第三篇(01铝合金)10

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1、第三篇 铸造非铁合金及其熔炼,概述,非铁合金（有色合金）具有许多优良的性能，如密度小、比强度大、比模量高、耐腐蚀以及良好的导电性和导热性。同时许多有色金属又是制造各种优质合金钢和耐热钢所必需的合金元素，因此有色金属在金属材料中占有重要地位，是航天、航空、原子能、计算机、电子、汽车、船舶、石油、化工等工业必不可少的材料。,银、铜、铝等有色金属，导电性和导热性优良，是电力、电器工业和仪表生产不可缺少的材料；,非铁合金的生产和应用规模反映一个国家工业现代化的程度。,铝、镁、钛等金属及其合金，以密度小、比强度与比模量高的特性而在运载火箭、卫星、飞机、汽车、船舶上获得广泛应用，是制造许多结构件和零、部件

2、的主要材料；,铜、钛具有良好的抗蚀性，是石油、化工和航海工业所必需的材料。,铸造铝合金（！）,内容包括,铸造铜合金,铸造镁合金,铸造锌合金,本篇内容包括目前工程上应用广泛的铝、铜、镁、锌合金，讨论这些材料的合金化和热处理，以及典型合金的成分、组织、性能及相互关系、工艺特性与实际应用。,第三篇 铸造非铁合金概述,合金种类多,本篇特点,合金元素多,组织中的相多,热处理方式多,第十四章 铸造铝合金,合金化后铝合金具有多种不同的性能，是工程中应用最多的非铁合金。表现在交通运输、化工、建材、体育器械、家用电器等方面得到广泛应用。,铝是非铁合金中最常用的金属，产量较大。具有多种优良的性能： 导电、导热、耐

3、腐蚀、密度小、熔点低、结晶潜热大、表面光洁。,最常加入的合金元素有： Si( 过剩相强化)、Cu(固溶强化和沉淀强化)、 Mg(固溶强化、抗腐蚀、含量高沉淀强化）、Zn（固溶强化）； 微量合金元素 Ti、B（细化组织强化）。,纯铝强度低，因此需要进行合金化（热处理）提高其性能。,铸造铝合金,铝合金具有良好的铸造性能。由于熔点较低（纯铝熔点为660.23oC，铝合金的浇注温度一般约在730750oC左右），能采用金属型及压力铸造等铸造方法，以提高铸件的质量、尺寸精度和表面光洁程度以及生产效率。,铝合金由于凝固潜热大，在相同条件下，铝液的凝固过程时间的延续比铸钢和铸铁长得多，充型能力好，有利于铸造

4、薄壁和结构复杂的铸件。,铸造铝合金的分类,铸造铝合金的分类、牌号,铝合金按照加工方法的不同分为两大类：压力加工铝合金（YL表示）铸造铝合金（ZL表示）。,铝硅类合金（ZL1）Si=5%,铝铜类合金（ZL2）Cu=4%, 铝镁类合金（ZL3）Mg=5%,铝锌类合金（ZL4）Zn 10%,在铸造铝合金中又根据加入的主要合金元素的不同而分为四个系列， 每个系列中又按照化学成分及性能的不同而分为若干牌号。,p264265 表12-1中列出了国家标准所包括的几种铸造铝合金的牌号、成分、性能等,第一节 铝硅类合金,铝硅类合金的特点(与其它铝合金相比),Al-Si类合金一般以4%14%Si为基本合金成分，有

5、时还加入Cu、Mg、Zn、Mn、Ti、Ni等一种或多种合金元素构成Al-Si多元合金。,AlSi二元合金,1、共晶温度高(577)； 2、Si在固态铝中的溶解度最小(最大值1.65%)； 3、共晶成分含硅量最少(12.6%)； 4、结晶温度间隔最小（常用的成分而言）。,AlSi多元合金,第一节 铝硅类合金（二元合金）,铝硅二元合金的组织、性能,铝硅二元合金构成简单的共晶相图。室温下只有（Al）和（Si）两相，共晶成分在12.6%Si处，由于结晶硅带入微量的磷生成AlP促使亚共晶合金中出现初晶硅，并使共晶硅变成粗大的板片状。,随硅量变化，合金的性能有较大变化，见P263Fig 12-2、Fig1

6、2-3、Fig12-4、Fig 12-5。,图12-1 Al-Si二元相图,Si量对Al-Si二元合金铸造性能的影响,Si量对Al-Si二元合金性能的影响,T6-固溶处理+完全人工时效,T8-固溶处理+软化回火,铝硅二元合金,典型的Al-Si二元合金是ZL102合金，成分是Si10-13%，其余是Al，组织为(Al)+（+）+少量初生Si，性能特点如下：,力学性能指标不高，热处理强化效果小; 铸造性能好; 耐磨、耐蚀、耐热好;,考虑合金的使用性能和工艺性能，工程中使用的铝硅二元合金多是亚共晶或共晶成分，其含硅量一般为7-12%。,生产工艺上需要进行变质处理!,铝硅二元合金,铝硅合金的变质处理,

7、变质剂：Na、Sr 、RE,变质效果：,铝硅二元合金铸造性能好，可用于铸造薄壁、复杂、气密性要求高的铸件，生产中应用较广泛。,不能通过热处理强化，硅在铝基体中扩散速度快、易析出。,脆性 韧性；,粗大、板片状 细小、纤维状；,初生+ （+） 初生+（+细小）；,共晶平台温度低、共晶点右移。,变 质 前,变质后,第一节 铝硅类合金（多元合金）,铝硅多元合金,Al-Si-Cu-Mg系合金,Al-Si-Mg系合金,Al-Si-Cu系合金,铝硅多元合金-Al-Si-Mg系合金,Al-Si-合金中加入Mg(0.5%)构成Al-Si-Mg三元合金，镁有显著的强化效果，形成Mg2Si(硬而脆)，经固溶处理（淬

8、火），时效产生很强的时效强化效果，强度提高。 Al-Si-Mg三元合金有ZL101、ZL104。,ZL101 亚共晶成分(Si 68%，Mg0.20.4%)，铸态组织为树枝状+(+)共晶体，晶界上有少量Mg2Si。变质处理后针状共晶硅变为“点”状。,固溶处理（淬火），经时效沉淀析出Mg2Si ，力学性能进一步提高好；可以铸造薄壁、复杂件，但有形成缩松倾向；耐热性较差（150 ）,铝硅多元合金- Al-Si-Mg,ZL104变质前,ZL104变质后,Al-Si-Mg合金的发展方向：提高镁量、加入细化剂Ti、控制杂质Fe的含量、提高固溶处理温度（ZL101A）。,ZL104,Si 8.010.5%

9、，Mg0.170.3% ,Mn0.20.5% ，Mg 的作用同上，Mn 具有固溶强化、消除Fe的有害作用，改善塑性改变针状富铁相，形成骨架状的AlFeMnSi相 ，韧性得以改善；力学性能好，铸造性能优良，耐热温度略有提高（ 185 ） 。ZL104用途广泛，可生产多种铸件（发动机缸体、缸盖、曲轴箱等），有集中缩孔倾向。,铝硅多元合金- Al-Si-Cu,Al-Si合金中加入Cu，使相得到强化，提高合金的热强性，组织中出现CuAl2，不经热处理就有较好的机械性能，因此常用作压铸合金，若固溶和时效处理可得到较高的机械性能，并具有良好的热强性。,典型的合金是ZL107，Si6.57.5%,Cu3.5

10、4.5。铸态组织为+（+）+（+ CuAl2），强度、韧性都很好，具有很高的热强性（250 ） ，切削加工性能好，但因铜的加入，耐腐蚀性有所下降。,在Al-Si-Cu合金的基础上加入少量的Mg、Zn、Mn等合金元素，形成一系列压铸合金，铸态下就具有较高的力学性能。,卧式压铸机工作过程示意,铝硅多元合金（ Al-Si-Cu-Mg系 ）,在Al-Si合金的基础上中同时加入Cu、Mg合金，在组织中会出现、Mg2Si、CuAl2 、W（Al4Mg5Cu4Si4）等多种相，使合金的时效强化效果提高。如ZL105、ZL111等。,ZL105（ZAlSi5Cu1Mg)成分Si4.55.5%、Cu1.01.5

11、%、Mg0.40.6%。铸态组织： +（+）+ （+ CuAl2 ）+微量W（Al4Mg5Cu4Si4）铸态下具有较好的力学性能；硅量不高，可以不变质处理。,ZL111（ZAlSi9Cu2Mg)成分Si8.011.0%、Cu1.31.8%、Mg0.40.6%、Mn0.10.35%、Ti0.10.35%。铸态组织：与ZL105铸态组织相仿。只是共晶体数量更多，需要变质处理。经分级固溶处理、人工时效处理后具有较好的力学性能。,活塞合金（共晶、过共晶Al-Si合金）,对活塞合金的要求：密度小、质量轻、导热好、膨胀小、高温强度高、耐磨、耐蚀、稳定性好。,目前使用的有：共晶Al-Si合金、过共晶Al-S

12、i合金。,ZL108（ZAlSi12Cu2Mg） ZL108成分：Si11%13%、Cu12%、Mg0.41.0% 、Mn0.30.9%， 铸态组织为(Al)+（+（Si）+少量Mg2Si、 CuAl2 ； 热处理后沉淀析出硬化相Mg2Si、 CuAl2 。,ZL109（ZAlSi12Cu1Mg1Ni1） 在ZL108成分的基础上加Ni0.8-1.5%就构成ZL109。 其组织中有富镍的热强相Al6Cu3Ni，高温性能更好，但成本提高。,铸造铝合金活塞金属型示意图,活塞合金（过共晶Al-Si合金）,（一） 过共晶Al-Si合金,过共晶Al-Si合金活塞含硅高达17%-26%，用于高功率及增压内

13、燃机。分为三组： Si17-19% 铸造性能好 Si20-23% 服役性能好 Si24-26% 脆性大、铸造性能差（主要用于高速摩托车或赛车的活塞）,加入铜、镁能形成CuAl2、Mg2Si 相强化合金；加入镍可提高热稳定性，因镍价格昂贵，我国主要加入稀土取代镍，具体成分、性能见p277表12-5。,（二） 过共晶Al-Si合金的变质（加P细化初生硅）,加P细化机理：P以AlP的形式存在于合金中，成为初晶硅的非均质形核的核心,过共晶铝硅合金的主要缺点是切削加工困难，刀具磨损严重。通常加入少量的铅、铋可改善切削性能。,对亚共晶铝硅合金可能出现初生硅；对过共晶铝硅合金，因AlP数量不足仅提供少量非均

14、质晶核，发展成大块初晶硅，须加磷细化初晶硅。,过共晶Al-Si合金（加P变质）,变质前,加0.15%P变质,Modification effects of SiP on Al24%Si alloy in different adding sequences,(a) unmodified Al24%Si,(c) Adding 0.3%SiP and Si simultaneously to Al;,(b) adding 0.3%SiP directly into Al24%Si alloy,(d) adding 0.3%SiP to Al first, silicon is added 30mi

15、n later.,铝硅类合金中的杂质,常见的杂质元素是Fe 、P 、Sn、 Pb、 Ca,铁：出现脆化相Si （Al9Fe2Si2 ）,钙：钙形成硅化钙、磷化钙等高熔点的化合物，降低流动性，形成缩松，并使合金的脆性增加。,锡、铅：能形成低熔点的共晶体，使热处理过程中出现过烧组织，但可改善切削性能；,磷：使Na 变质失效；促使脆化相Si出现,第二节 铝铜类合金,因、间有较大的电极电位差，易引起电化学腐蚀，耐腐蚀性差；铝铜合金的铸造性能较差（结晶温度间隔大，流动性、缩松、开裂），铝铜合金密度大，比强度小。由于上述特点，铝铜合金的使用不及铝硅合金普遍，一般作为耐热合金使用，同时作为高强度铝合金的基础

16、。,采用充分时效强化和细化相晶粒度，增大相晶界表面积是传统上提高铝铜合金性能的途径，近年来提高净化铝液及稀土处理等方法减少气体及夹杂物，进一步提高铝铜合金性能取得了良好的效果。,概述,铝铜类合金含210%Cu及其它合金元素，这类合金在平衡状态下具有+（CuAl2），合金元素铜除对产生固溶强化效果外，还产生时效强化效果，但相应地降低塑性，铝铜类合金在常用的几类铝合金中强度是最高的，且由于（CuAl2）相的热稳定性高，合金也具有高的热强性，是耐热铝合金。,第二节 铝铜类合金（铝铜二元合金 ）,铝铜二元合金,铝铜二元合金有两种成分： 含Cu9-11%的ZL202 含Cu4-5%的ZL203,铝铜多元合金,在ZL203成分的基础上加入少量锰等其它合金元素即构成铝铜多元合金。如ZL201，Cu4.55.3%,Mn0.6-1.0%、Ti0.15-0.35%，锰一部分固溶于(Al)中，另一部分形成TMn（ Cu2Mn3Al20 ） 相。,