专题 | 铝合金的发展前景及应用展望

2019-09-24 10:46:49 作者：本网整理来源：《腐蚀防护之友》分享至：

1 前言

经过对铝合金化学成分的组成与优化，铝合金型材的铸造工艺、热挤压加工工艺和人工时效工艺进行优化，形成了合理的工艺路线和工艺流程。在此工艺路线和工艺流程的指导下生产出的铝合金型材强度高、延伸率大，延展成型性能好，且具有良好的抗腐蚀性能，已突破普通铝合金建筑材料的应用范围的局限，除应用于铝合金建筑门窗、幕墙外，可用做高层建筑的阳台护栏、栅栏、交通护栏、指示牌、广告牌，以及交通运输设施，汽车、高速列车、航空航天、船舶、军工以及大型建筑结构等领域。

因其良好的耐腐蚀性能，不仅可以杜绝碳素钢，铸铁护栏因生锈而带来的反复维护的成本与烦恼，且表面多彩化，可与建筑群、建筑小区的人文环境效果匹配，大大丰富了建筑物的外立面，增强建筑的整体美感。目前，该项成果正在进一步向交通高速公路护栏、汽车等行业渗透推广。

2 铝合金的发展前景

2.1 铝合金在汽车领域应用前景广阔

铝合金的优良特性以及节能、环保、安全的三大汽车技术发展主题确定了铝在汽车行业应用的美好前景，特别是以宝马、奔驰、卡迪拉克等品牌为代表的高档轿车的引进，为铝合金的应用提供了新的市场。

在近期和不久的将来，汽车工业将加快对钢制产品的替代工作，并渴望在如下方面取得进展：1、全铝车身，包括美国福特、通用、日本本田、德国奥迪的概念车车身已经大量采用铝合金，与钢结构相比，重量减轻40％以上；2、底盘结构件及支架和悬挂类零部件；3、储气罐，后保险杠；4、新材料的开发，为铝合金应用领域的扩展提供了可能。如德国开发成功的泡沫铝材AFS（aluminumfoamsandwich）具有高的刚度／重量和强度／重量之比，能够有效吸收冲击能，具有防震防噪音、易于回收等特点，在车门立柱，保险杠，门侧防撞杆、前防撞梁、军车上的防爆板、轿车发动机零部件等方面拥有极强的应用前景；5、铝镁合金、铝钛合金在汽车车轮、电器件、内饰件等方面的应用也正在逐步扩大。

2.2 稀土锌铝合金镀层金属制品前景看好

如由马鞍山鼎泰金属制品（集团）公司研制开发的国产新一代稀土锌铝合金镀层钢丝、钢绞线，投放市场后，受到用户青睐。专家认为该产品潜在市场十分巨大，前景相当广阔。

稀土锌铝合金镀层钢丝、钢绞线、钢丝绳是新一代耐腐蚀金属制品，目前世界公认的、有产品标准可遵循的只有两种，一种是含铝55 ％、硅6 ％、锌43.4 ％，称为Galval － ume；另一种是含铝5 ％和微量稀土元素（0.03 ％～ 0.1 ％），称为Galfan。在80 年代末90 年代初，一些发达国家已经普遍采取热浸镀锌铝合金层，这一国际性钢铁制品镀覆技术，生产和开发稀土锌铝合金镀层金属制品，到1997 年全球年产量超过100 万吨。发达国家以该新产品替代镀锌钢丝及其制品的比例已达到70％以上；在日本已接近95％。至1998 年，全世界约有90 多家公司从国际铅锌研究组织（ILZRO）获得Galvalume 合金和应用Galfan 合金生产各类钢材和制品的许可。

我国是90 年代中期开始研制稀土锌铝合金镀层钢丝、钢绞线，并取得成功。国家计委组织有关部门对国产稀土锌铝镀层钢丝、钢绞线进行技术鉴定，其主要技术性能指标超过国际电工委员会IEC、美国ASTM 标准，成为迄今我国金属制品企业惟一通过国家“二委一办”鉴定的稀土合金镀层产品，并很快列入国家级重点新产品开发项目，在全国推广应用。

近年来我国电力产业的快速发展，拉动了稀土合金镀层钢丝、钢绞线的需求。在“十五”期间，我国电力建设投资总规模将达到6000 亿元，其中电源投资1800 亿元，一批大型水电站和大型坑口火电厂将陆续开工。“十五”期间，国家电力公司还将投资建540 万千瓦的装机容量。而这些用于电力架空线设计寿命在工业大气中为30 年，但普通镀锌架空线的使用寿命只有10 年，有的还不足10 年，因此需要用高耐腐蚀、高寿命的稀土合金镀层钢丝、钢绞线替代。所以说，这一新颖稀土锌铝合金镀层金属制品的市场前景越来越被看好。

国家计划委员会稀土办组织的该新产品的技术鉴定报告认为：开发高质量、高抗蚀性的稀土锌铝合金镀层钢丝产品，为国家基础产业提供优质配套服务，符合我国的产业技术经济政策，具有显著的经济效益和社会效益，同时具有一定的出口创汇能力。并在国家基本停止贷款新建项目的情况下，国家计委稀土办破例专项贷款3300 万元，以扩大新一代稀土合金镀层金属制品生产规模。

马鞍山鼎泰金属制品公司制定了“十五”发展规划，将投资1 亿元，扩大稀土多元合金镀层金属制品生产规模，在2005 年之前生产能力力争达到10 万吨，形成规模效应，满足国内市场的需求，进一步占有国际市场。

2.3 热交换器用复合铝合金材料

汽车热交换器用三层复合铝合金材料是制造水箱散热器，汽车空调冷凝器，蒸发器，中冷器等部件的关键材料，也是国际上自八十年代后发展起来的高性能铝合金材料。包括五个系列，16 种牌号。采用轧制复合工艺，在国内铝加工业属于首创。1999 年通过了国家攻关项目验收，2000 年申报了国家科技进步奖。国外汽车产量达1000 万辆左右的国家有美国，日本，德国，韩国等。世界汽车用三层复合铝合金箔材年需求量达100 万吨。我国年需1.2 万吨。目前尚无专业生产厂家。项目总投资4.5 亿人民币，年产热卷坯料4 万吨，三层符合箔带8000 吨，复合箔带1 万吨，其他箔材2000 吨，年销售收入15.4 亿元，毛利4.2 亿元。

二稀土铝合金

2.4 稀土是铝、镁、锌、铜等有色金属良好的净化剂和变质剂，一般只要加入千分之几，就能起到消除有害杂质影响，细化晶粒并产生合金化的作用，从而提高材料的加工和使用性能。

稀土铝合金是代替铜材制造电线电缆的理想材料。我国冶炼厂生产的铝锭，由于受自然资源的影响，含硅量较高，而硅又是影响导电性能的主要有害杂质，使我国以往生产的铝导线导电性能常常达不到国际电工委员会的标准，成为长期困扰我国铝导线行业的一大难题。

我国科学家们借助稀土的作用解决了这个难题，在世界上率先采用微量稀土处理铝液，使其与硅使用形成硅化物析出晶界，加上稀土的微合金化作用，克服了硅的有害影响，明显改善了导电性能，由于稀土还能细化晶粒强化基体，还提高了电线电缆的机械强度和加工性能，使我国生产的铝电线电缆不但导电性能略高于国际电工委员会标准，还比以前机械强度提高了20％，抗腐蚀性能提高了一倍，耐磨性能更是提高了约10倍，一举改变了我国铝电线电缆生产的落后状况，使产品达到了国际先进水平。

用普通铝制造的铝导线，生产过程中常出现断线，而采用高强度、高导电性的稀土铝合金拉制的铝导线，在生产和使用中断线率明显下降。在广东省沿海地区遭受的一次强台风袭击中，许多电线电缆遭到严重破坏，过后人们惊异地发现，凡采用稀土铝合金制造的电缆线均安然无恙。高导电高强度稀土铝电缆已用于50 万伏超高压输电线，还成功地用在长江大跨度输电线路上。由于提高了强度，用于一万伏输电线路，一般不用钢芯加强，节省了大量镀锌钢丝。

用稀土铝合金拉制的各种电线电缆，电能损耗小，经久耐用，已经成为国家级电网的规范性产品。目前，我国年产能力已超过40 万吨，形成了一个强大的稀土铝导线输电网，每年可为国家节电40 亿度，创造了可观的经济效益。

稀土在铸造铝合金中应用也取得同样良好的效果。在用量最多的铝硅系铸造合金中，加上千分之几的稀土，就能明显改善合金的机械加工性能，已有多种牌号的产品用于飞机、船舶、汽车、柴油机、摩托车和装甲车等方面的活塞、齿轮箱、汽缸和仪器仪表等器部件上。

稀土用于建筑铝材和民用铝制品上，可以提高材料的冲压性能、耐腐蚀性能、机械强度和表面光洁度，既能改善产品质量，又能提高成品率。稀土建筑铝型材经久耐用不变形，质感好。稀土铝合金用于高压锅和普通铝锅等制品方面，由于强度大和冲压性能好，可以减簿制品的壁厚，既节省材料又精巧耐用。

我国科学家们在研究开发稀土铝合金过程中，发明了在铝电解槽中直接电解制备稀土铝合金的新工艺，配合对掺法和铝热还原法可以生产出不同品质和用途的稀土铝合金。我国的稀土铝合金生产工艺和应用技术已达到国际先进水平。

2.5 稀土在铸造铝合金中的发展现状

稀土在铸造铝合金中的应用国外开展的较早，德国在二战期间就研制了四种稀土铝合金用于制造发动机、内燃机的复杂零件。我国在这方面的研究和应用始于20 世纪60 年代。虽然起步较晚，但发展较快，从机理研究到实际应用都做了大量的工作，并已经取得了一些成果。

2.5.1. 稀土在铝合金中的精炼作用

铝合金中添加适量稀土元素对精炼效果具有促进作用。稀土元素可以改善夹杂物形态，净化晶界。作者采用真空吸铸法研究了Al RE 中间合金对A356合金流动性的影响，实验结果证明合金熔体中加入适量的稀土元素，能够使固液相线温度差减少，减小合金的糊状凝固趋势，并且降低合金熔体表面张力，此外还有去气、除杂的精炼作用，这都会使熔体流动性提高，粘度降低，有利于夹杂物和气体的排除。　已研究开发出一种含有稀土化合物的铝合金新型熔剂，该熔剂通过发生一系列的物理和化学反应，不仅可使A356 合金熔体720℃时的含氢量由大于0.30ml ／ 100g（Al）下降到0.10 ml ／100g（Al）以下，除气效果显著，并使A356合金的室温抗拉强度提高7.27％，延伸率提高85.58％。但是，过量的稀土元素也会加剧富RE 相的聚集，成为夹杂物，从而降低合金熔体的流动性。

2.5.2. 稀土对铝合金的细化作用

有目的地抑制柱状晶和双柱状晶生长，促进细小等轴晶形成，这种工艺过程就叫作晶粒细化处理。由于晶粒得以细化，合金的性能得到提高，同时还使缩松、热裂、针孔等缺陷下降。细化处理的最基本方法是抑制形核，以及向熔体中添加晶粒细化剂的外来形核质点。

目前，添加细化剂的方法成为最有效、最实用的方法。铸造铝合金中常用的共有三种类型的晶粒细化剂：二元Al －Ti 合金、二元Al － B 合金和三元Al －Ti － B 合金。中间合金（晶粒细化剂）加入到铝合金熔体中发生溶解，释放出金属间化合物相，成为外来形核核心。

在铝合金中加入稀土，既可细化晶粒，也可明显细化枝晶组织（减小二次枝晶间距），其最佳效果对应于不同的稀土含量。但是，其细化效果弱于Ti、B 等元素。稀土加入的临界值与合金的熔炼、浇铸条件有密切关系。只有在一定的生产工艺条件下，一定量的稀土才会有最好的细化效果。　采用一般细化剂，随着铝液静置时间的延长，细化效果逐渐衰退；采用Al － 5Ti － 1B － 10RE 中间合金，稀土元素能阻止细化元素发生聚集、沉淀，对Ti、B 的细化作用有一定的促进作用，可有效抑制铝硅合金长时间静置过程中晶粒尺寸的衰退，适合于大批量生产汽车铝合金铸件。

2.5.3. 稀土对铝硅合金的变质作用

铸造Al － Si 合金中Si 相在自然生长条件下会长成块状或片状的脆性相，它严重割裂基体，降低合金的强度和塑性，因而需要将它改变成有利的形态。

变质处理使共晶Si 由粗大的片状变成细小纤维状或层片状，从而提高合金性能。

迄今已发现，碱金属中的K、Na，碱土金属中的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 等均具有变质作用。在Al －Si 合金中，添加铝稀土中间合金或稀土氯化物和氟化物，可使共晶Si 相由片条状变成球粒状。不同稀土的变质能力不同，大体上随着原子半径由大变小，变质能力由强变弱。　稀土变质剂具有很好的长效性和重熔稳定性，吸气倾向小，无污染、加入工艺简便、无腐蚀作用。研究结果表明，含La 为0.056％变质后的合金，重熔10 次，每次取样进行金相检验，发现最终仍有变质效果，La 的最终浓度仍有0.035％，仍处于最佳变质范围之内。

0.3 ％混合稀土变质合金，重熔5 次，发现最终仍有良好变质效果。　变质工艺直接影响着稀土的变质效果。对Al － Si 合金，获得稳定变质组织的关键是减少稀土的烧损，并防止稀土的偏聚，使稀土迅速均匀地扩散到铝液中。稀土变质有一潜伏期，即必须在高温下保持一定时间，稀土才能发挥最大变质作用。

2.6稀土在铸造铝合金面临的机遇和对策

我国稀土在铝合金中的应用经历过一个特殊的高速发展时期。1989 年，我国含稀土的铝及其制品的总量达到12万吨，约占铝产量的16％。但是，近年来稀土在铝合金中的应用发展速度明显放缓。在此形势下，要充分利用我国的稀土资源优势，以企业为主体，走产学研结合之路，进行稀土的深加工，实现稀土在铸造铝合金领域应用的可持续发展，提高进入WTO 以后的国际竞争力。

2.6.1. 加强应用基础研究，正确评价稀土的作用

尽管稀土元素本身的精炼、细化和变质能力并不是最强，但是辅以常规精炼剂、细化剂和变质剂进行复合熔体处理，可以获得更好的精炼、细化和变质效果，从而提高铸件性能。因此，应该开展以下基础研究工作：进一步深入研究稀土在铸造铝合金中的精炼、细化和变质机制；研究稀土元素与常用细化元素Ti 和B、稀土元素与常用变质元素Sr 和Na 在铸造铝合金中的变质作用；研究含稀土与其它细化元素和变质元素对铸造铝合金的复合细化和复合变质作用。　2.6.2. 研究优质铝合金稀土添加剂的制备工艺

由于对稀土元素的作用机制研究不足，目前含稀土的细化型和变质型中间合金质量差别大，加上现场生产工艺的复杂性，限制了稀土在铝合金铸造生产中的广泛应用。因此，要推动稀土在铸造铝合金中的应用，应该研究不同成分和组织特征的含稀土复合细化剂和复合变质剂对铸造铝合金的细化和变质效果，在此基础上研究含稀土细化剂、变质剂和精炼剂的制备工艺。

3 前景展望

铝合金是汽车上应用得最快和最广的轻金属，这主要是因为铝合金本身的性能已经达到重量轻、强度高、耐腐蚀的要求。早期铝合金仅用于变速器外壳、油泵、化油器等不受强烈冲击的部件。

现在，铝材中添加强化元素后，强度大大加强，并仍然具有质轻、散热性好等特性，这可以满足发动机活塞及气缸盖等较恶劣工作环境的要求。铝合金进一步拓展其应用范围后，随之而来的是进一步降低了整车重量，提高了整车的经济性。铝合金型材强度高、延伸率大，延展成型性能好，且具有良好的抗腐蚀性能，已突破普通铝合金建筑材料的应用范围的局限，除应用于铝合金建筑门窗、幕墙外，可用做高层建筑的阳台护栏、栅栏、交通护栏、指示牌、广告牌，以及交通运输设施，汽车、高速列车、航空航天、船舶、军工以及大型建筑结构等领域。因其良好的耐腐蚀性能，不仅可以杜绝碳素钢，铸铁护栏因生锈而带来的反复维护的成本与烦恼，且表面多彩化，可与建筑群、建筑小区的人文环境效果匹配，大大丰富了建筑物的外立面，增强建筑的整体美感。目前，该项成果正在进一步向交通高速公路护栏、汽车等更多更广的行业渗透推广。

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