北京科技大學(xué)鑄造合金及制備工藝4.1-鑄造鋁合金-1課件

1、鑄造合金及制備工藝材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料成形與控制工程系毛衛(wèi)民4 鑄造非鐵合金鑄造非鐵合金：除過鐵以外的所有鑄造合鑄造非鐵合金分類：鑄造鋁合金（Cast Aluminum Alloy）鑄造銅合金（Cast Copper Alloy）鑄造鎂合金（Cast Magnesium Alloy）鑄造鋅合金（Cast Zinc Alloy）鑄造鈦合金（Cast Titanium Alloy）鑄造軸承合金（Cast Bearing Alloy）鑄造高溫合金（Cast Superalloy）鑄造鋅合金鑄造鋅合金主要用作壓鑄合金；合金熔點(diǎn)低，壓鑄型壽命長；壓鑄件的尺寸精度高，易于電鍍；廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機(jī)和

2、儀表行業(yè)；重力鑄造鋅合金主要用作軸承耐磨合金；鋅合金價(jià)格較低。鑄造軸承合金軸承合金用來制造滑動軸瓦或軸套，要求摩擦系數(shù)低、耐磨、一定的承載能力；軸承合金可分為鐵基和非鐵基兩類，非鐵基軸承合金主要指錫基、鉛基、鋁基和銅鉛軸承合金；錫基和鉛基軸承合金的熔點(diǎn)低，統(tǒng)稱為巴氏合金，主要制造汽車和大馬力低速船用柴油主機(jī)軸瓦，占軸瓦總數(shù)的85%以上；鋁基和銅鉛軸承合金用來制造大功率汽車發(fā)動機(jī)、高速柴油機(jī)的軸瓦；鑄造高溫合金高溫合金又稱為耐熱合金、或熱強(qiáng)合金、或超合金，能在6001000的高溫氧化氣氛和燃?xì)飧g條件下長時(shí)間承受較大的工作載荷，如燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件；按合金基體可將高溫合金分為三類：鎳基、鐵基和鈷

3、基；鑄造高溫合金是高溫合金中的重要分支，如發(fā)動機(jī)定向凝固或單晶葉片；鑄造高溫合金的合金元素多，分別起固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和表面穩(wěn)定化，使高溫合金具有優(yōu)異的性能；鑄造高溫合金中的活性元素較多，需要采用真空冶煉和鑄造技術(shù)。4.1 鑄造鋁合金及制備工藝鋁在地殼中的存儲量極高，約占7.5%，比所有的其它金屬元素的儲量都高。純鋁的密度小，塑性高，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性良好。鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類，本課只涉及鑄造鋁合金。4.1.1 鑄造鋁合金的特點(diǎn)及分類密度低、比強(qiáng)度高ZL104鋁合金與鋼的密度、比強(qiáng)度的比較；ZL104的比強(qiáng)度比鑄造碳鋼的比強(qiáng)度高約38%；鋁合金發(fā)動機(jī)缸蓋、進(jìn)氣歧管、活塞

4、鑄件汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管汽車鋁合金輪轂?zāi)ν熊嚢l(fā)動機(jī)鋁合金鑄件其它鋁合金鑄件美國日本汽車用鋁變化表在大氣、淡水中，鋁合金具有良好的耐蝕性能，廣泛應(yīng)用于民用器皿和家用電器的制造，也廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)。鋁合金具有良好的導(dǎo)熱性，廣泛應(yīng)用于有導(dǎo)熱能力要求的場合，如換熱器、活塞、缸蓋等。鋁合金具有良好的鑄造性能：鋁合金的熔點(diǎn)低，凝固潛熱大，流動性良好，適合于制造較為復(fù)雜的鑄件。4.1.2 鑄造鋁硅合金鑄造鋁硅合金主要以Si作合金元素，提高鑄造性能，即提高合金的流動性和氣密性、降低合金的熱裂傾向、減少疏松，從而獲得健全致密的鑄件；鑄造鋁硅合金具有好的耐蝕性和中等的切削加工性能，具有一般的強(qiáng)度和硬度，塑性較低；

5、合金分為：亞共晶、共晶和過共晶合金，如ZL101、ZL102、ZL117等，常用牌號約18個(gè)。4.1.2.1 鑄造鋁硅合金的相圖鋁硅合金二元相圖如下Al-Si二元合金平衡相圖4.1.2.2 鑄造鋁硅合金的平衡凝固組織亞共晶Al-Si合金組織（Si12.5wt%）初生相：共晶反應(yīng)前形成的樹枝狀的硅在鋁中的固溶體；在577時(shí)，初生相最多可溶解1.65wt%Si；（+）共晶體：在577 時(shí)，共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，相為鋁溶解在硅中形成的固溶體，幾乎為純硅，形狀呈針狀或片狀；共晶沿著初生生長，無法分辨；亞共晶Al-Si合金的凝固組織如下圖所示。ZL101鋁合金；擠壓鑄造，未熱處理；組織特征：由于冷卻速度快，淺

6、色初生（Al）固溶體枝晶和共晶Si較細(xì)?。唤g劑：0.5%HF水溶液共晶Al-Si合金組織（Si=12.5wt%）平衡凝固的組織中一般不出現(xiàn)初生相，但實(shí)際凝固組織中常常會出現(xiàn)一些初生相；凝固組織的主體是（+）共晶體，共晶Si即相呈針狀或片狀；共晶Al-Si合金的凝固組織如下圖所示。成分(wt%)：Si 12.0，Mg 0.50，Cu1.50，Mn 0.45，F(xiàn)e0.30；金屬型鑄造，未熱處理；組織特征：大量的（Al）+Si共晶體，黑色骨骼狀為Mg2Si，淺灰色為AlFeMnSi相，白色為（Al2Cu）相；浸蝕劑：0.5%HF水溶液成分(wt%)：Si 1013，F(xiàn)e0.7；狀態(tài)：砂型鑄造，未熱

7、處理；組織特征：灰色粗大塊狀相為初生Si，灰色片狀和針狀相為共晶Si；浸蝕劑：0.5%HF水溶液過共晶鋁硅合金的顯微組織成分(wt%)：Si 24；砂型鑄造，未變質(zhì)；浸蝕劑：0.5%HF水溶液共晶硅的變質(zhì)處理變質(zhì)目的：鋁硅合金在一般條件下凝固，共晶硅生長成針狀或片狀，屬于脆性相；在受力時(shí)，這種針狀或片狀共晶硅容易引起應(yīng)力集中，易于導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生，所以針狀或片狀共晶硅會降低合金的強(qiáng)度和塑性；變質(zhì)的目的就是改變共晶硅的形貌。變質(zhì)方法在合金中加入適量的Na（殘留Na為0.0010.003wt%），就可以使針狀或片狀的共晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀共晶硅；在較低放大倍數(shù)（100 200X ）下，纖維狀共晶硅呈現(xiàn)為

8、點(diǎn)狀；鈉鹽變質(zhì)效果如下圖所示；砂型鑄造ZL101合金，變質(zhì)處理，未熱處理；組織特征：初生（Al）呈枝晶，共晶Si呈細(xì)小質(zhì)點(diǎn)；浸蝕劑：0.5%HF水溶液由上圖看，鈉鹽的變質(zhì)效果很好，因而應(yīng)用廣泛，但鈉鹽變質(zhì)劑的有效期僅為30min左右；常用鈉鹽變質(zhì)劑：二元鈉鹽，如(NaF67wt%+NaCl 33wt%)；三元鈉鹽(NaF25wt%+NaCl 62.5wt%+KCl 12.5wt%) ；長效變質(zhì)劑Al-Sr合金，變質(zhì)有效期為6 10hr；變質(zhì)過的合金在重熔時(shí)仍然具有變質(zhì)效果，可重熔34次。Sb的變質(zhì)有效期100hr, 可多次重熔，仍有變質(zhì)效果。Te的變質(zhì)有效期極長，可多次重熔，仍有變質(zhì)效果。Al

9、-Sr變質(zhì)效果如下圖所示。成分(wt%)：Si 9.49.7，Mg 0.30 0.35，Mn 0.50，F(xiàn)e0.40；金屬型鑄造，Al-Sr合金變質(zhì)，T6熱處理；組織特征：（Al）初晶呈枝晶，共晶Si呈細(xì)小質(zhì)點(diǎn)；浸蝕劑：0.5%HF水溶液影響變質(zhì)效果的因素鑄件壁厚越大，冷卻速度越小，變質(zhì)效果愈小，這就是變質(zhì)處理的壁厚敏感性；同理，金屬型鑄造條件下的變質(zhì)效果好于砂型鑄造；在亞共晶Al-Si合金范圍內(nèi)，隨Si量的提高，變質(zhì)效果愈顯著，變質(zhì)對塑性的作用更顯著，如下圖所示。變質(zhì)對鋁硅合金力學(xué)性能的影響砂型鑄件，實(shí)線為變質(zhì)結(jié)果，虛線為未變質(zhì)結(jié)果成分(wt%)：Si 11.8， Fe0.35；金屬型鑄造，

10、鈉鹽變質(zhì)處理，未熱處理；組織特征：變質(zhì)不足組織，共晶Si未完全細(xì)化，淺灰色骨骼狀為（Al12Fe3Si）；浸蝕劑：0.5%HF水溶液成分(wt%)：Si 11.8， Fe0.35；砂型鑄造，鈉鹽變質(zhì)處理，未熱處理；組織特征：變質(zhì)過度組織，共晶Si呈細(xì)小點(diǎn)狀和針狀，初生（Al）呈枝晶，還出現(xiàn)較粗大的粒狀共晶Si和黑色片狀的富鈉化合物過變質(zhì)區(qū)；浸蝕劑：0.5%HF水溶液初生Si的細(xì)化細(xì)化目的：過共晶Al-Si合金中的粗大的多角初生Si使鋁硅合金的強(qiáng)度和塑性嚴(yán)重下降，而且機(jī)加工性能也非常差，所以需要細(xì)化初生Si；細(xì)化劑：當(dāng)合金中加入適量的P或S，就可以使初生Si得到明顯細(xì)化，所以赤磷或硫磺可作為過共

11、晶Al-Si合金的細(xì)化劑；細(xì)化后的過共晶Al-Si合金的凝固組織如下圖所示。4.1.2.3 鑄造鋁硅合金的性能Si對二元鋁硅合金砂型鑄件性能的影響如左圖所示。含Si量與鋁硅合金力學(xué)性能的關(guān)系砂型鑄件，實(shí)線為變質(zhì)數(shù)據(jù)，虛線為未變質(zhì)數(shù)據(jù)由上圖可知：對于砂型鑄件，隨著含Si量的提高，b先上升；當(dāng)Si量約為11wt%時(shí)， b達(dá)到最大值；隨后， b下降；隨著Si量的提高， 持續(xù)下降，但Si量在11wt%附近時(shí)， 有一定升高。含Si量與鋁硅合金機(jī)械性能的關(guān)系金屬型鑄件Si對金屬型鑄件力學(xué)性能的影響也有類似的規(guī)律，如左圖所示，最大的b出現(xiàn)在Si量13wt%附近。高含Si量與鋁硅合金力學(xué)性能的關(guān)系高含Si量對

12、Al-Si合金力學(xué)性能的影響如左圖所示；由圖可見，當(dāng)Si量12wt%以后，力學(xué)性能急劇下降。二元Al-Si合金力學(xué)性能總結(jié)二元Al-Si合金的強(qiáng)度不高，不能通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化，所以，目前只有一個(gè)牌號，即ZL102（含Si10 13wt%），b約為140 160MPa，約為2 4%。不能熱處理強(qiáng)化的原因：Si在Al中的擴(kuò)散速度很快，硅相極易析出，甚至在淬火條件下也不能抑制硅自過飽和的相中的析出，因此二元Al-Si不能時(shí)效強(qiáng)化，故其強(qiáng)度較低。雖然ZL102的b不高，但該合金成分在共晶成分附近，合金的流動性最好，收縮最小，熱裂傾向最小，氣密性最好，因而其鑄造性能最好，可用來制造有氣密性要求的鑄件，也

13、可制造形狀復(fù)雜的薄壁鑄件，目前該合金主要用作壓鑄合金。Mg對鋁硅合金力學(xué)性能的影響在二元鋁硅合金中加入少量的Mg，會形成Mg2Si相，該相為脆性相，在鑄態(tài)條件下呈網(wǎng)狀分布于初生 相的晶界；當(dāng)二元鋁硅合金中加入較多的Mg時(shí)，會形成較多的Mg2Si相，降低合金的強(qiáng)度和塑性，所以，鋁硅合金中只能加入很少量的Mg。少量的Mg2Si經(jīng)過約535的固溶處理，可以完全溶解，再經(jīng)過淬火和時(shí)效處理，可產(chǎn)生很強(qiáng)的時(shí)效強(qiáng)化效果，提高鋁硅合金的強(qiáng)度和硬度。Mg對鋁硅合金力學(xué)性能的影響如下表。 Mg對7wt%Si鋁合金力學(xué)性能的影響最常用的鋁硅鎂合金：ZL101A合金Si6.57.5wt%，Mg0.250.45wt%，

14、砂型試樣經(jīng)過535固溶和時(shí)效處理，b260MPa，s190 MPa，5%；從ZL101A的性能數(shù)據(jù)看，其強(qiáng)度較Al-Si二元合金的高，而且其耐蝕性也較好，ZL101A 適合于制造形狀復(fù)雜，中等載荷的零件，如水泵體等；ZL101A的組織如下圖所示。ZL101合金(wt%)：Si6.8，Mg 0.27，F(xiàn)e0.18；砂型鑄造，鈉鹽變質(zhì)，未熱處理；組織特征：白色為（Al）固溶體枝晶，共晶Si呈細(xì)小質(zhì)點(diǎn)；浸蝕劑：0.5%HF水溶液ZL104合金Si810.5wt%，Mg0.170.30wt%，砂型試樣經(jīng)過535固溶和時(shí)效處理，b約為260MPa，s約為200 MPa，約為3%。從ZL104的性能數(shù)據(jù)看

15、，其強(qiáng)度較Al-Si二元合金的高，而且其耐蝕性也較好，ZL104合金適合于制造形狀復(fù)雜、高負(fù)荷零件，如發(fā)動機(jī)的缸體、缸蓋。ZL104的組織如下圖所示。ZL104合金(wt%)：Si9.2，Mg 0.28，Mn0.38，F(xiàn)e0.34；狀態(tài)：砂型鑄造，變質(zhì)處理，T6熱處理；組織特征：熱處理后，共晶Si呈圓形或橢圓形的顆粒；浸蝕劑：0.5%HF水溶液Cu對鋁硅合金力學(xué)性能的影響Cu的影響在鋁硅合金中加入少量的Cu，會形成W相（AlxMg5Cu4Si4），當(dāng)銅量較高時(shí)，會形成CuAl2；在鑄態(tài)條件下，CuAl2分布在初生相的晶界，降低合金的強(qiáng)度和塑性；在含硅為7%條件下，初生相中銅的飽和含量僅為3%，

16、所以，鋁硅合金中的Cu4.5wt%。經(jīng)過約515固溶處理，部分CuAl2可以溶解，再經(jīng)過淬火和時(shí)效處理，可產(chǎn)生很強(qiáng)的時(shí)效強(qiáng)化效果，提高鋁硅合金的強(qiáng)度和硬度。這類常用合金有ZL105、ZL107等。ZL107合金成分：Si6.57.5%，Cu3.54.5%，鑄態(tài)組織為+Si+CuAl2；力學(xué)性能：經(jīng)時(shí)效處理后，鋁合金的性能如下：b=280320MPa，0.2=210230MPa，=34%；具有良好的熱強(qiáng)性，可用于250下工作；ZL107適合于制造復(fù)雜的高負(fù)荷零件，但CuAl2的耐腐蝕性較差，導(dǎo)致ZL107的耐蝕性較差。ZL107鋁合金組織砂型鑄造，鈉鹽變質(zhì)初生+共晶(包含Al2Cu)鋁硅合金中的

17、雜質(zhì)元素及影響雜質(zhì)元素來源：除主要元素外，鑄造鋁硅合金中常存在一些有害的雜質(zhì)元素，主要是Fe，其次是Sn、Pb、Ca等；在這些雜質(zhì)元素中，有的是從爐料中帶入的，有的是從熔化坩堝或工具中帶入的。雜質(zhì)Fe的有害作用在鋁硅合金中，鐵的主要存在形態(tài)是形成鐵相：T1(Al12Fe3Si)，T2(Al9Fe2Si2)，尤其是T2相，呈針狀，削弱鋁硅合金基體，嚴(yán)重降低鋁硅合金的力學(xué)性能；尤其當(dāng)緩慢凝固時(shí)，T2相長得很粗大，所以鋁硅合金中的Fe0.7%;鐵含量對ZL104鋁合金力學(xué)性能的影響見下圖；Fe含量對ZL104鋁合金力學(xué)性能的影響消除Fe的有害作用通常加入Mn、Cr、Co、Be等元素，使鐵相變成其它形

18、態(tài)的鐵相，以減少T2相的數(shù)量；由于Mn比較便宜，故大量使用Mn，而Cr、Co、Be應(yīng)用得較少。加入Mn以后，T2相會轉(zhuǎn)變?yōu)锳lSiMnFe化合物，呈塊狀、桿狀或團(tuán)狀，從而減弱了Fe的有害作用，如下圖所示。鋁硅合金中鐵相(a)合金成分(wt%)：Si5.74wt%，Mg0.44wt%，F(xiàn)e0.35，Mn0.40(b)合金成分(wt%)：Si9.49.7，Mg0.30.35wt%，F(xiàn)e0.35，Mn0.50Mn、Cr、Co等的加入量：為了有效地消除Fe的有害作用，加入的上述元素與Fe之比應(yīng)滿足下式，WMn：WFe=(0.670.83):1WCr：WFe=0.35:1WCo：WFe=0.9:1雜質(zhì)S

19、n的有害作用來源：雜質(zhì)Sn是從爐料中帶入的；如果含Sn過高，它會與Al和Si形成低熔點(diǎn)共晶，造成熱處理時(shí)組織過燒，嚴(yán)重削弱鋁硅合金的強(qiáng)度，尤其是塑性和韌性，故限制Sn0.01%。雜質(zhì)Pb的有害作用：Pb的有害作用與Sn類似，因此應(yīng)使Pb0.05%。雜質(zhì)Ca的有害作用來源：雜質(zhì)Ca是從合金爐料(即結(jié)晶Si)中帶入的；Ca與Si和P形成硅化鈣及磷化鈣，降低鋁硅合金的流動性，促使形成微觀縮松，也降低合金的力學(xué)性能，因此，應(yīng)使合金的Ca0.03%。4.1.3 其它鑄造鋁合金鑄造鋁銅合金以Cu為主要合金元素，可提高鋁的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，改善了切削加工性能，但該類鋁合金的鑄造性能較差，特別是當(dāng)Cu含量在45wt%時(shí)，合金的熱裂傾向很大；另外，鑄造鋁銅合金的抗腐蝕性能也較差。二元鋁銅合金有ZL202(Cu 911wt%，T6處理后b可超過163MPa)和ZL203(Cu 45wt %，T4處理后b可超過225MPa)；復(fù)雜鑄造鋁銅合金：可分為高強(qiáng)度和耐熱鑄造鋁銅合金。高強(qiáng)度鑄造鋁銅合金ZL201：Cu4.55.3wt%，Mn0.61.0wt%，Ti 0.150.35wt%，b可超過390MPa，8%；ZL204A：Cu 4.65.3wt%，Mn0