铝合金成形技术与表面处理工艺

中国是产铝大国，也是消费铝合金的大国，铝合金产量仅次于钢铁。铝应用非常广泛，在航空航天、电力、船舶、电子等领域发挥着不可替代的作用。本书详细介绍了铝的电解、熔炼、再生，铝合金的挤压、锻造、焊接等成形工艺以及热处理、表面阳极化、化学镀等表面处理工艺，同时简要介绍了其在各个领域的应用。
本书适宜铝合金加工领域的技术人员阅读，也可供机械、汽车、船舶、电子等相关行业人员参考。

曲立杰，女，1978年生，工学博士，武夷学院教师。目前从事土木工程相关的教学与科研工作。主持并参与国家自然科学基金、省自然科学基金、省教育厅等项目4项，发表论文10余篇。获省自然科学三等奖、省高校技术发明二等奖、市科学技术进步二等奖和校级自然科学一等奖各1项。授权发明专利4项。参编十二五普通高等教育本科规划教材1部，出版专著1部。

铝合金是用量极大的有色金属材料，在关系国计民生的多个领域发挥着重要的作用。我国是世界产铝大国，也是用铝大国，我国电解铝产量和消费量都超过全球的50% 。铝合金的成形处理和表面处理工艺成为专业技术人员和相关专业人士必须掌握或者了解的知识。

铝是有色金属中产量最高、应用最广的金属材料，用途十分广泛，是最经济实用的材料之一。在金属结构材料中，它的产量仅次于钢铁。我国铝土矿资源丰富，《中国矿产资源2020》显示，2018年和2019年我国铝矿产资源分别新增1.2亿吨和2.8亿吨，2019年电解铝的产量为3504.4万吨，2020年铝材产能4210万吨，其中铝挤压材总产能2138万吨，铝型材产能2082万吨，经表面处理的铝挤压材产量为1575万吨。同时我国是铝消耗大国，铝消耗量占全球近50%。
铝重量轻、耐腐蚀，可制成各种铝合金，如硬铝、超硬铝、防锈铝、铸铝等。这些铝合金广泛应用于飞机、汽车、火车、船舶等制造工业。此外，火箭、航天飞机、人造卫星也大量使用铝合金。铝合金的开发与应用对于国家实现“两碳”目标具有重要意义。铝的导电性仅次于银、铜和金，虽然它的电导率是铜的2/3，但其密度只有铜的1/3，所以输送同量的电，所需铝线的质量只有铜线的一半。铝表面的氧化膜不仅有耐腐蚀的能力，而且有一定的绝缘性，所以铝在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业中有广泛的用途。铝是热的良导体，它的导热能力比铁大3倍，工业上可用铝制造各种热交换器、散热材料和炊具等。铝有较好的延展性（它的延展性仅次于金和银），在100~150℃时可制成薄于0.01mm的铝箔。同时，铝合金表面处理方式丰富，全国拥有铝合金表面处理生产线1200多条。再生铝产量越来越大，铝合金材料正朝着高性能、低成本化、绿色回收方向发展。
本书共分七章。第1章主要介绍铝的特点、铝合金的分类及铝合金加工产业化。第2章主要介绍铝合金的液态成形方法，包括电解铝、铝合金的熔炼与铸造。第3章主要介绍铝合金的固态成形方法，包括铝合金的挤压成形、轧制成形、锻造成形、板料成形及焊接等。第4章主要介绍铝合金的热处理方法，包括铝合金热处理分类、热处理工艺及装备等。第5章主要介绍铝合金的表面处理，包括铝合金的表面预处理、化学转化处理、阳极氧化、微弧氧化和化学镀等。第6章主要介绍铝合金在各个领域中的应用。第7章主要介绍再生铝资源及铝生产环境保护等。
本书的编写得到福建省一流本科专业建设（编号：SJZY2020004）、福建省本科高校教育教学重大改革研究项目（编号：FBJG 20200116）、福建省一流本科课程（项目编号：SJYLKC）、武夷学院教育教学研究项目（项目编号：ZY202230SC，ZY202233SX）的支持，一并致谢。
本书由曲立杰、赵艳、马春力编写，其中赵艳编写第1章和第6章，曲立杰编写第2～5章，马春力编写第7章。全书由曲立杰定稿。
本书可供铝加工及生产、表面处理、腐蚀与防护等领域的工程技术人员和生产人员参考使用，也可作为高等院校相关专业的本科生和硕士研究生的教学参考书。由于编者水平有限，书中不妥之处敬请读者批评指正，在此表达真诚感谢。

曲立杰

第1章铝及铝合金资源1
1.1铝简介1
1.1.1铝资源1
1.1.2铝的一般性质2
1.1.3铝的特性及其应用3
1.1.4铝及氧化铝的生产4
1.1.5铝合金成形加工方法5
1.2铝合金的分类及牌号6
1.2.1变形铝合金6
1.2.2铸造铝合金8
1.2.3高强度铝合金10

第2章铝及铝合金的液态成形13
2.1铝电解工艺13
2.1.1电解铝13
2.1.2原铝及铝锭15
2.1.3电解铝与铝加工结合15
2.1.4铝电解槽中生产铝合金16
2.2铝及铝合金的熔炼工艺16
2.2.1熔炼的目的及原理16
2.2.2熔体的净化及原理20
2.2.3熔炼用的金属材料21
2.2.4熔炼方法26
2.2.5熔炼的工艺流程26
2.3铝及铝合金的铸造工艺27
2.3.1铝合金铸锭铸造技术28
2.3.2铸造装置29
2.3.3铸造的工艺流程及操作29

第3章铝及铝合金固态成形30
3.1塑性变形理论与方法30
3.1.1金属塑性变形理论30
3.1.2冷塑性变形31
3.1.3热塑性变形31
3.1.4温塑性变形32
3.2挤压成形33
3.2.1挤压成形特点33
3.2.2挤压类型34
3.2.3挤压设备37
3.2.4铝合金挤压工艺流程39
3.2.5铝合金挤压型材应用40
3.2.6铝合金挤压技术发展40
3.3轧制成形41
3.3.1铝及铝合金的铸锭铣面41
3.3.2铝及铝合金的轧制成形方法42
3.3.3铝及铝合金的轧制过程44
3.3.4实现轧制过程的条件46
3.3.5铝合金轧制技术发展49
3.4锻造成形50
3.4.1锻造铝合金的典型应用50
3.4.2常用的锻造铝合金51
3.4.3铝合金可锻性52
3.4.4铝合金锻压成形原理及分类53
3.4.5铝合金锻压成形过程55
3.4.6铝合金锻压工艺方案及工艺流程57
3.4.7铝合金锻造工艺参数58
3.4.8铝合金锻件缺陷及防止措施62
3.4.9铝合金锻造行业发展概况65
3.5板料成形65
3.5.1铝合金的冲裁成形65
3.5.2铝合金的弯曲成形66
3.5.3铝合金的拉深成形67
3.5.4铝合金的旋压成形68
3.5.5铝合金冲压工艺难点及常见缺陷68
3.5.6铝合金板成形仿真技术应用69
3.5.7铝合金冲压件的典型应用70
3.6铝及铝合金的焊接70
3.6.1铝及铝合金的焊接性70
3.6.2铝及铝合金的焊接方法72
3.6.3铝及铝合金的焊接材料74
3.6.4铝及铝合金的焊接工艺79
3.6.5铝及铝合金焊接接头缺陷及防止措施106
3.6.6铝及铝合金的焊接变形控制111
3.6.7铝及铝合金的焊后处理112
3.6.8铝及铝合金产品的焊缝质量检验113

第4章铝合金的热处理117
4.1铝合金的相组成118
4.2铝合金中合金元素和杂质的作用119
4.2.1微量元素在1×××系铝合金中的作用119
4.2.2合金元素和杂质在2×××系铝合金中的作用119
4.2.3合金元素和杂质在3×××系铝合金中的作用122
4.2.4合金元素和杂质在4×××系铝合金中的作用123
4.2.5合金元素和杂质在5×××系铝合金中的作用123
4.2.6合金元素和杂质在6×××系铝合金中的作用124
4.2.7合金元素和杂质在7×××系铝合金中的作用126
4.3铝合金的热处理分类127
4.3.1退火处理128
4.3.2固溶处理130
4.3.3时效处理131
4.3.4形变热处理138
4.4铝合金的热处理工艺140
4.4.1铸造铝合金热处理140
4.4.2变形铝及铝合金的热处理145
4.5热处理工艺基础及设备176
4.5.1加热方法176
4.5.2热处理加热气氛177
4.5.3冷却介质177
4.5.4热处理时的缺陷178
4.4.5铸锭均匀化退火炉181
4.4.6退火炉181
4.4.7固溶处理炉（淬火炉）183

第5章铝合金的表面处理187
5.1铝合金表面预处理技术187
5.1.1铝合金清洗除油技术187
5.1.2铝合金的碱蚀192
5.1.3铝合金的酸蚀194
5.1.4碱浸蚀后的除灰工艺194
5.1.5水洗195
5.2铝合金化学转化处理196
5.2.1铬酸盐处理196
5.2.2磷铬酸盐处理198
5.2.3无铬化学转化处理198
5.3铝合金阳极氧化处理200
5.3.1阳极氧化电解液选用原则200
5.3.2阳极氧化分类201
5.4铝合金微弧氧化处理204
5.4.1铝合金微弧氧化简介204
5.4.2铝合金微弧氧化特点及应用领域204
5.4.3铝合金微弧氧化原理207
5.4.4铝合金微弧氧化工艺208
5.5铝及铝合金的化学镀处理209
5.5.1铝合金化学镀镍209
5.5.2铝合金化学镀钴216
5.6铝合金封孔处理217
5.6.1阳极氧化涂层的封孔处理217
5.6.2微弧氧化涂层的封孔处理220

第6章铝及铝合金的应用221
6.1常用铝合金的典型应用221
6.2铝合金在仪器仪表中的应用224
6.2.1仪器仪表工业中铝及铝合金结构件的性能224
6.2.2仪器仪表工业中铝及铝合金结构件的特点226
6.3铝合金在建筑行业中的应用228
6.3.1建筑用铝合金材料的现状及发展趋势228
6.3.2建筑业常用铝合金及结构类型229
6.4铝合金在交通运输中的应用230
6.4.1汽车工业的发展特点230
6.4.2铝材在汽车工业中的应用与开发233
6.4.3铝质车辆的特点及其经济性分析234
6.4.4汽车轻量化中的铝合金235
6.4.5中国汽车工业和铝工业共同面临的机遇与挑战244
6.5铝合金在航空航天中的应用244
6.5.1铝合金在飞机中的应用244
6.5.2铝材在火箭与航天器上的应用246
6.5.3航空航天用铝及铝合金材料特性246
6.6铝合金在机械行业中的应用249
6.6.1机械制造业用铝材的发展概况249
6.6.2各种标准零部件的用铝250
6.6.3农业机械用铝材的应用与开发251
6.6.4工业机械用铝材的应用与开发252
6.6.5铝材在机械制造行业中的应用前景254
6.7铝合金在食品包装行业中的应用255
6.7.1食品包装行业用铝材的发展概况255
6.7.2铝合金易拉罐料的应用与开发256
6.8铝材在船舶工业上的应用258
6.8.1船用铝材的品种和常用合金258
6.8.2铝合金船舶的发展方向259
6.9铝材在摩托车和自行车上的应用与开发260
6.9.1铝材在摩托车上的应用260
6.9.2铝材在自行车上的应用与开发261
6.9.3自行车零件的铝化及铝材的应用262
6.10铝合金在其他领域中的应用262
6.10.1铝材在日用品和耐用消费品中的应用与开发262
6.10.2铝材在热传输装置上的应用263
6.10.3铝材在旅游业中的应用264
6.10.4文体用品和医药卫生用铝材的应用与开发265

第7章再生铝资源及铝生产环境保护268
7.1再生铝合金资源268
7.1.1原铝与再生铝对比268
7.1.2铝行业产业循环269
7.1.3再生铝行业现状270
7.1.4再生铝合金的主要应用271
7.1.5汽车用铝合金回收应遵循的原则273
7.1.6国内外再生铝合金发展情况274
7.2铝合金生产安全技术274
7.2.1铝加工过程主要危险因素274
7.2.2熔炼铸造安全274
7.2.3铝材加工安全281
7.2.4热处理安全283
7.2.5表面处理安全284
7.3铝加工环保技术285
7.3.1铝加工中污染物的主要来源及危害285
7.3.2铝加工中的污染治理286

参考文献290