2.3 铝及铝合金的理化性能 Physi-cal and Chemical Properties of Aluminum and its Alloys

2.3.1 铝及铝合金的物理性能 Physical Properties of Aluminum and its Al-loys

纯铝的密度小，只有2.7g/cm3，与铜（8.9g/cm3）或铁（7.9g/cm3）比较，只是二者的1/3。铝的电阻率为2.61μΩ·cm，在所有低电阻率的金属中排在银（1.47μΩ·cm），铜（1.58μΩ·cm）和金（2.01μΩ·cm）之后，居第四位。仅此两项就足以表明铝在金属材料中之独特地位。铝的物理性能见表2-2。铝合金一些重要的和钎焊工艺有关的性能见表2-3。表2-3中列出各合金的特性都以美国合金编号AA排序，尽量列出合金成分与之相当的GB牌号以供参考。

表2-2 铝的物理性能
Table 2-2 Physical properties of aluminum

表2-3 铝合金一些重要的与钎焊有关的性能[4]
Table 2-3 Properties of some important aluminum alloys concerning with brazing and soldering[4]

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注：1.合金状态：O—退火软状态；T1—热轧冷后自然时效；T3—固溶处理后冷加工；T4—固溶处理后自然时效；

T6—固溶处理人工时效；T736—固溶处理不同稳定化；T851—固溶处理，冷加工，人工时效；

T9—固溶处理，人工时效，冷加工；H—加工硬化。

2.拉伸性能：室温；耐蚀性、钎焊性：依优劣分五等：A、B、C、D、NA。NA为不宜钎焊。

3.固相线—液相线栏内的（e）指未经均化的锻、铸材的共晶温度；（m）指均化固溶处理的锻材的初熔温度。

4.本表的全部内容取自美国金属学会编《金属手册》第九版第二卷“铝锻压产品”一章（中译本，机械工业出版社，1994年出版）并进行了列表摘编。

5.（ ）内牌号为GB/T 3190—1982标准牌号。

表2-3中所列的固相线温度是钎焊操作不可逾越的界限，否则合金将产生过烧。事实上由于合金牌号和厂家产品的不均一性，钎焊温度总得比固相线最少低30～40℃以保安全。但表中的合金铸态出现共晶温度（e），经均化固溶处理后的初熔温度（m）相对较高，因此实际钎焊时的温度可以高于（e），但决不能逼近（m）。此外，经常还要考虑工件的力学性能，因此钎焊温度的选择还要参考合金的热处理规范。铝合金的热学性质一般比较接近，知道大概数值即可而不需细列。例如铝合金的比热容都在0.9J/（g·℃）（20℃）左右；线胀系数在23×10-6℃-1（20～100℃）左右，它们比纯Cu17.4×10-6℃-1、H62黄铜20.6×10-6℃-1、纯Ni16.7×10-6℃-1、钢12.6×10-6℃-1都较大；铝合金的热导率为1.25～2.5W/（cm·℃）。铝及绝大多数铝合金的密度均在（2.7±0.1）g/cm3之间，其中含重金属（Cu、Zn等）和轻金属（Mg等）的量不同而密度微有起伏。少数Al-Li-Mg合金的相对密度有小到2.5g/cm3左右的。纯铝的电导率与退火铜比约为后者的60%（称比电导率），通常的铝合金均约50%左右。含Mg量较高的铝合金的比电导率则较低，例如，5A02（LF2）、5A05（LF5）等防锈铝系列，但其比电导率也不低于30%。这与黄铜（H62）27%、纯Ni24%、低碳钢14%相比，则仍属高电导率。铝合金的力学性能则有较大的变化，表2-3所列尽量选取了退火的软化态数据，以便为钎焊后可能出现的最差状态作参考。

中国新编号的变形铝合金，除部分沿用AA的编号和合金成分以外，多数和AA都对不上，这从表2-3中就可以看得出来。由于新老编号的交替，特别是老的编号还未能完全退出人们的思绪，有一张新老编号对照以及相应成分的说明还是很有必要的。表2-4列出了相应的数据。因为GB牌号的变形铝合金缺乏和钎焊有关的数据，必要时读者可以根据表2-4中GB和表2-3中AA主要成分相近的合金进行钎焊性能的判断。

铸造铝合金因为晶粒比较粗大，结构也比较疏松，和变形铝材相比钎焊效果都较差。特别是含Si或含Mg量较高的铸铝合金更是难于被熔态的钎料润湿。只有少数几个牌号的铸铝合金必要时可以考虑进行钎焊。如ZL201（AlCu5Mn）和ZL203（Al-Cu4）钎焊效果较好，其次可以考虑的还有ZL105（AlSi5Cu1Mg）。有关参数见表2-3末尾的4个数据。

表2-4 中国牌号（GB）铝合金的化学成分（摘自GB/T 3190—2008）
Table 2-4 The Chemical composition of aluminum alloys in Chinese designation（from GB/T 3190—2008）

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注：旧牌号为GB/T 3190—1982标准牌号。

① 焊接电极及填料焊丝的w（Be）≤0.0003%。

② 铍含量均按规定加入，可不做分析。

③ 做铆钉线材的3A21合金，w（Zn）≤0.03%。

④ 经供需双方协商并同意，挤压产品与锻件的w（Zr+Ti）最大可达0.20%。

⑤ 经供需双方协商并同意，挤压产品与锻件的w（Zr+Ti）最大可达0.25%。

2.3.2 铝及铝合金的化学性能 Chemical Properties of Aluminum and its Al-loys

元素水溶液中（25℃）的标准电极电势E°（H）和在LiCl-KCl共晶（45℃）中的熔盐电极电势E°（Pt）（见表2-5），反映了元素的反应性或活泼程度，E°越负越活泼。E°（H）与E°（Pt）的次序大体一致，只是在个别部分E°（Pt）的顺序有所颠倒。从两个序列都可看出，铝比锌要活泼很多，铝表现的稳定全凭氧化膜的保护。

表2-5 元素水溶液中（25℃）的标准电极电势E°（H）和在LiCl-KCl共晶（450℃）中的熔盐电极电势E°（Pt）
Table 2-5 Standard electrode potential E°（H）in water solution（25℃）and electromotive force E°（Pt）in molten LiCl-KCl eutectic（450℃）of some elements

表中两列电位序还说明一个本质问题，即序列靠前的金属如放入序列靠后金属的盐溶液中（左列）或熔融盐中（右列），则前者将把后者的离子还原为金属析出，而自己被氧化为离子进入溶液或熔融盐，例如，将Al插入ZnCl2熔融盐则有：2Al（金属）+3Zn2+=2Al3++3Zn↓的反应，这是母材与钎剂中的一个组分的常见反应。

铝能极缓慢地溶于中等浓度的硝酸，但在浓硝酸中是稳定的，硝酸的浓度越高越稳定。运输发烟硝酸的槽罐是用纯铝做的，这主要是因为硝酸是强氧化性的酸，能使铝氧化生成一层厚的氧化膜的缘故。浓硫酸的氧化性也很强，也较难和铝起反应，但冲稀后的硫酸则易溶解铝。铝易溶于盐酸和氢氟酸中，但在磷酸中钝化不溶。

铝抵抗碱的能力很弱，易溶于NaOH、KOH的水溶液中生成铝酸盐NaAlO2或KAlO2同时放出氢气

2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑ （2-1）

有趣的是，卖气球的小贩都懂得用这一反应，将废铝和烧碱溶液反应产生氢气来冲灌氢气球。也告诉人们需要警惕的是，将铝和烧碱堆放在一起是危险的。

铝表面上的氧化膜也能和碱反应

Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O （2-2）这一反应常用来清除铝表面的腐蚀产物和过厚的氧化膜，当发现反应液中产生大量氢气泡时，说明已经和基底铝按照式（2-1）反应。过量反应将使铝材表面产生大小不等的火山口似的微观凹坑（见图2-46）。

所有重金属离子的电极电势都比铝的正（见表2-5），因此铝和它们的溶液接触时，由于置换反应而产生铝溶解而重金属离子沉积。在无水熔盐中情况也一样。沉出的重金属和铝便形成电偶，在铝表面上造成无数微电池促进其电化腐蚀。在重金属盐中以汞的盐给铝及铝合金造成的伤害最大，远远不只是表面腐蚀，而会深入母材内部形成晶间断裂的破坏。汞盐包括HgCl2、Hg（NO3）2、HgSO4等，在被铝还原后析出金属Hg并形成合金汞齐。Al-Hg合金在室温是液态，此时氧化膜不能保持完整。这个过程一旦开始便会永久持续地进行下去。在潮湿环境中汞齐中的Al立即被氧化，多余的汞则和下面的Al生成新的汞齐，如此反复向下方母材深处挺进，直至Al全部被氧化为Al（OH）3。和Al接触的反应物中即使Hg的浓度低于万分之一，也会产生可见的影响。因此在Al的钎焊工艺中，无论是清洗液、钎剂、钎料以及一切可能与母材接触的物料中都不允许有汞及其离子存在。应该指出，在高于30℃的室温下镓及其盐也有类似的破坏情况[130-133]。

由以上的叙述可以看出，一些含Cu、Zn等元素的铝合金的耐电化学腐蚀能力都会较差。为了提高商品铝合金材料的耐蚀性，常在板材或管材外部包覆一层低于1/10厚度的保护合金层，这层合金的电极电位设计得以比芯材低0.1V左右，起到阴极保护作用。不同的合金有专有的保护层搭配[4]289，含Cu的硬铝，例如，2A12（2024）常包覆一层纯Al保护。当用NaOH溶液清洗这类合金工件时，容易发现断面因含Cu而结构裸露，与NaOH反应有黑色的CuO生成，而表面因为纯铝层保护并不发黑。此反应常用来作为判断含Cu类合金的简便手段。稀硝酸的最后清洗可以溶去生成的CuO而使工件恢复原来的色泽。清洗硬铝类合金时，应注意不使表面铝的被覆层被NaOH溶穿。

铝的钝化区也即氧化膜的稳定区在环境pH值为4～8.5。低于此值下限的酸性溶液中会生成Al3+，高于此值上限的碱性溶液中则会生成AlO-2。在pH处于4～8.5时虽较稳定，但如环境溶液中含盐量较高则易产生孔蚀。Al对F-、Cl-、Br-、I-的耐蚀性依次减低。

钎料与铝母材合金化以后形成的钎缝或焊点与母材构成了电偶，在电解质溶液或潮湿空气中电化腐蚀在所难免。焊点与母材之间的边界越分明，电化腐蚀越厉害。钎料与母材形成固溶体过渡则具有较优的耐腐蚀性。