鋁中合金元素和雜質(zhì)對(duì)性能的影響

鋁合金熔鑄工藝及常見的缺陷一、鑄造概論在鑄造合金中，鑄造鋁合金的應(yīng)用最為廣泛，是其他合金所無(wú)法比擬的，鋁合金鑄造的種類如下：由于鋁合金各組元不同，從而表現(xiàn)出合金的物理、化學(xué)性能均有所不同，結(jié)晶過(guò)程也不盡相同。故必須針對(duì)鋁合金特性，合理選擇鑄造方法，才能防止或在許可范圍內(nèi)減少鑄造缺陷的產(chǎn)生，從而優(yōu)化鑄件。1、鋁合金鑄造工藝性能鋁合金鑄造工藝性能，通常理解為在充滿鑄型、結(jié)晶和冷卻過(guò)程中表現(xiàn)最為突出的那些性能的綜合。流動(dòng)性、收縮性、氣密性、鑄造應(yīng)力、吸氣性。鋁合金這些特性取決于合金的成分，但也與鑄造因素、合金加熱溫度、鑄型的復(fù)雜程度、澆冒口系統(tǒng)、澆口形狀等有關(guān)。⑴流動(dòng)性流動(dòng)性是指合金液體充填鑄型的能力。流動(dòng)性的大小決定合金能否鑄造復(fù)雜的鑄件。在鋁合金中共晶合金的流動(dòng)性最好。影響流動(dòng)性的因素很多，主要是成分、溫度以及合金液體中存在金屬氧化物、金屬化合物及其他污染物的固相顆粒，但外在的根本因素為澆注溫度及澆注壓力（俗稱澆注壓頭）的高低。實(shí)際生產(chǎn)中，在合金已確定的情況下，除了強(qiáng)化熔煉工藝（精煉與除渣）夕卜，還必須改善鑄型工藝性（砂模透氣性、金屬型模具排氣及溫度），并在不影響鑄件質(zhì)量的前提下提高澆注溫度，保證合金的流動(dòng)性。（2）收縮性收縮性是鑄造鋁合金的主要特征之一。一般講，合金從液體澆注到凝固，直至冷到室溫，共分為三個(gè)階段，分別為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮。合金的收縮性對(duì)鑄件質(zhì)量有決定性的影響，它影響著鑄件的縮孔大小、應(yīng)力的產(chǎn)生、裂紋的形成及尺寸的變化。通常鑄件收縮又分為體收縮和線收縮，在實(shí)際生產(chǎn)中一般應(yīng)用線收縮來(lái)衡量合金的收縮性。鋁合金收縮大小，通常以百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，稱為收縮率。體收縮體收縮包括液體收縮與凝固收縮。鑄造合金液從澆注到凝固，在最后凝固的地方會(huì)出現(xiàn)宏觀或顯微收縮，這種因收縮引起的宏觀縮孔肉眼可見，并分為集中縮孔和分散性縮孔。集中縮孔的孔徑大而集中，并分布在鑄件頂部或截面厚大的熱節(jié)處。分散性縮孔形貌分散而細(xì)小，大部分分布在鑄件軸心和熱節(jié)部位。顯微縮孔肉眼難以看到，顯微縮孔大部分分布在晶界下或樹枝晶的枝晶間。縮孔和疏松是鑄件的主要缺陷之一，產(chǎn)生的原因是液態(tài)收縮大于固態(tài)收縮。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，鑄造鋁合金凝固范圍越小，越易形成集中縮孔，凝固范圍越寬，越易形成分散性縮孔，因此，在設(shè)計(jì)中必須使鑄造鋁合金符合順序凝固原則，即鑄件在液態(tài)到凝固期間的體收縮應(yīng)得到合金液的補(bǔ)充，是縮孔和疏松集中在鑄件外部冒口中。對(duì)易產(chǎn)生分散疏松的鋁合金鑄件，冒口設(shè)置數(shù)量比集中縮孔要多，并在易產(chǎn)生疏松處設(shè)置冷鐵，加大局部冷卻速度，使其同時(shí)或快速凝固。線收縮線收縮大小將直接影響鑄件的質(zhì)量。線收縮越大，鋁鑄件產(chǎn)生裂紋與應(yīng)力的趨向也越大；冷卻后鑄件尺寸及形狀變化也越大。對(duì)于不同的鑄造鋁合金有不同的鑄造收縮率，即使同一合金，鑄件不同，收縮率也不同，在同一鑄件上，其長(zhǎng)、寬、高的收縮率也不同。應(yīng)根據(jù)具體情況而定。(3)熱裂性鋁鑄件熱裂紋的產(chǎn)生，主要是由于鑄件收縮應(yīng)力超過(guò)了金屬晶粒間的結(jié)合力,大多沿晶界產(chǎn)生從裂紋斷口觀察可見裂紋處金屬往往被氧化，失去金屬光澤。裂紋沿晶界延伸，形狀呈鋸齒形，表面較寬，內(nèi)部較窄，有的則穿透整個(gè)鑄件的端面。不同鋁合金鑄件產(chǎn)生裂紋的傾向也不同，這是因?yàn)殍T鋁合金凝固過(guò)程中開始形成完整的結(jié)晶框架的溫度與凝固溫度之差越大，合金收縮率就越大，產(chǎn)生熱裂紋傾向也越大，即使同一種合金也因鑄型的阻力、鑄件的結(jié)構(gòu)、澆注工藝等因素產(chǎn)生熱裂紋傾向也不同。生產(chǎn)中常采用退讓性鑄型，或改進(jìn)鑄鋁合金的澆注系統(tǒng)等措施，使鋁鑄件避免產(chǎn)生裂紋。通常采用熱裂環(huán)法檢測(cè)鋁鑄件熱裂紋。氣密性鑄鋁合金氣密性是指腔體型鋁鑄件在高壓氣體或液體的作用下不滲漏程度，氣密性實(shí)際上表征了鑄件內(nèi)部組織致密與純凈的程度。鑄鋁合金的氣密性與合金的性質(zhì)有關(guān)，合金凝固范圍越小，產(chǎn)生疏松傾向也越小，同時(shí)產(chǎn)生析出性氣孔越小，則合金的氣密性就越高。同一種鑄鋁合金的氣密性好壞，還與鑄造工藝有關(guān)，如降低鑄鋁合金澆注溫度、放置冷鐵以加快冷卻速度以及在壓力下凝固結(jié)晶等，均可使鋁鑄件的氣密性提高。也可用浸滲法堵塞泄露空隙來(lái)提高鑄件的氣密性。鑄造應(yīng)力鑄造應(yīng)力包括熱應(yīng)力、相變應(yīng)力及收縮應(yīng)力三種。各種應(yīng)力產(chǎn)生的原因不盡相同。①熱應(yīng)力熱應(yīng)力是由于鑄件不同的幾何形狀相交處斷面厚薄不均，冷卻不一致引起的。在薄壁處形成壓應(yīng)力，導(dǎo)致在鑄件中殘留應(yīng)力。②相變應(yīng)力相變應(yīng)力是由于某些鑄鋁合金在凝固后冷卻過(guò)程中產(chǎn)生相變，隨之帶來(lái)體積尺寸變化。主要是鋁鑄件壁厚不均，不同部位在不同時(shí)間內(nèi)發(fā)生相變所致。收縮應(yīng)力鋁鑄件收縮時(shí)受到鑄型、型芯的阻礙而產(chǎn)生拉應(yīng)力所致。這種應(yīng)力是暫時(shí)的，鋁鑄件開箱是會(huì)自動(dòng)消失。但開箱時(shí)間不當(dāng)，則常常會(huì)造成熱裂紋，特別是金屬型澆注的鋁合金往往在這種應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生熱裂紋。鑄鋁合金件中的殘留應(yīng)力降低了合金的力學(xué)性能，影響鑄件的加工精度。鋁鑄件中的殘留應(yīng)力可通過(guò)退火處理消除。合金因?qū)嵝院?，冷卻過(guò)程中無(wú)相變，只要鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，鋁鑄件的殘留應(yīng)力一般較小。(6)吸氣性鋁合金易吸收氣體，是鑄造鋁合金的主要特性。液態(tài)鋁及鋁合金的組分與爐料、有機(jī)物燃燒產(chǎn)物及鑄型等所含水分發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生的氫氣被鋁液體吸收所致。鋁合金熔液溫度越高，吸收的氫也越多；在700°C時(shí)，每100g鋁中氫的溶解度為0.5?0.9，溫度升高到850C時(shí)，氫的溶解度增加2?3倍。當(dāng)含堿金屬雜質(zhì)時(shí)，氫在鋁液中的溶解度顯著增加。鑄鋁合金除熔煉時(shí)吸氣外，在澆入鑄型時(shí)也會(huì)產(chǎn)生吸氣，進(jìn)入鑄型內(nèi)的液態(tài)金屬隨溫度下降，氣體的溶解度下降，析出多余的氣體，有一部分逸不出的氣體留在鑄件內(nèi)形成氣孔，這就是通常稱的“針孔”。氣體有時(shí)會(huì)與縮孔結(jié)合在一起，鋁液中析出的氣體留在縮孔內(nèi)。若氣泡受熱產(chǎn)生的壓力很大，則氣孔表面光滑，孔的周圍有一圈光亮層；若氣泡產(chǎn)生的壓力小，則孔內(nèi)表面多皺紋，看上去如“蒼蠅腳”，仔細(xì)觀察又具有縮孔的特征。鑄鋁合金液中含氫量越高，鑄件中產(chǎn)生的針孔也越多。鋁鑄件中針孔不僅降低了鑄件的氣密性、耐蝕性，還降低了合金的力學(xué)性能。要獲得無(wú)氣孔或少氣孔的鋁鑄件，關(guān)鍵在于熔煉條件。若熔煉時(shí)添加覆蓋劑保護(hù)，合金的吸氣量大為減少。對(duì)鋁熔液作精煉處理，可有效控制鋁液中的含氫量。三、金屬型鑄造1、 簡(jiǎn)介及工藝流程金屬型鑄造又稱硬模鑄造或永久型鑄造，是將熔煉好的鋁合金澆入金屬型中獲得鑄件的方法，鋁合金金屬型鑄造大多采用金屬型芯，也可采用砂芯或殼芯等方法，與壓力鑄造相比，鋁合金金屬型使用壽命長(zhǎng)。2、 鑄造優(yōu)點(diǎn)⑴優(yōu)點(diǎn)金屬型冷卻速度較快，鑄件組織較致密，可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，力學(xué)性能比砂型鑄造咼15%左右。金屬型鑄造，鑄件質(zhì)量穩(wěn)定，表面粗糙度優(yōu)于砂型鑄造，廢品率低。勞動(dòng)條件好，生產(chǎn)率高，工人易于掌握。

(2)缺點(diǎn)金屬型導(dǎo)熱系數(shù)大，充型能力差。金屬型本身無(wú)透氣性。必須采取相應(yīng)措施才能有效排氣。金屬型無(wú)退讓性，易在凝固時(shí)產(chǎn)生裂紋和變形。3、金屬型鑄件常見缺陷及預(yù)防針孔預(yù)防產(chǎn)生針孔的措施：料。嚴(yán)禁使用被污染的鑄造鋁合金材料、沾有有機(jī)化合物及被嚴(yán)重氧化腐蝕的材料。控制熔煉工藝，加強(qiáng)除氣精煉?？刂平饘傩屯苛虾穸?，過(guò)厚易產(chǎn)生針孔。模具溫度不宜太高，對(duì)鑄件厚壁部位采用激冷措施，如鑲銅塊或澆水等。采用砂型時(shí)嚴(yán)格控制水分，盡量用干芯。氣孔預(yù)防氣孔產(chǎn)生的措施：修改不合理的澆冒口系統(tǒng)，使液流平穩(wěn)，避免氣體卷入。模具與型芯應(yīng)預(yù)先預(yù)熱，后上涂料，結(jié)束后必須要烘透方可使用。設(shè)計(jì)模具與型芯應(yīng)考慮足夠的排氣措施。(3)氧化夾渣預(yù)防氧化夾渣的措施:嚴(yán)格控制熔煉工藝，快速熔煉，減少氧化，除渣徹底。Al-Mg合金必須在覆蓋劑下熔煉。熔爐、工具要清潔，不得有氧化物，并應(yīng)預(yù)熱，涂料涂后應(yīng)烘干使用。設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)必須有穩(wěn)流、緩沖、撇渣能力。采用傾斜澆注系統(tǒng)，使液流穩(wěn)定，不產(chǎn)生二次氧化。選用的涂料粘附力要強(qiáng)，澆注過(guò)程中不產(chǎn)生剝落而進(jìn)入鑄件中形成夾渣。熱裂預(yù)防產(chǎn)生熱裂的措施：實(shí)際澆注系統(tǒng)時(shí)應(yīng)避免局部過(guò)熱，減少內(nèi)應(yīng)力。模具及型芯斜度必須保證在2°以上，澆冒口一經(jīng)凝固即可抽芯開模，必要時(shí)可用砂芯代替金屬型芯?？刂仆苛虾穸?，使鑄件各部分冷卻速度一致。根據(jù)鑄件厚薄情況選擇適當(dāng)?shù)哪?。?xì)化合金組織，提高熱裂能力。改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)，消除尖角及壁厚突變，減少熱裂傾向。疏松預(yù)防產(chǎn)生疏松的措施：合理冒口設(shè)置，保證其凝固，且有補(bǔ)縮能力。適當(dāng)調(diào)低金屬型模具工作溫度?？刂仆繉雍穸?，厚壁處減薄。調(diào)整金屬型各部位冷卻速度，使鑄件厚壁處有較大的激冷能力。適當(dāng)降低金屬澆注溫度。鋁中合金元素和雜質(zhì)對(duì)性能的影響

來(lái)源:中國(guó)幕墻網(wǎng)收集整理 作者:*日期：2008-11-10 頁(yè)面功能【字體：大中小】【打印】【投稿】【評(píng)論】噲放眼國(guó)際優(yōu)質(zhì)建鎖及裝飾材料1合金元素影響銅元素鋁銅合金富鋁部分平衡相圖如圖所示。548時(shí)，銅在鋁中的最大溶解度為5.65%,溫度降到302時(shí)，銅的溶解度為0.45%。銅是重要的合金元素，有一定的固溶強(qiáng)化效果，此外時(shí)效析出的CuA12有著明顯的時(shí)效強(qiáng)化效果。鋁合金中銅含量通常在2.5%?5%，銅含量在4%?6.8%時(shí)強(qiáng)化效果最好，所以大部分硬鋁合金的含銅量處于這范圍。鋁銅合金中可以含有較少的硅、鎂、錳、 鉻、鋅、鐵等元素。硅元素Al—Si合金系平衡相圖富鋁部分如圖所示。在共晶溫度577時(shí)，硅在固溶體中的最大溶解度為1.65%。盡管溶解度隨溫度降低而減少，介這類合金一般是不能熱處理強(qiáng)化的。鋁硅合金具有極好的鑄造性能和抗蝕性。若鎂和硅同時(shí)加入鋁中形成鋁鎂硅系合金，強(qiáng)化相為MgSi。鎂和硅的質(zhì)量比為1.73:1。設(shè)計(jì)Al-Mg-Si系合金成分時(shí)，基體上按此比例配置鎂和硅的含量。有的Al-Mg-Si合金，為了提高強(qiáng)度，加入適量的銅，同時(shí)加入適量的鉻以抵消銅對(duì)抗蝕性的不利影響。Al-Mg2Si合金系合金平衡相圖富鋁部分如圖所示。Mg2Si在鋁中的最大溶解度為1.85%，且隨溫度的降低而減速小。變形鋁合金中，硅單獨(dú)加入鋁中只限于焊接材料，硅加入鋁中亦有一定的強(qiáng)化作用。Al-Mg合金系平衡相圖富鋁部分如圖所示。盡管溶解度曲線表明，鎂在鋁中的溶解度隨溫度下降而大大地變小，但是在大部分工業(yè)用變形鋁合

金中，鎂的含量均小于6%，而硅含量也低，這類合金是不能熱處理強(qiáng)化的，但是可焊性良好，抗蝕性也好，并有中等強(qiáng)度。鎂對(duì)鋁的強(qiáng)化是明顯的，每增加1%鎂，抗拉強(qiáng)度大約升高瞻遠(yuǎn)34MPa。如果加入1%以下的錳，可能補(bǔ)充強(qiáng)化作用。因此加錳后可降低鎂含量，同時(shí)可降低熱裂傾向，另外錳還可以使Mg5A18化合物均勻沉淀，改善抗蝕性和焊接性能。錳元素Al-Mn合金系平平衡相圖部分如圖所示。在共晶溫度658時(shí)，錳在固溶體中的最大溶解度為1.82%。合金強(qiáng)度隨溶解度增加不斷增加，錳含量為0.8%時(shí)，延伸率達(dá)最大值。Al-Mn合金是非時(shí)效硬化合金，即不可熱處理強(qiáng)化。錳能阻止鋁合金的再結(jié)晶過(guò)程，提高再結(jié)晶溫度，并能顯著細(xì)化再結(jié)晶晶粒。再結(jié)晶晶粒的細(xì)化主要是通過(guò)MnAl6化合物彌散質(zhì)點(diǎn)對(duì)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大起阻礙作用。MnAl6的另一作用是能溶解雜質(zhì)鐵，形成（Fe、Mn）Al6，減小鐵的有害影響。錳是鋁合金的重要元素，可以單獨(dú)加入形成Al-Mn二元合金，更多的是和其它合金元素一同加入，因此大多鋁合金中均含有錳。鋅元素Al-Zn合金系平衡相圖富鋁部分如圖所示。275時(shí)鋅在鋁中的溶解度為31.6%，而在125時(shí)其溶解度則下降到5.6%。 鋅單獨(dú)加入鋁中，在變形條件下對(duì)鋁合金強(qiáng)度的提高十分有限，同時(shí)存在應(yīng)力腐蝕開裂、傾向，因而限制了它的應(yīng)用。在鋁中同時(shí)加入鋅和鎂，形成強(qiáng)化相Mg/Zn2，對(duì)合金產(chǎn)生明顯的強(qiáng)化作用。Mg/Zn2含量從0.5%提高到12%時(shí)，可明顯增加抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。鎂的含量超過(guò)形成Mg/Zn2相所需超硬鋁合金中，鋅和鎂的比例控制在2.7左右時(shí)，應(yīng)力腐蝕開裂抗力最大。如在Al-Zn-Mg基礎(chǔ)上加入銅元素，形成Al-Zn-Mg-Cu系合金，基強(qiáng)化效果在所有鋁合金中最大，也是航天、航空工業(yè)、電力工業(yè)上的重要的鋁合金材料。

2?微量元素的影響鐵和硅鐵在Al-Cu-Mg-Ni-Fe系鍛鋁合金中，硅在Al-Mg-Si系鍛鋁中和在A1-Si系焊條及鋁硅鑄造合金中，均作為合金元素加的，在基它鋁合金中，硅和鐵是常見的雜質(zhì)元素，對(duì)合金性能有明顯的影響。它們主要以FeCl3和游離硅存在。在硅大于鐵時(shí)，形成卩-FeSiAl3(或Fe2Si2Al9)相，而鐵大于硅時(shí)，形成a-Fe2SiAl8(或Fe3Si2A112)。當(dāng)鐵和硅比例不當(dāng)時(shí)，會(huì)引起鑄件產(chǎn)生裂紋，鑄鋁中鐵含量過(guò)高時(shí)會(huì)使鑄件產(chǎn)生脆性。鈦和硼鈦是鋁合金中常用的添加元素，以Al-Ti或Al-Ti-B中間合金形式加入。鈦與鋁形成TiAl2相，成為結(jié)晶時(shí)的非自發(fā)核心，起細(xì)化鑄造組織和焊縫組織的作用。Al-Ti系合金產(chǎn)生包反應(yīng)時(shí)，鈦的臨界含量約為0.15%，如果有硼存在則減速小到0.01%。鉻鉻在Al-Mg-Si系、Al-Mg-Zn系、Al-Mg系合金中常見的添加元素。600￡時(shí)，鉻在鋁中溶解度為0.8%，室溫時(shí)基本上不溶解。鉻在鋁中形成(CrFe)Al7和(CrMn)Al12等金屬間化合物，阻礙再結(jié)晶的形核和長(zhǎng)大過(guò)程，對(duì)合金有一定的強(qiáng)化作用，還能改善合金韌性和降低應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。但會(huì)場(chǎng)增加淬火敏感性，使陽(yáng)極氧化膜呈黃色。鉻在鋁合金中的添加量一般不超過(guò)0.35%，并隨合金中過(guò)渡元素的增加而降低。鍶鍶是表面活性元素，在結(jié)晶學(xué)上鍶能改變金屬間化合物相的行為。因此用鍶元素進(jìn)行變質(zhì)處理能改善合金的塑性加工性和最終產(chǎn)品質(zhì)量。由于鍶的變質(zhì)有效時(shí)間長(zhǎng)、效果和再現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在Al-Si鑄造合金

中取代了鈉的使用。對(duì)擠壓用鋁合金中加入0.015%?0.03%鍶，使鑄錠中P-AlFeSi相變成漢字形a-AlFeSi相，減少了鑄錠均勻化時(shí)間60%?70%，提高材料力學(xué)性能和塑性加工性；改善制品表面粗糙度。對(duì)于高硅（10%~13%）變形鋁合金中加入0.02%?0.07%鍶元素，可使初晶減少至最低限度，力學(xué)性能也顯著提高，抗拉強(qiáng)度6b由233MPa提高到236MPa，屈服強(qiáng)度60.2由204MPa提高到210MPa，延伸率65由9%增至12%。在過(guò)共晶Al-Si合金中加入鍶，能減小初晶硅粒子尺寸，改善塑性加工性能，可順利地?zé)彳埡屠滠?。鋯元素鋯也是鋁合金的常用添加劑。一般在鋁合金中加入量為0.1%?0.3%，鋯和鋁形成ZrAl3化合物，可阻礙再結(jié)晶過(guò)程，細(xì)化再結(jié)晶晶粒。鋯亦能細(xì)化鑄造組織，但比鈦的效果小。有鋯 存在時(shí)，會(huì)降低鈦和硼細(xì)化晶粒的效果。在Al-Zn-Mg-Cu系合金中，由于鋯對(duì)淬火敏感性的影響比鉻和錳的小，因此宜用鋯來(lái)代替鉻和錳細(xì)化再結(jié)晶組織。雜質(zhì)元素稀土元素加入鋁合金中，使鋁合金熔鑄時(shí)增加成分過(guò)冷，細(xì)化晶粒，減少二次晶間距，減少合金中的氣體和夾雜，并使夾雜相趨于球化。還可降低熔體表面張力，增加流動(dòng)性，有利于澆注成錠，對(duì)工藝性能有著明顯的影響。各種稀土加入量約為0.1%at%為好?；旌舷⊥粒↙a-Ce-Pr-Nd等混合）的添加，使Al-0.65%Mg-0.61%Si合金時(shí)效G?P區(qū)形成的臨界溫度降低。含鎂的鋁合金，能激發(fā)稀土元素的變質(zhì)作用。雜質(zhì)元素的影響釩在鋁合金中形成VAl11難熔化合物，在熔鑄