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      1. 專題 | 鋁合金的發展前景及應用展望
        2019-09-24 10:46:49 作者:本網整理 來源:《腐蝕防護之友》 分享至:

         1 前言

        經過對鋁合金化學成分的組成與優化,鋁合金型材的鑄造工藝、熱擠壓加工工藝和人工時效工藝進行優化,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下生產出的鋁合金型材強度高、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用范圍的局限,除應用于鋁合金建筑門窗、幕墻外,可用做高層建筑的陽臺護欄、柵欄、交通護欄、指示牌、廣告牌,以及交通運輸設施,汽車、高速列車、航空航天、船舶、軍工以及大型建筑結構等領域。

        因其良好的耐腐蝕性能,不僅可以杜絕碳素鋼,鑄鐵護欄因生銹而帶來的反復維護的成本與煩惱,且表面多彩化,可與建筑群、建筑小區的人文環境效果匹配,大大豐富了建筑物的外立面,增強建筑的整體美感。目前,該項成果正在進一步向交通高速公路護欄、汽車等行業滲透推廣。

        2 鋁合金的發展前景
        2.1 鋁合金在汽車領域應用前景廣闊
        鋁合金的優良特性以及節能、環保、安全的三大汽車技術發展主題確定了鋁在汽車行業應用的美好前景,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,為鋁合金的應用提供了新的市場。

        在近期和不久的將來,汽車工業將加快對鋼制產品的替代工作,并渴望在如下方面取得進展: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大量采用鋁合金,與鋼結構相比,重量減輕40%以上;2、底盤結構件及支架和懸掛類零部件;3、儲氣罐,后保險杠;4、新材料的開發,為鋁合金應用領域的擴展提供了可能。如德國開發成功的泡沫鋁材AFS(aluminumfoamsandwich) 具有高的剛度/重量和強度/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,在車門立柱,保險杠,門側防撞桿、前防撞梁、軍車上的防爆板、轎車發動機零部件等方面擁有極強的應用前景;5、鋁鎂合金、鋁鈦合金在汽車車輪、電器件、內飾件等方面的應用也正在逐步擴大。

        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)公司研制開發的國產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。專家認為該產品潛在市場十分巨大,前景相當廣闊。

        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,目前世界公認的、有產品標準可遵循的只有兩種, 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,一些發達國家已經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,生產和開發稀土鋅鋁合金鍍層金屬制品,到1997 年全球年產量超過100 萬噸。發達國家以該新產品替代鍍鋅鋼絲及其制品的比例已達到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 合金和應用Galfan 合金生產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。國家計委組織有關部門對國產稀土鋅鋁鍍層鋼絲、鋼絞線進行技術鑒定,其主要技術性能指標超過國際電工委員會IEC、美國ASTM 標準,成為迄今我國金屬制品企業惟一通過國家“二委一辦”鑒定的稀土合金鍍層產品,并很快列入國家級重點新產品開發項目,在全國推廣應用。

        近年來我國電力產業的快速發展,拉動了稀土合金鍍層鋼絲、鋼絞線的需求。在“十五”期間,我國電力建設投資總規模將達到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開工。“十五”期間,國家電力公司還將投資建540 萬千瓦的裝機容量。而這些用于電力架空線設計壽命在工業大氣中為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。

        國家計劃委員會稀土辦組織的該新產品的技術鑒定報告認為:開發高質量、高抗蝕性的稀土鋅鋁合金鍍層鋼絲產品,為國家基礎產業提供優質配套服務,符合我國的產業技術經濟政策,具有顯著的經濟效益和社會效益,同時具有一定的出口創匯能力。并在國家基本停止貸款新建項目的情況下,國家計委稀土辦破例專項貸款3300 萬元,以擴大新一代稀土合金鍍層金屬制品生產規模。

        馬鞍山鼎泰金屬制品公司制定了“十五”發展規劃,將投資1 億元,擴大稀土多元合金鍍層金屬制品生產規模,在2005 年之前生產能力力爭達到10 萬噸,形成規模效應,滿足國內市場的需求,進一步占有國際市場。

        2.3 熱交換器用復合鋁合金材料
        汽車熱交換器用三層復合鋁合金材料是制造水箱散熱器,汽車空調冷凝器,蒸發器, 中冷器等部件的關鍵材料,也是國際上自八十年代后發展起來的高性能鋁合金材料。包括五個系列,16 種牌號。 采用軋制復合工藝,在國內鋁加工業屬于首創。1999 年通過了國家攻關項目驗收,2000 年申報了國家科技進步獎。 國外汽車產量達1000 萬輛左右的國家有美國,日本,德國,韓國等。 世界汽車用三層復合鋁合金箔材年需求量達100 萬噸。我國年需1.2 萬噸。目前尚無專業生產廠家。 項目總投資4.5 億人民幣, 年產熱卷坯料4 萬噸, 三層符合箔帶8000 噸,復合箔帶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劑,一般只要加入千分之幾,就能起到消除有害雜質影響,細化晶粒并產生合金化的作用,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,而硅又是影響導電性能的主要有害雜質,使我國以往生產的鋁導線導電性能常常達不到國際電工委員會的標準,成為長期困擾我國鋁導線行業的一大難題。

        我國科學家們借助稀土的作用解決了這個難題,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,明顯改善了導電性能,由于稀土還能細化晶粒強化基體,還提高了電線電纜的機械強度和加工性能,使我國生產的鋁電線電纜不但導電性能略高于國際電工委員會標準,還比以前機械強度提高了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的落后狀況,使產品達到了國際先進水平。

        用普通鋁制造的鋁導線,生產過程中常出現斷線,而采用高強度、高導電性的稀土鋁合金拉制的鋁導線,在生產和使用中斷線率明顯下降。在廣東省沿海地區遭受的一次強臺風襲擊中,許多電線電纜遭到嚴重破壞,過后人們驚異地發現,凡采用稀土鋁合金制造的電纜線均安然無恙。高導電高強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。由于提高了強度,用于一萬伏輸電線路,一般不用鋼芯加強,節省了大量鍍鋅鋼絲。

        用稀土鋁合金拉制的各種電線電纜,電能損耗小,經久耐用,已經成為國家級電網的規范性產品。目前,我國年產能力已超過40 萬噸,形成了一個強大的稀土鋁導線輸電網,每年可為國家節電40 億度,創造了可觀的經濟效益。

        稀土在鑄造鋁合金中應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械加工性能,已有多種牌號的產品用于飛機、船舶、汽車、柴油機、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、機械強度和表面光潔度,既能改善產品質量,又能提高成品率。稀土建筑鋁型材經久耐用不變形,質感好。稀土鋁合金用于高壓鍋和普通鋁鍋等制品方面,由于強度大和沖壓性能好,可以減簿制品的壁厚,既節省材料又精巧耐用。

        我國科學家們在研究開發稀土鋁合金過程中,發明了在鋁電解槽中直接電解制備稀土鋁合金的新工藝,配合對摻法和鋁熱還原法可以生產出不同品質和用途的稀土鋁合金。我國的稀土鋁合金生產工藝和應用技術已達到國際先進水平。

        2.5 稀土在鑄造鋁合金中的發展現狀
        稀土在鑄造鋁合金中的應用國外開展的較早,德國在二戰期間就研制了四種稀土鋁合金用于制造發動機、內燃機的復雜零件。我國在這方面的研究和應用始于20 世紀60 年代。雖然起步較晚,但發展較快,從機理研究到實際應用都做了大量的工作,并已經取得了一些成果。

        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精煉效果具有促進作用。稀土元素可以改善夾雜物形態,凈化晶界。作者采用真空吸鑄法研究了Al RE 中間合金對A356合金 流動性的影響,實驗結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,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,這都會使熔體流動性提高,粘度降低,有利于夾雜物和氣體的排除。 已研究開發出一種含有稀土化合物的鋁合金新型熔劑,該熔劑通過發生一系列的物理和化學反應,不僅可使A356 合金熔體720℃時的含氫量由大于0.30ml / 100g(Al) 下降到0.10 ml /100g(Al) 以下, 除氣效果顯著, 并使A356合金的室溫抗拉強度提高7.27%,延伸率提高85.58%。但是,過量的稀土元素也會加劇富RE 相的聚集,成為夾雜物,從而降低合金熔體的流動性。

        2.5.2. 稀土對鋁合金的細化作用
        有目的地抑制柱狀晶和雙柱狀晶生長,促進細小等軸晶形成,這種工藝過程就叫作晶粒細化處理。由于晶粒得以細化,合金的性能得到提高,同時還使縮松、熱裂、針孔等缺陷下降。細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化劑的外來形核質點。

        目前,添加細化劑的方法成為最有效、最實用的方法。鑄造鋁合金中常用的共有三種類型的晶粒細化劑:二元Al -Ti 合金、二元Al - B 合金和三元Al -Ti - B 合金。中間合金( 晶粒細化劑)加入到鋁合金熔體中發生溶解,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,既可細化晶粒,也可明顯細化枝晶組織( 減小二次枝晶間距),其最佳效果對應于不同的稀土含量。但是,其細化效果弱于Ti、B 等元素。稀土加入的臨界值與合金的 熔煉、澆鑄條件有密切關系。只有在一定的生產工藝條件下,一定量的稀土才會有最好的細化效果。 采用一般細化劑,隨著鋁液 靜置時間的延長,細化效果逐漸衰退;采用Al - 5Ti - 1B - 10RE 中間合金,稀土元素能阻止細化元素發生聚集、沉淀,對Ti、B 的細化作用有一定的促進作用,可有效抑制鋁硅合金長時間靜置過程中晶粒尺寸的衰退,適合于大批量生產汽車鋁合金鑄件。

        2.5.3. 稀土對鋁硅合金的變質作用
        鑄造Al - Si 合金中Si 相在自然生長條件下會長成塊狀或片狀的脆性相,它嚴重割裂基體,降低合金的強度和塑性,因而需要將它改變成有利的形態。

        變質處理使共晶Si 由粗大的片狀變成細小纖維狀或層片狀,從而提高合金性能。

        迄今已發現,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。不同稀土的變質能力不同,大體上隨著原子半徑由大變小,變質能力由強變弱。 稀土變質劑具有很好的長效性和重熔穩定性,吸氣傾向小,無污染、加入工藝簡便、無腐蝕作用。研究結果表明,含La 為0.056%變質后的合金,重熔10 次,每次取樣進行金相檢驗,發現最終仍有變質效果,La 的最終濃度仍有0.035%,仍處于最佳變質范圍之內。

        0.3 %混合稀土變質合金,重熔5 次,發現最終仍有良好變質效果。 變質工藝直接影響著稀土的變質效果。對Al - Si 合金,獲得穩定變質組織的關鍵是減少稀土的燒損,并防止稀土的偏聚,使稀土迅速均勻地擴散到鋁液中。稀土變質有一潛伏期,即必須在高溫下保持一定時間,稀土才能發揮最大變質作用。

        2.6稀土在鑄造鋁合金面臨的機遇和對策
        我國稀土在鋁合金中的應用經歷過一個特殊的高速發展時期。1989 年,我國含稀土的鋁及其制品的總量達到12萬噸,約占鋁產量的16%。但是,近年來稀土在鋁合金中的應用發展速度明顯放緩。在此形勢下,要充分利用我國的稀土資源優 勢,以企業為主體,走產學研結合之路,進行稀土的深加工,實現稀土在鑄造鋁合金領域應用的可持續發展,提高進入WTO 以后的國際競爭力。

        2.6.1. 加強應用基礎研究,正確評價稀土的作用
        盡管稀土元素本身的精煉、細化和變質能力并不是最強,但是輔以常規精煉劑、細化劑和變質劑進行復合熔體處理,可以獲得更好的精煉、細化和變質效果,從而提高鑄件性能。因此 ,應該開展以下基礎研究工作:進一步深入研究稀土在鑄造鋁合金中的精煉、細化和變質機 制;研究稀土元素與常用細化元素Ti 和B、稀土元素與常用變質元素Sr 和Na 在鑄造鋁合金中 的變質作用;研究含稀土與其它細化元素和變質元素對鑄造鋁合金的復合細化和復合變質作用。 2.6.2. 研究優質鋁合金稀土添加劑的制備工藝
        由于對稀土元素的作用機制研究不足,目前含稀土的細化型和變質型中間合金質量差別大,加上現場生產工藝的復雜性,限制了稀土在鋁合金鑄造生產中的廣泛應用。因此,要推動稀 土在鑄造鋁合金中的應用,應該研究不同成分和組織特征的含稀土復合細化劑和復合變質劑 對鑄造鋁合金的細化和變質效果,在此基礎上研究含稀土細化劑、變質劑和精煉劑的制備工藝。

        3 前景展望
        鋁合金是汽車上應用得最快和最廣的輕金屬,這主要是因為鋁合金本身的性能已經達到重量輕、強度高、耐腐蝕的要求。早期鋁合金僅用于變速器外殼、油泵、化油器等不受強烈沖擊的部件。

        現在,鋁材中添加強化元素后,強度大大加強,并仍然具有質輕、散熱性好等特性,這可以滿足發動機活塞及氣缸蓋等較惡劣工作環境的要求。鋁合金進一步拓展其應用范圍后,隨之而來的是進一步降低了整車重量,提高了整車的經濟性。鋁合金型材強度高、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用范圍的局限,除應用于鋁合金建筑門窗、幕墻外,可用做高層建筑的陽臺護欄、柵欄、交通護欄、指示牌、廣告牌,以及交通運輸設施,汽車、高速列車、航空航天、船舶、軍工以及大型建筑結構等領域。因其良好的耐腐蝕性能,不僅可以杜絕碳素鋼,鑄鐵護欄因生銹而帶來的反復維護的成本與煩惱,且表面多彩化,可與建筑群、建筑小區的人文環境效果匹配,大大豐富了建筑物的外立面,增強建筑的整體美感。目前,該項成果正在進一步向交通高速公路護欄、汽車等更多更廣的行業滲透推廣。

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