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1、铸造有色合金及熔炼分四讲： 第一讲 铸造铝合金及其熔炼， 第二讲 铸造铜合金及其熔炼， 第三讲 铸造镁合金及其熔炼， 第四讲 铸造锌合金及其熔炼,现在开始讲第一讲：铸造铝合金及其熔炼,本讲主要内容是： 1.铸造铝合金的特性：包括合金种类，显微组织，热处理，铸造性能和力学性能。 2.铸造铝合金熔炼及熔体处理：包括熔炼炉、熔炼工艺流程，精炼净化、细化处理、变质处理，以及熔体质量控制,第一节 铸造铝合金的特性 1.纯铝的特点 铝是非铁金属中最常用的金属，它密度小，有良好的导电、导热性能，并且塑性好，无低温脆性、无磁性，容易回收再生。,纯铝表面有一薄层致密的氧化膜保护，在大气、淡水及氧化性酸类介质中有
2、良好的抗腐蚀性能。但纯铝的抗拉强度低，一般不适于制造结构零部件，主要用于制造电缆电线、电工元器件和生活器皿等。,2.铸造铝合金的分类 铸造铝合金广泛用于交通运输、航空航天、建筑材料和家用电器等领域。 铸造铝合金主要是由Al-Si、Al-Cu、Al-Mg和Al-Zn四个二元基本合金系，以及在此基础上再添加少量其他元素形成的多元合金系组成的。,上述各类铸造铝合金各有特点，其中Al-Si系合金应用最广泛。 因为Al-Si系合金具有良好的铸造性能，气密性好； 含有较多硅的合金，热膨胀系数小，耐磨性优良。,含有少量的Mg、Cu等合金元素组成的多元Al-Si合金，通过热处理，有明显析出强化的效果。 这类合
3、金适合各种铸造方法，可制造形状较复杂的零件，如汽车的气缸体、气缸盖等。,Al-Cu系合金：一般Cu含量3%11，它有固溶强化和析出强化的作用，所以具有较高的强度和耐热性能。,但是其密度大，耐蚀性能和铸造性能较差，易产生热裂。 Al-Cu系合金常用于制造较高温度下工作、要求高强度的零件，如内燃机气缸头、增压器导风叶轮等。,Al-Mg系合金一般Mg含量为4.59.0，具有优异的耐蚀性、强度、密度小等优点， 但是，其铸造性能差、耐热性低，合金液易氧化，熔炼和铸造工艺较复杂。,Al-Mg系合金主要用于制造在大气和海水中耐腐蚀且承受一定冲击载荷、形状较简单的零件，如船舶配件和机器壳体等。,含适量Si、M
4、g合金元素组成的多元Al-Zn合金，有“自动淬火”效应，铸件凝固时锌即过饱和溶入（Al）相中，自然时效倾向大，（Zn）相有析出强化作用，无需热处理就能得到较高强度。,但是，合金抗蚀性较低，密度大。 Al-Zn合金适于制造压铸仪表壳体类零件，机电设备零件和模具、模板等。,这些都是用于汽车上的铝合金铸件，它们分别压铸、低压铸造和金属型等铸造方法制得。这几种铸件虽然材质都是多元Al-Si合金，但各自的合金牌号却不一样。 下面简单介绍一下我国铸造铝合金的国家标准中规定的合金牌号。,3.铸造铝合金的牌号 按照国家标准，铸造铝合金共有26个合金牌号，其中：Al-Si合金系15个、Al-Cu合金系6个、Al
5、-Mg合金系3个和Al-Zn合金系2个。,标准中除了规定各合金牌号的主要化学成分外，还规定了杂质允许含量。 此外，规定了每一个合金牌号的合金代号，如Al-Sn合金系ZAlSi7Mg，其代号为ZL101，Al-Cu合金系ZAlCu5Mn合金，其代号为ZL201,铸造铝合金标准中还规定了杂质允许含量，对于杂质Fe允许含量，砂型铸造比金属型铸造要少，如对于ZL101合金，砂型铸造时Fe允许含量为0.5，杂质总和1.1%，而金属型铸造为0.9，杂质总和1.5。,此外，对于优质合金（在合金代号数字后面附加字母“A”），其杂质允许含量很低，如ZL101A合金，Fe允许含量砂型或金属型铸造时均0.2，杂质总
6、和0.7,前面讲到的标准中列出的26各铸造铝合金牌号一般适用于金属型、砂型、壳型和低压铸造。 而对于压铸用铝合金，为了防止铸件粘模，合金中允许含有较多的杂质元素Fe，所以压铸用的铝合金单独有其牌号。,如国家标准压铸铝合金（GB/T 15115-1994）规定了7个压铸铝合金牌号、如YZAlSi12合金，其代号为YL102， Fe允许含量1.2。,下面讲第二个问题：合金的显微组织。 先讲初生（Al）相的形成。前面提到的Al-Si、Al-Cu、Al-Mg和Al-Zn四个基本合金系的相图都属共晶相图类型。,除少量的共晶或过共晶合金外，大多数的铝合金液在铸型内凝固时，从液相线温度冷却到固相线温度或共晶
7、温度为止的凝固过程中，有相，即Al的固溶体析出并逐渐长大，这种由液相中生成的（Al）晶体，通常称为初生（Al）相，它呈枝晶状生长，又称树枝状生长。 下面要讲一下冷却速度对初生（Al）相析出的影响。,铸件凝固组织的粗细、微观偏析和力学性能等都与（Al）枝晶大小及枝晶臂间距密切相关。 随着冷却速度的增加，（Al）枝晶数增加，枝晶臂间距减少，（Al）树枝状晶粒尺寸减少。,此外还可以使在（Al）枝晶间隙中的残留液相发生共晶转变析出的组织细化。 上述各种影响对铸件的力学性能提高都是有利的。,图3是Si含量为7、Mg含量为0.3的铝合金在不同铸型条件下的显微组织。随着铸型冷却速度的增加，（Al）枝晶臂间距
8、和晶粒尺寸减小，枝晶间的共晶Si相得到了细化。,下面重点讲一下应用最多的Al-Si系合金的显微组织，先讲2。Al-Si二元合金的组织。 图4是Al-Si二元相图，是具有简单的共晶型相图，由图可见，其共晶成分在含Si 量1.6。组织为（+）共晶体；亚共晶合金的组织由（Al）+共晶体（+）所组成；过共晶合金的组织由（Si）+共晶体（+）所组成，（Al）的性能和纯铝相似，（Si）的性能和纯硅相似。,共晶型Al-Si二元合金虽有优良的铸造性，但力学性能不高，故只适于压铸、挤压铸造等快速冷却的铸造方法。对于砂型铸造、石膏型铸造等冷却慢的铸造方法，必须进行变质处理。,图5是共晶型Al-Si二元合金（ZL1
9、02）砂型铸造、经钠盐变质处理前后的组织。,由图可见，变质前其共晶硅呈长针状，分布无规律，存在少量块状初晶硅；变质后组织为（Al）枝晶+分布均匀的共晶体（+Si），其共晶体的Si呈细点状。 这种二元合金仅应用在形状复杂、强度要求不高的铸件生产上，或作为中间合金用以配制其它Al-Si合金。,3.Al-Si-Mg合金的组织 生产中广泛采用多元Al-Si合金来制造零部件。在Al-Si二元合金中添加少量Mg，根据Al-Si-Mg三元合金相图以及考虑到实际铸造时非平衡结晶的条件，,在结晶过程中除了有（Al）从合金液析出外，还有L（Al）+ Si + Mg2Si三元共晶反应。从而铸态组织为（Al）+ 共晶
10、Si + Mg2Si。,在随后的固溶处理时，Mg2Si溶入（Al）中，再经人工时效后，又呈弥散状析出，使合金强度大幅度提高。当Mg含量较低时，Mg2Si相数量很少，且较细小，通常在合金观察时不易发现。,下面看一下Al-Si-Mg合金金属型铸造显微组织。其合金成分是：含Si 6.57.5、Mg 0.20.45、Fe小于0.55、Mn小于0.35。 图的左边是经过钠盐变质的低倍和高倍的铸态组织，右边是经热处理后（T6），但未经变质处理的组织。,由图可见，经过变质后的铸态组织由初生（Al）枝晶和呈粒状细化的共晶Si组成；而未变质即使经过固溶化及时效处理（T6）后，共晶Si仍呈细长板状析出；,杂质Fe
11、生成细长针状Al-Fe-Si相，它显著降低合金的伸长率和抗冲击值；此外，因同时有杂质Mn存在，因而有短的骨骼状的Al-Fe-Mn-Si相形成，这有助于减轻Fe对塑性的不利影响。,现在讲第三个问题，铝铸件的热处理。 1.为什么要热处理？ 生产上有时对一些形状较复杂或性能要求较高的铝铸件需要进行热处理。,它主要是因为： 铸件在非平衡条件下凝固，所以铸态时的显微组织和合金成分分布往往是不均匀的，从而导致铸件力学性能和抗腐蚀性能下降；此外，铸件从较高的浇注温度或固溶处理温度冷却的过程中，由于铸件各部分冷却速度不同，消除铸造应力；,通过热处理，能够增强耐腐蚀性能；改善加工性能；获得尺寸的稳定性。,2.热
12、处理工艺的种类。 主要分为四类： 退火。一般将铸件加热到300左右，保温一定的时间后，随炉或空气中冷却到室温的工艺称为退火。它可使铸件残余应力降低，使铸件尺寸稳定性和塑性提高；,固溶处理。将铸件加热到接近于固相线温度（530左右），并保持足够长的时间后快速冷却，以获得成分均一的过饱和（Al）固溶体，这过程称为固溶处理（又称淬火）。它可以提高合金的力学性能（特别是具有很好的塑性），改善耐腐蚀性能；,时效处理。经固溶处理得到的过饱和固溶体在室温下长时间放置或加热到某一较低温度并保持一定时间，它将发生分解转变，析出或形成溶质富集的亚稳区过渡相，此过程称为时效，前者（在室温下进行）称自然时效，后者（加
13、热到某一温度下进行）称人工时效。它可以显著提高合金硬度和强度（称为时效硬化或时效强化），它是强化铝合金的重要方法。,冷热循环处理。铸件经多次加热和冷却引起固溶体点阵收缩和膨胀，使各相的晶格发生少许位移，第二相质点处于更加稳定的状态，从而充分消除铸件内应力并且提高尺寸稳定性,3.热处理工艺规范的选择 在前面讲的四类热处理工艺的基础上，实际使用中又可分出多种热处理状态，对某一合金的热处理规范的具体选择，主要应根据该合金的特性和使用目的来确定。,在有关的手册或教材中，一般均列出了铸造铝合金各个牌号常用的几种热处理状态，及其代号所对应的具体热处理工艺参数，下面再具体说明一下。,关于铸造铝合金热处理状态
14、及代号，在我国的相应标准（GJB1695-93）中列出八个类别及其代号，并分别说明了它们各自的应用场合。,这些类别是： 人工时效（T1）、 退火（T2）、 固溶处理+自然时效（T4）、 固溶处理+不完全人工时效（T5）、 固溶处理+完全人工时效（T6）、 固溶处理+稳定化处理（T7）、 固溶处理+软化处理（T8）、 冷热循环处理（T9）。,这些不同的热处理状态的具体工艺参数，根据合金牌号可以从相应的标准中查到。下面以ZL104合金（Al-Si-Mg合金）为例，看一下有关的工艺参数是哪些。,ZL104合金热处理工艺参数，摘自国家军用标准铸造铝合金热处理规范（GJB1695-93）。 该标准中列出
15、了ZL104合金常用的二种热处理状态：T1（人工时效）和T6（固溶处理+完全人工时效）， 以及影响T1和T6处理效果的三个主要因素：处理温度、保温时间和冷却速度的工艺参数。,这些工艺参数为生产中确定热处理工艺提供了必要的依据，如T1时效加热温度为1755，保温时间317h，空气冷却。,4.热处理常见缺陷及其防止 生产中热处理常见的缺陷主要有如下四种 （1）力学性能不合格；如退火处理后塑性偏低，固溶处理或时效后强度和塑性都不合格，铸件不同部位力学性能不同。,其原因主要是，热处理工艺参数不正确以及操作方面存在的问题。如铸件厚大部分热透和冷却都慢，易造成淬火铸件力学性能不均匀，应从装炉时铸件放置位置
16、、淬火时铸件先入水冷却的部位或更换冷却介质等操作工艺上加以改进。,（2）过烧：热处理时由于炉温控制有误，致使炉温过高或保留时间过长，使合金晶界或枝晶间低熔点共晶体熔化；此外，由于炉内工作区局部温度过高或加热速度过快使铸件加热不均匀和过快，使铸件表面局部熔化。,上述过烧现象使合金力学性能特别是伸长率大大下降。 因而，为避免过烧应实用化可靠的控温仪表； 对壁厚不匀，形状复杂或大型铸件应缓慢升温或分段加热；,采用空气强制循环式电炉，使炉膛温度均匀； 严格炉料管理，防止形成低熔点共晶体的杂质元素超标，如Al-Si合金中的Sn、Pb，Al-Cu合金中的Mg、Si偏高时，固溶处理加热时均易产生过烧。,（3）变形和裂纹。 这是由于在固溶处理和人工时效过程中，由于加热速度太快，淬火时冷却太激烈； 铸件壁厚差太大； 装炉方法或铸件入水方向不当等原因，使铸件内部产生较大的内应力，从而可能时铸件产生变形或裂纹。,为防止变形和裂纹的产生，可适当降低炉内的升温速度或采用分段和热升温，或适当提高淬火介质温度或更换冷却介质； 也可根据铸件结构选择合理的入水方向或采用专用的防变形和开裂的夹具等方法。,
