铝材：无限受益

铝材重量超轻、强度高并可循环使用，也是地壳中蕴藏最丰富的的金属。但是，使用铝材时仍须考虑诸多因素。

50多年来，铝材一直主导航空工业。现在，其他工业亦开始关注这种神奇金属。

福特近期推出全铝车身的F-150皮卡。2008年，苹果的最新MacBook笔记本电脑采用阳极氧化率外壳，被视为经典设计，一年后，美国包装行业的铝材用量已超过运输行业。

铝材为何是神奇金属？

来自英国铝材行业联合会ALFED的David Harris介绍铝材的优势：

“铝材质量轻，强度高，易于冲压成型。铝材具有出色的抗腐蚀能力，可通过焊接、粘合和机械方法连接。铝材经过阳极氧化和涂料处理后，可实现多种别具特色的表面效果，提高外观美感之余，同时进一步提高抗腐蚀性能。铝材是理想的导电体，同等体积的导电能力高于铜，而价格仅为铜的四分之一，还具有理想导热性能。重要的是，铝材还能不断循环利用，品质无任何损失。”

尽管拥有诸多优势，汽车行业巨擘青睐铝材仅有一个原因：重量轻。车重降低能带来更高的燃油效率（福特宣称最新F-150的重量将减轻700磅，约318公斤），令产品更具吸引力。

纯铝很少用于工业用途，往往与铜、镁、锰、硅和锌混合，制成铝合金。

冲压过程是将预热的圆柱形铝锭推入钢制模具，形成可以一起轻松滑动的复杂分区。

Harris补充：“在冲压尺寸范围内，冲压区域形状不受任何限制，完全取决于设计师的想象力。”

作为基础金属，纯铝具有出色抗腐蚀性能；但如果与贵金属（例如金、银或铜）相连，则铝材可能被腐蚀。因此应避免铝材接触强酸或强碱溶液（pH值范围在3.5-8.5以外），或有必要采取抗腐蚀措施。

Nord-Lock集团项目经理Frida Cullin，在材料科学领域拥有深厚的工作背景，当被问及腐蚀环境下应选用何种等级的螺栓时，她表示：“很难给出明确的使用建议，这完全取决于铝材的用途。”

“钢制螺栓和不锈钢螺栓均可与铝材一起使用，但我们建议客户先向供应商了解目前使用的是何种铝材，然后再寻求抗腐蚀方面的指导。”她补充。

连接铝材有多种合适的方法，包括焊接、锡焊、胶粘、钉子及螺栓连接。

对所有合金而言，焊接会造成强度损失，尤其是焊接处周围。热处理可恢复合金特性，但该处理存在导致内部元素分离的风险，即金属可能出现内部腐蚀。由于合金5083在与其他标准合金焊接过后依然提供最高强度，因此特别适合焊接。

至于螺栓连接，则通常使用标准的钢制紧固件（例如等级8.8的钢制螺栓），这类产品强度更高，成本较低。

Cullin表示：“如果连接处要承受温度变化，铝制螺栓是理想选择；如果夹紧部分的材质与螺栓相同，更可降低组件应力增加的风险，并减低不同热膨胀率造成夹紧力下降的风险。”

铝材很容易变形，无法承受高压，如果铝材夹具与钢制紧固件配合使用，应考虑降低负荷。或者在螺栓头下方添加垫圈，向更大区域分散负荷，从而提高夹紧力。Nord-Lock楔形制锁sp防松垫圈拥有加大外直径，是理想的解决方案。

Cullin补充：“建议将sp垫圈与法兰紧固件配合使用，这在低性能等级应用中十分常见。”

如果使用铝材的螺丝孔，应牢记铝材的最小螺纹咬合长度比刚才更长。一个螺纹嵌入件可能需要螺纹孔强度也增加，尤其在连接处经常重新旋紧的情况下。自穿孔铆钉是结合两张或多张铝板的方法之一，亦可用于将铝板与无法焊接的其他材料相连，例如塑料。这种自动化的可能性吸引行业选择自穿孔铆钉。早在2000年，挪威科技大学研究创新中心的SIMLab就开始深入研究自穿孔铆钉。

SIMLab主任Magnus Langseth教授解释：“我们在研究中很早便认识到，加工流程会影响连接处的特性。铆钉会导致材料变形，影响之后的机械性反应。”

“我们设计并验证了多种模拟铆钉固定流程的模型。最新模型植入LS-DYNA模拟软件，利用铝材与铝材铆钉结合的实验数据库进行优化。此外，钢制铆钉可能在回收利用阶段带来挑战，SIMLab已经开展研究项目，采用铝制铆钉替代钢制铆钉，前景很有希望。”

目前，全球每年铝材产量约4,500万吨，超过其他所有非铁金属的总和。行业分析师预测，2012-2016年，全球汽车铝制车轮行业的年均复合增长率为8.48%，多数增加的产量将外包给中国市场。该增长体现全球初级生产的变化趋势，ALFED的David Harris指出：

“过去10年，中国初级生产的增长速度惊人，目前约占全球总数的一半。欧洲的初级生产则正在下滑，主要因素为成本较低的长期能源供应，欧盟吧排放和税务法律的影响以及偏低的初级金属价格。”

铝材几乎可以无限循环使用，但加工过程能耗较高，且可能排放废物。随着社会对环保日趋注重，铝材回收利用是否有理想前景？

剑桥大学的Jonathan Cullen曾联合发表名为《全球铝材流动分析：液态铝至最终产品》的研究报告。

他认为主要存在两大问题：

Cullen表示：“首先，每年约半数液态铝并未形成最终产品。”主要原因为熔渣、铝氧化和加工废料。

“其次，对于铝材回收利用，要想避免高能耗成本和电解废物排放，需要大幅度稀释高等级铝材流动，弥补废料供应短缺，实现所需的合金混合，提高回收利用的能耗要求。”

Cullen认为限制目前产品中不同合金的数量有助未来的分离和合金回收利用。

“行业还应探索更好重复利用废弃产品的方案，避免完全回收利用。”

铝材在各行业的应用

• 运输行业——铝材质量较轻，可降低汽车、卡车和火车的整体重量，减少油耗。铝材对航空工业尤其重要。
• 机械行业——铝材强度较高，机械加工难度低，应用多样。
• 建筑行业——铝材耐腐蚀，维护成本低，普遍用于窗户、门廊和房顶。
• 电子行业——导电性能与铜相当，但重量更轻。
• 包装行业——应用灵活多样，例如餐盘、食品容器和锡纸，还可用于食品饮料罐和喷雾罐。
• 体育用品行业——重量轻，容易塑造成不同形状。

你是否知道？

铝材其实有两种不同的名称。欧洲、澳大利亚和国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）采用的首选拼写为Aluminium。美国和加拿大普遍采用Aluminum并得到IUPAC的承认。