1.3.1 合金元素与铝的作用 ⑴元素在铝中的溶解度
Mg, Cu, Zn 和 Si 在铝 中固溶度较大，是常 用合金化元素。 Cr, Mn 和 Zr 与铝形成 化合物，常用于控制 晶粒尺寸。
Zn（31.6→2） Mg（17.4→1） Cu（5.65→0.5） Li（4.2） Mn（1.82） Si （1.65） Ag（56.5） Ge（7.2） Ti（1.3）
拜耳工艺流程图
拜耳－烧结联合法
先用石灰石与铝土矿反应生成 Ca2SiO4，滤除后得到高含量Al2O3。
若直接采用拜耳法时，NaOH 与硅反应生成Na2SiO3， Na2SiO3 与 NaAlO2 反应生成不溶于水的硅铝酸钠，将降低Al2O3的收得率。
碱石灰烧结法 用Na2CO3 代替 NaOH 。在800-1200 ℃下，磨碎的铝土矿与 Na2CO3 反应， 生成铝酸钠 和 CO2。 铝酸钠经进一步磨碎后溶解于90-95℃ 水中， Al(OH) 3 以沉 淀物析出，浸出液体后通过加热脱水得到Al2O3 粉末。
Ca Co Cu Cr Ge Fe Li Mg Mn Ni Si Ag Sn Ti V Zn Zr
最大溶解度：Cr、Ti、V、Zn、Zr发生在包晶温度；其余元素在共晶温度。 室温溶解度：Mg、Zn约为2%；Ge、Li、Ag为0.1～0.25%；其余小于0.1%
⑵二元铝合金相图
Al-Cu共晶相图
Al-Ti包晶相图
Hall-Hé roult电解槽
由于比重的差别在阴极上析出的铝液汇集于电解槽槽底，而在阳极上析出二 氧化碳和一氧化碳气体，铝液从电解槽中吸出，经过净化去除氢气、非金属 和金属杂质并澄清后，铸成铝锭。
电解质： 80-90%NaAlF6, 2-8%Al2O3。添加剂AlF3、CaF3。
电极反应机理 阴极 阴离子在阴极表面失去电荷形成 NaF。 阳极 溶于电解液中的Al2O3 在阳极区形成铝离子和AlO33- ，铝离子 得到电荷形成金属 Al 并放出氧 ， 氧与C 形成 CO2。
第二步： 在50℃左右， NaAlO2 分解得到Al2O3 · 3H2O 。通过附加促结 晶剂 ，促进(Al2O3 · 3H2O) 沉淀。 第三步： 调整煅烧温度、压力，除去Al2O3 · 3H2O中的水。可获得不 同形态的α、β或γ Al2O3 。 400～600℃煅烧，得到γ－ Al2O3 。 1200℃煅烧，得到 α－Al2O3。
主要公司: （2007年）
世界原铝产地： 北美、西欧（德、法）、中、俄、澳大利亚、巴西。 俄罗斯铝业联合公司【第一大铝公司】420万吨（12%） 力拓公司（加铝）： 【第二大铝公司】 约400万吨 美国铝业公司【Alcoa，第三大铝公司 】约380万吨 中国铝业公司：【第四大铝公司】 288 万吨 雷诺兹金属公司[美] 凯撒铝及化学公司[美] 波施涅铝工业公司[法] 德国联合工业公司 日本轻金属公司 澳大利亚科马尔科铝业公司 APA公司【加拿大铝业公司、瑞士铝集团、法国佩希公司 】
年度
年度
产量
1995
1996 1997 1998 1999
186
190 217 243 259
电解铝产量/万吨
2000
2001 2002 2003 2004
279
337 451 554 668
2005
2006 2007 2008
780
935 1255 1317
世界电解铝产量
世界与中国电解铝产量
年度
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 2001 2003 2005 2007
全球 产量 2443
中国 产量 337
2001
电解铝产量/万吨
2002
2003
世界 中国
2607
2800 2992 3189 3321 3815 3930
451
554 668 780 935 1255 1317
1.3.2 铝合金的时效强化机制
固溶时效处理的一般步骤 ①固溶： 将铝合金加热到单相固溶体区 （固溶线以上、固相线以下），使 合金元素溶入，获得成分均匀的固 溶体。
②淬火： 快冷到室温获得单相过饱和固 溶体。 ③时效： 过饱和固溶体加热到室温以上 某一温度，使其分解形成细小分散 沉淀相。
自然时效：室温下时效 人工时效：在高于室温进行时效
2004 2005 2006 2007 2008
应用ConstrucFra bibliotekion & Equipment
Containers & Packaging
Aerospace
Automotives
1.2 铝的制取
制取方法的演化
木炭和铝土（氧化铝） 钾汞齐 铝汞齐 氯气 氯化铝 隔绝空气蒸发 一种金属
1807年：英国H· 维达用电化学法分离明矾时发现铝的存在。 1825年：丹麦化学家奥斯德用电化学法分离出铝。 1827年：德国武勒重复奥斯德实验，并加以改进。 1854年：德国化学家德维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得铝锭，并于 1855年在巴黎世博会展出。 1855年：法国圣· 克莱尔· 德维尔 用钠从氯化铝中还原出铝，于1859年生 产出1.9吨铝。 1886年：霍尔[美]及埃鲁[法]用电解法生产金属铝（霍尔－埃鲁工 艺：用碳质阳极电解熔于熔融Na3AlF6中的Al2O3来制取铝） 1888年：澳大利亚卡尔· 约瑟夫· 拜耳发明了拜耳工艺 Bayer process：用240℃的氢氧化钠溶液溶解破碎的铝土矿 1910年：铝产量达45000吨
第1 章
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
铝及其铝合金
概述 铝的制取 铝的物理冶金 工业纯铝 铝合金
目的： 本章介绍铝及其合金的不同生产方法、热处理方面的基本知 识，以及铸造铝合金、变形铝合金的各种应用； 讨论成分、组织和热处理对铝合金的化学性能、力学性能的 影响及其与应用的关系。
1.1 概述
氧化铝制取原理
拜耳法：氧化铝生产总量的95％ 碱石灰烧结法 拜耳－烧结联合法
铝土矿 Bauxite
高岭石 kaolinite
霞石 （Nepheline）
拜耳法：高品位铝土矿 碱石灰烧结法和拜耳－烧结联合法：中低品位铝土矿
拜耳法
将粉碎的铝土矿放入240℃的强 NaOH 溶液中提取出Al2O3
第一步： 将含有Al2O3的NaAlO2溶解于水中，滤除Fe和Si 氧化物组成的 不溶解于水的残留物或红土。
G P区是溶质原子富集的、排列有序的、 与基体共格的原子束，均匀分布在基体上。其 数量完全取决于淬火后存在的空位浓度，与基 体中非均匀分布的位错无关。因为溶质原子可 借助空位进行迁移富集，空位越多，富集迁移 越易进行；凡能提高空位浓度的因素均能促进 GP区的形成，如：提高固溶温度，加快冷却 速度，淬火后固溶体中存在较多空位，这有利 于获得尺寸细小、数量多GP区。
过渡相有确定的成分和晶体结构，与基体共格或部分共格，有一 定结晶学位向关系，尺寸比GP区稍大。 过渡相结构与基体存在较大差异，需要较大的形核功才能形核 。 为了降低形核功（应变能、界面能），过渡相常在位错、小角晶界、 层错、空位团以及 GP 区等处不均匀形核。因此，其形核速率与基体 中位错密度有关。 300000× θ″相：圆碟片状， Φ30nm×2nm；正方 点阵， a ＝ b ＝ 0.404nm ， c ＝ 0.768nm 。为均 匀形核 、 分布均匀，与基体完全共格，位向 关系为{100}θ″//{100}基体；θ″相周围比GP区 存在更大的共格应变，故其强化效果大于 GP 区。 θ′相：圆碟片状，Φ100nm×几十 nm； 正方点阵，a＝b＝0.404nm，c＝0.58nm。与 基体部分共格，位向关系为{100}θ′//{100}基 体；成分为Cu2Al3.6，接近于平衡相θ （CuAl2）。 α基体上析出θ”相
资源 地壳中含量近8.2%，列全部化学元素含量的第三位 (仅次于氧和硅)，列全部金属元素含量的第一位 （Fe: 5.1%；Mg: 2.1%；Ti: 0.6%）。 铝以化合态存在于各种岩石或矿石中，如长石、 云母、高岭土、铝土矿、明矾。 霞石（Nepheline）：岩浆矿物，长石类矿物。 氧化铝（Alumina ） 菱镁铀矿（Bayleyite ） 明矾（Alunite）
铝的净化：电解铝中通过含有碳粉、电解质、氢气等杂质。用 石墨管将 Cl2 吹入铝的熔池中形成 AlCl3 ，AlCl3与杂质一起浮 出去除。
1.3 铝的物理冶金
密度 (20 ℃) ： 2.70 g.cm-3 熔点 ： 660 ℃ 100 ℃时的热容： 0.2241 cal.g-1K-1 / 938 Jkg-1K-1 熔化潜热： 94.7 cal.g-1 / 397.0 kJ.kg-1 20 ℃ 时的电导率：64.94 (相当标准退火铜的百分数) 热导率 ： 0.5 cal.sec-1cm-1K-1
Bauxite铝土矿
Bauxite-pebbly 矾土卵石
Kaolinite clay高岭土
性能 • • • • • 密度小 高的热导率、电导率 高的耐腐蚀性 优异的机加工性能 高的韧性、成形性
Comparison of Al and steel
中国电解铝产量 中国年电解铝产量随年度的变化
1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007
Al－4%Cu铸态组织及淬火态组织
⑴时效分解（析出）过程和产物
时效分解【析出，脱溶（或沉淀）】：过饱和固溶体中析出一 个成分、结构与基体均不同的新相，或由溶质原子富集形成亚 稳过渡相的过程。属于固态相变。
过饱和固溶体 分解产物 GP区 过渡相（中间沉淀相） 平衡相
Al－Cu合金： 过饱和固溶体随着时效时间的增加，将发生下列分解： α过 → GP区 → θ″ → θ′ → θ 其中 G· P区、θ″、θ′为亚稳定相 （ θ″又称为GPⅡ区） 随着时效时间的延长，组织变化过程为： α过 → α＋ GP区 → α＋ θ″ → α＋ θ′ → α＋ θ