第三篇(01铝合金)10.ppt

第三篇 铸造非铁合金及其熔炼,概述,非铁合金（有色合金）具有许多优良的性能，如密度小、比强度大、比模量高、耐腐蚀以及良好的导电性和导热性。同时许多有色金属又是制造各种优质合金钢和耐热钢所必需的合金元素，因此有色金属在金属材料中占有重要地位，是航天、航空、原子能、计算机、电子、汽车、船舶、石油、化工等工业必不可少的材料。,银、铜、铝等有色金属，导电性和导热性优良，是电力、电器工业和仪表生产不可缺少的材料；,非铁合金的生产和应用规模反映一个国家工业现代化的程度。,铝、镁、钛等金属及其合金，以密度小、比强度与比模量高的特性而在运载火箭、卫星、飞机、汽车、船舶上获得广泛应用，是制造许多结构件和零、部件的主要材料；,铜、钛具有良好的抗蚀性，是石油、化工和航海工业所必需的材料。,铸造铝合金（！）,内容包括,铸造铜合金,铸造镁合金,铸造锌合金,本篇内容包括目前工程上应用广泛的铝、铜、镁、锌合金，讨论这些材料的合金化和热处理，以及典型合金的成分、组织、性能及相互关系、工艺特性与实际应用。,第三篇 铸造非铁合金概述,合金种类多,本篇特点,合金元素多,组织中的相多,热处理方式多,第十四章 铸造铝合金,合金化后铝合金具有多种不同的性能，是工程中应用最多的非铁合金。表现在交通运输、化工、建材、体育器械、家用电器等方面得到广泛应用。,铝是非铁合金中最常用的金属，产量较大。具有多种优良的性能： 导电、导热、耐腐蚀、密度小、熔点低、结晶潜热大、表面光洁。,最常加入的合金元素有： Si( 过剩相强化)、Cu(固溶强化和沉淀强化)、 Mg(固溶强化、抗腐蚀、含量高沉淀强化）、Zn（固溶强化）； 微量合金元素 Ti、B（细化组织强化）。,纯铝强度低，因此需要进行合金化（热处理）提高其性能。,铸造铝合金,铝合金具有良好的铸造性能。由于熔点较低（纯铝熔点为660.23oC，铝合金的浇注温度一般约在730750oC左右），能采用金属型及压力铸造等铸造方法，以提高铸件的质量、尺寸精度和表面光洁程度以及生产效率。,铝合金由于凝固潜热大，在相同条件下，铝液的凝固过程时间的延续比铸钢和铸铁长得多，充型能力好，有利于铸造薄壁和结构复杂的铸件。,铸造铝合金的分类,铸造铝合金的分类、牌号,铝合金按照加工方法的不同分为两大类： 压力加工铝合金（YL表示） 铸造铝合金（ZL表示）。,铝硅类合金（ZL1××）Si=5%,铝铜类合金（ZL2××）Cu=4%, 铝镁类合金（ZL3××）Mg=5%,铝锌类合金（ZL4××）Zn 10%,在铸造铝合金中又根据加入的主要合金元素的不同而分为四个系列， 每个系列中又按照化学成分及性能的不同而分为若干牌号。,p264265 表12-1中列出了国家标准所包括的几种铸造铝合金的牌号、成分、性能等,第一节 铝硅类合金,铝硅类合金的特点(与其它铝合金相比),Al-Si类合金一般以4%14%Si为基本合金成分，有时还加入Cu、Mg、Zn、Mn、Ti、Ni等一种或多种合金元素构成Al-Si多元合金。,AlSi二元合金,1、共晶温度高(577)； 2、Si在固态铝中的溶解度最小(最大值1.65%)； 3、共晶成分含硅量最少(12.6%)； 4、结晶温度间隔最小（常用的成分而言）。,AlSi多元合金,第一节 铝硅类合金（二元合金）,铝硅二元合金的组织、性能,铝硅二元合金构成简单的共晶相图。室温下只有（Al）和（Si）两相，共晶成分在12.6%Si处，由于结晶硅带入微量的磷生成AlP促使亚共晶合金中出现初晶硅，并使共晶硅变成粗大的板片状。,随硅量变化，合金的性能有较大变化，见P263Fig 12-2、Fig12-3、Fig12-4、Fig 12-5。,图12-1 Al-Si二元相图,Si量对Al-Si二元合金铸造性能的影响,Si量对Al-Si二元合金性能的影响,T6-固溶处理+完全人工时效,T8-固溶处理+软化回火,铝硅二元合金,典型的Al-Si二元合金是ZL102合金，成分是Si10-13%，其余是Al，组织为(Al)+（+）+少量初生Si，性能特点如下：,力学性能指标不高，热处理强化效果小; 铸造性能好; 耐磨、耐蚀、耐热好;,考虑合金的使用性能和工艺性能，工程中使用的铝硅二元合金多是亚共晶或共晶成分，其含硅量一般为7-12%。,生产工艺上需要进行变质处理!,铝硅二元合金,铝硅合金的变质处理,变质剂：Na、Sr 、RE,变质效果：,铝硅二元合金铸造性能好，可用于铸造薄壁、复杂、气密性要求高的铸件，生产中应用较广泛。,不能通过热处理强化，硅在铝基体中扩散速度快、易析出。,脆性 韧性；,粗大、板片状 细小、纤维状；,初生+ （+） 初生+（+细小）；,共晶平台温度低、共晶点右移。,变 质 前,变质后,第一节 铝硅类合金（多元合金）,铝硅多元合金,Al-Si-Cu-Mg系合金,Al-Si-Mg系合金,Al-Si-Cu系合金,铝硅多元合金-Al-Si-Mg系合金,Al-Si-合金中加入Mg(0.5%)构成Al-Si-Mg三元合金，镁有显著的强化效果，形成Mg2Si(硬而脆)，经固溶处理（淬火），时效产生很强的时效强化效果，强度提高。 Al-Si-Mg三元合金有ZL101、ZL104。,ZL101 亚共晶成分(Si 68%，Mg0.20.4%)，铸态组织为树枝状+(+)共晶体，晶界上有少量Mg2Si。变质处理后针状共晶硅变为“点”状。,固溶处理（淬火），经时效沉淀析出Mg2Si ，力学性能进一步提高好；可以铸造薄壁、复杂件，但有形成缩松倾向；耐热性较差（150 ）,铝硅多元合金- Al-Si-Mg,ZL104变质前,ZL104变质后,Al-Si-Mg合金的发展方向：提高镁量、加入细化剂Ti、控制杂质Fe的含量、提高固溶处理温度（ZL101A）。,ZL104,Si 8.010.5%，Mg0.170.3% ,Mn0.20.5% ，Mg 的作用同上，Mn 具有固溶强化、消除Fe的有害作用，改善塑性改变针状富铁相，形成骨架状的AlFeMnSi相 ，韧性得以改善；力学性能好，铸造性能优良，耐热温度略有提高（ 185 ） 。ZL104用途广泛，可生产多种铸件（发动机缸体、缸盖、曲轴箱等），有集中缩孔倾向。,铝硅多元合金- Al-Si-Cu,Al-Si合金中加入Cu，使相得到强化，提高合金的热强性，组织中出现CuAl2，不经热处理就有较好的机械性能，因此常用作压铸合金，若固溶和时效处理可得到较高的机械性能，并具有良好的热强性。,典型的合金是ZL107，Si6.57.5%,Cu3.54.5。铸态组织为+（+）+（+ CuAl2），强度、韧性都很好，具有很高的热强性（250 ） ，切削加工性能好，但因铜的加入，耐腐蚀性有所下降。,在Al-Si-Cu合金的基础上加入少量的Mg、Zn、Mn等合金元素，形成一系列压铸合金，铸态下就具有较高的力学性能。,卧式压铸机工作过程示意,铝硅多元合金（ Al-Si-Cu-Mg系 ）,在Al-Si合金的基础上中同时加入Cu、Mg合金，在组织中会出现、Mg2Si、CuAl2 、W（Al4Mg5Cu4Si4）等多种相，使合金的时效强化效果提高。如ZL105、ZL111等。,ZL105（ZAlSi5Cu1Mg) 成分Si4.55.5%、Cu1.01.5%、Mg0.40.6%。 铸态组织： +（+）+ （+ CuAl2 ）+微量W（Al4Mg5Cu4Si4） 铸态下具有较好的力学性能；硅量不高，可以不变质处理。,ZL111（ZAlSi9Cu2Mg) 成分Si8.011.0%、Cu1.31.8%、Mg0.40.6%、Mn0.10.35%、Ti0.10.35%。 铸态组织：与ZL105铸态组织相仿。只是共晶体数量更多，需要变质处理。经分级固溶处理、人工时效处理后具有较好的力学性能。,活塞合金（共晶、过共晶Al-Si合金）,对活塞合金的要求：密度小、质量轻、导热好、膨胀小、高温强度高、耐磨、耐蚀、稳定性好。,目前使用的有：共晶Al-Si合金、过共晶Al-Si合金。,ZL108（ZAlSi12Cu2Mg） ZL108成分：Si11%13%、Cu12%、Mg0.41.0% 、Mn0.30.9%， 铸态组织为(Al)+（+（Si）+少量Mg2Si、 CuAl2 ； 热处理后沉淀析出硬化相Mg2Si、 CuAl2 。,ZL109（ZAlSi12Cu1Mg1Ni1） 在ZL108成分的基础上加Ni0.8-1.5%就构成ZL109。 其组织中有富镍的热强相Al6Cu3Ni，高温性能更好，但成本提高。,铸造铝合金活塞金属型示意图,活塞合金（过共晶Al-Si合金）,（一） 过共晶Al-Si合金,过共晶Al-Si合金活塞含硅高达17%-26%，用于高功率及增压内燃机。分为三组： Si17-19% 铸造性能好 Si20-23% 服役性能好 Si24-26% 脆性大、铸造性能差（主要用于高速摩托车或赛车的活塞）,加入铜、镁能形成CuAl2、Mg2Si 相强化合金；加入镍可提高热稳定性，因镍价格昂贵，我国主要加入稀土取代镍，具体成分、性能见p277表12-5。,（二） 过共晶Al-Si合金的变质（加P细化初生硅）,加P细化机理：P以AlP的形式存在于合金中，成为初晶硅的非均质形核的核心,过共晶铝硅合金的主要缺点是切削加工困难，刀具磨损严重。通常加入少量的铅、铋可改善切削性能。,对亚共晶铝硅合金可能出现初生硅；对过共晶铝硅合金，因AlP数量不足仅提供少量非均质晶核，发展成大块初晶硅，须加磷细化初晶硅。,过共晶Al-Si合金（加P变质）,变质前,加0.15%P变质,Modification effects of SiP on Al24%Si alloy in different adding sequences,(a) unmodified Al24%Si,(c) Adding 0.3%SiP and Si simultaneously to Al;,(b) adding 0.3%SiP directly into Al24%Si alloy,(d) adding 0.3%SiP to Al first, silicon is added 30min later.,铝硅类合金中的杂质,常见的杂质元素是Fe 、P 、Sn、 Pb、 Ca,铁：出现脆化相Si （Al9Fe2Si2 ）,钙：钙形成硅化钙、磷化钙等高熔点的化合物，降低流动性， 形成缩松，并使合金的脆性增加。,锡、铅：能形成低熔点的共晶体，使热处理过程中出现 过烧组织，但可改善切削性能；,磷：使Na 变质失效；促使脆化相Si出现,第二节 铝铜类合金,因、间有较大的电极电位差，易引起电化学腐蚀，耐腐蚀性差；铝铜合金的铸造性能较差（结晶温度间隔大，流动性、缩松、开裂），铝铜合金密度大，比强度小。由于上述特点，铝铜合金的使用不及铝硅合金普遍，一般作为耐热合金使用，同时作为高强度铝合金的基础。,采用充分时效强化和细化相晶粒度，增大相晶界表面积是传统上提高铝铜合金性能的途径，近年来提高净化铝液及稀土处理等方法减少气体及夹杂物，进一步提高铝铜合金性能取得了良好的效果。,概述,铝铜类合金含210%Cu及其它合金元素，这类合金在平衡状态下具有+（CuAl2），合金元素铜除对产生固溶强化效果外，还产生时效强化效果，但相应地降低塑性，铝铜类合金在常用的几类铝合金中强度是最高的，且由于（CuAl2）相的热稳定性高，合金也具有高的热强性，是耐热铝合金。,第二节 铝铜类合金（铝铜二元合金 ）,铝铜二元合金,铝铜二元合金有两种成分： 含Cu9-11%的ZL202 含Cu4-5%的ZL203,铝铜多元合金,在ZL203成分的基础上加入少量锰等其它合金元素即构成铝铜多元合金。如ZL201，Cu4.55.3%,Mn0.6-1.0%、Ti0.15-0.35%，锰一部分固溶于(Al)中，另一部分形成TMn（ Cu2Mn3Al20 ） 相。,第二节 铝铜类合金（铝铜多元合金 ）,其铸态组织为： (Al)+二元共晶(Al)+TMn +三元共晶(Al)+TMn+CuAl2 ， 铸态时TMnCu2Mn3Al20）相以网状方式分布于(Al)的晶界处。,固溶处理时，TMn（Cu2Mn3Al20）部分溶入(Al)中，时效处理时弥散析出，TMn（Cu2Mn3Al20）晶格点阵复杂、稳定、热硬性高，因此加入数量不高的锰可显著地提高合金的室温、高温力学性能。 加入少量的钛目的是细化(Al)。,第二节 铝铜类合金（铝铜多元合金 ）,X100 X400 砂型铸态“1”-CuAl2 ， “2”-TMn （Cu2Mn3Al20）相,第二节 铝铜类合金（耐热铝合金 ）,耐热性取决于(Al)的化学成分，第二相的性质、形状、分布等因素。 (Al)的化学成分越复杂、组织结构越稳定；第二相的热稳定性越高、晶粒越细、沿晶分布相弥散程度越高；合金的耐热性越好。,(Al)的耐热温度的高低取决于原子键的结合强度。 一般地，元素越多，原子键结合强度越高；原子自点阵内逸出时需要的升华能大小，是原子键结合强度的重要参数。,弥散析出的第二相化学成分、晶格结构越复杂；与(Al)的组分、结构差别越大；形成新相的扩散越慢；在服役温度范围内溶解变化越小，合金热强性越高。,第二节 铝铜类合金（耐热铝合金 ）,第二相的热稳定性按高温显微硬度排列如下表所列,网状（断网状）、骨架状好于游离的片状、多面体或球体；,对单相合金，晶粒越粗大，耐热性越好；晶界少、缺陷少，界面能低，稳定性好。,对多相合金，晶粒越细小，耐热性越好；第二相对变形阻力大。,第二节 铝铜类合金（耐热铝合金 ）,Fe形成片状Al3Fe，合金变脆； Mg、Zn形成低熔点共晶低降低热强度； Si 形成(Al)+ CuAl2 +Si 三元共晶(524)，降低固溶处理温度，硅还能形成Al10Mn2Si，减少锰的溶解量降低强化效果。,Al-Cu合金的杂质元素有Fe、Mg、Zn、Si 等,第三节 铝镁类合金,铝镁类合金中镁的含量为410%，由相图可知在常温下具有+（Mg2Al3）两相组织，镁在中有一定的溶解度，铝、镁原子半径相差较大（13%），产生很强的固溶强化效果。,在铸造条件下，5%的含镁量就会出现共晶组织。与是以离异共晶形态存在，铸态组织中，是以类似网状的形态（离异共晶）出现在相的晶界处，降低合金的强度和韧性，对此应采取固溶及淬火处理，得到含镁过饱和的相单相组织，从而使合金具有较高的机械性能。,第三节 铝镁类合金,铝镁二元合金不具有时效强化效果，尽管镁在相中的溶解度随温度下降而显著降低，但镁原子在铝中很容易扩散、聚集，即使在常温下也会发生自然时效，以至析出（Mg2Al3）相并不断聚集、长大，力学性能明显下降，这一过程称为合金老化。当温度稍高（80 ），时效过程甚为迅速，使热处理不能发挥作用。,铝镁类合金的优点是耐腐蚀性好，表面有一层由尖晶石（MgO·Al2O3）构成的膜，使合金具有良好的耐大气和海水腐蚀的能力，铝镁类合金特别适合航海工业、化学工业、民用工业。,铝镁类合金的缺点之一是应力腐蚀，在应力作用下，相（Mg2Al3）从过饱和的相中析出，与两者电极电位相差较大，导致严重的电化学腐蚀。,第三节 铝镁类合金（二元合金 ）,Al-Mg二元相图如右图所示。而在铸造条件下（Al）的最大含铝量仅5%左右。,典型的Al-Mg二元合金的牌号为ZAlMg10，代号ZL301，Mg9.511.0%。组织为（Al）+离异共晶组织相（Al3Mg2），相出现在相的晶界处，需经固溶处理,有时因杂质（铁、硅）出现Al3Fe，Mg2Si。,ZL301比强度较高、抗蚀性好、铸造性能尚可、切削性能好、工件表面光洁；因镁量高，熔炼工艺复杂、合金易老化（常温下沿晶析出Al3Mg2）、力学性能下降，并出现应力腐蚀现象。,第三节 铝镁类合金（多元合金 ）,Al-Mg-Si系合金（ZL303） Mg含量降低（4.55.5%Mg)， Si量提高至0.8-1.3%，同时加入一定的锰（0.1-0.4%），组织中不出现Al3Mg2，而形成（+ Mg2Si）共晶组织，合金无须热处理，铸态下使用。合金力学性能不及ZL301，但具有较好的高温力学性能。,若再加入Be0.001%、Ti0.2%、B0.005%，具有良好高温性能。可在350 以下工作，基本上能保持常温下的性能。可制造船舶用、航空用构件或内燃机零件。,Al-Mg-Zn三元合金（ZL305） 成分与ZL301不同（Mg7.59.0%、Zn1.01.5%、Ti0.10.2%、Be0.030.1%），但组织却相似，铸态组织为（Al）+离异共晶组织Mg32(Al、Zn)49，经固溶处理Mg32(Al、Zn)49溶入（Al）中，强化合金。因Mg32(Al、Zn)49点阵复杂，合金在常温条件下使用过程中Mg32(Al、Zn)49不易脱溶、聚集长大。推迟老化，但使用温度不宜超过100 。 可制造鱼雷壳、潜水服等。,第四节 铝锌类合金（二元合金 ）,铝锌二元相图见右图，工程上使用的二元合金在室温下的组织为（Al）+（Zn），晶粒细。（Zn）的硬度低于（Al），合金强度低，而且两相间电极电位差很大，耐腐蚀性差。因此Al-Zn二元合金在工业上没有实用价值。,一、铝锌二元相图,第四节 铝锌类合金（多元合金 ）,二、Al-Zn-Si-Mg系合金（ZL401） 合金含锌913%，并加入一定的镁（0.10.3%）、硅（6.08.0%），锌全部溶入（Al）中，镁起固溶强化作用。 铸态组织：初生（Al）+共晶体（Al）+Si（与ZL101的组织相似）。 合金有自动淬火效应：凝固时锌就过饱和地溶入（Al），室温下即可开始自然时效，（Zn）呈弥散析出，能强化合金。生产中须经变质处理，自然时效30天。铸造性能与ZL101相近，强度不高，抗腐蚀性差，密度较大。,三、Al-Zn-Mg系合金（ZL402） Zn5.06.0%,Mg0.50.65%(! )，Cr0.40.6%,Ti0.150.25%，铸态组织为过饱和的（Al）基体上分布着树叉状的Mg2Si和骨架状的Al12(Cr Fe)3Si。高温与室温下锌和镁在（Al）中的溶解度相差很大，合金有自动淬火效应，通过自然时效强化合金，其强度和韧性比ZL401都有提高。 合金结晶温度间隔较大，有缩松倾向；过饱和的（Al）在较高温度下（ 100 ）容易分解，导致晶间腐蚀；合金的切削性能好，表面光洁；经人工时效后尺寸稳定。,铝合金中（Al）的细化,晶粒细化的意义,合金的屈服强度与合金晶粒尺寸或枝晶间距之间有以下关系：,对（Al）起细化作用的有钛（Ti）和硼（B），常用的细化剂是钛。,细化晶粒不仅提高机械性能，而且有助于消除缩松、缩孔，减轻杂质的有害作用。因此细化处理对固溶体型合金（Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn类合金）是常用的强化工艺。,铝合金中（Al）的细化,细化机理 （包晶反应说、核心理论、晶粒增殖说、表面粗化、生长抑制） 细化衰退（长时间保温，Al3Ti聚集长大； Al3Ti溶解） 细化中毒（Ti、B含有锆Zr、铬Cr、锰Mn时，细化作用明显减弱甚至消失）,不同形态Al3Ti的形成条件及细化效果,第五节 铝合金的铸造性能,铸造性能：充型能力（流动性）、收缩性能。 与合金元素本身的性质和加其加入量以及合金液的质量有很大关系。 P290 P291 P292 表12-7 12-8 12-9-12-10 12-11 12-12给出了一系列数据、信息。,铝硅类合金中，硅是主要合金元素，硅的熔化潜热大、成分在共晶点附近，充型能力（流动性）最好。,铝铜、铝镁、铝锌类合金中，铜、镁、锌熔化潜热较小、成分都远离各自的共晶点，充型能力（流动性）都不如铝硅类合金。,充型能力（流动性）,第五节 铝合金的铸造性能,收缩性能,合金元素含量相同时，合金元素的体收缩率越大，合金的体收缩率越大。铸件中形成缩孔、缩松的倾向越大。Al6.5%、Zn4.7%、Cu4.2%、Mg4.12%、Si0%,合金元素含量相同时，合金元素的线收缩率越大，合金的体收缩率越大。铸件中越容易产生裂纹、变形、挠曲等缺陷。 线膨胀系数（×10-6/ ）Zn31.0、 Mg26.0 、Al23.0、Cu17.0、Si7.6,第六节 铝铸件的热处理（目的）,热处理的目的,铝合金铸件通常都要进行热处理，很少在铸态下使用， 热处理的目的有以下几方面：,改善组织和性能、提高综合力学性能,消除偏析和有害组织,稳定组织和尺寸,消除铸件应力,第六节 铝铸件的热处理（规范）,热处理常用规范(P293),铝合金铸件的热处理规范多、针对不同合金、不同成分、不同的性能要求，采用相应的热处理工艺制度。P293给出热处理的代号及具体的方法，P294、P295、P296表给出一系列合金热处理的具体规范和性能特点。为控制铝合金铸件的质量，保证铸件的性能严格控制热处理温度是十分必要的。,铝合金铸件常用的热处理规范及代号,第六节 铝铸件的热处理（注意事项）,一般要求实际温度与规定温度偏差不得超过±5，对某些高质量或高牌号的铸件，则要求±3的控温范围 。特别是对固溶化处理温度更要严格控制，因固溶化处理温度与其固相线温度比较接近，以免出现过烧组织。,淬火时也应对淬火介质（水）的温度进行控制，温度过低，会形成较大的淬火应力，严重时导致铸件变形、开裂；温度太高，则会削弱淬火应起到的作用（固溶体过饱和程度降低），导致淬火后的时效处理不能发挥其应有的强化作用。,1、力学性能不合格,第六节 铝铸件的热处理（缺陷及防止）,温度低或保温时间短 (强化相溶入不足） 冷却速度低 （过多的铸件堆积导致） 淬火前停留时间长（强化相数量减少） 人工时效温度低或时间短（沉淀析出的相不足）,强度、硬度过高而塑性不合格；或强度、塑性指标都不合格。原因有多种：,因上述原因造成可以重新进行，但不可超过三次！,2、过烧组织,第六节 铝铸件的热处理（缺陷及防止）,控温仪表的可靠性 ； 炉内温度的均匀性； 铸件升温均匀性 。,控温失灵或高温保温过长，导致晶界处低熔点共晶体开始熔化。合金力学性能急剧下降。造成铸件报废。,3、变形、开裂,第六节 铝铸件的热处理（缺陷及防止）,固溶热处理或人工时效过程中，多相组织发生相变，相变应力或热应力在铸件中形成应力。应力超过屈服强度导致变形；或大于强度极限将导致铸件开裂，造成铸件报废。,升温速度、升温方式 设计夹具、适当的淬火工艺 （淬火及时校正） 合适的热处理炉,3、表面腐蚀,第六节 铝铸件的热处理（缺陷及防止）,含铜较高的合金（4%Cu），人工时效时偏聚、脱溶，形成微电池，促使晶界腐蚀。防止方法有：,加大淬火时的冷却速度； 淬火前停留时间短 ； 淬火介质温度不得高于工艺规范要求 ；,