鋁合金

**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，還有美國材料試驗協會（American Society for Testing and Materials，**ASTM**）。

## 工程用途

### 概要

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。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裡。

### 彈性度

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，似乎有著巨大的吸引力。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。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。

### 熱敏度

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，沿著鋁自行車框架焊接逐漸變成趨勢。1970 年代黏著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 Aagena 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。

### 奈米化

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，在鋁裡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裡長出來的新構想，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 列印且成品有接近鍛造的性質，航太潛力巨大。

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。

 

### 家庭配線

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：

* 鋁巨大的熱膨脹係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（隨著溫度的上升），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"，現在則是印著 "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。

* 1000 系列至少含 99%（重量百分比）的鋁。
* 2000 系列銅合金，強度媲美鋼。以前稱為杜拉鋁，是常用的航太合金，但容易受到粒間腐蝕，逐漸被 7000 系列取代。
* 3000 系列錳合金，有加工硬化。
* 4000 系列矽合金，亦稱為矽鋁明。
* 5000 系列鎂合金，可解決加工硬化，強度較高。
* 6000 系列鎂矽合金，易於加工，可沉積硬化，得到的強度可媲美鋼鐵。
* 7000 系列鋅合金，可析出硬化，在所有鋁合金中有最高強度。
* 8000 系列混合。

### 鍛造用鋁合金元素含量

（重量百分比）

「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。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

* 杜拉鋁（硬鋁）（銅－鋁合金）
* 鎂諾克斯合金（鎂－鋁合金）
* 矽鋁明（鋁－矽合金）

## 用途概要

### 常用航天航空合金

這些鋁合金，被用在飛機及其他航空器結構有悠久的歷史。

* 7075 鋁合金
* 6061 鋁合金
* 6063 鋁合金
* 2024 鋁合金
* 5052 鋁合金

### 其他航太合金

這些都是目前生產的，但較少廣泛使用，應用在航太上的鋁合金。

* 2090 鋁合金
* 2124 鋁合金
* 2195 鋁合金（鋁鋰合金）－用於在飛機超輕量級外部燃料箱。
* 2219 鋁合金
* 2324 鋁合金
* 6013 鋁合金
* 7050 鋁合金
* 7055 鋁合金
* 7150 鋁合金
* 7475 鋁合金

### 航海合金

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。

* 5052 鋁合金
* 5083 鋁合金
* 5086 鋁合金
* 6061 鋁合金
* 6063 鋁合金

### 易拉罐合金

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

### 建築裝飾用合金

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