铸造合金及其熔炼第十二章-铸造铝合金课件.ppt

第十二章 铸造铝合金概述 铝是有色金属中最常用的金属，铝的世界年产量比所有除铝以外的有色金属总和还要多纯铝具有优良的导电和导热性能，表面有一薄层几乎透明而致密的氧化膜保护，表面有光泽，在大气、淡水及氧化性酸类介质中有良好的耐蚀性纯铝是电工器材中的重要原材料以铝为基加入各种合金元素组成各种作为结构材料的铝合金，力学性能大幅度提高由于铝合金密度小，比强度高于铜合金、球铁及碳素钢，因而在交通运输机械、飞行器、化工机械、建筑材料、体育器械及家用电器、器具诸方面获得了广泛的应用铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金二大类铸造铝合金的熔炼，浇注温度较低，融化潜热大，流动性好，特别适用于金属型铸造、压铸、挤压铸造等，获得尺寸精度高、表面光洁、内在质量好的薄壁、复杂铸件特种铸造铝铸件的比例高是工业先进国家的标志表12-1中列出了我国铸铝国家标准GB1173-86所包括的牌号、化学成分、合金代号和性能铝合金铸件在图样上的标注举例 GB9438-88铝合金铸件技术条件第3.2条载明：“铸件类别由用户在图样或有关技术文件中规定对于未注明的铸件视为类铸件如 含义为：合金代号为ZL01，砂型铸造，变质处理，固溶处理加完全人工时效，类铸件:“承受中等载荷，用于重要部位，铸件损坏将影响部件的正常工作，造成事故。

第一节 铝硅类合金 1、成分与组织 铝硅二元合金具有简单的共晶型相图，见图12-1，室温下只有(Al)和(Si)两种相，(Al)的性能和纯铝相似，(Si)的性能和纯硅相似一、铝硅合金成分、组织、性能 共晶成分在Si12.6%处，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(+)所组成由于结晶硅带入微量磷，即使10ppm的磷生成AlP就足以使Si9%的亚共晶合金中出现初晶硅，并使共晶硅形成粗大的板片状随硅量的增加，结晶温度区间变小，共晶体增加，流动性随之提高，见图12-2硅的收缩率很小，合金的线收缩率也随之降低，热裂倾向相应减少;硅的结晶潜热大，直至Si20%处，流动性仍比共晶成分的合金高从图12-2可见，含Si16%-18%处有流动性的峰值2、性能 共晶型Al-Si二元合金虽有优良的铸造性能，但由于力学性能不高，故只能用于压铸、挤压铸造等高速冷却的铸造方法;对于砂型铸造，石膏型铸造等冷却速度慢的铸造方法，必须进行变质处理，细化共晶硅，以获得足够的力学性能图12-3为含硅量和变质处理对Al-Si二元合金力学性能的影响细化共晶硅的变质处理不能同时细化初晶硅，对于有大量初晶硅的过共晶合金，必须采用加磷细化初晶硅，提高力学性能。

含硅量对Al-Si二元合金耐磨、耐蚀、线膨胀系数等的影响见图12-4，对密度、电导率的影响见图12-5，随硅量的增加，磨损量、腐蚀量、线膨胀系数、密度、电导率均直线下降铝的塑性大，切削时需消耗很大的功，随硅量增加，共晶体增多，切削功可减小，但共晶硅硬度高，易磨损刀具，尤其是有粗大初晶硅的过共晶合金，刀具磨损更严重，被加工的表面很毛糙为改善切削加工性能，除进行相应的变质处理，细化共晶硅、初晶硅外，可加入铋、铅等易切削元素;对过共晶合金可采用镶嵌钻石刀具，选择最佳切削速度和合适的切削液等，也能获得光洁的加工表面综上所述，为了兼顾合金的各种服役性能和工艺性能，铝硅类合金的含硅量一般为7%12%Al-Si元合金的代表是ZL102合金，成分为Si10%-13%，余为铝，金相组织为(Al)十共晶体(+)及少量初晶硅ZL102合金具有如下特点一)热处理强化效果小，力学性能不高(二)铸造性能优良(三)耐磨性，抗蚀性，耐热性好(四)必须进行变质处理，提高力学性能 综上所述，ZL102合金适用于压铸件或要求耐蚀、耐磨;承受中小载荷的薄壁、复杂铸件如各种仪表的框架、壳体、基座等二、铝硅合金的变质处理 用定向凝固方法对Al-Si合金共晶组织进行系统研究的结果，可概括为图12-7。

A区:当凝固速度小于5m/s，温度梯度G足够大时，(Al)与(Si)显示离异共晶的特点，共晶硅呈粗大的块状B区:G变小，仍小于5 m/s，共晶硅呈小晶面型粗棒状，具有择优长大方向C区:=5-400 m/s，此时G取任何值，共晶硅均呈相互联接的无规则片状，即常见凝固条件下的共晶硅形貌，如加入微量钠、锶等变质元素，共晶硅将从片状转变为纤维状D区:超过400-1000 m/s，片状共晶硅消失，出现极细小的纤维状共晶硅，此即压铸件中能观察到的共晶硅形貌这种因激冷引起变质所获得的共晶硅形貌与钠、锶变质获得的共晶硅形貌不完全相同，在增加过冷，促进分枝，阻碍硅的生长引起细化诸方面是相似的，但它不改变共晶硅的板片状形态，属非面生长，无择优方向包含很少的孪晶，板片很薄加入微量变质元素钠或锶后，随着共晶硅形貌发生剧变，力学性能尤其是伸长率大幅度提高，才使Al-Si共晶合金获得工程应用的价值，还发现凝固曲线中的共晶平台下降5-10，合金的电导率提高20%左右，共晶点右移1-3，切削加工性提高因此，Al-Si合金的变质处理及其机制，长期以来成为各国冶金工作者研究的热点，随着现代测试技术的出现，人们对变质现象及其机制的认识由浅入深，由宏观到微观，从静态到动态、从表观到定量计算，变质机制的庐山真面目正逐渐被人们所认识。

下面介绍一些有说服力的研究结果一)以差热分析结果判断变质机制(二)以金相组织直接观察结果来判断变质机制(三)稀土变质三、Al-Si-Mg系合金 铝硅合金中加入镁后的组织可按Al-Mg2Si-Si伪三元相图分析，见图12-13Al-Si-Mg系合金固溶处理时，Mg2Si固溶入(Al)中，人工时效后，Mg2Si 呈弥散相析出，使(Al)的结晶点阵发生畸变，强化合金，力学性能大幅度提高从图12-13可知，Al-Mg2Si-Si的三元共晶点ET1，的温度为559，固溶处理的温度原本可以接近550左右，但由于工业合金中杂质的影响及非平衡结晶，ET1会下降，再考虑热处理炉温不均匀及测温仪表的误差国标中规定固溶处理的温度为5355一)ZAlSi7Mg合金 ZAlSi7Mg合金的代号为ZL101，成分:Si6%-8%，Mg0.2%-0.4，余为Al铸态组织由树枝状(Al)固溶体、共晶体(+Si)所组成，晶界上有微量的Mg2Si变质后针状共晶硅变为点状，见图12-14固溶处理时Mg2Si溶入(A1)，人工时效后沉淀析出，合金的力学性能得到进一步提高ZL101合金具有较好的力学性能，铸造性能和ZL104合金相近，可以铸造薄壁、形状复杂的铸件。

通过调整镁量的上、下限或采用不同的热处理规范来调节合金的强度、塑性指标，满足铸件不同的服役性能要求ZL101合金的结晶温度范围比ZL102,，ZL104合金宽，有形成缩松的倾向，设置浇、冒系统时应加以考虑温度升高时，Mg2Si开始聚集，脱溶成块，力学性能下降，故其工作温度不宜超过150二)ZAlSi9Mg合金 ZAlSi9Mg合金的代号为ZL104合金，成分为:Si 8.0%-10.5%，Mg 0.17%-0.3%，Mn 0.2%-0.5%，余为Al，铸态组织由(Al)树枝晶及(+Si)共晶体组成图2-15为变质前后的组织，分布在晶界上的微量强化相Mg2Si经固溶处理及人工时效后已不复见由于硅量较高和加入锰，ZL104的力学性能比ZL101高锰除了起固溶强化作用外，还能改变针状富铁相的形状，形成骨架状的AlFeMnSi相，改善塑性但对于含铁量低于0.1%的高纯合金，本来不出现Si相，此时加锰将形成(Fe、Mn)Al6，反而降低塑性ZL104合金的铸造性能优良，充型能力强，线收缩率小，无热裂、缩松倾向，抗蚀性能、切削加工性能及焊接性都较好，可以铸造承受重大载荷、形状复杂的铸件，如发动机缸体、缸盖、曲轴箱，增压器壳体及航空发动机压缩机匣，受力框架等，用途广泛。

ZL104合金有集中缩孔倾向，设计浇、冒系统、冷铁布置时应加以注意Al-Si-Mg系合金的发展方向，主要是在保持优良铸造性能的同时，进一步提高力学性能已知镁在Al-Si合金中的最大溶解度达7.0%,将镁量提高到0.45%-0.6%，同时加入细化剂Ti 0.1%-0.2%，杂质铁量控制在0.15%以下，固溶处理温度提高到540-545,经过人工时效170左右，其力学性能，尤其是抗拉强度大幅度提高，b=310-330MPa，0.2=230-250MPa，伸长率=2.5%-3.0%这种高强度铸铝合金可用来铸造受重大载荷、薄壁、复杂且有质量指标的重要铸件ZL104合金可在185以下工作四、Al-Si-Cu系合金 图12-16是Al-Si-Cu三元相图等温溶解度图，存在的相有:(Al)，二元共晶(+Si)和(+Al2Cu)，三元共晶(+Si+Al2Cu)，三元共晶的温度为524，含有Cu 4.9%，Si 1.1%随温度下降，Cu、Si的溶解度下降，300时，两者的溶解度趋于零Al-Si-Cu系合金的铸造性能、切削加工性能都较好，由于不经热处理就有较高的力学性能，因而广泛用作压铸合金Al-Si-Cu系的代表合金为AlSi7Cu4，代号为ZL107，成分:Si 6.5%-7.5%，Cu3.5%-4.5%，余为AL，铸态组织由(Al)+(+Si)+(+Si+Al2Cu)组成，显微组织和ZL101相似。

经变质后，塑性改善，强度提高，经固溶处理+人工时效的合金，b达到280-320MPa，0.2 达到210-230MPa，s达3%-4%，并具有较好的热强性铸造性能和ZL101相近，切削加工性优于ZL101，但抗蚀性因加入铜而下降，可铸造受重载荷、形状复杂，工作温度在250以下的铸件在Al-Si-Cu的基础上加人少量镁、锌、锰等，形成一系列压铸合金这些合金铸造性能良好，铸态时就有较高的力学性能五、Al-Si-Cu-Mg系合金 在A1-Si合金中同时加入镁和铜，除(Al)、Si、Mg2Si、CuAl2外，还出现四元相W(AlxMg5Cu4Si4)，见图12-17W相的热处理强化效果最好，Mg2Si次之，热强性则以CuAl2最好铜和镁的总量低，则强化效果差，总量过高时塑性下降，最佳总量为1.5%-2.0%,Cu:Mg2.5一)ZAlSi5Cu1Mg合金 ZA1Si5Cu1Mg合金的代号为ZL105，成分:Si 4.5%-5.5%，Cu 1.0%-1.5%，Mg0.4%-0.6%，余为Al，铸态组织为:(Al)+(+Si)+(+Si+Al2Cu)+微量W，铸态时就有较好的力学性能硅含量不高，不需进行变质，因而熔铸工艺不复杂，常用作金属型铸造承受中等载荷、形状不复杂的中、小型零件。

二)ZAlSi9Cu2Mg ZAlSi9Cu2Mg合金的代号为ZL111，成分:Si 8.0%-11.0%Cu l.3%-1.8%，Mg 0.4%-0.6%，Mn0.1%-0.35%，Ti 0.1%-0.35%，余为Al，铸态组织的相组成和ZL105相仿，但共晶体量大，需进行变质由于存在多元共晶的不平衡组织，需进行分级固溶处理，以达到最佳效果经人工时效后，W相、Mg2Si、CuAl2等沉淀硬化，砂型试棒或金属型试棒的力学性能分别达到b=251MPa,，310MPa；s=1.5%-2.0%铸造性能良好可用作承受重大载荷，形状复杂的大、中型重要铸件ZL111的优点是高温性能较好，见表12-4六、活塞合金 活塞是发动机中传递能量的一个非常重要的构件对活塞的要求是:密度小，质量小，导热性好，热膨胀系数小，有足够的高温强度，耐磨、耐蚀，尺寸稳定性好活塞的批量大，要求制作工艺简单，成本低廉铝活塞材料大致可分四类:Al-Cu-Ni-Mg类，Al-Cu-Si类，Al-Si共晶合金类及Al-Si过共晶合金类第一类由于热膨胀系数大，密度大，铸造性能差，价格贵，已逐渐被淘汰;第二类由于热膨胀系数大，体积不稳定，也已被淘汰，目前使用的是第三类和第四类材料。

一)2AlSi12Cu2Mg合金 Z。