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2014年8月4日

Optical Components: Precision Finishing of Turned & Milled Aluminum parts

 
optical components: precision finishing of turned & milled aluminum parts. — at 利豐行事業有限公司 Li Fung Business Co., Ltd.

了解鋁合金種類及特性以便應用於表面處理技術應用


鋁合金通常使用銅、鋅、錳、矽、鎂等合金元素，20世紀初由德國人Alfred Wilm發明，對飛機發展幫助極大，一次大戰後德國鋁合金成分被列為國家機密。跟普通的碳鋼相比有更輕及耐腐蝕的性能，但抗腐蝕性不如純鋁。在乾淨、乾燥的環境下鋁合金的表面會形成保護的氧化層。造成電偶腐蝕（Galvanic corrosion）加速的情況有：鋁合金與不銹鋼接觸的情況、其他金屬的腐蝕電位比鋁合金低或是在潮濕的環境下。如果鋁和不銹鋼要一同使用必須在有water-containing systems或是戶外安裝兩金屬間電子或電解隔離。

鋁合金的成分需要向美國鋁業協會（Aluminium Association，AA）註冊。許多組織公佈更具體製造鋁合金的標準，包括美國汽車工程協會（Society of Automotive Engineers，SAE）特別是航空標準[1]，還有美國材料試驗協會（American Society for Testing and Materials，ASTM）。

鋁合金廣泛的被應用在工程結構上。合金系統由數字系統分類（ANSI），或由名稱表示主要的組成合金（DIN及ISO）。 選擇正確的合金為一種指定的應用，需要考慮材料的強度、延性、成形性、焊接性、抗腐蝕性等等。 簡短的歷史概述合金和製造技術，請參照[2]。鋁廣泛地使用在現代航空器裡是由於它高強度和較低的重量比率。

彈性度

鋁使用不當，可能會導致些問題。尤其是在對比鐵或鋼後，覺得鋁有「更好的表現」的那些直覺行事的設計師，機械師，或技術員。 跟鐵或鋼相比，相同大小的鋁重量只有鐵或鋼的三分之一，似乎有著巨大的吸引力。但必須注意到，剛性同時也減少了三分之二。因此，直接更換一個鐵或鋼鐵的零件，並施加可接受的力量，雖然不會造成破壞，但是鋁的彈性會造成零件三倍以上的撓度。

如果失敗是不是一個問題，但過度的彈性是不可取的。尤其在要求精度或者有效率傳輸的地方。隨意的將鋼管更換為同樣大小的鋁管將造成一定程度彎曲。例如，用相同的尺寸的鋁管取代鋼管的自行車框架，增加彈性的操作下，負荷所造成的不同心度將會吸收運行的力量。為了增加剛性增加管壁的厚度，造成重量增加，也喪失了彈性與重量比的優勢。
就這情況而言，最好重新設計鋁尺寸的部分，以適應其特點。例如，使自行車的框架鋁管具有超大直徑，而不是厚的管壁。這樣增加了強度，重量也沒有增加很多[3]。這樣處理的極限在於對挫曲的敏感性增加。

最新型的雪佛蘭Corvette汽車，是一個很好的例子，重新設計後的部分利用了鋁的優勢。使用了鋁的製底盤和懸掛系統零件，消除不必要的金屬後不但減輕也減少了截面積，這些車有大的尺寸和良好的剛度。因此，在同樣或更激烈的使用情況下不需要跟鋼製的零件一樣頻繁更換，大部分人對此覺得有吸引力。同樣地，鋁自行車框架可以改良設計，以便提供剛性和一些額外的靈活性，後者的功用可以當作另一種避震器。

鋁合金的強度和耐久性差別很大，不僅組成合金元素的差別，也由於製造過程的差異。這種可變性加上經驗曲線的使用，使鋁時常獲得了壞名聲。舉例來說，70年代早期許多設計不良的鋁自行車框架高頻率的損壞後，傷害了鋁的聲譽。然而，鋁零件廣泛的使用在航空器和高性能的汽車行業，放大來講是禁得起極微小的失敗率，同時也說明了自行車零組件沒有不可靠的問題。時間和經驗證明了鋁依舊是可靠的。

同樣地，鋁在汽車應用尤其是在引擎零件上，得益於一段時間內的發展。 奧迪工程師，在評論最近由奧迪工廠恢復一台1930年代汽車聯盟賽車的V12引擎有超過500匹馬力，引擎所使用的鋁合金今天會被使用在像是除草機和傢具上。在1960年代Corvair鋁製的汽缸蓋和曲軸箱，即使上螺紋被磨平及總體上的失敗仍得到了良好的名聲。這是已往不曾見過的設計。

其中一個重要的結構限制是鋁合金疲勞性能，而鋼具有較高的疲勞極限（理論上可以承受無限多的週期性載荷），鋁的疲勞極限是接近零，也就是說它最終將破壞，甚至非常小的循環荷載作用都可以使它破壞，但對於小的應力可以使用非常長的時間。

熱敏度

通常必須考慮金屬的熱敏感性。事實上鋁對熱感應上相對地複雜，不像鋼將要熔化時發出亮紅色。由於鋁熔化之前沒有跡象顯示，使用噴燈成型時需要一些專門的知識。

鋁過熱的時候受到內部壓力和拉力，這些壓力往往會導致延遲的扭曲。舉例來說，常見的有翹曲或過熱裂開的汽車鋁缸蓋。幾年後，沿著鋁自行車框架焊接逐漸變成趨勢。1970年代黏著劑被用在一些自行車上，不幸的是當鋁管受到輕微腐蝕就會鬆動黏接，終究車架解體。因此，太空工業，完全避免熱進入零件[膠粘劑]間或機械扣件。

過熱的鋁可放心熱處理零件在一爐，並逐步冷卻－有退火的效果。然而這樣做的結果有可能造成扭曲，所以熱處理焊接自行車框架，會導致重要的部分產生不重合。如果不嚴重，冷卻之後有可能可以重合在一起。如果框架設計有相當的剛性，變形將需要很大的力量。

鋁的不耐高溫性不包括使用在火箭上，用於氣體燃燒可達3500 K的燃燒室，在Aagena上，階段引擎部分設計使用了再生鋁冷卻噴嘴，包括關鍵噴喉；實際上鋁極端高導熱性防止了噴喉在巨大的熱流下到達熔點，是一個可靠的輕組件。

合金編號

鍛造用和鑄造用鋁合金使用不同的命名系統。鍛造用鋁合金使用四位數號碼，其中包含了合金成份所佔的比例。破折號後的4位數號碼代表熱處理的類型，例如「6061-T6」。鑄造用鋁合金使用4至5位數號碼與一個小數點。在百位數的數字代表合金元素，小數點用來辨認是鑄件或是鋁錠。

鍛造用合金

國際合金命名系統（International Alloy Designation System）被廣泛接受命名鍛造合金。每個合金是由於四位數號碼，其中第一位數為主要合金元素。
  • 1000系列至少含99%（重量百分比）的鋁
  • 2000系列銅合金，強度媲美鋼。以前稱為杜拉鋁，是常用的航太合金，但容易受到粒間腐蝕，逐漸被7000系列取代。
  • 3000系列錳合金，有加工硬化。
  • 4000系列矽合金，亦稱為矽鋁明
  • 5000系列鎂合金，可解決加工硬化，強度媲美鋼鐵。
  • 6000系列鎂矽合金，易於加工，可沉積硬化，得到的強度不是很高。
  • 7000系列鋅合金，可析出硬化，在所有鋁合金中有最高強度。
  • 8000系列混合

鑄造用鋁合金

美國鋁業協會（Aluminium Association,AA）採取與鍛造用合金相似的命名原則。英國標準（British Standard,BS）、德國標準（Deutsches Institut für Normung,DIN）使用了不同的名稱。 在美國鋁業協會（AA）系統，第二個二位數代表了最小含鋁量，例如150.x代表最少含99.50 %鋁。該數字小數點後值為0或1，指的鑄件和鑄錠分別[4]。美國鋁業協會系統下的主要鑄造用鋁合金列表如下：
  • 1xx.x系列：至少含99%鋁
  • 2xx.x系列：銅
  • 3xx.x系列：矽，銅和（或）鎂
  • 4xx.x系列：矽
  • 5xx.x系列：鎂
  • 6xx.x系列：鎂，矽
  • 7xx.x系列：鋅
  • 8xx.x系列：錫
  • 9xx.x系列：混合

命名合金

用途概要

常用航太合金

這些鋁合金，被用在飛機及其他航空器結構有悠久的歷史[5]。

其他航太合金

這些都是目前生產的，但較少廣泛使用，應用在航太上的鋁合金。 利豐行事業有限公司 www.li-fung.biz

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