合金材料及熔炼1

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1、合金材料及熔炼 有色合金部分1,华中科技大学材料学院,材料成形及控制工程专业课程 铸造合金原理及熔炼教案,吕书林,2,1、有色合金概论,有色合金或 非铁合金,按加工方法分类：铸造铝合金、变形铝合金，等。 按密度大小分类：轻有色合金：铝、镁、钛重有色合金：铜、锌、镍、钴、锡、金等,3,1、有色合金概论,轿车上的铸件很多是铝铸件或正在改为铝、镁铸件,4,1、有色合金概论,铸造铝合金进气歧管,5,1、有色合金概论,压铸铝合金液压阀体,6,1、有色合金概论,铝合金锻件,7,1、有色合金概论,铸造铝合金发动机缸体,8,车门,仪表板,缸体盖板,进气管,1、有色合金概论,镁合金的应用举例,9,1、有色合金概

2、论,铸造镁合金的应用举例,10,压铸镁合金的应用举例,1、有色合金概论,11,1、有色合金概论,表 变形铝合金分类、性能特点及用途,变形合金！,12,1、有色合金概论,变形铝合金的典型应用,各种建材,工业铝型材,高速列车铝合金车体,全铝合金轿车架,13,1、有色合金概论,国内铝、镁、钛合金材料应用简况： 部分零部件的制造水平达到国际水平 铝、镁、钛合金的使用量有待提高 铝、镁、钛合金零件的制造技术需要进一步开发,14,1、有色合金概论,本课程学习的目的：,（1）掌握几种主要材料的化学组成、组织及性能； （2）掌握几种合金的合金化原理及方法； （3）掌握几种合金的熔炼、精炼、变质处理的原理及方法

3、； （4）了解合金材料的标准及用途。,15,1、有色合金概论,本课程学习的主要内容：,（1）铝合金重点内容； （2）铜合金； （3）镁合金； （4）锌合金（了解）； （5）合金熔炼原理及方法。,16,1、有色合金概论,本课程学习的要求：,（1）听课（作笔记） （2）习题（或思考题） （3）考试（考查） （4）对教材、内容提出意见和建议参考教材：蔡启舟，吴树森编，铸造合金原理及熔炼，化学工业出版社，2010年,17,3.1 铸造铝合金,铸造铝合金,铝硅合金（Al-Si),铝铜合金（Al-Cu),铝锌合金（Al-Zn),铝镁合金（Al-Mg),18,3.1.1 铸造铝硅合金,Al-Si合金的二元相

4、图,(1)二元Al-Si合金,19,3.1.1 铸造铝硅合金,未变质的共晶Al-Si合金组织,未变质的过共晶Al-Si合金的块状初晶Si,20,3.1.1 铸造铝硅合金,(2) Si含量对Al-Si合金性能的影响,a. 物理、化学性能,纯Si的显微硬度为HVl0001300 ；7.6106/K,21,3.1.1 铸造铝硅合金,b. 力学性能,Si含量对Al-Si合金力学性能的影响,(2) Si含量对性能的影响,注意：Al-Si合金强度的绝 对值（二元合金）；纯Al的强度值。,22,3.1.1 铸造铝硅合金,C. 铸造性能,重点掌握：流动性；收缩性,d. 加工性能 一般很好！ 过共晶初晶Si硬度

5、大！,23,3.1.2 提高铸造Al-Si合金性能的途径,生产中仅采用二元的Al-Si合金很少，只有一个牌号！,24,3.1.2 提高铸造Al-Si合金性能的途径,3个措施：合金化；变质或细化处理；热处理,金属学原理：溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大，溶质原子的溶入量越多，晶格畸变也越大，固溶强化的效果也越好。 例如：Al基体中加固溶度大的Mg、Cu等。多元少量原则。,25,3.1.2 提高铸造Al-Si合金性能的途径,例：Al基体中加Cu,图 固溶Cu原子与位错的相互作用,溶质原子吸附于位错周围，形成“气团”，起到“钉扎”作用。（位错带着“气团”运动需施加更大外力）,26,3.1.2 提高铸造

6、Al-Si合金性能的途径,二、时效强化（合金化+热处理）,时效处理，又称低温回火。 原理（定义）：指在固溶度随温度降低而减少的合金系中，当合金元素含量超过一定限量后，淬火可获得过饱和固溶体。在较低的温度加热(即时效)，过饱和固溶体将发生分解并析出弥散相，引起合金强度、硬度升高而塑性下降的过程。它也被称为沉淀强化。,人工时效：按加热温度的高低分：不完全人工时效：150-170C； 较高强度、良好塑性；完全人工时效： 175-185C； 高强度、低塑性；过时效： 190-230C； 较高强度，良好塑性、抗蚀性。,27,3.1.2 提高铸造Al-Si合金性能的途径,举例： Al-Si-Mg合金，添加

7、少量Mg（0.20.4%），时效析出Mg2Si强化相。,Mg含量对高硅铝合金热处理前后抗拉强度的影响（Al-20%Si-2Cu-1Ni-0.6RE ）,注意两个问题： 铸态 T6态,28,3.1.2 提高铸造Al-Si合金性能的途径,三、过剩相强化（合金化效果之一）,原理（定义）：加入过量的合金元素时，一部分溶入固溶体，而超过极限溶解度的部分则不能溶入，形成过剩的第二相，较硬的第二相可阻碍基体的变形，从而使合金强化。例如铝硅合金中的硅相。,过剩相强化效果与其特性、形态、数量、大小、分布有关。,29,3.1.2 提高铸造Al-Si合金性能的途径,四、组织细化提高性能原理？,1、基体的细化： -A

8、l 2、过剩相的细化：如Si相得细化 3、有害相得细化：如杂质铁的粗大针状相(A15FeSi) （后面会详细的讨论！）,Hall-Patch公式：,s：屈服强度；0：单晶体屈服强度 d：晶粒直径。,30,3.1.3 铸造Al-Si合金的变质,包括初晶-Al固溶体、共晶Si以及初晶Si三个部分的变质或细化。 对于共晶Si，通常采用的是变质处理工艺，而对初晶-Al固溶体及初晶Si，通常采用的是细化处理工艺。,31,变质（Modification)指通过添加少量元素改变凝固过程中晶体的生长形态获得较理想的微观组织的工艺方法，达到提高铸件或铸锭性能的目的。 细化（Refinement)指通过增加晶核数

9、量来实现晶粒细小化的工艺方法，以获得组织细小的、性能高的铸件或铸锭。 “细化”与“变质” ，有些场合的传统习惯称呼未严格区分。,3.1.3 铸造Al-Si合金的变质,32,3.1.3 铸造Al-Si合金的变质,一、初生-Al相的细化,针对亚共晶Al-Si合金！,33,3.1.3 铸造Al-Si合金的变质 一、初生-Al相的细化,措施：在纯铝和铝合金熔液中加入少量Ti、Zr、B等元素，使基体的晶粒细化。 常用的是Al-5Ti，或Al-5Ti-1B中间合金。,TiAl3(四方晶格)与铝(面心立方晶格)的晶格型式相似，晶格常数相近：CTiAl385.7nm，2CAl80.8nm，相差仅5.7，不超过

10、10，故为非自发晶核； 另，包晶反应：L十TiAl3，也使依附在TiAl3质点上形核。,Al-Ti状态图与铝中添加Ti对晶粒数量的影响,34,3.1.3 铸造Al-Si合金的变质 一、初生-Al相的细化,未加Al-Ti-B的ZL101合金,添加1%的Al-5Ti-1B细化剂,典型大树枝晶,晶粒显著细化,35,3.1.3 铸造Al-Si合金的变质,二、共晶Si相的变质针对亚共晶及共晶合金,未变质的共晶Al-Si合金的板片状共晶硅 立体的水淬组织,36,3.1.3 铸造Al-Si合金的变质,（1）措施：加入微量元素。对共晶体(十Si)可起变质作用的元素：Sr、Sb、RE，Bi、Ba、S、Ca、Te

11、、Na等,最常用： （1）(0.040.08)Sr以Al-10%Sr中间合金形式加入。（2）加入Na盐。,二、共晶Si相的变质,37,3.1.3 铸造Al-Si合金的变质,（2）加Sr变质工艺,二、共晶Si相的变质,变质温度： 740-780C 变质剂加入量： (0.040.08)Sr， （Al-10%Sr)? 操作要点：加入后保温15min才有效果；加Sr后再除气。优点：加Sr变质较简单（Al-10%Sr)；环境好。变质效果好；保持时间长长效变质剂。 缺点：缩松倾向大；易吸气。,38,举例：Sr对ZL104合金共晶组织的影响,0 0.005%Sr 0.010%Sr,0.012%Sr 0.01

12、5%Sr 0.018%Sr,0.020%Sr 0.022%Sr,Sr增多，共晶硅越来越细小,加入量的影响,39,25min 40min,90min 120min,Sr加入量为0.02%，随着保温时间延长，共晶硅变粗大,保温时间的影响,举例：Sr对ZL104合金共晶组织的影响,40,3.1.3 铸造Al-Si合金的变质,（3）Na盐变质工艺,二、共晶Si相的变质,Al-Si合金常用的钠盐变质剂成分,NaF起变质作用，为主要成分； 其他组分为助熔剂（覆盖剂）降低熔点、清渣。,3NaF十A1A1F3十3Na,41,3.1.3 铸造Al-Si合金的变质,（3）Na盐变质工艺,二、共晶Si相的变质,变质

13、温度： 740-760C 变质剂加入量：变质剂用量应占铝液重量的13 。 操作要点：静置(1215)min、结壳；压盐、搅拌(12)min使其混合；然后在(3040)min内浇完 。优点：变质效果好；稳定。 缺点：易变质衰退（一般40min）；腐蚀坩埚及工具；环境差。,42,举例：Na盐变质工艺对ZL101合金组织的影响,0.5%Na盐 0.8%Na盐 1.0%Na盐,1.5%Na盐 2.0%Na盐 2.5%Na盐 过变质,随着Na盐加入量的增加，共晶硅越来越细小，加入过多Na盐易过变质,43,15min 25min 35min,随保温时间延长，变质逐渐衰退,45min 55min,举例：Na

14、盐变质工艺对ZL101合金组织的影响,44,3.1.3 铸造Al-Si合金的变质,（4）共晶Si变质机理,二、共晶Si相的变质,硅晶吸附变质元素阻碍生长理论：钠原子不溶于固溶体，而呈薄膜状，主要吸附在Si晶核的表面，构成浓度起伏，形成分支结构。,抑制硅晶核心AlP生成理论：AlP十3NaNa3P十A1由于AlP被破坏，硅晶体不易析出，使合金液过冷，细化共晶组织。当添加少量Sr时，也发现生成了Sr3P2化合物，中和了P生成AlP作为硅的非自发晶核的作用。,45,3.1.3 铸造Al-Si合金的变质,二、共晶Si相的变质,孪晶生长缺陷理论,沿面铺开长成板片状,Na或Sr吸附在台阶处，阻碍面生长；

15、2. 引起原子错排，促进孪晶形成，形成细小分枝。,(a)硅的金刚石型晶体 (b)硅晶体的孪晶缺陷及晶体沿孪晶台阶生长,46,3.1.3 铸造Al-Si合金的变质,三、初晶Si相的细化,未细化处理的过共晶A390铝合金块状初晶Si,47,3.1.3 铸造Al-Si合金的变质,三、初晶Si相的细化,未细化处理的过共晶A390铝合金的块状初晶Si,48,3.1.3 铸造Al-Si合金的变质,三、初晶Si相的细化,过共晶Al-Si合金的应用领域：汽车、摩托车、家电、高速列车、工程机械等。,空调压缩机斜盘,活塞,缸体,49,3.1.3 铸造Al-Si合金的变质,三、初晶Si相的细化,国内外过共晶Al-Si合金代号及成分表,50,3.1.3 铸造Al-Si合金的变质,三、初晶Si相的细化,P细化（变质）的作用机理：,与铝形成AlP化合物。AlP的晶格常数a=0.5451nm，而Si的晶格常数为a=0.5428nm。AlP可以起到Si相的异质核心的作用，由于晶核数目增加而使初晶硅细化。可将初晶Si从大于100m细化到25m 50m。但P对共晶硅没有变质作用。,