聚集，成為夾雜物，從而降低合金熔體的流動(dòng)性。

2.5.2. 稀土對(duì)鋁合金的細(xì)化作用

有目的地抑制柱狀晶和雙柱狀晶生長，促進(jìn)細(xì)小等軸晶形成，這種工藝過程就叫作晶粒細(xì)化處理。由于晶粒得以細(xì)化，合金的性能得到提高，同時(shí)還使縮松、熱裂、針孔等缺陷下降。細(xì)化處理的最基本方法是抑制形核，以及向熔體中添加晶粒細(xì)化劑的外來形核質(zhì)點(diǎn)。

目前，添加細(xì)化劑的方法成為最有效、最實(shí)用的方法。鑄造鋁合金中常用的共有三種類型的晶粒細(xì)化劑：二元Al －Ti 合金、二元Al － B 合金和三元Al －Ti － B 合金。中間合金（晶粒細(xì)化劑）加入到鋁合金熔體中發(fā)生溶解，釋放出金屬間化合物相，成為外來形核核心。

在鋁合金中加入稀土，既可細(xì)化晶粒，也可明顯細(xì)化枝晶組織（減小二次枝晶間距），其最佳效果對(duì)應(yīng)于不同的稀土含量。但是，其細(xì)化效果弱于Ti、B 等元素。稀土加入的臨界值與合金的熔煉、澆鑄條件有密切關(guān)系。只有在一定的生產(chǎn)工藝條件下，一定量的稀土才會(huì)有最好的細(xì)化效果?！〔捎靡话慵?xì)化劑，隨著鋁液靜置時(shí)間的延長，細(xì)化效果逐漸衰退；采用Al － 5Ti － 1B － 10RE 中間合金，稀土元素能阻止細(xì)化元素發(fā)生聚集、沉淀，對(duì)Ti、B 的細(xì)化作用有一定的促進(jìn)作用，可有效抑制鋁硅合金長時(shí)間靜置過程中晶粒尺寸的衰退，適合于大批量生產(chǎn)汽車鋁合金鑄件。

2.5.3. 稀土對(duì)鋁硅合金的變質(zhì)作用

鑄造Al － Si 合金中Si 相在自然生長條件下會(huì)長成塊狀或片狀的脆性相，它嚴(yán)重割裂基體，降低合金的強(qiáng)度和塑性，因而需要將它改變成有利的形態(tài)。

變質(zhì)處理使共晶Si 由粗大的片狀變成細(xì)小纖維狀或?qū)悠瑺?，從而提高合金性能?/span>

迄今已發(fā)現(xiàn)，堿金屬中的K、Na，堿土金屬中的Ca、Sr，稀土元素Eu、La、Ce和混合稀土，氮族元素Sb、Bi，氧族元素S、Te 等均具有變質(zhì)作用。在Al －Si 合金中，添加鋁稀土中間合金或稀土氯化物和氟化物，可使共晶Si 相由片條狀變成球粒狀。不同稀土的變質(zhì)能力不同，大體上隨著原子半徑由大變小，變質(zhì)能力由強(qiáng)變?nèi)?。　稀土變質(zhì)劑具有很好的長效性和重熔穩(wěn)定性，吸氣傾向小，無污染、加入工藝簡便、無腐蝕作用。研究結(jié)果表明，含La 為0.056％變質(zhì)后的合金，重熔10 次，每次取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)最終仍有變質(zhì)效果，La 的最終濃度仍有0.035％，仍處于最佳變質(zhì)范圍之內(nèi)。

0.3 ％混合稀土變質(zhì)合金，重熔5 次，發(fā)現(xiàn)最終仍有良好變質(zhì)效果?！∽冑|(zhì)工藝直接影響著稀土的變質(zhì)效果。對(duì)Al － Si 合金，獲得穩(wěn)定變質(zhì)組織的關(guān)鍵是減少稀土的燒損，并防止稀土的偏聚，使稀土迅速均勻地?cái)U(kuò)散到鋁液中。稀土變質(zhì)有一潛伏期，即必須在高溫下保持一定時(shí)間，稀土才能發(fā)揮最大變質(zhì)作用。

2.6稀土在鑄造鋁合金面臨的機(jī)遇和對(duì)策

我國稀土在鋁合金中的應(yīng)用經(jīng)歷過一個(gè)特殊的高速發(fā)展時(shí)期。1989 年，我國含稀土的鋁及其制品的總量達(dá)到12萬噸，約占鋁產(chǎn)量的16％。但是，近年來稀土在鋁合金中的應(yīng)用發(fā)展速度明顯放緩。在此形勢(shì)下，要充分利用我國的稀土資源優(yōu) 勢(shì)，以企業(yè)為主體，走產(chǎn)學(xué)研結(jié)合之路，進(jìn)行稀土的深加工，實(shí)現(xiàn)稀土在鑄造鋁合金領(lǐng)域應(yīng)用的可持續(xù)發(fā)展，提高進(jìn)入WTO 以后的國際競爭力。

2.6.1. 加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究，正確評(píng)價(jià)稀土的作用

盡管稀土元素本身的精煉、細(xì)化和變質(zhì)能力并不是最強(qiáng)，但是輔以常規(guī)精煉劑、細(xì)化劑和變質(zhì)劑進(jìn)行復(fù)合熔體處理，可以獲得更好的精煉、細(xì)化和變質(zhì)效果，從而提高鑄件性能。因此，應(yīng)該開展以下基礎(chǔ)研究工作：進(jìn)一步深入研究稀土在鑄造鋁合金中的精煉、細(xì)化和變質(zhì)機(jī) 制；研究稀土元素與常用細(xì)化元素Ti 和B、稀土元素與常用變質(zhì)元素Sr 和Na 在鑄造鋁合金中的變質(zhì)作用；研究含稀土與其它細(xì)化元素和變質(zhì)元素對(duì)鑄造鋁合金的復(fù)合細(xì)化和復(fù)合變質(zhì)作用?！?.6.2. 研究優(yōu)質(zhì)鋁合金稀土添加劑的制備工藝

由于對(duì)稀土元素的作用機(jī)制研究不足，目前含稀土的細(xì)化型和變質(zhì)型中間合金質(zhì)量差別大，加上現(xiàn)場生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性，限制了稀土在鋁合金鑄造生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。因此，要推動(dòng)稀土在鑄造鋁合金中的應(yīng)用，應(yīng)該研究不同成分和組織特征的含稀土復(fù)合細(xì)化劑和復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)鑄造鋁合金的細(xì)化和變質(zhì)效果，在此基礎(chǔ)上研究含稀土細(xì)化劑、變質(zhì)劑和精煉劑的制備工藝。

3 前景展望

鋁合金是汽車上應(yīng)用得最快和最廣的輕金屬，這主要是因?yàn)殇X合金本身的性能已經(jīng)達(dá)到重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕的要求。早期鋁合金僅用于變速器外殼、油泵、化油器等不受強(qiáng)烈沖擊的部件。

現(xiàn)在，鋁材中添加強(qiáng)化元素后，強(qiáng)度大大加強(qiáng)，并仍然具有質(zhì)輕、散熱性好等特性，這可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)活塞及氣缸蓋等較惡劣工作環(huán)境的要求。鋁合金進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍后，隨之而來的是進(jìn)一步降低了整車重量，提高了整車的經(jīng)濟(jì)性。鋁合金型材強(qiáng)度高、延伸率大，延展成型性能好，且具有良好的抗腐蝕性能，已突破普通鋁合金建筑材料的應(yīng)用范圍的局限，除應(yīng)用于鋁合金建筑門窗、幕墻外，可用做高層建筑的陽臺(tái)護(hù)欄、柵欄、交通護(hù)欄、指示牌、廣告牌，以及交通運(yùn)輸設(shè)施，汽車、高速列車、航空航天、船舶、軍工以及大型建筑結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。因其良好的耐腐蝕性能，不僅可以杜絕碳素鋼，鑄鐵護(hù)欄因生銹而帶來的反復(fù)維護(hù)的成本與煩惱，且表面多彩化，可與建筑群、建筑小區(qū)的人文環(huán)境效果匹配，大大豐富了建筑物的外立面，增強(qiáng)建筑的整體美感。目前，該項(xiàng)成果正在進(jìn)一步向交通高速公路護(hù)欄、汽車等更多更廣的行業(yè)滲透推廣。

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