1第四章

鋁合金2本節(jié)框架新型鋁合金工業(yè)鋁合金鑄造與變形發(fā)展史科普鋁的常識學(xué)科常識理論基礎(chǔ)合金化熱處理應(yīng)用未來產(chǎn)品新工藝新材料基礎(chǔ)材料加工技術(shù)資源特性鋁化物冶煉時效理論3第一節(jié)發(fā)展41886年美國C.M.Hall和法國P.L.Heroult同時分別用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法制取金屬鋁。1888年在美國匹茲堡建立第一家電解鋁廠，1956年世界鋁產(chǎn)量超過銅，居有色金屬的首位。鋁合金的發(fā)展史1746年德國人J.H.Pott由膽礬制得氧化鋁。1825年丹麥人H.C.Oersted用鉀汞還原無水氯化鋁，得到幾毫克金屬鋁。1854年法國S.C.Deville用鈉還原NaAlCl4絡(luò)合鹽，制得金屬鋁。6我國的鋁加工行業(yè)的發(fā)展歷程1932年加拿大鋁業(yè)公司、美國鋁業(yè)公司投資100萬美元，利用瑞士鋁箔廠二手設(shè)備在上海創(chuàng)辦的華鋁鋼精廠，300名職工，生產(chǎn)香煙包裝鋁箔和窄的鋁板、帶材。東北輕合金加工廠成立，2.6萬噸的生產(chǎn)能力。1965年擴建。1965年建了西北鋁加工廠和西南鋁加工廠，70年代又建成了一批中小型鋁加工廠。1952年1965年后7我國的鋁加工行業(yè)的發(fā)展歷程鋁加工企業(yè)152家，年生產(chǎn)能力30萬噸，實際產(chǎn)量24萬噸。鋁加工企業(yè)392家，年生產(chǎn)能力114.8萬噸，實際產(chǎn)量49.5萬噸。鋁加工企業(yè)1069家，年產(chǎn)能約350萬噸。鋁加工廠1260余家，年總產(chǎn)能約570萬噸，其中板帶材產(chǎn)能220萬噸，鋁箔產(chǎn)能22萬噸，型材產(chǎn)能280萬噸。1980年1990年1995年2001年底82001，鋁型材凈出口國2002、03出口量增加50%，進口量下降15%我國大型鋁企發(fā)展迅速，產(chǎn)量大幅提高西南鋁18.7萬噸、遼寧鋁業(yè)10.35萬噸、河南明泰5.01萬噸、廣東興發(fā)4.87萬噸、臺山金橋4.16萬噸9《當前國家重點鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品和技術(shù)目錄》與鋁相關(guān)的項目：氧化鋁生產(chǎn)及新工藝開發(fā)；有色金屬濕法冶煉；

280KA以上預(yù)培槽電解鋁技術(shù)開發(fā)；

鋁及鋁合金快速鑄軋技術(shù)開發(fā)與設(shè)備制造；有色金屬復(fù)合材料、新型合金材料制造；新型剎車材料制造；地鐵用高性能金屬材料制造。10鋁加工業(yè)的關(guān)聯(lián)行業(yè)鋁土礦氧化鋁電解再生電力行業(yè)鋁加工鋁電聯(lián)營電力電工建筑行業(yè)交通運輸包裝工業(yè)耐用消費品航空航天上游行業(yè)下游行業(yè)11第二節(jié)

特性和鋁化物12鋁是生命必須元素，密度小，儲量豐富,面心立方結(jié)構(gòu)，化學(xué)性質(zhì)活潑，代表性氧化物為兩性。多數(shù)環(huán)境顯優(yōu)良的抗腐蝕性，表面具有強的反射輻射能、可見光、電磁波的能力，優(yōu)良的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，弱順磁性，不能自燃，無毒性，加工性好，熱中子俘獲截面很小。缺點：力學(xué)性能不足，不適合大載荷構(gòu)件。鋁合金的特性13生命科學(xué)人體中，每70公斤體重大約含6l毫克鋁。多倫多大學(xué)的D．R·克拉普爾等研究發(fā)現(xiàn)在衰老癥患者腦部神經(jīng)元的細胞核中鋁含量為健康人的四倍。給動物中毒劑量的鋁時，動物出現(xiàn)衰老癥。痕量金屬鋁可能是引起衰老癥的一個原因。14鋁的物理性質(zhì)元素名稱元素符號核電荷數(shù)原子結(jié)構(gòu)示意圖顏色和狀態(tài)硬度密度g.Cm-3熔點0C沸點0C

晶格常數(shù)原子量Al13銀白色固體較軟2.70660.42467鋁26.980.404915物理性質(zhì)用途銀白色，有金屬光澤質(zhì)地較軟，延展性好密度小易加工成各種形狀，包裝、裝飾工藝，鋁箔、鋁絲、銀粉涂料導(dǎo)熱性能好鋁鍋、鋁壺等加熱器具導(dǎo)電性能較好鋁芯電線、電纜鋁的物理性質(zhì)和用途16鋁的力學(xué)性能17鋁是電負性金屬、與氧的親和力很大，可作為鋼的脫氧劑等。在空氣中生成厚度0.005-0.02μm的致密堅硬的氧化膜Al2O3，其摩爾體積約是鋁的30倍，常壓下破壞后立即形成。在PH值4.0-9.0的水溶液中，強氧化性介質(zhì)、弱酸中、此保護膜穩(wěn)定，從而，鋁具有良好的抗腐蝕性。鋁與大多數(shù)稀酸反應(yīng)而迅速溶解。鋁的標準電極電位勢（523K）-1.662V，電化學(xué)當量0.3356g/（A·h），與低碳鋼接觸時發(fā)生犧牲性腐蝕。鋁的化學(xué)性質(zhì)181、與非金屬反應(yīng)的比較（O2、S、鹵素）4Al+3O2====2Al2O3點燃2、與酸反應(yīng)的比較與氧氣反應(yīng)與鹽酸反應(yīng)2Al+6H+=2Al3++3H2

（常溫下與濃硫酸濃硝酸發(fā)生純化）化學(xué)性質(zhì)193、鋁與堿反應(yīng)4、與某些氧化物反應(yīng)——鋁熱反應(yīng)2Al+Fe2O3======2Fe+Al2O3高溫2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2(還原劑)(氧化劑)化學(xué)性質(zhì)20三、鋁的重要化合物1、氧化鋁（Al2O3）白色難熔的物質(zhì)，兩性氧化物Al2O3+6HCl=2AlCl3+3H2OAl2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O212、氫氧化鋁Al(OH)3白色不溶于水的膠狀物質(zhì)，兩性氫氧化物Al2(SO4)3+6NH3H2O=2Al(OH)3

+3(NH4)2SO42Al(OH)3=Al2O3+3H2OAl(OH)3+3HCl=AlCl3+3H2OAl(OH)3+NaOH=NaAlO2+2H2O223、硫酸鋁鉀[KAl(SO4)2]KAl(SO4)2

12H20俗名明礬KAl(SO4)2=K++Al3++2SO42-23“超級原子”Al13

美國弗吉尼亞共體大學(xué)物理學(xué)教授施夫·漢納等人在《科學(xué)》報告，發(fā)現(xiàn)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(zhì)奇特

科學(xué)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(xué)性質(zhì)，施夫·漢納等人的工作是一個新突破。

在實驗室中將金屬鋁制成蒸氣，形成一些由多個鋁原子組成的極其微小的球，發(fā)現(xiàn)由13個鋁原子組成的小球最穩(wěn)定。然后，用質(zhì)譜儀從鋁蒸氣中過濾出AL13“超級原子”，讓它們與呈鏈形的碘分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

25“超級原子”Al13性質(zhì)奇特發(fā)現(xiàn)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“懸掛”在AL13“超級原子”上，產(chǎn)生了一種新的碘鋁化合物，在該碘鋁化合物中AL13“超級原子”顯示了類似碘原子的性質(zhì)。26現(xiàn)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(fā)現(xiàn)勢必導(dǎo)致元素周期表進一步擴大。

AL13“超級原子”與碘形成的化合物，既有金屬（鋁）的性質(zhì)，也有非金屬（碘）的性質(zhì)。

可以根據(jù)擴大的周期表“按圖索驥”，尋找特定的新物質(zhì)。

返回“超級原子”Al13性質(zhì)奇特27施夫·漢納教授說，“使用AL13來代替碘，可以研制出導(dǎo)電性能更好的導(dǎo)體，還能產(chǎn)生不氧化的鋁的顆粒，用做固體火箭發(fā)動機燃料，解決現(xiàn)在使用鋁做燃料的固體火箭發(fā)動機因為鋁燃燒而出現(xiàn)的難題。”這一發(fā)現(xiàn)將在宇宙飛行中獲得很大應(yīng)用。

德國卡爾斯魯厄大學(xué)化學(xué)家施諾克爾認為，AL13的研究結(jié)果還是純理論的，沒有現(xiàn)實的應(yīng)用價值，AL13還不算很穩(wěn)定，制成長期穩(wěn)定的具有新化學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)，還是“未來之事”。

返回“超級原子”Al13性質(zhì)奇特28第三節(jié)

資源與冶煉

29我國的鋁土礦資源在世界上屬于比較豐富的國家之一，主要集中在儲量豐富的河南、貴州、山西、青海等省區(qū)。30氧49.13%硅26%鋁7.45%鐵鈣鈉鉀鎂14.55%31在地殼中鋁含量僅次于氧和硅，是儲量最多的金屬，在地殼中的豐度為8.2g/kg-。自然界中的含鋁礦物約250種，以鋁硅酸鹽及其風化物最常見。鋁的礦物資源鋁土礦是主要的煉鋁原料，常含鎵，也是提煉鎵的主要來源。主要成份為氧化鋁水化合物，按礦物形態(tài)分為剛玉Al2O3、三水鋁石型Al2O3?3H2O、一水軟鋁石型Al2O3?H2O、一水硬鋁石型Al2O3?H2O、高嶺石Al2O3?2SiO2?H2O、紅柱石Al2O3?SiO2。全世界已探明的鋁土礦的工業(yè)儲量約為25Gt，遠景儲量35Gt。32我國的鋁土礦資源的基本特點地理分布山西、河南、貴州和廣西儲量占全國儲量88%，又有豐富的煤炭或水利資源。沉積型儲量占92%；適于坑采的占45%；完全露采的占24%；露采與坑采結(jié)合的占30%?？硬沙杀据^高，達到1億噸的礦床很少。一水硬鋁石儲量占98%；鋁硅值7的占33%；4-7之間的占60%；小于4的占7.42%；全國平均值為5.5。礦床類型礦石類型33(1)拜耳法拜耳法適用于鋁硅比高的鋁土礦，流程簡單、投資省和能耗低。原理是用苛性堿（NaOH）溶液溶出鋁土礦中的氧化鋁，得到鋁酸鈉溶液。溶液與赤泥分離，凈化后降低溫度，加入氫氧化鋁作晶種，經(jīng)長時間的攪拌，析出氫氧化鋁，洗滌并在高溫煅燒成氧化鋁成品。鋁的冶煉34拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的基本流程35鋁的冶煉(2)堿石灰燒結(jié)法處理鋁硅比低的鋁土礦。鋁土礦、碳酸鈉和石灰石按比例混合配料，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燒結(jié)成由鋁酸鈉（Na2·Al2O3）、鐵酸鈉（Na2O·Fe2O3）、原硅酸鈉（2Ca2O·SiO2）、鈦酸鈣（CaO·TiO2）組成的熟料。用稀堿溶液溶出熟料中的鋁硅酸鈉，經(jīng)過專門的脫硅過程，使溶液提純。把CO2氣體通入精制鋁酸鈉溶液，加入晶種攪拌，得到氫氧化鈉沉淀物，經(jīng)煅燒為氧化鋁成品。36鋁的冶煉(3)拜耳－燒結(jié)聯(lián)合法，以拜耳法為主，輔助燒結(jié)法，適用于較低鋁硅比的鋁土礦。①串聯(lián)法用燒結(jié)法回收拜耳法赤泥中的Na2O和Al2O3，處理拜耳法不能經(jīng)濟利用三水鋁石型的鋁土礦，用較廉價的純堿代替燒堿，Al2O3回收率較高。②并聯(lián)法是拜耳法與燒結(jié)法平行作業(yè)，燒結(jié)法占總生產(chǎn)能力的10-15％，產(chǎn)生的NaOH補充拜耳法的NaOH的消耗。③混聯(lián)法是前兩種聯(lián)合法的綜合，燒結(jié)法除了處理拜耳法的赤泥以外，還處理部分低品位礦石。37原理是直流電通過以氧化鋁為原料和冰晶石為溶劑的電解質(zhì)，在950-970℃使電解質(zhì)溶液中氧化鋁分解為鋁和氧。陰極上析出的鋁溶液匯集于電解槽底，陽極上析出CO2和CO氣體。2Al2O3+3C————→4Al+3CO2鋁液從電解槽中吸出，凈化除去氫氣、非金屬和金屬雜質(zhì)并澄清后，鑄成鋁錠。鋁電解重點發(fā)展采用大電流預(yù)焙陽極電解槽生產(chǎn)技術(shù)。

950~970℃直流電38鋁電解冰晶石——氧化鋁溶液具有離子結(jié)構(gòu)，其中，陽離子有Na+和少量Al3+,陰離子有AlF63-、AlF-和Al-O-F絡(luò)合離子以及少量O2-和F-。在1000℃下，鈉的析出電位比鋁大約負250mV。由于陰極上離子的放電不存在很大的過電壓，所以：陰極反應(yīng)是：Al3+（絡(luò)合的）+3e→Al陽極反應(yīng)是：6O2-（絡(luò)合的）+3C+12e→3CO2鋁電解過程的總反應(yīng)是：2Al2O3+3C→4Al+3CO2冰晶石—氧化鋁溶液中，Al2O3的含量一般保持3%-5%，39鋁電解流程40第四節(jié)

鋁及鋁合金的加工鋁合金絲41(1)塊式鐵模鑄錠法是小型鋁加工廠的主要生產(chǎn)方法，多采用對開水冷模，也有采用對開厚壁鐵模。鋁及鋁合金鑄錠的生產(chǎn)(2)普通立式直接水冷半連續(xù)鑄錠法廣泛采用。熱頂鑄造技術(shù)可獲得較好表面質(zhì)量，分為普通熱頂鑄造、水平熱頂鑄造，氣體加壓熱頂鑄造和氣滑熱頂鑄造。電磁鑄造法的溶體不與結(jié)晶器接觸，鑄造表面質(zhì)量高、晶粒細、成分均勻、組織致密，且鑄造速度快。42

(3)鋁合金連續(xù)鑄造法分為靜模連續(xù)鑄造法和動模連續(xù)鑄造法，后者多與連軋機組成連軋機列。鋁及鋁合金鑄錠的生產(chǎn)

(4)連續(xù)鑄造法的結(jié)晶器由兩個冷卻的旋轉(zhuǎn)鑄軋輥組成，在很短的鑄軋區(qū)和2-3秒的時間，液態(tài)金屬在輥縫間完成凝固和熱軋兩個過程。43鋁及鋁合金型材、棒材的品種、規(guī)格近4萬種，規(guī)格、品種繁多，尺寸、表面品質(zhì)要求嚴，批多量少，大部分用擠壓法生產(chǎn)。鋁及鋁合金型材、棒材的生產(chǎn)最廣泛的方法是：正向擠壓法和反向擠壓法，還有連續(xù)擠壓法、側(cè)向擠壓法、聯(lián)合擠壓法、靜液擠壓法，以及由正向擠壓法發(fā)展起來的冷擠壓法、寬展擠壓法、潤滑擠壓法和異型擠壓法等。44鋁型材產(chǎn)品技術(shù)采用模擬擠壓和模具制造計算機輔助設(shè)計技術(shù)：大噸位擠壓機，多根擠壓以及大斷面型材生產(chǎn)；反向擠壓、多位換模機構(gòu)、固定擠壓墊、預(yù)應(yīng)力整體機架等新技術(shù)、新工藝和氟碳涂層等技術(shù)；熱處理采用氣墊式連續(xù)熱處理技術(shù)等。45壁厚5－35mm的厚壁管主要用熱擠壓法生產(chǎn)，大型擠壓機生產(chǎn)的最大管壁厚可達65mm以上。壁厚0.5－5mm的薄壁管可用熱擠壓、冷軋制、冷拉伸及其它冷變形法制造。旋壓法和焊管法可生產(chǎn)壁厚0.1mm的管材。鋁及鋁合金管材的生產(chǎn)最廣泛的是擠壓配合其它冷加工的方法，用擠壓法生產(chǎn)鋁合金管材及管毛料，產(chǎn)品品質(zhì)高、生產(chǎn)效率高和成本低。46鋁板帶箔產(chǎn)品技術(shù)熱軋開坯加多機架熱連軋技術(shù)；鋼帶式(或履帶式)連鑄連軋技術(shù)；高速連鑄軋技術(shù)：大寬幅、大型化、高速化、專業(yè)化和連續(xù)化的冷軋技術(shù)；大寬幅、大卷重、高速度的箔軋技術(shù)。47鋁板帶箔產(chǎn)品技術(shù)熱軋設(shè)備采用計算機控制，帶有CVC輥、DSR輥、VC輥等系統(tǒng)；冷軋和箔軋設(shè)備采用液壓壓下、液壓彎輥、軋輥分段冷卻、X射線測厚、激光測速、EPL對中、CVC輥、DSR輥、TV輥、快速換輥、全油潤滑和二氧化碳自動滅火等控制手段，實現(xiàn)厚度和板型閉環(huán)自動控制(AGC和AFC)。48鋁合金