北京科技大学铸造合金及制备工艺4.1-铸造铝合金-1课件

1、铸造合金及制备工艺材料科学与工程学院 材料成形与控制工程系毛卫民4 铸造非铁合金铸造非铁合金：除过铁以外的所有铸造合铸造非铁合金分类：铸造铝合金（Cast Aluminum Alloy）铸造铜合金（Cast Copper Alloy）铸造镁合金（Cast Magnesium Alloy）铸造锌合金（Cast Zinc Alloy）铸造钛合金（Cast Titanium Alloy）铸造轴承合金（Cast Bearing Alloy）铸造高温合金（Cast Superalloy）铸造锌合金铸造锌合金主要用作压铸合金；合金熔点低，压铸型寿命长；压铸件的尺寸精度高，易于电镀；广泛应用于汽车、拖拉机和

2、仪表行业；重力铸造锌合金主要用作轴承耐磨合金；锌合金价格较低。铸造轴承合金轴承合金用来制造滑动轴瓦或轴套，要求摩擦系数低、耐磨、一定的承载能力；轴承合金可分为铁基和非铁基两类，非铁基轴承合金主要指锡基、铅基、铝基和铜铅轴承合金；锡基和铅基轴承合金的熔点低，统称为巴氏合金，主要制造汽车和大马力低速船用柴油主机轴瓦，占轴瓦总数的85%以上；铝基和铜铅轴承合金用来制造大功率汽车发动机、高速柴油机的轴瓦；铸造高温合金高温合金又称为耐热合金、或热强合金、或超合金，能在6001000的高温氧化气氛和燃气腐蚀条件下长时间承受较大的工作载荷，如燃气轮机的热端部件；按合金基体可将高温合金分为三类：镍基、铁基和钴

3、基；铸造高温合金是高温合金中的重要分支，如发动机定向凝固或单晶叶片；铸造高温合金的合金元素多，分别起固溶强化、弥散强化、晶界强化和表面稳定化，使高温合金具有优异的性能；铸造高温合金中的活性元素较多，需要采用真空冶炼和铸造技术。4.1 铸造铝合金及制备工艺铝在地壳中的存储量极高，约占7.5%，比所有的其它金属元素的储量都高。纯铝的密度小，塑性高，导电性和导热性良好。铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类，本课只涉及铸造铝合金。4.1.1 铸造铝合金的特点及分类密度低、比强度高ZL104铝合金与钢的密度、比强度的比较；ZL104的比强度比铸造碳钢的比强度高约38%；铝合金发动机缸盖、进气歧管、活塞

4、铸件汽车发动机进气歧管汽车铝合金轮毂摩托车发动机铝合金铸件其它铝合金铸件美国日本汽车用铝变化表在大气、淡水中，铝合金具有良好的耐蚀性能，广泛应用于民用器皿和家用电器的制造，也广泛应用于化学工业。铝合金具有良好的导热性，广泛应用于有导热能力要求的场合，如换热器、活塞、缸盖等。铝合金具有良好的铸造性能：铝合金的熔点低，凝固潜热大，流动性良好，适合于制造较为复杂的铸件。4.1.2 铸造铝硅合金铸造铝硅合金主要以Si作合金元素，提高铸造性能，即提高合金的流动性和气密性、降低合金的热裂倾向、减少疏松，从而获得健全致密的铸件；铸造铝硅合金具有好的耐蚀性和中等的切削加工性能，具有一般的强度和硬度，塑性较低；

5、合金分为：亚共晶、共晶和过共晶合金，如ZL101、ZL102、ZL117等，常用牌号约18个。4.1.2.1 铸造铝硅合金的相图铝硅合金二元相图如下Al-Si二元合金平衡相图4.1.2.2 铸造铝硅合金的平衡凝固组织亚共晶Al-Si合金组织（Si12.5wt%）初生相：共晶反应前形成的树枝状的硅在铝中的固溶体；在577时，初生相最多可溶解1.65wt%Si；（+）共晶体：在577 时，共晶反应的产物，相为铝溶解在硅中形成的固溶体，几乎为纯硅，形状呈针状或片状；共晶沿着初生生长，无法分辨；亚共晶Al-Si合金的凝固组织如下图所示。ZL101铝合金；挤压铸造，未热处理；组织特征：由于冷却速度快，浅

6、色初生（Al）固溶体枝晶和共晶Si较细小；浸蚀剂：0.5%HF水溶液共晶Al-Si合金组织（Si=12.5wt%）平衡凝固的组织中一般不出现初生相，但实际凝固组织中常常会出现一些初生相；凝固组织的主体是（+）共晶体，共晶Si即相呈针状或片状；共晶Al-Si合金的凝固组织如下图所示。成分(wt%)：Si 12.0，Mg 0.50，Cu1.50，Mn 0.45，Fe0.30；金属型铸造，未热处理；组织特征：大量的（Al）+Si共晶体，黑色骨骼状为Mg2Si，浅灰色为AlFeMnSi相，白色为（Al2Cu）相；浸蚀剂：0.5%HF水溶液成分(wt%)：Si 1013，Fe0.7；状态：砂型铸造，未热

7、处理；组织特征：灰色粗大块状相为初生Si，灰色片状和针状相为共晶Si；浸蚀剂：0.5%HF水溶液过共晶铝硅合金的显微组织成分(wt%)：Si 24；砂型铸造，未变质；浸蚀剂：0.5%HF水溶液共晶硅的变质处理变质目的：铝硅合金在一般条件下凝固，共晶硅生长成针状或片状，属于脆性相；在受力时，这种针状或片状共晶硅容易引起应力集中，易于导致微裂纹产生，所以针状或片状共晶硅会降低合金的强度和塑性；变质的目的就是改变共晶硅的形貌。变质方法在合金中加入适量的Na（残留Na为0.0010.003wt%），就可以使针状或片状的共晶硅转变为纤维状共晶硅；在较低放大倍数（100 200X ）下，纤维状共晶硅呈现为

8、点状；钠盐变质效果如下图所示；砂型铸造ZL101合金，变质处理，未热处理；组织特征：初生（Al）呈枝晶，共晶Si呈细小质点；浸蚀剂：0.5%HF水溶液由上图看，钠盐的变质效果很好，因而应用广泛，但钠盐变质剂的有效期仅为30min左右；常用钠盐变质剂：二元钠盐，如(NaF67wt%+NaCl 33wt%)；三元钠盐(NaF25wt%+NaCl 62.5wt%+KCl 12.5wt%) ；长效变质剂Al-Sr合金，变质有效期为6 10hr；变质过的合金在重熔时仍然具有变质效果，可重熔34次。Sb的变质有效期100hr, 可多次重熔，仍有变质效果。Te的变质有效期极长，可多次重熔，仍有变质效果。Al

9、-Sr变质效果如下图所示。成分(wt%)：Si 9.49.7，Mg 0.30 0.35，Mn 0.50，Fe0.40；金属型铸造，Al-Sr合金变质，T6热处理；组织特征：（Al）初晶呈枝晶，共晶Si呈细小质点；浸蚀剂：0.5%HF水溶液影响变质效果的因素铸件壁厚越大，冷却速度越小，变质效果愈小，这就是变质处理的壁厚敏感性；同理，金属型铸造条件下的变质效果好于砂型铸造；在亚共晶Al-Si合金范围内，随Si量的提高，变质效果愈显著，变质对塑性的作用更显著，如下图所示。变质对铝硅合金力学性能的影响砂型铸件，实线为变质结果，虚线为未变质结果成分(wt%)：Si 11.8， Fe0.35；金属型铸造，

10、钠盐变质处理，未热处理；组织特征：变质不足组织，共晶Si未完全细化，浅灰色骨骼状为（Al12Fe3Si）；浸蚀剂：0.5%HF水溶液成分(wt%)：Si 11.8， Fe0.35；砂型铸造，钠盐变质处理，未热处理；组织特征：变质过度组织，共晶Si呈细小点状和针状，初生（Al）呈枝晶，还出现较粗大的粒状共晶Si和黑色片状的富钠化合物过变质区；浸蚀剂：0.5%HF水溶液初生Si的细化细化目的：过共晶Al-Si合金中的粗大的多角初生Si使铝硅合金的强度和塑性严重下降，而且机加工性能也非常差，所以需要细化初生Si；细化剂：当合金中加入适量的P或S，就可以使初生Si得到明显细化，所以赤磷或硫磺可作为过共

11、晶Al-Si合金的细化剂；细化后的过共晶Al-Si合金的凝固组织如下图所示。4.1.2.3 铸造铝硅合金的性能Si对二元铝硅合金砂型铸件性能的影响如左图所示。含Si量与铝硅合金力学性能的关系砂型铸件，实线为变质数据，虚线为未变质数据由上图可知：对于砂型铸件，随着含Si量的提高，b先上升；当Si量约为11wt%时， b达到最大值；随后， b下降；随着Si量的提高， 持续下降，但Si量在11wt%附近时， 有一定升高。含Si量与铝硅合金机械性能的关系金属型铸件Si对金属型铸件力学性能的影响也有类似的规律，如左图所示，最大的b出现在Si量13wt%附近。高含Si量与铝硅合金力学性能的关系高含Si量对

12、Al-Si合金力学性能的影响如左图所示；由图可见，当Si量12wt%以后，力学性能急剧下降。二元Al-Si合金力学性能总结二元Al-Si合金的强度不高，不能通过热处理进行强化，所以，目前只有一个牌号，即ZL102（含Si10 13wt%），b约为140 160MPa，约为2 4%。不能热处理强化的原因：Si在Al中的扩散速度很快，硅相极易析出，甚至在淬火条件下也不能抑制硅自过饱和的相中的析出，因此二元Al-Si不能时效强化，故其强度较低。虽然ZL102的b不高，但该合金成分在共晶成分附近，合金的流动性最好，收缩最小，热裂倾向最小，气密性最好，因而其铸造性能最好，可用来制造有气密性要求的铸件，也

13、可制造形状复杂的薄壁铸件，目前该合金主要用作压铸合金。Mg对铝硅合金力学性能的影响在二元铝硅合金中加入少量的Mg，会形成Mg2Si相，该相为脆性相，在铸态条件下呈网状分布于初生 相的晶界；当二元铝硅合金中加入较多的Mg时，会形成较多的Mg2Si相，降低合金的强度和塑性，所以，铝硅合金中只能加入很少量的Mg。少量的Mg2Si经过约535的固溶处理，可以完全溶解，再经过淬火和时效处理，可产生很强的时效强化效果，提高铝硅合金的强度和硬度。Mg对铝硅合金力学性能的影响如下表。 Mg对7wt%Si铝合金力学性能的影响最常用的铝硅镁合金：ZL101A合金Si6.57.5wt%，Mg0.250.45wt%，

14、砂型试样经过535固溶和时效处理，b260MPa，s190 MPa，5%；从ZL101A的性能数据看，其强度较Al-Si二元合金的高，而且其耐蚀性也较好，ZL101A 适合于制造形状复杂，中等载荷的零件，如水泵体等；ZL101A的组织如下图所示。ZL101合金(wt%)：Si6.8，Mg 0.27，Fe0.18；砂型铸造，钠盐变质，未热处理；组织特征：白色为（Al）固溶体枝晶，共晶Si呈细小质点；浸蚀剂：0.5%HF水溶液ZL104合金Si810.5wt%，Mg0.170.30wt%，砂型试样经过535固溶和时效处理，b约为260MPa，s约为200 MPa，约为3%。从ZL104的性能数据看

15、，其强度较Al-Si二元合金的高，而且其耐蚀性也较好，ZL104合金适合于制造形状复杂、高负荷零件，如发动机的缸体、缸盖。ZL104的组织如下图所示。ZL104合金(wt%)：Si9.2，Mg 0.28，Mn0.38，Fe0.34；状态：砂型铸造，变质处理，T6热处理；组织特征：热处理后，共晶Si呈圆形或椭圆形的颗粒；浸蚀剂：0.5%HF水溶液Cu对铝硅合金力学性能的影响Cu的影响在铝硅合金中加入少量的Cu，会形成W相（AlxMg5Cu4Si4），当铜量较高时，会形成CuAl2；在铸态条件下，CuAl2分布在初生相的晶界，降低合金的强度和塑性；在含硅为7%条件下，初生相中铜的饱和含量仅为3%，

16、所以，铝硅合金中的Cu4.5wt%。经过约515固溶处理，部分CuAl2可以溶解，再经过淬火和时效处理，可产生很强的时效强化效果，提高铝硅合金的强度和硬度。这类常用合金有ZL105、ZL107等。ZL107合金成分：Si6.57.5%，Cu3.54.5%，铸态组织为+Si+CuAl2；力学性能：经时效处理后，铝合金的性能如下：b=280320MPa，0.2=210230MPa，=34%；具有良好的热强性，可用于250下工作；ZL107适合于制造复杂的高负荷零件，但CuAl2的耐腐蚀性较差，导致ZL107的耐蚀性较差。ZL107铝合金组织砂型铸造，钠盐变质初生+共晶(包含Al2Cu)铝硅合金中的

17、杂质元素及影响杂质元素来源：除主要元素外，铸造铝硅合金中常存在一些有害的杂质元素，主要是Fe，其次是Sn、Pb、Ca等；在这些杂质元素中，有的是从炉料中带入的，有的是从熔化坩埚或工具中带入的。杂质Fe的有害作用在铝硅合金中，铁的主要存在形态是形成铁相：T1(Al12Fe3Si)，T2(Al9Fe2Si2)，尤其是T2相，呈针状，削弱铝硅合金基体，严重降低铝硅合金的力学性能；尤其当缓慢凝固时，T2相长得很粗大，所以铝硅合金中的Fe0.7%;铁含量对ZL104铝合金力学性能的影响见下图；Fe含量对ZL104铝合金力学性能的影响消除Fe的有害作用通常加入Mn、Cr、Co、Be等元素，使铁相变成其它形

18、态的铁相，以减少T2相的数量；由于Mn比较便宜，故大量使用Mn，而Cr、Co、Be应用得较少。加入Mn以后，T2相会转变为AlSiMnFe化合物，呈块状、杆状或团状，从而减弱了Fe的有害作用，如下图所示。铝硅合金中铁相(a)合金成分(wt%)：Si5.74wt%，Mg0.44wt%，Fe0.35，Mn0.40(b)合金成分(wt%)：Si9.49.7，Mg0.30.35wt%，Fe0.35，Mn0.50Mn、Cr、Co等的加入量：为了有效地消除Fe的有害作用，加入的上述元素与Fe之比应满足下式，WMn：WFe=(0.670.83):1WCr：WFe=0.35:1WCo：WFe=0.9:1杂质S

19、n的有害作用来源：杂质Sn是从炉料中带入的；如果含Sn过高，它会与Al和Si形成低熔点共晶，造成热处理时组织过烧，严重削弱铝硅合金的强度，尤其是塑性和韧性，故限制Sn0.01%。杂质Pb的有害作用：Pb的有害作用与Sn类似，因此应使Pb0.05%。杂质Ca的有害作用来源：杂质Ca是从合金炉料(即结晶Si)中带入的；Ca与Si和P形成硅化钙及磷化钙，降低铝硅合金的流动性，促使形成微观缩松，也降低合金的力学性能，因此，应使合金的Ca0.03%。4.1.3 其它铸造铝合金铸造铝铜合金以Cu为主要合金元素，可提高铝的室温强度和高温强度，改善了切削加工性能，但该类铝合金的铸造性能较差，特别是当Cu含量在45wt%时，合金的热裂倾向很大；另外，铸造铝铜合金的抗腐蚀性能也较差。二元铝铜合金有ZL202(Cu 911wt%，T6处理后b可超过163MPa)和ZL203(Cu 45wt %，T4处理后b可超过225MPa)；复杂铸造铝铜合金：可分为高强度和耐热铸造铝铜合金。高强度铸造铝铜合金ZL201：Cu4.55.3wt%，Mn0.61.0wt%，Ti 0.150.35wt%，b可超过390MPa，8%；ZL204A：Cu 4.65.3wt%，Mn0