鋁合金通常使用銅、鋅、錳、矽、鎂等合金元素，20世紀初由德國人阿爾弗雷德·威爾姆發明，對飛機發展幫助極大，第一次世界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質隔離。
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）。
工程用途
鋁合金被廣泛應用在工程結構上。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（DIN及ISO）。為一種指定的應用選擇正確的合金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]。由於它的高強度和較低重量比率，鋁被廣泛使用在現代航空器裏。
鋁使用不當，可能會導致些問題。尤其是在對比鐵或鋼後，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。跟鐵或鋼相比，相同大小的鋁重量只有鐵或鋼的三分之一，似乎有着巨大的吸引力。但必須注意到，剛性同時也減少了三分之二。因此，直接更換一個鐵或鋼鐵的零件，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。
即使材料不會破壞，過度的彈性亦不可取。尤其在要求精度或者有效率傳輸的地方。隨意地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。若增加管壁的厚度來補強，則造成重量增加並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。
最新型的雪佛蘭科爾維特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。使用了由鋁製造的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家具上。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。
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，沿着鋁自行車框架焊接逐漸變成趨勢。1970年代黏着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，航天工業，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Agena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。
21世紀後奈米技術有所進展，上海交通大學材料科學與工程學院王浩偉教授領銜的科研團隊，突破了奈米陶瓷鋁合金技術，在鋁裏摻陶瓷增強特性的構想長期存在，但技術難關巨大，強度及塑性差等問題無法解決。新技術採用讓陶瓷自己從鋁裏長出來的新構想，團隊最終採用「原位自生技術」，透過熔體控制自生，陶瓷顆粒的尺寸由外加法的幾十微米降低到奈米級，突破了外加陶瓷鋁基複合材料的塑性低、加工難等應用瓶頸。該種材料也可用於3D打印且成品有接近鍛造的性質，航天潛力巨大。[4]
目前天宮一號、天宮二號和若干衛星已經應用奈米陶瓷鋁合金零件。
1960年代跟鋁的高導電性和比銅低的價格，在美國的家庭配線使用了鋁，即使許多裝置的設計不是能使用鋁導線的。新的用途帶了一些問題：
- 鋁巨大的熱膨脹系數造成導線容易變長扭曲，最終跨接到不同的金屬（如旁邊的螺絲、牆釘），造成短路。
- 純鋁有一個「蠕變」傾向，穩定持續的壓力（隨着溫度的上升），再次造成短路。
- 電偶腐蝕造成接觸端的金屬電阻增加。
這些過熱和過鬆的聯接，反而導致了一些火災。建造者對導線的選用開始變的謹慎，在新建築上許多法令禁止了它的用途。但較新的裝置，最終改善了連接設計，以避免鬆動和過熱。一開始的標示為"Al/Cu"，現在則是印着"CO/ALR"。另一種阻止發熱的方法，捲曲鋁線與銅線編成短辮，利用高壓捲曲並利用工具減少鋁的熱膨脹。現在，新的合金、設計和方法用在鋁導線和鋁端子的結合。
合金分類
鋁合金按加工方法可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。
變形鋁合金牌號使用四位數字表示，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。
（重量百分比）
| 代號 | 矽 | 鐵 | 銅 | 錳 | 鎂 | 鉻 | 鋅 | 釩 | 鈦 | 鋇 | 鎵 | 鉛 | 鋯 | 其他 | 鋁 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 每種 | 總和 | |||||||||||||||
| 1060 | 0.25 | 0.35 | 0.05 | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 0.05 | 0.05 | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 最少99.6 | |
| 1100 | 0.95 Si+Fe | 0.05-0.20 | 0.05 | 0.10 | 0.05 | 0.15 | 最少99.0 | |||||||||
| 2014 | 0.50-1.2 | 0.7 | 3.9-5.0 | 0.40-1.2 | 0.20-0.8 | 0.10 | 0.25 | 0.15 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| 2024 | 0.50 | 0.50 | 3.8-4.9 | 0.30-0.9 | 1.2-1.8 | 0.10 | 0.25 | 0.15 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| 2219 | 0.2 | 0.30 | 5.8-6.8 | 0.20-0.40 | 0.02 | 0.10 | 0.05-0.15 | 0.02-0.10 | 0.10-0.25 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | ||||
| 3003 | 0.6 | 0.7 | 0.05-0.20 | 1.0-1.5 | 0.10 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | ||||||||
| 3004 | 0.30 | 0.7 | 0.25 | 1.0-1.5 | 0.8-1.3 | 0.25 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||||
| 3102 | 0.40 | 0.7 | 0.10 | 0.05-0.40 | 0.30 | 0.10 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||||
| 5052 | 0.25 | 0.40 | 0.10 | 0.10 | 2.2-2.8 | 0.15-0.35 | 0.10 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | ||||||
| 5083 | 0.40 | 0.40 | 0.10 | 0.40-1.0 | 4.0-4.9 | 0.05-0.25 | 0.25 | 0.15 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| 5086 | 0.40 | 0.50 | 0.10 | 0.20-0.7 | 3.5-4.5 | 0.05-0.25 | 0.25 | 0.15 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| 5154 | 0.25 | 0.40 | 0.10 | 0.10 | 3.1-3.9 | 0.15-0.35 | 0.20 | 0.20 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| 5454 | 0.25 | 0.40 | 0.10 | 0.50-1.0 | 2.4-3.0 | 0.05-0.20 | 0.25 | 0.20 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| 5456 | 0.25 | 0.40 | 0.10 | 0.50-1.0 | 4.7-5.5 | 0.05-0.20 | 0.25 | 0.20 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| 6005 | 0.6-0.9 | 0.35 | 0.10 | 0.10 | 0.40-0.6 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| 6005A† | 0.50-0.9 | 0.35 | 0.30 | 0.50 | 0.40-0.7 | 0.30 | 0.20 | 0.10 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| 6060 | 0.30-0.6 | 0.10-0.30 | 0.10 | 0.10 | 0.35-0.6 | 0.5 | 0.15 | 0.10 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| 6061 | 0.40-0.8 | 0.7 | 0.15-0.40 | 0.15 | 0.8-1.2 | 0.04-0.35 | 0.25 | 0.15 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| 6063 | 0.20-0.6 | 0.35 | 0.10 | 0.10 | 0.45-0.9 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| 6066 | 0.9-1.8 | 0.50 | 0.7-1.2 | 0.6-1.1 | 0.8-1.4 | 0.40 | 0.25 | 0.20 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| 6070 | 1.0-1.7 | 0.50 | 0.15-0.40 | 0.40-1.0 | 0.50-1.2 | 0.10 | 0.25 | 0.15 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| 6082 | 0.7-1.3 | 0.50 | 0.10 | 0.40-1.0 | 0.60-1.2 | 0.25 | 0.20 | 0.10 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| 6105 | 0.6-1.0 | 0.35 | 0.10 | 0.10 | 0.45-0.8 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| 6162 | 0.40-0.8 | 0.50 | 0.20 | 0.10 | 0.7-1.1 | 0.10 | 0.25 | 0.10 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| 6262 | 0.40-0.8 | 0.7 | 0.15-0.40 | 0.15 | 0.8-1.2 | 0.04-0.14 | 0.25 | 0.15 | 0.40-0.7 | 0.40-0.7 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||
| 6351 | 0.7-1.3 | 0.50 | 0.10 | 0.40-0.8 | 0.40-0.8 | 0.20 | 0.20 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | ||||||
| 6463 | 0.20-0.6 | 0.15 | 0.20 | 0.05 | 0.45-0.9 | 0.05 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||||
| 7005 | 0.35 | 0.40 | 0.10 | 0.20-0.7 | 1.0-1.8 | 0.06-0.20 | 4.0-5.0 | 0.01-0.06 | 0.08-0.20 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | ||||
| 7072 | 0.7 Si+Fe | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.8-1.3 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | ||||||||
| 7075 | 0.40 | 0.50 | 1.2-2.0 | 0.30 | 2.1-2.9 | 0.18-0.28 | 5.1-6.1 | 0.20 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| 7116 | 0.15 | 0.30 | 0.50-1.1 | 0.05 | 0.8-1.4 | 4.2-5.2 | 0.05 | 0.05 | 0.03 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | ||||
| 7129 | 0.15 | 0.30 | 0.50-0.9 | 0.10 | 1.3-2.0 | 0.10 | 4.2-5.2 | 0.05 | 0.05 | 0.03 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||
| 7178 | 0.40 | 0.50 | 1.6-2.4 | 0.30 | 2.4-3.1 | 0.18-0.28 | 6.3-7.3 | 0.20 | 0.05 | 0.15 | 剩餘的 | |||||
| †錳加鉻必須介於0.12-0.50% | ||||||||||||||||
「其他」限制適用於所有的元素，無論是表格中有或沒有。
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、第三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[5]。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
這些鋁合金，被用在飛機及其他航空器結構有悠久的歷史。[6]
這些都是目前生產的，但較少廣泛使用，應用在航天上的鋁合金。
這些合金常被用在造船，海運業及鹽水成分較高的地方使用。[7]
- 5052鋁合金
- 5083鋁合金
- 5086鋁合金
- 6061鋁合金
- 6063鋁合金
這些合金大量應用於易拉罐，包括啤酒、汽水飲料、食品等易拉罐包裝。
- 3004鋁合金－易拉罐罐體（使用較少）
- 3104鋁合金－易拉罐罐體
- 5052鋁合金－易拉罐罐蓋和拉環
- 5052鋁合金－易拉罐罐蓋和拉環
這些合金大量應用於建築幕牆裝飾中
- 1100鋁合金－裝飾幕牆
- 3003鋁合金－裝飾幕牆
註解
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
