哈工大材料加工复试铸造合金课件

Date1 * 铸造铝合金 * 铸造铜合金 * 铸造镁合金 * 铸造钛合金 有 色 合 金 Nonferrous Ferrous 黑 色 合 金 铸铁 铸钢 铸造合金 Date2 合金 分类 二元合金 典型多元合金 应用 成分 组织 性能 应用 课程内容 参考书：铸造合金及其熔炼；机械工业出版社 西安交通大学-陆文华；大连理工大学-李隆盛； 上海交通大学-黄良余 (工大图书馆超星下载) 纯金属 物理性质 化学性质 工业牌号 性能 Date3 有色合金的产量和用量不如黑色合金多，但由于其具 有许多优良的特 性，如特殊的电 、磁、热性能， 耐蚀性能 及高的比强度( 强度与密度之比 )等，已成为现 代工业中不可缺 少的金属材料 材料 占汽车净重比 AlFe 塑料塑料 其它其它 橡胶 磁材料 玻璃 聚碳酸酯 T Ti 碳纤维 各种材料在先进汽车中占的重量百分比 Date4 1 铸造铝合金 1.1 纯铝 物理性质：纯铝是一种银白色的轻金属，熔点为660，具有面心立方晶 格，没有同素异构转变。它的密度小（只有2.72g/cm3)；导 电性好，仅次于银、铜和金；导热性好，比铁几乎大三倍 化学性质：纯铝化学性质活泼，在大气中极易与氧作用，在表面形成一 层牢固致密的氧化膜，可以阻止进一步氧化，从而使它在大 气和淡水中具有良好的抗蚀性 性能：(1) 具有极好的塑性，但强度较低。冷变形加工可提高其强 度，但塑性降低。 (2) 铸、压力加工、焊和切削加工性能具佳。 Date5 1 铸造铝合金 1.1 纯铝 分类： 纯铝按其纯度分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝。纯铝的牌号用 “铝”字汉语拼音字首“L”和其后面的编号表示。 高纯铝：有L05L01五种，数字越大，纯度越高； 工业高纯铝：有LG5LG1五种，数字越大，纯度越高； 工业纯铝：有L1L7七种，数字越小，纯度越高。 * 工业纯铝中含有少量铁、硅等杂质元素，杂质含量增加，其导电性、抗蚀 性及塑性都降低 Date6 1 铸造铝合金 1.2 铝合金的分类 铸造铝合金：将熔融的合金直接浇铸成形状复杂的甚至是薄壁的成型 件，所以要求合金具有良好的铸造流动性。 变形铝合金：将铝合金铸锭通过压力加工（轧制、挤压、模锻等）制 成半成品或模锻件，所以要求有良好的塑性变形能力。 根据铝合金的成分、组织和工艺特点，可以将 其分为铸造铝合金与变形铝合金两大类。 铝合金: 纯铝中加入适量Si、Cu、Mg、Zn、Mn等主加元素和Cr、 Ti 、Zr、B、Ni等辅加元素。提高强度并保持纯铝的特性 Date7 1.2 铝合金的分类 对于变形铝合金来说，成分在F和D之间的铝合金，由于合金元素在铝中有溶解度 的变化会析出第二相，可通过热处理使合金强度提高，所以称为热处理强化铝合金 位于F点以左成分的合金，在固态始终是单相的，不能进行热处理强化，被称为热 处理不可强化的铝合金。 铝合金分类示意图 发生共晶凝固的合金具有较好流动性 在恒温下进行的, 结晶过程从表面 开始向中心逐层推进. 由于凝固层 的内表面比较平滑, 对尚未凝固的 液态合金流动的阻力小, 有利于合 金充填型腔. 此外, 在相同的浇注 温度下,共晶成分合金凝固温度最 低,相对来说液态合金的过热度(即 浇注温度与合金熔点温度差)大,推 迟液态合金的凝固,因此合金的流 动性最好. Date8 1 铸造铝合金 1.2 铝合金的分类 铸造铝合金: 按加入的主要合金元素的不同，分为AlSi系、AlCu系、 AlMg系和AlZn系四种合金。合金牌号用“铸铝”二字汉语 拼音字首“ZL”后跟三位数字表示。第一位数表示合金系列，1 为AlSi系合金；2为AlCu系合金；3为AlMg系合金；4为 AlZn系合金。第二、三位数表示合金的顺序号。如ZL201表 示1号铝铜系铸造铝合金，ZL107表示7号铝硅系铸造铝合金 * 在ZL后加D表示为铸锭, 如ZLD101 ；在牌号最后加A表示为优质，如ZL101A 国家标准“铸造铝合金技术条件”, S-砂型铸造；J-金属型铸造；R-熔模铸造；K-壳型铸造； B-变质处理；F-铸态； T1-自然时效；T4-固溶处理后自然时效； T5-固溶处理后不完全人工时效； T6-固溶处理后完全人工时效 Date9 铝合金在汽车、大型装备、航空航天 天等方面的应用 铝合金应用实例 Date10 铝合金制造的机翼 汽缸头 美F-117隐身战斗机 (所用材料大部分是铝合金) 活塞 Date11 1 铸造铝合金 1.3 Al-Si类铸造合金 Al-Si铸造铝合金-硅铝明: 包括简单硅铝明（Al-Si二元合金）和 复杂硅铝明（Al-Si-Mg-Cu等多元合 金）。其牌号为ZL10系列。 应用：由于密度小，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 器和器具等方面获得了广泛的应用 Date12 1 铸造铝合金 1.3.1 Al-Si二元合金的成分、组织和性能 12.6% 12.6 1.65 共晶成分：12.6%Si 共晶区间：1.6599.83%Si 共晶组织：共晶体: (Al) +(Si) 亚共晶组织： (初晶铝) + 共晶体（ +） 过共晶组织： (初晶硅) + 共晶体（ +） 初晶硅：从熔体析出的单相 共晶硅：与构成共晶体的 工业上：亚共晶组织出现初晶硅 原因：Si是非常活泼的元素，容易带入 微量P，P + (Al) AlP (Si) 从(Al)中被置换出来，形成 初晶硅。初晶硅会促使共晶硅呈 现粗大板条状 工业应用合金：713%Si 7 Date13 含硅量对Al-Si二元合金铸造性能的影响 结晶温度区间共晶体 硅量 流动性 (另外，硅结晶潜热大) 硅的收缩率小， 合金的线收缩率 合金的体收缩率 热裂倾向 1.3.1 Al-Si二元合金的成分、组织和性能 Date14 1 铸造铝合金 1.3.1 Al-Si二元合金的成分、组织和性能 耐磨、耐蚀和线膨胀系数 密度和电导率力学性能 抗拉强度 伸长率 纯硅，硬而脆，易腐蚀 Date15 1 铸造铝合金 1.3.1 Al-Si二元合金的成分、组织和性能 Al-Si二元合金：有优良的铸造性能，但是力学性能不高，只能用于压 铸、挤压铸造等高速冷却的铸造方法；对于砂型铸造和石膏型铸造等冷 速慢的铸造方法，必须进行变质处理，细化共晶硅。 注意: 变质处理只能细化共晶硅，不能细化初晶硅，加P可以细化初晶硅 为了兼顾合金的各种服役性能和工艺性能，Al- Si类合金的含硅量一般为： 7%13% 铝塑性大，切屑时消耗很大的功。硅量，共晶体增多，切屑功减小， 但共晶硅硬度大，易磨损刀具，尤其是有粗大初晶硅的过共晶合金，刀具 磨损严重，被加工表面粗糙。为改善切屑加工性能，除了进行变质处理等， 细化共晶硅和初晶硅外，可加入Bi和Pb等易切屑元素；对于过共晶合金， 可采用镶嵌钻石的刀具 硅含量对加工性能影响 Date16 1 铸造铝合金 1.3.1 Al-Si二元合金的成分、组织和性能 代表合金：ZL102 10%13%Si (Al)+共晶体( +)+少量初晶硅 (1)：铸造性能优良：流动性能为铸铝合金之首，集中缩孔倾向大， 设置合理冒口，很容易获得致密铸件 (2)：耐磨性，抗蚀性，耐热性好：具有合适比例的软相铝和硬 相硅；基体相铝表层Al2O3; 共晶温度最高，升温时无相溶解或聚集 (3) 热处理强化效果小，力学性能不高：共晶温度，Si在(Al) 溶解度为1.65%，室温为0.05%。固溶处理，提高固溶度，强化合金。 对该合金效果不明显。 (4): 必须进行变质处理，提高力学性能 应用：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 Date17 1 铸造铝合金 ZL102变质前： 140MPa 3 后： 180MPa 8 板条 纤维 1.3.1 Al-Si二元合金的成分、组织和性能 未变质处理 经变质处理 ZL102的铸态组织 Date18 1 铸造铝合金 1.3.2 Al-Si合金的变质处理 变质处理：向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或 变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的 非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒。 在Al-Si合金中，加入微量变质元素钠或锶后，共晶硅形貌发 生巨变，力学性能尤其是伸长率大幅度提高，使Al-Si合金获得 工程应用价值。 目的： 细化共晶硅，初晶硅， (Al) 力学性能与组织尺度的关系： Hall-Petch公式 Date19 Dendritic growth Date20 Date21 1 铸造铝合金 1.3.2 Al-Si合金的变质处理 目前关于Al-Si合金变质处理的研究结果 (1) 变质机制研究 a. 以差热分析结果判断变质机制： DSC表明，加入变质元素钠或锶后，共晶平台下降510度，共晶点右移13% b. 以微观组织直接观察结果判断变质机制： 利用扫描电镜和透射电镜等分析手段表明，变质后，粗大板条状共晶硅转变 成细小纤维状共晶硅，原因有多种。 Al-Si合金变质处理及其机制是各国冶金工作者研究的热点 Date22 热电偶 The principle of DSC Date23 1 铸造铝合金 1.3.2 Al-Si合金的变质处理 目前关于Al-Si合金变质处理的研究结果 (2) 共晶硅细化研究 a. 加钠或锶 b. 稀土变质：变质效果与钠和锶相仿，但变质机理百家争鸣；以稀土化合 物或Al-RE中间合金方式；加入量与含硅量及冷速有关，在 0.2%1.0%，含硅量高，冷速慢，取下限。适用于Al-Si共晶 合金及过共晶合金，同时加入磷和稀土，能同时细化初晶硅 和共晶硅，称为“双重变质” (3) 初晶硅细化研究 加P细化初晶硅：P+(Al)AlP, AlP与Si具有相同的晶格常数。 Date24 目前关于Al-Si合金变质处理的研究结果 (4) 初晶(Al)细化 : 细化机理: 加Ti，或加B，或同时加Ti和B a: 包晶理论：在665 ，L+TiAl3 (Al)， TiAl3与(Al)在(001)Al和(110)Al面上 存在良好的共格关系。 (Al)可以在TiAl3晶体面上同时外延生 长。在(Al)中心确实找到TiAl3，但无法解释Ti低于0.15% (无反应)时的细化现象 b: TiC核心理论：在一般纯度Al熔体中往往含有杂质元素，典型如Fe, C，P, Sn, Pb, Ca. 加入Ti后，会出现TiC，起异质晶核作用，细化晶粒。无法 解释超高纯Al加Ti细化现象。 c: 晶粒增值理论：钛在铝的分配系数小，凝固易出现成分过冷，枝晶根部易颈缩， 脱落而游离于熔体，引起晶粒细化。不能解释加B细化的现象 1 铸造铝合金 Date25 包晶系 (L + ) Date26 晶粒游离学说，日本学者大野竺美 相场模拟，枝晶根部颈缩现象 Date27 目前关于Al-Si合金变质处理的研究结果 (4) 初晶(Al)细化 : 细化机理: 加Ti，或加B，或同时加Ti和B d: B的细化理论：B加入含Ti的铝熔体后，会形成(Al、Ti)B2, 它本身不稳定，逐渐 转变为TiB2, 具有粗糙的网纹表面，是(Al)最好的形核剂。 e: Ti抑制(Al)生长理论： (Al)生长释放大量潜热，速率与mC0(K-1)成反比，钛的 该值极大，故(Al)生长速率很小 f: B-Ti 叠加作用的加强：含Ti熔体加入B，降低TiAl3在铝熔体的溶解度，析出更 多的TiAl3粒子，促进形核，但与热力学计算不符。 g: 细化现象衰退的原因：铝熔体长时间保温时， TiAl3粒子相互聚集长大，细化效 果衰退。加B，缓解衰退，形成TiB2, 比较稳定。 1 铸造铝合金 Date28 目前关于Al-Si合金变质处理的研究结果 (4) (Al)初晶细化 : 晶粒细化中毒： 加B，Ti的铝熔体，若含有或加入Zr, Cr, Mn，减弱或失去细化效果 a. ZrB2点阵常数很大，与(Al)无共格，包覆在TiB2表面 b. 最新的中毒理论认为， 起细化作用的TiAl3， TiB2中部分Ti被Zr 或Cr或 Mn取代， 改变点阵常数 (5) 不同形态TiAl3的形成条件及细化作用 a 小平面块状TiAl3：低温速冷时形成；细化效果好，作用快但易溶解，衰退较快； 适用于铝材厂做成线性盘条状，直接加入熔铝的流槽中 b 片状TiAl3：高温缓冷时形成；细化作用较弱，但衰退缓慢。 c 花瓣状TiAl3：高温快冷时形成；细化效果不如块状TiAl3，作用慢，衰退也慢； 直接加入熔炉中 1 铸造铝合金 1.3.2 Al-Si合金的变质处理 Date29 1.3.3 Al-Si-Mg系合金 为什么加Mg? 形成Mg2Si，固溶处理时， Mg2Si固溶到(Al)中，人工时效后， Mg2Si呈 弥散相析出，使(Al)中的结晶点阵发生畸变，强化合金，提高力学性能 加热固溶 淬火过饱和 时效析出 热处理方法：固溶处理 + 时效 固溶处理：将合金加热至高温 单相区，恒温保持， 使过剩相充分溶解入 基体中，并淬火后获 得过饱和的单相固溶 体组织的处理 时效：将过饱和的固溶体加热 到固溶线以下某温度, 恒 温保持，以析出弥散强 化相的处理。 * 引起固溶体相发生大的晶格点阵畸变 * 控制强化相析出的形态，位置，数量 恒温保持 恒温保持 Date30 含4%Cu铝合金的时效曲线 时效时间/d 在室温下进行的时效称自然时效；在加热条件下进行的时 效称人工时效。时效强化效果与加热温度和保温时间有关。 温度一定时，随时效时间延长，时效曲线上出现强度峰值， 超过峰值时间，析出相聚集长大，强度下降，为过时效。随时 效温度提高，强度峰值下降，出现峰值的时间提前 Date31 1 铸造铝合金 1.3.3 Al-Si-Mg系合金 固溶处理温度 为535 5 代表合金1： ZAlSi7Mg合金 (ZL101) 成分：Si6%8%; Mg0.2%0.4% 铸态组织： (Al)+共晶体+微量Mg2Si 性能：较好的力学性能 应用：制造薄壁，形状复杂的铸件。 注意：结晶温度范围宽，易形成缩松，慎重设置浇冒系统， 工作温度不宜超过150 Date32 1 铸造铝合金 代表合金2: ZAlSi9Mg合金 (ZL104) 成分：Si8%10.5%; Mg 0.17%0.3%; Mn: 0.2%0.5% 铸态组织： (Al)+共晶体 (微量Mg2Si固溶和时效处理后消失) 性能：硅量较高和锰的加入，力学性能比ZL101高。铸造性能 优良，充型能力强，线收缩率小，无热裂和缩松倾向， 抗腐蚀及切削加工和焊接性能均好 应用：发动机缸体，缸盖，曲轴，增压器壳体，航空发动机压缩机匣 注意：有集中缩孔倾向，慎重设置浇冒系统，工作温度小于185 1.3.3 Al-Si-Mg系合金 Al-Si-Mg系合金发展方向 保持优良的铸造性能的同时，进一步提高力学性能 【进一步提高Mg含量；加入细化剂改善组织；降低杂质含量；提高 固溶处理温度，并选择合适人工时效工艺】 Date33 1 铸造铝合金 1.3.4 Al-Si-Cu系合金1.3.5 Al-Si-Cu-Mg系合金 相组成 (Al)+二元共晶(+Si)+ 三元共晶(+Si+CuAl2) 较好的铸造性能和切削加工 性能，不经热处理即可有较高 的力学性能，广泛用作压铸合金 代表合金：ZL107 Si6.5%7.5%, Cu3.5%4.5% 工作温度小于250 相组成 除(Al), Si, Mg2Si, CuAl2,出现四元相W (W相的热处理强化效果最好， Mg2Si次之) 代表合金1：ZAlSi5Cu1Mg (ZL105) Si:4.55.5%;Cu: 1.01.5%;Mg: 0.40.6% 不需变质处理；金属型铸造；承受中等 载荷，形状不复杂的中小型铸件 代表合金2：ZAlSi9Cu2Mg (ZL111) Si:811%;Cu: 1.31.8%;Mg: 0.40.6% Mn: 0.10.35%; Ti: 0.10.35% 需变质固溶处理；铸造性能好; 承受重 大载荷，形状复杂的大中型铸件 Date34 1.3.6 活塞合金 (Al-Si多元合金) 要求：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；批量大，要求制作工艺简单成本低 代表合金1：ZAlSi12Cu2Mg (ZL108) 成分：Si: 1113%; Cu: 1.02.0%; Mg: 0.41.0%; Mn: 0.30.9%；其余Al 铸态组织：(Al)+二元共晶(+Si)+少量Mg2Si, CuAl2 (沉淀硬化) 变质处理：传统加钠盐变质，提高室温力学性能，但钠会降低高温力学性能。 活塞是在高温下工作，故，目前通过通过加磷或磷和钠综合处理 * 在ZL108基础上加入0.81.5%Ni，形成ZL109, 具有富Ni的Al6Cu3Ni相，高温性能好， 但价格高，只用作重要的活塞 Date35 1 铸造铝合金 代表合金2：过共晶铝活塞 * ：Si 17%19%； ： Si 20%23%； ： Si 24%26% 和 ，有一定室温塑性，铸造性尚好，使用较多； 类脆性大，铸造 性能差，只用作高速摩托车或赛车的活塞 * 添加Cu和Mg，形成CuCl2, Mg2Si强化相, 提高合金性能；含量控制在2%以内， 过多将使合金变脆 * 添加Ni，提高热稳定性。但Ni价格贵，我国稀土量大，因此，我国添加稀土取 代Ni，既能形成强化相，又能细化组织。 * 我国开发的“K76-1”合金，性能指标优越，高于德国的同类合金KS280 1.3.6 活塞合金 (Al-Si多元合金) Date36 1 铸造铝合金 1.4 铝铜类铸造合金 优点： 室温、高温性能好，切屑性能好， 加工表面光洁，富铜相耐热，熔铸 工艺较简单； 缺点： 铸造性能差；富铜相与(Al)基体 间的电子电位差值大，抗腐蚀性能 差；密度较大；强度低于Al-Si类铸 造合金 应用： 主要用于制造在较高温度下工作的 高强零件，如内燃机汽缸头、汽车 活塞等。 汽缸头 Date37 1 铸造铝合金 1.4.1 铝铜二元合金 平衡凝固条件下，共晶温度，Cu在Al的 固溶度是5.65%。实际上，5.0%，即出 现 (Al)+(CuCl2)离异共晶。室温下， 固溶度降至0.01%。通过固溶处理增加固 溶度，4.5%5.5%的合金，固溶处理后 ，能达到最大固溶度。 离异共晶：有共晶反应的合金中，如果成 分离共晶点较远，由于初晶数量 较多，共晶数量很少，共晶中与 初晶相同的相依附初晶长大，共 晶中另外一个相呈现单独分布， 使得共晶组织失去其特有组织特 征的现象 铝铜合金铸造组织 210 5% Date38 计算机模拟共晶组织 Date39 代表合金1：ZAlCu10 (ZL202) 成分： Cu：9.011.0%, 其余Al 铸态组织： (Al)+ (Al)+离异共晶 特点：熔炼工艺简单，有一定量共晶体，铸造性尚可，但不能固溶强化， 铸态使用，力学性能不高，用于制作装饰性小零件 代表合金2：ZAlCu4 (ZL203) 成分: Cu：4.05.0%, 其余Al； 铸态组织： (Al)+ 少量( (Al)严重晶内偏析) 特点：熔炼工艺简单，经固溶和人工时效处理后，力学性能大幅度提高， (Al)晶内偏析消除，但铸造性能差，用于形状简单的承受中等载 荷在较高温度下工作的中小型零件 1 铸造铝合金 1.4.1 铝铜二元合金 Date40 1 铸造铝合金 1.4.2 铝铜多元合金 代表合金1：ZAlCu5Mn (ZL201) 成分： Cu：4.55.3%, Mn: 0.61.0%; Ti: 0.150.35% 铸态组织： (Al)+ (Al)+Cu2Mn3Al20二元共晶+ (Al)+CuAl2+Cu2Mn3Al20三元共晶 * Cu2Mn3Al20常用Tmn代表 * Mn的加入能大幅度提高室温和高温力学性能，但Mn量控制在1.0%以下，否则，变脆 * 加入Ti能细化 (Al)，使非平衡态的CuCl2和Tmn相在固溶处理时溶入 (Al)，提高强化 效果。但加入量控制在0.150.35%，过少，细化效果差；过多，引起TiAl3聚集，保温 时间长时， TiAl3变粗大，混入铸件成为杂质。 ZL201中杂质元素影响: Fe形成Al3Fe，合金变脆；Si 降低Cu和Mn在 (Al)溶入 量，降低强化效果， 对室温和高温性能不利；Mg或Zn 降 低热强度。Fe 0.3%；Si0.3%；Zn 0.2%; Mg 0.05% 应用：300度以下工作，用于承受重大静载荷和动载荷的零件，如发动机增压器叶片等 ZL201A: 在ZL201基础上严格控制 杂质含量，力学性能比后者高，成 本高，用于极重要零件，如涡轮叶片 ZL205: 在ZL201A基础上加入镉-银-钒-锆-硼等， 进一步提高合金热强性，达到与美国KO-1合金性能 Date41 1 铸造铝合金 1.4.2 铝铜多元合金 代表合金2：耐热铝合金 能在较高温度下使用而不 软化 的 铝合金。耐热铝合金的耐热性由 (Al)的化学成分，第二相性质，形状和分布等因素决定。 (Al)成分 越复杂，组织结构越稳定，第二相热稳定性越高，晶粒越细，沿晶分 布相组成弥散强度越高，合金的耐热性越好。 提高铝合金热强性的主要途径是固溶强化、过剩相强化和 晶界强化等。为此，常加入钼、镍、铜、锂、铁或稀土元 素，以形成热稳定性较好的过剩相Al2CuMg，Al6Cu3Ni， Al2FeSi，Al9FeNi，Al2CuLi，Al6Mn，Al3Ti，Al3Fe， Al4Ce4，Al2Cu4Mg5Si4等。主要用作在150300工作的零 件，如涡轮压缩机叶片盘、焊接容器、活塞等。 耐热铝合金类型很多， 铝铜类耐热铝合金是其中一类 Date42 1 铸造铝合金 1.5 铝镁类铸造合金 性能特点：有较高的强度、韧性及 耐蚀性, 密度小；但铸 造性能差, 耐热性低。 应用：主要用于制造外形简单、承 受冲击载荷、在腐蚀性介质 下工作的零件，如舰船配 件、氨用泵体等 铝镁合金铸造组织 (化染) 150 鼓风机用密封件等(ZL102，ZL301) Date43 1 铸造铝合金 1.5.1 铝镁二元合金 平衡凝固条件下，共晶温度，Mg在Al的固溶度是14.9% 。实际上，9.0%，即出现 (Al)+(Al3Mg2)离异共晶。 Mg的原子半径比Al大13%，溶入Al后， (Al)的点阵发 生很大的扭曲，力学性能大大提高 Mg量对Al-Mg二元合金力学性能分析, 表明，含Mg12%，合 金强度最大；含Mg11%，伸长率最大。故，常用Al-Mg二元 合金中，Mg量不超过11%。铸造条件下，含Mg46%，结晶 温度范围最宽，易形成缩松和热裂。Mg910%，有相当数量 的离异共晶，有足够的充型能力 代表合金：ZL301 (Mg9.5%11%) 优点：切屑性能好，工件表面光洁度高，表面抛光后，光如亮镜， 且能长期保持原有光泽，称为“光亮铝合金”。可用于装饰零件 缺点: (1) 含Mg量高，熔炼时，必须在溶剂保护下熔炼；(2) 即使在 室温下长期工作也会发生时效过程，力学性能下降，合金老化，抗 蚀性降低，工作温度100度时，老化加速；(3) 壁厚效应大，密度 小，需采用大冒口，成品率低。 * Fe, Si 有害，使合金变脆，0.3%以内；Mn, Cr有益，但0.1%以内 9% (Al)+(Al3Mg2) Date44 1 铸造铝合金 1.5.2 Al-Mg-Si系合金 代表合金：ZAlMg5Si1 (ZL303) 成分： Mg：4.55.5%, Si: 0.81.3%; 其余Al 铸态组织： (Al)+ (Al)+Mg2Si 共晶 * Si在ZL301中是有害杂质，但在降低Mg量同时将Si量增加到0.81.3%，形成一定数 量的(Al)+Mg2Si 共晶，改善铸造性能 * 室温力学性能不如ZL301，但在高温下有较好的力学性能, 进一步加入0.001%Be， 0.2%Ti，0.005% B，在350度以下工作时，几乎完全保持了室温下的力学性能 应用：在潮湿空气或海水中有很好的耐蚀性，耐热性较好，可用于承受中等载荷的船 舶用，航空用构件及内燃机机车的零件 Date45 1 铸造铝合金 1.5.3 Al-Mg-Zn系合金 代表合金：ZAlMg8Zn1 (ZL305) 成分： Mg：7.59.0%, Zn: 1.01.5%; Ti:0.10.2%; Be: 0.030.1%; 其余Al 铸态组织： (Al)+ (Al)+Mg32(Al、Zn)49 离异共晶 * 固溶处理后， Mg32(Al、Zn)49 溶入 (Al)中，强化合金 * Mg32(Al、Zn)49 的点阵结构复杂，在零件使用过程中不易脱溶，聚集长大，推迟 老化现象。 * Zn量在1.01.5%以内，合金综合力学性能最佳，但工作温度不超过100度 应用：用于在海水中承受重大载荷的零件，如鱼雷壳体，潜水服等 Date46 1 铸造铝合金 1.6 Al-Zn类铸造合金 大型空压机活塞(ZL401) 性能特点：具有良好的铸造性 能，经变质处理和时 效处理后, 强度较高 (可自然时效强化)； 但密度大，耐蚀性差 应用：制造形状复杂受力较小的 汽车、飞机、仪器零件 Date47 1 铸造铝合金 在381度，存在共晶反应；在277361.5度， 在Zn含量为32.477.7%，存在调幅分解： 1+2 ， 1富Al，2 富Zn，均属面心立方结构，并 具有完全共格关系。当温度降低至277度时 ，继续调幅分解： 1+2 (Al)+(Zn) 分解是在细晶粒且相互共格的1和2基体 上进行的。室温组织：(Al)+(Zn)，经过 多次调幅分解后，晶粒细小。 (Zn)的显微硬度低于(Al)，第二相 对合金变形不起阻碍作用，因此，Al-Zn 二元合金热强性很低； (Al)和(Zn)电子 电位差很大，耐蚀性低。故， Al-Zn二元合 金在工业上没有使用价值 1.6.1 Al-Zn二元合金 Date48 调幅分解：固溶体分解成结构相同但成分不同的两相 形成成分不同的微小区域相间分布的组织。这些小区域的溶质含量沿一 个方向形成一定的波形分布，波峰处成分高于平均成分，波谷处成分低于平 均成分。这些富区与贫区保持原固溶体的晶体结构，相同成分区域之间的距 离（即分域或调幅波长）一般在 5100nm之间。此种由成分调幅的微小区域 组成的不均匀组织，称为亚稳分域组织。这种分解不需形核势垒，只是通过 固溶体中出现的成分涨落(起伏)波的生长进行的。生长由上坡扩散控制。 白色区 域为富 铜区 Spinodal分解 Date49 1.6.2 Al-Zn-Si-Mg系合金 代表合金：ZAlZn11Si7 (ZL401) 成分：Zn: 913%; Si: 68%; Mg: 0.10.3%; 其余Al 铸态组织： (Al)+共晶体+微量Mg2Si (与ZL101同) * 合金有“自动淬火”效应，即凝固时， (Zn)过饱和溶入(Al)中，室温时开始自然时效， (Zn)呈弥散状析出，强化合金(该(Zn)与二元合金中的不同，固溶了部分Si)。 * 不必固溶处理，铸造工艺性能与ZL101相似，抗蚀性能较低，密度较大，用于 185度以下工作的承受中等载荷的零件，如模具，模板及某些设备的支架等。 1.6.3 Al-Zn-Mg系合金 代表合金：ZAlZn6Mg (ZL402) 成分：Zn: 56%; Mg: 0.56.5%; Cr: 0.40.6%;Ti: 0.150.25%其余Al 铸态组织： (Al)+树枝状Mg2Si +骨架状Al12(Cr、Fe)3Si * 合金有“自动淬火”效应，通过自然时效能强化合金。 * 结晶温度范围为40度，有缩松倾向，需设置较大冒口 * 切屑性能好，能获得光洁的工件表面，经人工时效后，尺寸稳定，可用于精密仪表零件， 经阳极氧化处理后，可用于制作船用零件。 * (Al)在较高温度下易分解，形成较高内应力，促进晶间偏析，工作温度不超过100度 Date50 2 铸造铜合金 2.1 纯铜 物理性质：纯铜是玫瑰红色金属，表面形成氧化铜膜后，外观呈紫红 色，故常称为紫铜。密度为8.96g/cm3，熔点为1083.4；具 有面心立方结构，无同素异构转变；具有优良的导电性和导 热性，其导电性仅次于银；无磁性。 化学性质：纯铜在大气、淡水中具有良好的耐蚀性，但在海水中较差 性能：纯铜的强度低，不宜直接用作结构材料；具有良好的焊接性能 分类： 根据杂质的含量，工业纯铜可分为四种：T1、T2、T3、 T4。 “T”为铜的汉语拼音字头，编号越大，纯度越低。 Date51 牌号：ZCu主加元素的化学符号及平均质量分数（w100） 其它元素的化学符号及平均质量分数 （w100），如 ZCuSn3Zn8Pb6Ni1表示Sn3%, Zn 8%, Pb6%, Ni1%的锡青铜 * 部分铸造青铜用“Q+主加元素的化学符号及平均质量分数” 表示，如QBe2.5 2 铸造铜合金 2.2 铸造铜合金分类 青铜：不以Zn为主加元素的铜合金。按主加元素不同分为： 锡青铜，铅青铜，铍青铜等； 黄铜： 以Zn为主加元素的铜合金。按第二种主加合金元素的 不同分为：锰黄铜，铝黄铜，硅黄铜，铅黄铜 * 主加元素：其含量或作用超过除铜以外的其它元素的总和 应用：现代工业中应用广泛的结构材料。较高的力学性能和耐磨性能，很高 的导热性和导电性，在大气、海水、盐酸、磷酸溶液中均有良好的抗 蚀性，因此，用于船、舰、化工机械、电工仪表中的重要零件及换热器 Date52 铜合金应用实例 法兰阀闸阀 黄铜制品 黄铜棒 船舶及化工零件: 齿轮、轴承、衬套及阀体 Date53 冷凝器管 铜合金应用实例 Date54 Bronze statue of BuddhaBronze statue of Buddha in in temple of heaven in Hongkongtemple of heaven in Hongkong 紫荆花紫荆花 铜合金应用实例 Date55 船用青铜软管 快速接头阀( 锡青铜阀体、 阀盖) 2.3 铸造锡青铜 2 铸造铜合金 锡青铜：以锡为主加元素的青铜合 金，锡含量一般为314% 性能特点：锡青铜铸造流动性差，铸 件密度低，易渗漏，但体 积收缩率在有色金属中最 小。锡青铜耐蚀性良好， 在大气、海水及无机盐溶 液中的耐蚀性比纯铜和黄 铜好，但在硫酸、盐酸和 氨水中的耐蚀性较差。 应用：耐蚀承载件, 如弹簧、轴承、齿 轮轴、蜗轮、垫圈等。 锡青铜管 Date56 青铜铸鼎 Date57 2 铸造铜合金 2.3.1 Cu-Sn二元合金 Cu-20%Sn 798: L+ 586: + 520: + 350: + 由于Sn的原子半径比Cu 的大很多，Sn在铜中的 扩散速度极慢，350度共 析转变一般不发生 铸态组织：枝晶+共析体 + Date58 铸造工艺特点 (1) 结晶温度范围宽，凝固速度较慢时，易形成缩松， 导致铸件渗漏。对塑性不好，可通过均匀化退火， 消除 枝晶，防止铸件渗漏，提高塑性；但分布 均匀的显微缩松能储存润滑油，对于要求耐磨性能 的零件是有利的 (2) 易发生热裂。呈糊状凝固，枝晶发达，在铸件内很 快形成晶体骨架，开始了线收缩，此时，凝固层较 薄，高温强度又低， (3) 易出现反偏析缺陷。铸件表面渗出灰白色颗粒状的 富Sn分泌物，俗称“冒锡汗”(富集相)。铸件内外 成分不均匀，降低力学性能，组织变得疏松，引起 渗漏；表面富集坚硬的相，恶化切屑加工性能， 加工后表面出现灰白色斑点，影响表面质量。反偏 析层5mm左右，严重时，2530mm (4) 铸造工艺简单。Sn不易氧化，锡青铜铸件氧化倾向 小，熔炼工艺简单，不需要设置复杂的挡渣系统， 不用底注系统，一般采用雨淋式浇口。 (5) 线收缩率在铜合金中最小，铸造内应力小，冷裂倾 向小。适用于铸造形状复杂的铸件或艺术铸造 含Sn量对Cu-Sn二元合金力学性能的影响 2.3.1 Cu-Sn二元合金 Cu-Sn二元合金力学性能取决 于共析体 +所占比例 含Sn710%之间的合金具有最 佳的综合力学性能 Date59 2 铸造铜合金 2.3.1 Cu-Sn二元合金 出现反偏析的原因及防止反偏析的工艺措施 原因：结晶温度范围宽，枝晶发达，由于熔体中存在呈气泡形式 的氢，产生背压，把低熔点富锡相熔体推向枝晶间隙中心； 凝固后期，铸件由内到外仍存在大量的显微通道，由于固态 收缩及氢气泡的背压，富锡熔体沿枝晶的显微通道通向铸件 表面渗出，堆积在铸件表面。 (铸型反应：2P+5H2O=P2O5+5H2) 防止: (1) 放置冷铁，提高冷却速率，出现层状凝固。 (2) 调整化学成分，如加入Zn，缩小结晶温度范围。 (3) 采取有效的精炼除气措施，减少合金中的含气量 Date60 2 铸造铜合金 2.3.2 ZCuSn10P1锡青铜 简称：“10-1锡青铜” 成分：Sn: 911%; P: 0.61.2%; 其余Cu * P的作用: (1) 生成Cu3P，硬度高，作为耐磨组织中的硬相，提高合金的 合金的耐磨性；(2) 脱氧；(3) 提高合金流动性，改善充型能力 * 由于加入P，为防止铸型反应：2P+5H2O=P2O5+5H2，应采用干型浇注 采用金属型时，表面必须处理干净；必须低温浇注，快速冷却 铸态组织：+三元共析体 +Cu3P * (Cu)时软基体， +Cu3P为硬质点，耐磨组织 性能：耐磨性能优于二元Cu-Sn合金 应用：用于制造在重载荷，高转速，较高温度下受强烈摩擦 的零件，如齿轮和轴承等 工业上应 用广泛的 轴承合金 Date61 2 铸造铜合金 2.3.3 ZCuSn10Zn2锡青铜 简称：“10-2锡青铜” 成分：Sn: 911%; Zn: 1.53.5%; 其余Cu * Zn的作用: (1) 缩小合金的结晶温度范围，提高充型能力，补缩能力，减轻缩 松倾向，提高气密性；(2) Zn溶入固溶体时，强化合金 铸态组织：+二元共析体+ 性能：耐磨性能好 应用：用于制造在蒸汽或流速不大的海水中工作的承受中等载 荷的船用衬套，阀门及转速不高的涡轮 Date62 2 铸造铜合金 2.3.4 ZCuSn5Pb5Zn5锡青铜 简称：“5-5-5锡青铜” 成分：Sn: 46%; Pb: 46%; Zn: 46%;其余Cu * Pb的作用: (1) Pb以细小分散的颗粒均匀分布在合金基体上，具有良好的 自润滑作用，能降低摩擦系数，提高耐磨性；(2) 在最后凝固 阶段Pb填补了(Cu) 枝晶间隙，有助于消除缩松，提高耐水压 性能；(3) 孤立分散的Pb粒破坏了合金基体的连续性，改善切 屑加工性能 * Pb含量上限为6%，否则，合金力学性能反而明显下降 铸态组织：+二元共析体+Pb颗颗粒 性能：塑性较好，强度尚可，耐磨性，铸造性能，切屑加工性好 应用：用于制造承受中等载荷和转速的轴承、轴套及螺母和垫圈 等耐磨铸件 Date63 2 铸造铜合金 2.3.5 锡青铜中的杂质 Al，Si，Mg均是锡青铜的有害杂质 熔炼和浇注时形成难熔氧化物Al2O3，SiO2，MgO等，呈弥散状，很难 从铜液中清除，降低合金液的流动性，阻塞补缩通道，降低铸件致密性 ，容易渗漏；氧化物凝固时被推向晶界，削弱了晶界，降低合金力学性 能。铸造铜合金的国标中，Al、Si、Mg含量均限制在0.01%以下 除磷青铜或个别合金外，铜合金中P必须限制 在0.05%以下，防止铸型反应，生成皮下气孔 锡青铜对杂质很敏感，因此，应使用专用坩埚熔炼 Date64 2.4 铸造铝青铜 2 铸造铜合金 铝青铜：以铝为主加元素的青铜合金，铝含量为511% 性能特点：强度、硬度、耐磨性、耐热性及耐蚀性高于黄铜 和锡青铜，铸造性能好，但焊接性能差。 应用：主要用于制造船舶、飞机及仪器中的高强、耐磨、耐 蚀件，如齿轮、轴承、蜗轮、轴套、螺旋桨等。 大型水力发电设备中的抗磨环Date65 2 铸造铜合金 2.4.1 Cu-Al二元合金 Cu-(014)%Al 1036: L+ 565: +2 铸态组织：+共析体 + 2 (Cu)：fcc, 塑性高且因溶入铝而强化，故单 相铝青铜可用于冷热压力加工成型材 (Cu3Al基固溶体): bcc，高温时稳定 2(Cu32Al19基固溶体): 复杂立方晶格，硬 而脆，塑性差 缓冷脆性：缓慢冷却时，2相呈网状在相晶体上析出，形成隔 离晶体联结的脆性硬壳，使合金变脆。(铝青铜特有的缺陷) 防止: (1) 加Fe, Mn等增加相稳定性; (2) 加Ni, 扩大相区，消除 (3) 提高冷速，1, 相硬度强度高，塑性较低，当具 有合适量(30%)相，且分布均匀，有较高力学性能 Date66 2.4.1 Cu-Al二元合金 性能及工艺特点 (1) 耐磨性能好。(Cu)塑性好，基体上均匀分布 硬度 较高的，是 一种耐磨组织，但铝 青铜干摩擦系数比湿摩擦系数大3040 倍，故，不宜在干摩擦工况下工作。 (2) 在海水氯盐及酸性介质中有良好抗蚀性。表层有致 密Al2O3膜，但不允许有2相出现， 因其可成为阳极，被腐蚀。 (3) 结晶温度范围小，流动性好。铸件组织致密，壁厚 效应小。凝固时体收缩大，必须设置 大冒口，防止集中性大缩孔 (4) 浇注时易夹渣夹气。熔炼铝青铜时，熔体表面有 Al2O3组成，如不排除，进入铸 件将恶化力学性能，需除渣除 气。设计浇注系统时，必须设 置严密的挡渣系统，如过滤网 (5) 线收缩率大，易出现裂纹，设计浇注系统时，应尽 量使内浇口分散，避免热量集中 含Al量对Cu-Al二元合金力学性能的影响 Al含量控制在 911% 2 铸造铜合金 Date67 2 铸造铜合金 2.4.2 ZCuAl10Fe3铝青铜 简称：“10-3铝青铜” 成分：Al: 8.511%; Fe: 24%; 其余Cu 铸态组织：(Cu) + (+2)共析体+k (黑色点状FeAl3) * Fe的作用: (1) 生成异质核心，细化(Cu) ；(2) 阻滞三相共析转变+2+k ； (3) 扩大(Cu) 相区，减少相及其转变产物+2，消除“缓冷脆性” * Fe的加入明显提高合金力学性能和耐磨性，但含量超过4%后，抗蚀性下降 应用：用于承受中等载荷，低转速的耐磨件，如涡轮，轴套等，承 受高载荷或发生干摩擦时，出现“咬卡” 现象。由于铸件致 密，耐水压，可用作高压阀门，工作温度可达350度 * 10-3铝青铜不含稀贵合金元素，成本较锡青铜低，应用广泛 热处理: (1) 淬火加回火：加热至950度以上34h，淬火后获得针状马氏体 相，再在250300度回火23h, 强度和硬度显著提高 (2) 合金的常化处理：先在600700度保温34h，然后空冷，能减少甚 至消除+2共析体，提高合金塑性 Date68 2 铸造铜合金 2.4.3 ZCuAl9Mn2铝青铜 简称：“9-2铝青铜” 成分：Al: 8.010.0%; Mn: 1.52.5%; 其余Cu 铸态组织： (Cu) + (+2)共析体 * Mn的作用: (1) 提高相稳定性，降低相共析转变温度，使共析体细化，消除“缓 冷脆性” ；(2) 溶入(Cu)强化合金，塑性降低不多 性能: 与10-3铝青铜比，强度较低，塑性较高，抗蚀和耐磨性能较好 应用：船用零件，化工机械的高压阀门，承受中等载荷的耐磨件 Date69 2 铸造铜合金 2.4.4 ZCuAl8Mn13Fe3Ni2铝青铜 简称：“8-13-3-2铝青铜” 成分：Al: 78.5%; Mn: 12.014.5%; Fe: 2.54%; Ni: 1.82.5% * 对组织性能的影响，1%Mn 0.16%Al 铸态组织：(Cu) +(+Cu3Mn2Al)共析体 + k (黑色点状FeAl3) * 加Mn，稳定相，最佳含量1014%；Ni溶入(Cu)，扩大相区，提高耐蚀性， 但过多，产生网状含镍化合物，恶化力学性能；加Fe，形成FeAl3, 细化晶粒，细化所 需Fe 随Mn量增加而减小，Fe量超过4%，降低合金抗蚀性 性能：力学性能很高，铸造性能较好，在海水中抗蚀性，抗空泡溃 蚀性好，但抗海生物附作能力较差 应用：制造大型船、舰和高速快艇推进器的理想材料之一 Date70 2 铸造铜合金 2.4.5 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铝青铜 简称：“9-4-4-2铝青铜” 成分：Al: 8.510%; Fe: 4.05.0%; Ni: 4.05.0%; Mn: 0.82.5%; * 与8-13-3-2相比，Ni高Mn低 铸态组织：(Cu) + k (黑色点状FeAl3) 性能：力学性能很高，但与8-13-3-2铝青铜比，力学性能稍有降 低，在海水中的抗空泡溃蚀性更好，且抗海生物附作能力强 应用：也是制造大型船、舰和高速快艇推进器的理想材料 缺点：比8-13-3-2铝青铜熔点高100度左右，密度更大且成本高 Date71 2 铸造铜合金 2.5 铸造铅青铜 2.5.1 Cu-Pb二元合金 Monotectic alloy 955: L1+ L2 326: L2 +Pb 铸态组织：枝晶+填满枝晶间隙的Pb ：几乎为纯Cu L2： 富Pb液相 由于Cu和Pb几乎不混溶，且两者密度差大， 凝固时出现严重的比重偏析，引起Pb的聚集 和球化，恶化合金的力学性能，因此，必须 采用水冷金属型，加快凝固，使铅相呈细小 点状均匀弥散分布在铜基体上。或者采用定 向凝固技术，获得两相沿生长方向平行排列 的共生生长组织 +L1 L1 Date72 C0 Bimodal line L2 + L2 Immiscible Solid phase Monotectic temperature Immiscible melts Completely miscible (a) L2 L1 L1 偏晶合金凝固 a b c Date73 Al-In 定向凝固Cu-Pb定向凝固 Date74 Date75 2.5.2 ZCuPb30 简称：“30铅青铜” 成分：P