第三節(jié)　鋁和鋁合金

鋁具有銀白色，屬于有色金屬。作為化學(xué)元素，鋁在地殼組成中的含量僅次于氧和硅，為第三位，約占8.13%。

一、鋁的冶煉及其特性

（一）鋁的冶煉

鋁在自然界中以化合物狀態(tài)存在。煉鋁的主要原料是鋁礬土，其主要成分為一水鋁（Al₂O₃·H₂O）和三水鋁（Al₂O₃·3H₂O），另外還含少量氧化鐵、石英和硅酸鹽等，其中三氧化二鋁（Al₂O₃）含量高達(dá)47%～65%。

鋁的冶煉是先從鋁礦石中提煉出三氧化二鋁（Al₂O₃），提煉氧化鋁的方法有電熱法、酸法和堿法三種。然后再由氧化鋁（Al₂O₃）通過電解得到金屬鋁。電解鋁一般采用熔鹽電解法，主要電解質(zhì)為冰晶石（Na₃AlF₆），并加入少量的氟化鈉、氟化鋁，以調(diào)節(jié)電解液成分。電解出來的鋁尚含有少量鐵、硫等雜質(zhì)，為了提高品質(zhì)再用反射爐進(jìn)行提純，在730～740℃下保持6～8 h使其再熔融，分離出雜質(zhì)，然后把鋁液澆入鑄錠制成鋁錠。高純度鋁的純度可達(dá)99.996%，普通純鋁的純度在99.5%以上。

（二）純鋁的特性

鋁屬于有色金屬中的輕金屬，密度為2.7 g／cm³，是鋼的三分之一。鋁的熔點(diǎn)低，為660℃。鋁的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性均很好。

鋁的化學(xué)性質(zhì)很活潑，它和氧的親和力很強(qiáng)，在空氣中表面容易生成一層氧化鋁薄膜，起保護(hù)作用，使鋁具有一定耐腐蝕性。但由于自然生成的氧化鋁膜層很薄，（一般小于0.1μm），因而其耐蝕性亦有限。純鋁不能與鹵素元素接觸，不耐堿，也不耐強(qiáng)酸。鋁的電極電位較低，如與電極電位高的金屬接觸并且有電解質(zhì)存在時(shí)，會(huì)形成微電池，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。所以用于鋁合金門窗等鋁制品的連接件應(yīng)采用不銹鋼件。

固態(tài)鋁呈面心立方晶格，具有很好的塑性（伸長率δ＝40%），易于加工成型。但純鋁的強(qiáng)度和硬度很低，不能滿足使用要求，故工程中不用純鋁制品。

二、鋁合金及其特性

在生產(chǎn)實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)向熔融的鋁中加入適量的某些合金元素制成鋁合金，再經(jīng)冷加工或熱處理，可以大幅度地提高其強(qiáng)度，甚至極限抗拉強(qiáng)度可高達(dá)400～500 MPa，相近于低合金鋼的強(qiáng)度。鋁中最常加入的合金元素有銅（Cu）、鎂（Mg）、硅（Si）、錳（Mn）、鋅（Zn）等，這些元素有時(shí)單獨(dú)加入，有時(shí)配合加入，從而制得各種各樣的鋁合金。鋁合金克服了純鋁強(qiáng)度和硬度過低的不足，又仍能保持鋁的輕質(zhì)、耐腐蝕、易加工等優(yōu)良性能，故在建筑工程中尤其在裝飾領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛。表13－1為鋁合金與碳素鋼性能的比較，由表可知，鋁合金的彈性模量約為鋼的1／3，而其比強(qiáng)度卻為鋼的2倍以上。由于彈性模量低，鋁合金的剛度和承受彎曲的能力較小。鋁合金的線脹系數(shù)約為鋼的2倍，但因其彈性模量小，由溫度變化引起的內(nèi)應(yīng)力并不大。

表13－1　鋁合金和碳素鋼性能比較

三、鋁合金的分類

根據(jù)鋁合金的成分及生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，通常將其分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩類。

鑄造鋁合金按加入的主要合金元素的不同，分為Al－Si系、Al－Cu系、Al－Mg系和Al－Zn系四種合金。合金牌號(hào)用“鑄鋁”二字漢語拼音字首“ZL”后跟三位數(shù)字表示。第一位數(shù)字表示合金系列：1為Al－Si系合金；2為Al－Cu系合金；3為Al－Mg系合金；4為Al－Zn系合金。第二、三位數(shù)表示合金的順序號(hào)。如ZL201表示1號(hào)鋁銅系鑄造鋁合金，ZL107表示7號(hào)鋁硅系鑄造鋁合金。

變形鋁合金按照性能特點(diǎn)和用途分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁和鍛鋁四種。防銹鋁屬于不能熱處理強(qiáng)化的鋁合金，硬鋁、超硬鋁、鍛鋁屬于可熱處理強(qiáng)化的鋁合金。防銹鋁用“LF”和跟其后面的順序號(hào)表示，“LF”是“鋁防”二字的漢語拼音字首。硬鋁、超硬鋁、鍛鋁分別用“LY”（鋁硬）、“LC”（鋁超）、“LD”（鋁鍛）和后面的順序號(hào)來表示。如“LF5”表示5號(hào)防銹鋁，L Y11表示11號(hào)硬鋁，LC4表示4號(hào)超硬鋁，LD8表示8號(hào)鍛鋁，余類推。

四、鋁合金建筑型材

（一）鋁合金型材的生產(chǎn)

建筑鋁合金型材的生產(chǎn)有擠壓法和軋制法兩種，目前國內(nèi)外絕大多數(shù)采用擠壓法，只有在生產(chǎn)批量較大、尺寸和表面要求較低的中、小規(guī)格棒材及斷面形狀簡單的型材時(shí)才采用軋制法。擠壓工藝按被擠壓金屬相對(duì)于擠壓軸的運(yùn)動(dòng)方向不同，分為正擠壓和反擠壓兩種，目前建筑鋁型材的生產(chǎn)大多為正擠壓法。擠壓時(shí)，將鑄錠放入擠壓筒中，在擠壓軸的壓力作用下，使鋁材通過?？锥鴶D出，則可制得與?？壮叽绾托螤钕嗤闹破?。

（二）鋁合金建筑型材的表面處理

由于鋁材表面的自然氧化膜很薄而耐腐蝕性有限，為了提高鋁材的抗蝕性，需要對(duì)其進(jìn)行表面處理。目前鋁合金表面處理技術(shù)主要有陽極氧化、電泳技術(shù)、噴塑技術(shù)等幾種，其中最耐久的是金屬氧化技術(shù)，但由于它的顏色只有古銅色和鋁合金本色兩種，因此在氧化處理的同時(shí)，常又進(jìn)行表面著色處理，以增加鋁合金制品的外觀美。表面處理后還需進(jìn)行封孔處理。國家標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金建筑型材第2部分：陽極氧化型材》（GB　5237.2—2008）規(guī)定，陽極氧化著色鋁合金建筑型材的表面處理方式有：陽極氧化（銀白色），陽極氧化加電解著色和陽極氧化加有機(jī)著色?！朵X合金建筑型材第3部分：電泳涂漆型材》（GB　5237.3—2008）規(guī)定，電泳涂漆鋁合金建筑型材的表面處理方式有：陽極氧化加電泳涂漆和陽極氧化、電解著色加電泳涂漆。

陽極氧化處理是通過控制氧化條件及工藝參數(shù)，使在經(jīng)過預(yù)處理的鋁材表面形成比自然氧化膜（小于0.1μm厚）厚得多的氧化膜層（10～25μm厚）。陽極氧化膜是鋁合金建筑型材的主要質(zhì)量特性之一，膜厚會(huì)影響到型材的耐蝕性、耐磨性、耐候性，影響型材的使用壽命，因而在不同環(huán)境下使用的鋁合金型材應(yīng)采用不同厚度的氧化膜。

鋁合金建筑型材還有以熱固性飽和聚酯粉末作涂層（簡稱噴粉型材）和以聚偏二氟乙烯漆作涂層（簡稱噴漆型材）的表面處理方法?；膰娡壳?，其表面應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理，以提高基體與涂層的附著力?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化膜應(yīng)有一定的厚度，當(dāng)采用鉻化處理時(shí)，鉻化轉(zhuǎn)化膜的厚度應(yīng)控制在200～1300 mg／m²范圍內(nèi)（用重量法測定）。噴漆型材的涂層有二涂層（底漆加面漆）、三涂層（底漆、面漆加清漆）和四涂層（底漆、阻擋漆、面漆加清漆）三種。標(biāo)準(zhǔn)GB　5237.4—2008和GB　5237.5—2008分別規(guī)定了粉末靜電噴涂和氟碳漆噴涂鋁合金建筑型材的要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等。

五、常用建筑鋁合金制品

（一）鋁合金門窗

鋁合金門窗是將按特定要求成型并經(jīng)表面處理的鋁合金型材，經(jīng)下料、打孔、銑槽、攻絲等加工，制得門窗框料構(gòu)件，再加連接件、密封件、開閉五金件等一起組合裝配而成。國家標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金門窗》（GB／T　8478—2008）具體規(guī)定了鋁合金門窗的分類、規(guī)格、代號(hào)、要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等。

按開啟形式不同，鋁合金門分折疊（代號(hào)Z）、平開（P）、推拉（T）、地彈簧（DH）和平開下懸（PX）等五種。鋁合金窗分固定（代號(hào)G）、上懸（S）、中懸（C）、下懸（X）、立轉(zhuǎn)（L）、平開（P）、滑軸平開（HP）、滑軸（H）、推拉（T）、推拉平開（TP）和平開下懸（PX）等十一種。

按性能鋁合金門窗分普通型、隔聲型和保溫型三種。

對(duì)鋁合金門窗的性能要求主要有下面幾點(diǎn)。

1.氣密性。關(guān)閉著的外門窗阻止空氣滲透的能力，以單位縫長空氣滲透量表示，即外門窗在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，壓力差為10 Pa時(shí)單位開啟縫長空氣滲透量q₁和單位面積空氣滲透量q₂作為分級(jí)指標(biāo)。根據(jù)《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能分級(jí)及其檢測方法》（GB／T 7106—2008）進(jìn)行檢測。

2.水密性。關(guān)閉著的外門窗在風(fēng)雨同時(shí)作用下，阻止雨水滲漏的能力。采用嚴(yán)重滲漏壓力差值的前一級(jí)壓力差作為分級(jí)指標(biāo)。根據(jù)《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能分級(jí)及其檢測方法》（GB／T　7106—2008）進(jìn)行檢測。

3.抗風(fēng)壓性。關(guān)閉著的外門窗在風(fēng)壓作用下，不發(fā)生損壞和功能障礙的能力。采用定級(jí)檢測壓力差值P₃為分級(jí)指標(biāo)。根據(jù)《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能分級(jí)及其檢測方法》（GB／T　7106—2008）進(jìn)行檢測。

4.保溫性。在門或窗戶兩側(cè)存在空氣溫差條件下，門或窗戶阻抗從高溫一側(cè)向低溫一側(cè)傳熱的能力。門或窗戶保溫性能用其傳熱系數(shù)或傳熱阻表示。傳熱系數(shù)（K 0）指在穩(wěn)定傳熱條件下，門或窗戶兩側(cè)空氣溫差為1 K（絕對(duì)溫度），單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的傳熱量（W／（m²·K））。根據(jù)《建筑外門窗保溫性能分級(jí)及檢測方法》（GB／T　8484—2008）進(jìn)行檢測。

5.隔聲性。鋁合金門窗的隔聲性能常用隔聲量（dB）表示。它必須在音響試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)其進(jìn)行音響透過損失試驗(yàn)。根據(jù)《建筑門窗空氣聲隔聲性能分級(jí)及檢測方法》（GB／T 8485—2008）進(jìn)行檢測。

建筑用門的性能應(yīng)根據(jù)建筑物所在地區(qū)的地理、氣候、周圍環(huán)境以及建筑物的高度、體型、重要性等進(jìn)行選定。

（二）鋁合金裝飾板

用于裝飾工程的鋁合金板，其品種和規(guī)格很多。按表面處理方法分有陽極氧化處理及噴涂處理裝飾板兩種。按常用色彩分有銀白色、古銅色、金色、紅色、藍(lán)色等。按幾何尺寸分有條形板和方形板，條形板的寬度多為80～100 mm，厚度為0.5～1.5 mm，長度6.0 m左右。按裝飾效果分，則有鋁合金花紋板、鋁合金波紋板、鋁合金壓型板、鋁合金淺花紋板、鋁合金沖孔板等。

1.鋁合金壓型板。鋁合金壓型板是目前應(yīng)用十分廣泛的一種新型鋁合金裝飾材料，它具有質(zhì)量輕、外形美觀、耐久性好、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，通過表面處理可獲得各種色彩。主要用于屋面和墻面等。

2.鋁合金花紋板。鋁合金花紋板是采用防銹鋁合金等坯料，用特制的花紋軋輥軋制而成。花紋美觀大方，筋高適中、不易磨損、防滑性能好，防腐蝕性能強(qiáng)，便于沖洗。通過表面處理可得到各種顏色。廣泛用于公共建筑的墻面裝飾、樓梯踏板等處。