铝合金材料及其在家电领域的应用探讨

铝及铝合金材料简介

       铝是地壳中分布最广、储量最多的金属元素，约占地壳总质量的7.3~8.3%，仅次于氧和硅；铝于19世纪初被发现，20世纪初开始具有生产规模；20世纪初发明了硬铝合金，一战期间大量应用于军事工业。

       铝合金：以铝为基添加一定量其他合金化元素的合金，是轻金属材料之一。

铝合金VS钢铁

       铝合金具有低密度、中等强度、较高的比强度、比刚度；优良的耐腐蚀性；较高的导热率、电导率；中等延伸率，塑性加工需严格控制工艺参数；焊接难度略高。

铝及铝合金的分类（按加工方法）

       铸造铝合金：利用铝合金熔体良好的流动性和可填充性，在一定温度、速度和外力条件下浇铸到各种模型中获得的具有所需形状与组织性能的铝合金。

       变形铝合金：以合金配料熔铸的铝锭为坯料，以各种压力加工方法（轧制、挤压、拉伸、锻造等）制成的板材、管材、棒材、线材、型材等各种半成品铝合金。

铸造铝合金和变形铝合金

       铸造铝合金与变形铝合金的主要差别：铸造铝合金中合金化元素硅的含量超过多数变形铝合金中的硅含量；变形铝合金组织致密，成分性能均匀，强度高，塑性好；铸造铝合金铸造工艺性好，受零件结构设计限制小，生产效率高；铸造铝合金具有良好的铸造性能，可以制成形状复杂的零件；不需要庞大的附加设备；具有节约金属、降低成本、减少工时等优点，在航空工业和民用工业得到广泛应用。还用于制造汽车的气缸盖、变速箱和活塞，仪器仪表的壳体和增压器泵体等零件。

       变形铝合金在航空、航天产品用料中占主要地位，如飞机蒙皮、主梁、框架、析条、翼肋、起落架零件、导管、铆钉等，还广泛用于造船、汽车及建筑工业。

铸造铝合金牌号表示方法（GB/T 8063-2017）

      目前，铸造铝合金在国际上无统一标准，各国（公司）都有自己的合金命名及术语。我国标准规定：铸造有色金属牌号由“Z”和基体金属的元素符号、主要合金元素符号以及表明合金元素名义含量的数字组成；当合金元素多于2个时，合金牌号中应列出足以表明合金主要特性的元素符号及其名义含量的数字；合金元素符号按其名义含量递减的次序排列；除基体元素的名义含量不标注外，其他合金元素的名义含量均标注于该元素符号之后。

铸造铝合金代号

变形铝及铝合金牌号表示方法（GB/T 16474-2011）

      变形铝及铝合金牌号采用四位字符体系牌号命名方法：第一、三、四位为阿拉伯数字，第二位为英文大写字母；第一位数字表示铝及铝合金的组别；第二位数字或字母表示原始纯铝或铝合金的改型情况；最后两位数字标识同一组中不同的铝合金或铝的纯度；国际四位数字体系牌号可直接引用。例如：7A04，7075。

变形铝及铝合金的组别

变形铝及铝合金状态代号（GB/T16475-2008）

      变形铝及铝合金基础状态代号：F（自由加工状态）、O（退火状态）、H（加工硬化状态）、W（固溶热处理状态）、T（热处理状态）。

铝合金材料的性能与状态直接相关

变形铝及铝合金牌号

      我国铝合金曾用牌号：LG1、LD10；按合金性能和用途分：工业纯铝（L）、工业高纯铝（LG）、包覆铝（LB）、防锈铝（LF）、硬铝（LY）、超硬铝（LC）、锻铝（LD）、特殊铝（LT）等；一般能够与四位字符体系牌号对应，GB/T 3190-2008可查。

我国铝合金材料发展现状

      我国是铝合金材料生产和消费大国；铝合金材料在交通、海洋、空天等领域具有广泛应用，尤其在汽车、飞机、航天、舰船等领域的一些轻量化关键部件上，铝合金材料具有不可替代性；我国是世界上铝材产量较大、生产装备规模较大的国 家；目前国内绝大部分铝合金材料属于中低端产品，部分产品仍需从国外高价购买后处理水平落后，产品稳定性较差。

我国铝合金材料发展目标

      2019年中国工程院《基础材料发展战略研究报告（有色金属类）》。中国有色金属协会结合我国实际情况与我国铝合金领域所遇瓶颈，提出以下中期发展目标：到2030年，高性能铝合金材料达到国际水平，部分达到国际良好水平，材料综合力学和工艺性能满足现代制造业指标要求；到2035年，铝合金材料达到国际良好水平，实现绝大部分铝合金材料的自给和输出，实现全球铝合金产业的发展。

我国铝合金材料新进展

       下游应用领域对大规格、高性能铝合金材料有迫切需求；显微组织细致化；通过添加锂或稀土元素等；通过后加工技术：多次精轧、大变形等；铝基复合材料；粉末冶金铝合金；喷射成形、触凝成形、触变成形。

9系高性能粉末冶金铝合金

       中科院长春应化所历时20余年的研发成果；青岛中科应化技术研究院孵化项目；世界上实现产业化的粉末冶金铝合金项目；采用机械合金化+半固态成型/粉末冶金生产技术，制备系列高强（9S）、高耐蚀（9C）、耐高温服役（9H）、低膨胀高耐磨（9E）的特种铝合金；填补了我国铝合金的空白，可代替进口7075、5083、CZ42和4032铝合金。

材料性能

       粉末冶金方法制备的特种铝合金材料，强度高，性能稳定，指标显著优于产业化生产的传统铝合金；材料在三维方向上力学性能指标基本相同。

成型方法

       优良的烧结工艺，不需时效处理即可达到良好性能，工艺简单。

焊接性能

       9系铝合金材料的显微增强机制，摩擦焊焊接处强度下降不明显。

铝合金在家电领域的应用探讨

铝合金在家电领域的应用探讨——板材

       铝板耐腐蚀性能优于钢板；普通阳极氧化可提高美观性；硬质阳极氧化/微弧氧化可提高耐磨性、安全性；可用于面板、结构板、抽屉等；耐污、耐日晒、不易刮擦。

       可能的技术难点：大尺寸板材表面处理的均匀度。

铝合金在家电领域的应用探讨——型材、管材

       铝合金型材可替代钢铁，用于家电结构支撑材料；薄壁细管可用于空调/冰箱换热管，替代铜管；9C1*系列铝合金，99%以上成分为铝；抗拉强度达到300MPa以上，导热系数210W/m•K±；耐腐蚀，制冷剂流动性好。

铝合金在家电领域的应用探讨——零配件

       替代合金铜，生产冰箱/空调接续纳子、直接等；ρ(9S)=2.80，ρ(9C)=2.70，ρ(H62)=8.93，ρ(T2、T3)=7.83；替代钢铁，生产螺栓、螺母；防止壳体电化学腐蚀；提高电器综合使用性能。

铝合金在家电领域的应用探讨——热水器内胆

       目前采用钢板折弯+焊接+搪瓷化工艺，焊缝不平整，易腐蚀、漏液，影响使用寿命。

       建议：换为铝合金内胆。

       方案一：挤压管材+搅拌摩擦焊+微弧氧化，方案二：铝板折弯+搅拌摩擦焊+微弧氧化。

       搅拌摩擦焊焊缝平整，可靠性好；微弧氧化后内胆表面为氧化铝陶瓷层，安全无毒。

铝合金在家电领域的应用探讨——涡旋盘

       新能源汽车空调广泛使用涡旋压缩机，体积小、工作效率高；铝合金涡旋盘重量轻、振动小、噪声低；国外某品牌家用空调采用涡旋压缩机铝合金动盘能效比达到3.6。

传统方法

      低压铸造；液态模锻；热模锻；背压成型；4032铝合金；室温抗拉强度360MPa，硬度110HB。

新材料与新工艺

      粉末精密模锻成型技术；锻件产品尺寸与成品零件接近；可实现少切削或无切削；锻件强度及耐高温性好。9E系列铝合金：室温抗拉强度450MPa，硬度135HB；350℃抗拉强度180MPa；最高耐热温度可达450℃。

铝合金在家电领域的应用探讨——滚筒洗衣机内桶

      目前滚筒洗衣机内桶多为不锈钢材质；用高强耐蚀铝合金替代不锈钢；可减重50%以上；理论上可提效降噪。

洗衣机空载功率