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1、1,第四章 铝合金,2,本节框架,新型铝合金,工业铝合金,铸造与变形,发展史,科普,铝的常识,学科常识,理论基础,合金化,热处理,应用,未来,产品,新工艺,新材料,基础材料,加工技术,资源,特性,铝化物,冶炼,时效理论,3,第一节 发展,4,1886年美国C. M. Hall和法国P. L. Heroult同时分别用冰晶石-氧化铝熔盐电解法制取金属铝。 1888年在美国匹兹堡建立第一家电解铝厂，1956年世界铝产量超过铜，居有色金属的首位。,铝合金的发展史,1746年德国人J. H. Pott由胆矾制得氧化铝。 1825年丹麦人H. C. Oersted用钾汞还原无水氯化铝，得到几毫克金属铝。
2、 1854年法国S. C. Deville用钠还原NaAlCl4络合盐，制得金属铝。,5,6,我国的铝加工行业的发展历程,1932年,加拿大铝业公司、美国铝业公司投资100万美元，利用瑞士铝箔厂二手设备在上海创办的华铝钢精厂，300名职工，生产香烟包装铝箔和窄的铝板、带材。 东北轻合金加工厂成立，2.6万吨的生产能力。1965年扩建。 1965年建了西北铝加工厂和西南铝加工厂，70年代又建成了一批中小型铝加工厂。,1952年,1965年后,7,我国的铝加工行业的发展历程,铝加工企业152家，年生产能力30万吨，实际产量24万吨。 铝加工企业392家，年生产能力114.8万吨，实际产量49.5万
3、吨。 铝加工企业1069家，年产能约350万吨。 铝加工厂1260余家，年总产能约570万吨，其中板带材产能220万吨，铝箔产能22万吨，型材产能280万吨。,1980年,1990年,1995年,2001年底,8,2001，铝型材净出口国 2002、03出口量增加50%，进口量下降15%,我国大型铝企发展迅速，产量大幅提高 西南铝18.7万吨、辽宁铝业10.35万吨、河南明泰5.01万吨、广东兴发4.87万吨、台山金桥4.16万吨,9,当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录与铝相关的项目：,氧化铝生产及新工艺开发； 有色金属湿法冶炼； 280KA以上预培槽电解铝技术开发； 铝及铝合金快速铸
4、轧技术开发与设备制造； 有色金属复合材料、新型合金材料制造； 新型刹车材料制造； 地铁用高性能金属材料制造。,10,铝加工业的关联行业,铝土矿 氧化铝,电解 再生,电力行业,铝加工,铝电联营,电力电工,建筑行业,交通运输,包装工业,耐用消费品,航空航天,上游行业,下游行业,11,第二节 特性和铝化物,12,铝是生命必须元素，密度小，储量丰富,面心立方结构，化学性质活泼，代表性氧化物为两性。 多数环境显优良的抗腐蚀性，表面具有强的反射辐射能、可见光、电磁波的能力，优良的电导率和热导率，弱顺磁性，不能自燃，无毒性，加工性好，热中子俘获截面很小。 缺点：力学性能不足，不适合大载荷构件。,铝合金的特性
5、,13,生命科学,人体中，每70公斤体重大约含6l毫克铝。 多伦多大学的DR克拉普尔等研究发现在衰老症患者脑部神经元的细胞核中铝含量为健康人的四倍。给动物中毒剂量的铝时，动物出现衰老症。 痕量金属铝可能是引起衰老症的一个原因。,14,铝的物理性质,Al,13,银白色固体,较软,2.70,660.4,2467,铝,26.98,0.4049,15,银白色，有金属光泽,质地较软，延展性好,密度小,易加工成各种形状， 包装、装饰工艺， 铝箔、铝丝、银粉涂料,导热性能好,铝锅、铝壶等加热器具,导电性能较好,铝芯电线、电缆,铝的物理性质和用途,16,铝的力学性能,17,铝是电负性金属、与氧的亲和力很大，可
6、作为钢的脱氧剂等。在空气中生成厚度0.005-0.02m的致密坚硬的氧化膜Al2O3，其摩尔体积约是铝的30倍，常压下破坏后立即形成。在PH值4.0-9.0的水溶液中，强氧化性介质、弱酸中、此保护膜稳定，从而，铝具有良好的抗腐蚀性。 铝与大多数稀酸反应而迅速溶解。 铝的标准电极电位势（523K）-1.662V，电化学当量0.3356g/（Ah），与低碳钢接触时发生牺牲性腐蚀。,铝的化学性质,18,1、与非金属反应的比较（O2、S、卤素）,2、 与酸反应的比较,与氧气反应,与盐酸反应,2Al+6H+=2Al3+3H2,（常温下与浓硫酸浓硝酸发生纯化）,化学性质,19,3、铝与碱反应,4、与某些氧
7、化物反应,铝热反应,2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2,(还原剂),(氧化剂),化学性质,20,三、铝的重要化合物,1、氧化铝（Al2O3）,白色难熔的物质，两性氧化物,Al2O3+6HCl=2AlCl3+3H2O,Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O,21,2、氢氧化铝 Al(OH)3,白色不溶于水的胶状物质，两性氢氧化物,Al2(SO4)3+6NH3H2O=2Al(OH)3 +3(NH4)2SO4,2Al(OH)3=Al2O3+3H2O,Al(OH)3+3HCl=AlCl3+3H2O,Al(OH)3+NaOH=NaAlO2+2H2O,22,3、硫酸铝钾 KAl(
8、SO4)2 ,KAl(SO4)2 12H20 俗名 明矾,KAl(SO4)2=K+Al3+2SO42-,23,“超級原子” Al13,美國弗吉尼亞共体大學物理學教授施夫漢納等人在科學報告，發現了由13個鋁原子組成的“超級原子”，命名為AL13，AL是鋁的符號，13表示具有13個普通鋁原子。,24,“超級原子” Al13性質奇特,科學家尋找由多個單個原子組成的“超級原子”，希望 “超級原子”具有單個原子不具有的化學性質，施夫漢納等人的工作是一個新突破。 在實驗室中將金属鋁制成蒸氣，形成一些由多個鋁原子組成的極其微小的球，發現由13個鋁原子組成的小球最穩定。然后，用質譜儀從鋁蒸氣中過濾出AL13“
9、超級原子”，讓它們與呈鏈形的碘分子發生化學反應。,25,“超級原子” Al13性質奇特,發現AL13“超級原子”取代了碘分子中的一個碘原子的位置，其他碘原子也“悬挂”在AL13“超級原子”上，產生了一種新的碘鋁化合物，在該碘鋁化合物中AL13“超級原子”显示了類似碘原子的性質。,26,現有的門捷列夫元素周期表沒有包含這樣的“超級原子”，AL13 “超級原子”的發現勢必导致元素周期表進一步扩大。 AL13“超級原子”與碘形成的化合物，既有金属（鋁）的性質，也有非金属（碘）的性質。 可以根据扩大的周期表“按图索驥”，尋找特定的新物質。,返回,“超級原子” Al13性質奇特,27,施夫漢納教授說，“
10、使用AL13來代替碘，可以研制出导電性能更好的导体，還能產生不氧化的鋁的顆粒，用做固体火箭發動机燃料，解決現在使用鋁做燃料的固体火箭發動机因為鋁燃燒而出現的难題。”這一發現將在宇宙飛行中获得很大應用。 德國卡尔斯魯厄大學化學家施諾克爾認為，AL13的研究結果還是純理論的，沒有現實的應用價值，AL13還不算很穩定，制成長期穩定的具有新化學性質的物質，還是“未來之事”。,返回,“超級原子” Al13性質奇特,28,第三节 资源与冶炼,29,我国的铝土矿资源,在世界上属于比较丰富的国家之一，主要集中在储量丰富的河南、贵州、山西、青海等省区。,30,氧 49.13%,硅 26%,铝 7.45%,铁钙钠
11、钾镁 14.55%,31,在地壳中铝含量仅次于氧和硅，是储量最多的金属，在地壳中的丰度为8.2g/kg。自然界中的含铝矿物约250种，以铝硅酸盐及其风化物最常见。,铝的矿物资源,铝土矿是主要的炼铝原料，常含镓，也是提炼镓的主要来源。主要成份为氧化铝水化合物，按矿物形态分为刚玉Al2O3、三水铝石型Al2O33H2O 、一水软铝石型Al2O3H2O、一水硬铝石型Al2O3H2O 、高岭石Al2O32SiO2H2O 、红柱石Al2O3SiO2。全世界已探明的铝土矿的工业储量约为25Gt，远景储量35Gt。,32,我国的铝土矿资源的基本特点,地理分布,山西、河南、贵州和广西储量占全国储量88%，又有
12、丰富的煤炭或水利资源。 沉积型储量占92%；适于坑采的占45%；完全露采的占24%；露采与坑采结合的占30%。坑采成本较高，达到1亿吨的矿床很少。 一水硬铝石储量占98%；铝硅值7的占33%；4-7之间的占60%；小于4的占7.42%；全国平均值为5.5。,矿床类型,矿石类型,33,(1)拜耳法 拜耳法适用于铝硅比高的铝土矿，流程简单、投资省和能耗低。 原理是用苛性碱（NaOH）溶液溶出铝土矿中的氧化铝，得到铝酸钠溶液。溶液与赤泥分离，净化后降低温度，加入氢氧化铝作晶种，经长时间的搅拌，析出氢氧化铝，洗涤并在高温煅烧成氧化铝成品。,铝的冶炼,34,拜耳法生产氧化铝的基本流程,35,铝的冶炼,(
13、2)碱石灰烧结法 处理铝硅比低的铝土矿。铝土矿、碳酸钠和石灰石按比例混合配料，回转窑内烧结成由铝酸钠（Na2Al2O3）、铁酸钠（Na2OFe2O3）、原硅酸钠（2Ca2OSiO2）、钛酸钙（CaOTiO2）组成的熟料。 用稀碱溶液溶出熟料中的铝硅酸钠，经过专门的脱硅过程，使溶液提纯。把CO2气体通入精制铝酸钠溶液，加入晶种搅拌，得到氢氧化钠沉淀物，经煅烧为氧化铝成品。,36,铝的冶炼,(3)拜耳烧结联合法，以拜耳法为主，辅助烧结法，适用于较低铝硅比的铝土矿。 串联法用烧结法回收拜耳法赤泥中的Na2O和Al2O3，处理拜耳法不能经济利用三水铝石型的铝土矿，用较廉价的纯碱代替烧碱，Al2O3回收
14、率较高。 并联法是拜耳法与烧结法平行作业，烧结法占总生产能力的10-15，产生的NaOH补充拜耳法的NaOH的消耗。 混联法是前两种联合法的综合，烧结法除了处理拜耳法的赤泥以外，还处理部分低品位矿石。,37,原理是直流电通过以氧化铝为原料和冰晶石为溶剂的电解质，在950-970使电解质溶液中氧化铝分解为铝和氧。 阴极上析出的铝溶液汇集于电解槽底，阳极上析出CO2和CO气体。 2Al2O3+3C4Al+3CO2 铝液从电解槽中吸出，净化除去氢气、非金属和金属杂质并澄清后，铸成铝锭。,铝电解,重点发展采用大电流预焙阳极电解槽生产技术。,950970,直流电,38,铝电解,冰晶石氧化铝溶液具有离子结
15、构，其中，阳离子有Na+和少量Al3+,阴离子有AlF63-、AlF-和Al-O-F络合离子以及少量O2-和F-。在1000下，钠的析出电位比铝大约负250mV。由于阴极上离子的放电不存在很大的过电压，所以： 阴极反应是：Al3+（络合的）+3eAl 阳极反应是：6O2-（络合的）+3C+12e3CO2 铝电解过程的总反应是：2Al2O3+3C4Al+3CO2 冰晶石氧化铝溶液中，Al2O3的含量一般保持3%-5%，,39,铝电解流程,40,第四节 铝及铝合金的加工,铝合金丝,41,(1)块式铁模铸锭法是小型铝加工厂的主要生产方法，多采用对开水冷模，也有采用对开厚壁铁模。,铝及铝合金铸锭的生产
16、,(2)普通立式直接水冷半连续铸锭法广泛采用。热顶铸造技术可获得较好表面质量，分为普通热顶铸造、水平热顶铸造，气体加压热顶铸造和气滑热顶铸造。电磁铸造法的溶体不与结晶器接触，铸造表面质量高、晶粒细、成分均匀、组织致密，且铸造速度快。,42,(3)铝合金连续铸造法分为静模连续铸造法和动模连续铸造法，后者多与连轧机组成连轧机列。,铝及铝合金铸锭的生产,(4)连续铸造法的结晶器由两个冷却的旋转铸轧辊组成，在很短的铸轧区和2-3秒的时间，液态金属在辊缝间完成凝固和热轧两个过程。,43,铝及铝合金型材、棒材的品种、规格近4万种，规格、品种繁多，尺寸、表面品质要求严，批多量少，大部分用挤压法生产。,铝及铝
17、合金型材、棒材的生产,最广泛的方法是：正向挤压法和反向挤压法，还有连续挤压法、侧向挤压法、联合挤压法、静液挤压法，以及由正向挤压法发展起来的冷挤压法、宽展挤压法、润滑挤压法和异型挤压法等。,44,铝型材产品技术,采用模拟挤压和模具制造计算机辅助设计技术：大吨位挤压机，多根挤压以及大断面型材生产； 反向挤压、多位换模机构、固定挤压垫、预应力整体机架等新技术、新工艺和氟碳涂层等技术； 热处理采用气垫式连续热处理技术等。,45,壁厚535mm的厚壁管主要用热挤压法生产，大型挤压机生产的最大管壁厚可达65mm以上。壁厚0.55mm的薄壁管可用热挤压、冷轧制、冷拉伸及其它冷变形法制造。旋压法和焊管法可生
18、产壁厚0.1mm的管材。,铝及铝合金管材的生产,最广泛的是挤压配合其它冷加工的方法，用挤压法生产铝合金管材及管毛料，产品品质高、生产效率高和成本低。,46,铝板带箔产品技术,热轧开坯加多机架热连轧技术； 钢带式(或履带式)连铸连轧技术； 高速连铸轧技术：大宽幅、大型化、高速化、专业化和连续化的冷轧技术； 大宽幅、大卷重、高速度的箔轧技术。,47,铝板带箔产品技术,热轧设备采用计算机控制，带有CVC辊、DSR辊、VC辊等系统； 冷轧和箔轧设备采用液压压下、液压弯辊、轧辊分段冷却、X射线测厚、激光测速、EPL对中、CVC辊、DSR辊、TV辊、快速换辊、全油润滑和二氧化碳自动灭火等控制手段，实现厚度
19、和板型闭环自动控制(AGC和AFC)。,48,铝合金可在锻锤、机械压力机、液压机、顶锻机、扩孔机等各种锻造设备上锻造，可以自由锻、模锻、顶锻、滚锻和扩孔。,铝合金锻件的生产,尺寸小、形状简单、偏差要求不严格的铝合金锻件，在锻锤上锻造； 变形量大、要求剧烈变形的铝合金锻件，则采用水压机； 大型复杂的铝合金锻件，必须采用大型模锻水压机； 等温模锻、超塑性模锻、半固态模锻只能在液压机。,49,铝压铸产品技术,液压成形和金属注射成形技术：采用半热室、热室液压机取代油压机进行液压铸造生产：真空压铸工艺，生产可焊接、可热处理的零部件。,50,铝粉和铝镁合金粉在国防、航天、冶金、化工、建材等部门有广泛的应用
20、，需求不断增加。,铝粉和铝镁合金粉的生产,铝粉的制取方法有雾化法、气相金属凝固法、电沉积、球磨法等，其中雾化法是各国普遍采用的方法，英、法等采用冷风（空气）喷雾，美国采用热风（空气）喷雾，俄罗斯用可燃气体（天然气）喷雾，德国用200-250的过热蒸汽作雾化介质。 我国主要采取雾化法喷制铝粉、球磨法生产铝粉和铝镁合金粉。,51,致 谢,本课件的基本内容引用国内外学者的专著、教材、论文、课件、报告、网页等，仅列出小部分参考形式，其余并未逐一注释，向相关学者表示感谢。 特别感谢陈铮教授分享授课经验、参考资料和课件。 张静,52,Thanks for your attention !,谢 谢 大 家 ！,