鋁合金材料及其在家電領域的應用探討

鋁及鋁合金材料簡介

       鋁是地殼中分布最廣、儲量最多的金屬元素，約占地殼總質量的7.3~8.3%，僅次于氧和硅；鋁于19世紀初被發現，20世紀初開始具有生產規模；20世紀初發明了硬鋁合金，一戰期間大量應用于軍事工業。

       鋁合金：以鋁為基添加一定量其他合金化元素的合金，是輕金屬材料之一。

鋁合金VS鋼鐵

       鋁合金具有低密度、中等強度、較高的比強度、比剛度；優良的耐腐蝕性；較高的導熱率、電導率；中等延伸率，塑性加工需嚴格控制工藝參數；焊接難度略高。

鋁及鋁合金的分類（按加工方法）

       鑄造鋁合金：利用鋁合金熔體良好的流動性和可填充性，在一定溫度、速度和外力條件下澆鑄到各種模型中獲得的具有所需形狀與組織性能的鋁合金。

       變形鋁合金：以合金配料熔鑄的鋁錠為坯料，以各種壓力加工方法（軋制、擠壓、拉伸、鍛造等）制成的板材、管材、棒材、線材、型材等各種半成品鋁合金。

鑄造鋁合金和變形鋁合金

       鑄造鋁合金與變形鋁合金的主要差別：鑄造鋁合金中合金化元素硅的含量超過多數變形鋁合金中的硅含量；變形鋁合金組織致密，成分性能均勻，強度高，塑性好；鑄造鋁合金鑄造工藝性好，受零件結構設計限制小，生產效率高；鑄造鋁合金具有良好的鑄造性能，可以制成形狀復雜的零件；不需要龐大的附加設備；具有節約金屬、降低成本、減少工時等優點，在航空工業和民用工業得到廣泛應用。還用于制造汽車的氣缸蓋、變速箱和活塞，儀器儀表的殼體和增壓器泵體等零件。

       變形鋁合金在航空、航天產品用料中占主要地位，如飛機蒙皮、主梁、框架、析條、翼肋、起落架零件、導管、鉚釘等，還廣泛用于造船、汽車及建筑工業。

鑄造鋁合金牌號表示方法（GB/T 8063-2017）

      目前，鑄造鋁合金在國際上無統一標準，各國（公司）都有自己的合金命名及術語。我國標準規定：鑄造有色金屬牌號由“Z”和基體金屬的元素符號、主要合金元素符號以及表明合金元素名義含量的數字組成；當合金元素多于2個時，合金牌號中應列出足以表明合金主要特性的元素符號及其名義含量的數字；合金元素符號按其名義含量遞減的次序排列；除基體元素的名義含量不標注外，其他合金元素的名義含量均標注于該元素符號之后。

鑄造鋁合金代號

變形鋁及鋁合金牌號表示方法（GB/T 16474-2011）

      變形鋁及鋁合金牌號采用四位字符體系牌號命名方法：第一、三、四位為阿拉伯數字，第二位為英文大寫字母；第一位數字表示鋁及鋁合金的組別；第二位數字或字母表示原始純鋁或鋁合金的改型情況；最后兩位數字標識同一組中不同的鋁合金或鋁的純度；國際四位數字體系牌號可直接引用。例如：7A04，7075。

變形鋁及鋁合金的組別

變形鋁及鋁合金狀態代號（GB/T16475-2008）

      變形鋁及鋁合金基礎狀態代號：F（自由加工狀態）、O（退火狀態）、H（加工硬化狀態）、W（固溶熱處理狀態）、T（熱處理狀態）。

鋁合金材料的性能與狀態直接相關

變形鋁及鋁合金牌號

      我國鋁合金曾用牌號：LG1、LD10；按合金性能和用途分：工業純鋁（L）、工業高純鋁（LG）、包覆鋁（LB）、防銹鋁（LF）、硬鋁（LY）、超硬鋁（LC）、鍛鋁（LD）、特殊鋁（LT）等；一般能夠與四位字符體系牌號對應，GB/T 3190-2008可查。

我國鋁合金材料發展現狀

      我國是鋁合金材料生產和消費大國；鋁合金材料在交通、海洋、空天等領域具有廣泛應用，尤其在汽車、飛機、航天、艦船等領域的一些輕量化關鍵部件上，鋁合金材料具有不可替代性；我國是世界上鋁材產量較大、生產裝備規模較大的國 家；目前國內絕大部分鋁合金材料屬于中低端產品，部分產品仍需從國外高價購買后處理水平落后，產品穩定性較差。

我國鋁合金材料發展目標

      2019年中國工程院《基礎材料發展戰略研究報告（有色金屬類）》。中國有色金屬協會結合我國實際情況與我國鋁合金領域所遇瓶頸，提出以下中期發展目標：到2030年，高性能鋁合金材料達到國際水平，部分達到國際良好水平，材料綜合力學和工藝性能滿足現代制造業指標要求；到2035年，鋁合金材料達到國際良好水平，實現絕大部分鋁合金材料的自給和輸出，實現全球鋁合金產業的發展。

我國鋁合金材料新進展

       下游應用領域對大規格、高性能鋁合金材料有迫切需求；顯微組織細致化；通過添加鋰或稀土元素等；通過后加工技術：多次精軋、大變形等；鋁基復合材料；粉末冶金鋁合金；噴射成形、觸凝成形、觸變成形。

9系高性能粉末冶金鋁合金

       中科院長春應化所歷時20余年的研發成果；青島中科應化技術研究院孵化項目；世界上實現產業化的粉末冶金鋁合金項目；采用機械合金化+半固態成型/粉末冶金生產技術，制備系列高強（9S）、高耐蝕（9C）、耐高溫服役（9H）、低膨脹高耐磨（9E）的特種鋁合金；填補了我國鋁合金的空白，可代替進口7075、5083、CZ42和4032鋁合金。

材料性能

       粉末冶金方法制備的特種鋁合金材料，強度高，性能穩定，指標顯著優于產業化生產的傳統鋁合金；材料在三維方向上力學性能指標基本相同。

成型方法

       優良的燒結工藝，不需時效處理即可達到良好性能，工藝簡單。

焊接性能

       9系鋁合金材料的顯微增強機制，摩擦焊焊接處強度下降不明顯。

鋁合金在家電領域的應用探討

鋁合金在家電領域的應用探討——板材

       鋁板耐腐蝕性能優于鋼板；普通陽極氧化可提高美觀性；硬質陽極氧化/微弧氧化可提高耐磨性、安全性；可用于面板、結構板、抽屜等；耐污、耐日曬、不易刮擦。

       可能的技術難點：大尺寸板材表面處理的均勻度。

鋁合金在家電領域的應用探討——型材、管材

       鋁合金型材可替代鋼鐵，用于家電結構支撐材料；薄壁細管可用于空調/冰箱換熱管，替代銅管；9C1*系列鋁合金，99%以上成分為鋁；抗拉強度達到300MPa以上，導熱系數210W/m?K±；耐腐蝕，制冷劑流動性好。

鋁合金在家電領域的應用探討——零配件

       替代合金銅，生產冰箱/空調接續納子、直接等；ρ(9S)=2.80，ρ(9C)=2.70，ρ(H62)=8.93，ρ(T2、T3)=7.83；替代鋼鐵，生產螺栓、螺母；防止殼體電化學腐蝕；提高電器綜合使用性能。

鋁合金在家電領域的應用探討——熱水器內膽

       目前采用鋼板折彎+焊接+搪瓷化工藝，焊縫不平整，易腐蝕、漏液，影響使用壽命。

       建議：換為鋁合金內膽。

       方案一：擠壓管材+攪拌摩擦焊+微弧氧化，方案二：鋁板折彎+攪拌摩擦焊+微弧氧化。

       攪拌摩擦焊焊縫平整，可靠性好；微弧氧化后內膽表面為氧化鋁陶瓷層，安全無毒。

鋁合金在家電領域的應用探討——渦旋盤

       新能源汽車空調廣泛使用渦旋壓縮機，體積小、工作效率高；鋁合金渦旋盤重量輕、振動小、噪聲低；國外某品牌家用空調采用渦旋壓縮機鋁合金動盤能效比達到3.6。

傳統方法

      低壓鑄造；液態模鍛；熱模鍛；背壓成型；4032鋁合金；室溫抗拉強度360MPa，硬度110HB。

新材料與新工藝

      粉末精密模鍛成型技術；鍛件產品尺寸與成品零件接近；可實現少切削或無切削；鍛件強度及耐高溫性好。9E系列鋁合金：室溫抗拉強度450MPa，硬度135HB；350℃抗拉強度180MPa；最高耐熱溫度可達450℃。

鋁合金在家電領域的應用探討——滾筒洗衣機內桶

      目前滾筒洗衣機內桶多為不銹鋼材質；用高強耐蝕鋁合金替代不銹鋼；可減重50%以上；理論上可提效降噪。

洗衣機空載功率