8.4铝合金及其在建筑中的应用

8.4.1　铝合金

8.4.1.1　铝

铝在自然界以化合态（主要是氧化物）存在，含氧化铝的矿石主要有铝矾土、高岭土、矾土岩石、明矾石等。铝的冶炼是从含铝矿石中提取氧化铝，然后用电解法从氧化铝中提炼金属纯铝。铝属于有色轻金属，银白色呈闪亮的金属光泽，抛光的表面对光和热有90%以上的高反射率；密度为2.7g/cm3，仅为钢的1/3；其熔点较低，导电、导热性能优良，仅次于铜；其化学性质很活泼，在空气中暴露，很容易与氧发生氧化反应，生成很薄的一层氧化膜，从而起到保护作用；铝具有一定的耐蚀性，但自然形成的氧化膜厚度0.1μm左右，故抵抗不了盐酸、浓硫酸、氢氟酸等强酸、强碱及氯、溴、碘等卤族元素的腐蚀；有良好的塑性和延展性，极易制成棒、线材，可用挤压法生产薄壁空腹型材；纯铝的强度为抗拉强度和硬度较低，因此在结构工程和装饰工程中常采用的是掺入合金元素后形成的铝合金。

8.4.1.2　铝合金及其特性

铝合金是在纯铝中加入适量的铜、镁、锰、硅、锌等元素而得到的。加入这些元素后，在铝原有的优良特性的基础上保持铝的固有特性，增加或改善了性能，如强度、硬度提高，屈服强度达210～500MPa，抗拉强度高达380～550MPa；密度小，其比强度高，为73～190MPa；是一种轻质高强材料；耐腐蚀性有较大的提高；低温性能好；易着色，有较好的装饰性。铝合金的缺点有:弹性模量小，仅为钢的1/3，刚度较小，变形较大；耐热性差，热胀系数大，可焊性差。

8.4.1.3　铝合金分类及牌号

1.分类

铝合金按加工工艺分为变形铝合金和铸造铝合金:

（1）变形铝合金，指通过冲压、弯曲、辊轧、挤压等工艺使合金组织、形状发生变化的铝合金；变形铝合金按其性能分为防锈铝、硬铝、超硬铝、煅铝、特殊铝和硬钎铝。

（2）铸造铝合金，供不同种类的模型和方法（砂型、金属型、压力铸造等）铸造零件用的铝合金。

2.变形铝合金牌号

变形铝合金的牌号用汉语拼音字母和顺序号表示，顺序号与合金钢牌号中的数字不同，不表示合金含量范围，而只是表示顺序号。变形铝合金牌号中的汉语拼音字母含义如表8-12所示。

表8-12　变形铝合金的代号

8.4.2　铝合金建筑型材

8.4.2.1　铝合金型材的加工方法

铝合金在建筑工程上一般是应用型材。有轧制和挤压两种加工方法。轧制工艺只能加工截面形式较简单的型材。铝合金型材生产方法一般采用挤压法。

挤压法分为正挤压、反挤压两种。一般多为正挤压法。正挤压法是在挤压过程中，挤压筒固定不动，加热至400～450℃、直径为100～150mm、长4m左右的圆柱形铝坯材在挤压轴力的作用下，通过挤压模成型材。因铝坯移动的方向与轴推力相同，称为正挤压。反挤压法是在挤压过程中，带有型材断面形状的空心挤压轴不动，而挤压机的压力通过堵头向封闭在挤压筒内的加热圆形铝坯材施加压力，使其从空心挤压轴内流出成型材。因铝坯是沿着与空心挤压轴相反的方向流出称为反挤压，铝合金正、反挤压加工工艺示意图如图8-14所示。

图8-14　铝合金正、反挤压加工工艺示意图

（a）正挤压；（b）反挤压
1—挤压阀；2—挤压轴；3—铸锭或毛料；4—挤压模；5—挤压制品；6—堵头

8.4.2.2　铝合金型材的表面处理

铝材表面自然氧化而生成的氧化膜很薄，耐蚀性满足不了使用的要求。为保证铝材的使用，需对铝合金材料表面进行处理，提高表明氧化膜的厚度和表面着色，增加耐蚀性能及表面的装饰性，这个过程称为铝合金的表面处理。

铝合金型材的表面处理有:表面预处理、阳极氧化、表面着色、封孔处理等四个过程。

1.表面预处理

铝型材成型后，往往存在着不同程度的灰尘、油污、擦痕等表面污染和缺陷，在表面处理前必须对其进行清除，使表面处理后获得较好的质量。

表面预处理一般有除油、碱洗、中和等工序:

（1）除油。用碱性溶液对其表面进行处理。

（2）碱洗。用碱溶液进一步清除表面附着的油污、自然氧化膜及擦痕等。

（3）中和。将碱洗后的铝材光面的灰、黑色的附着物在酸中（稀硫酸或硝酸溶液）溶解，以获得光亮清洁的金属表面。中和处理后的铝型材应用水清洗，防止铝合金型材表面受到污染。

2.阳极氧化处理

阳极氧化处理即为增加铝材表面氧化膜的厚度而进行的表面处理。铝合金型材表面人工形成的氧化膜具有优良性能。氧化膜与基体结合牢固，耐机械变形、不脱落、不导电、不导热、导热系数小于其他金属、良好的化学稳定性、抗腐蚀性、氧化膜涂料具有良好的黏结能力。

阳极氧化处理分阳极氧化和化学氧化两种:

（1）阳极氧化。将铝制品作为阳极置于电解液中，阴极为化学稳定性高的材料（如铅、不锈钢等），通电后，电解液中的氢离子向阴极运动，在阴极上得到电子而还原为氢气放出。在阳极（铝型材）水电解生成的氧负离子与铝形成氧化铝膜层。可在铝材表面形成比自然形成的氧化膜（0.1μm）厚得多（可达5～20μm）的氧化膜层，应用广泛。

（2）化学氧化。所形成的氧化膜薄，抗蚀性及硬度较低，一般只用作有机涂层的底层处理和暂时性的防腐保护层。

3.表面着色

表面着色是为使铝材满足装饰工程的需要，在经阳极氧化后的铝型材的表面通过各种工艺处理的基础上，形成不同色调。常见的着色方法有自然着色法、电解着色法:

（1）自然着色法。在特定的电解液和阳极氧化条件下，利用铝合金本身所含的不同合金元素，在阳极氧化的同时产生着色的方法。

（2）电解着色法。对硫酸法阳极氧化后的型材进行电解，利用电解液中的金属盐阳离子沉积到氧化膜层针状孔的孔底而使铝型材着色的工艺。

4.封孔处理

封孔处理是指在阳极氧化和着色处理后在型材使用前把氧化膜的孔隙封住的工艺过程。(www.xing528.com)

常采用的封孔处理方法有水合封孔、金属盐溶液封孔和有机涂层封孔:

（1）水合封孔。利用沸水或蒸气处理型材，使水在高温条件下与氧化铝反应生成含水氧化铝，体积膨胀约33%，从而堵塞孔隙。

（2）金属盐溶液封孔。将铝型材浸在金属盐溶液中，利用氧化膜的水化、盐类分解生成的氢氧化物或金属盐与着色染料生成的金属络合物，在膜孔底部析出从而封孔。

（3）有机涂层封孔。在铝型材表面利用浸渍和电泳涂漆等方法覆盖有机涂料，达到封孔的目的。

8.4.3　装饰用铝合金制品

8.4.3.1　铝合金门窗

门窗的框体材料经历了由木—钢—铝合金等几个阶段。铝合金精外观美、节约能耗，逐渐替代了传统门窗材料。

1.铝合金门窗的特点

铝合金门窗的特点有以下几方面:

（1）强度高、重量轻。铝合金的密度为钢的1/3，但强度却接近于普通低碳钢，是轻质高强材料。

（2）密封性能好。铝合金型材加工精度高、刚度大；气密性、水密性好，密封性比木门窗、钢门窗有显著的提高，适用于防尘、隔声、保温、隔热有特殊要求的建筑物。

（3）耐腐蚀、坚固耐久。优良的耐腐蚀性能、不褪色，刚度大、不变形；轻便灵活、坚固耐用，耐久性好。

（4）施工方便、生产效率高。采用预制型材可用挤出法一次成型。加工、安装简便，生产效率高。

（5）装饰效果好。表面可保持铝本身的银白色，也可着成各种其他的颜色，如古铜色、暗红色、黑色等颜色。

2.铝合金门窗的技术性能

（1）抗风压强度。将铝合金门窗放置在标准压力箱内，通以压缩空气，根据主要受力构件达到一定变形值时的压力差值作为其风压强度值。其值越高，铝合金门窗的抗风压性能越优良。

（2）隔声性。铝合金门窗对声波的阻隔性能。用置于音响试验室内的门窗对一定频率的音响声波的透过损失来表示，称为空气声计权隔声量。铝合金门窗的声计权隔声量应分别在25dB、30dB、35dB、40dB以上，分别对应于隔声V级、Ⅳ级、Ⅲ级和Ⅱ级。

（3）隔热性。铝合金门窗的隔热性以传热阻值分为三级:一级传热阻值不小于5.0，二级传热阻值不小于0.33，三级传热阻值不小于0.25。以一级的隔热性最好。

（4）气密性。气密性是指空气通过关闭铝合金门窗的性能。将铝合金门窗置于标准压力试验箱内，试件前后保持10Pa压力差情况下，测定每小时透过单位面积的空气渗透量来表示。

（5）水密性。铝合金门窗在一定的脉冲平均风压下，保持不渗漏水的性能。水密性指标是指按规定标准对门窗试件施行人工降雨，并在外侧施以脉冲风压力，经10min保持不漏雨所加的脉冲风压值。

（6）开闭力。装好玻璃后的铝合金门窗，动扇启闭外力应不大于50N。

3.铝合金门窗的品种、规格

（1）品种。铝合金门窗按启闭方式分推拉门（窗）、平开门（窗）、固定门（窗）、悬挂窗、回转窗、百叶窗等:

1）推拉门（窗）:门（窗）可左右推拉启闭的门（窗）。

2）平开门（窗）:门（窗）扇可绕合页旋转启闭的门（窗）。

3）固定窗:固定不开启的窗。

4）百叶窗:由铝合金页片组成的，用于通风或遮阳，页片角度可调的窗。

（2）规格。铝合金门（窗）的尺寸规格取决于洞口平面尺寸，铝合金门（窗）的实际产品的尺寸比洞口平面尺寸每侧各少15～18mm，以保证门窗外框与洞口的安装缝隙。铝合金门窗品种规格如表8-13所示。

表8-13　铝合金门窗品种规格

4.铝合金门窗的应用

铝合金门窗是新型建筑材料制品，其性能优良、耐久性和装饰效果好。可用于对气密性、水密性、隔声性和节能、防火有特殊要求的建筑；采用铝合金窗，其鲜明的金属光泽、坚挺的构造线条和多变的色调，使建筑物的立面造型和层次效果好，广泛应用于多高层公用建筑和普通民用住宅。

8.4.3.2　铝合金装饰板

铝合金装饰板是选用纯铝或铝合金为原料，经辊压冷加工而形成的饰面板材。

1.花纹板

花纹板采用防锈铝、纯铝或硬铝，用表面具有特制花纹的轧辊轧制而成。花纹板通过表面着色，可获不同色彩，美观大方、不易磨损、防滑性能好、板面平整、尺寸准确、便于安装，广泛用于楼梯、踏板等防滑部位和一些内墙装饰。

2.铝质波纹板和压型板

铝质波纹板和压型板采用纯铝或铝合金平板经机械加工而成异形断面板材。其重量轻、外形美观、色彩丰富、利于排水、安装容易、隔热、保温好等。广泛应用于厂房、车间等建筑物的屋面和墙体饰面。

8.4.3.3　铝合金穿孔吸声板

铝合金穿孔吸声板是指在铝合金板材上用机械加工的方法冲出孔径大小、形状、间距不同的孔洞而制成的具有吸声、装饰性能的板材。铝合金穿孔吸声板具有吸声、降音好、强度高、质量轻、防火防潮、耐腐蚀等特点，同时造型美观、安装简便、易维修，广泛应用于宾馆、饭店、播音室和各类厂房的吊顶。