《有色金属材料制备与应用》课件 4-铸造铝铜、铝镁和铝锌合金

《合金熔炼与制备》铸造铝铜、铝镁和铝锌合金2铸造铝铜合金？铸造铝镁合金？铸造铝锌合金？一题录二三一、铸造铝铜合金？1、Cu含量对相图的影响（1）溶解度： 548度时(共晶温度)为5.65%Cu;300度时为0.5%Cu;室温时为0.1%Cu以下，优良的固溶强化作用。（2）室温组织：α固溶体、θ(CuAl2)和二元共晶（α+CuAl2）。（3）热处理：Cu=4.5％~5.5％的合金能保证获得最大的淬火效果；Cu>5.5％时，组织会有残余脆性相CuAl2出现，而且含Cu愈多，合金组织中CuAl2就愈多，强化效果下降。因此，当含Cu量超过7％时，合金通常都在铸态下使用。一、铸造铝铜合金？1）Cu=5-6%附近时，强度达到最大值，伸长率持续下降。Cu>6%后，随Cu的增加，强度和延伸率大大下降。

2）CuAl2相与α固溶体之间有显著的电位差，合金的耐蚀性能也不好。所以，Al-Cu二元合金在工业上应用并不多。图Cu对Al-Cu二元合金力学性能的影响|（4）力学性能一、铸造铝铜合金？

1）Cu在4-6%时：铸造性能较差，热裂倾向大。原因：与Al-Si合金相比，结晶温度范围大、收缩率大，疏松倾向严重，且CuAl2在熔点附近塑性甚低，收缩时易被拉裂，因而容易形成热裂。

2）随着Cu含量的增加，铸造性能有所改善。|（5）铸造性能一、铸造铝铜合金？|Al-Cu-Mn-Ti（ZL201）ZL201化学成分：

Cu4.5％~5.3％，Mn0.6％~1.0％，Ti0.15％~0.35％，余为Al。特性：

力学性能相当高，砂型铸造经T5处理，室温力学性能可以达到：抗拉强度300MPa~400MPa，伸长率4%~10％，冲击韧性8~10J/cm2。应用：

可用作承受大的动载荷和静载荷的零件，也可用于在300℃以下温度工作的零件，而且此合金在低温(-70℃)时仍保持良好的力学性能，是用途很广的一种合金。一、铸造铝铜合金？|Al-Cu-Mn-Ti（ZL201）1、Mn对合金的影响(1)组织方面：部分Mn溶入α相形成过饱和固溶体，余下以α+T(Cu2Mn3Al20)二元共晶体及α+CuAl2+T(Cu2Mn3Al20)三元共晶富集在晶界，强烈抑制晶界扩散，利于提高合金的室温和高温性能。(2)T相特性：400度以下在α固溶体中的溶解度变化很小，不易长大，热硬性较高，可以改善合金高温性能。(3)热处理强化：固溶处理时，过饱和的Mn会生成二次T(Cu2Mn3Al20)相，且弥散状析出。时效过程中，CuAl2也呈弥散状析出。(4)加入量：Mn量不得大于1%，否则T相增多，尺寸也增大。同时增加了合金的脆性，降低合金性能，最佳0.8-0.9%。一、铸造铝铜合金？|Al-Cu-Mn-Ti（ZL201）

（a）

（b）图1-28ZL201含金的显微组织（砂型，200×，0.5％HF腐蚀）（a）铸态;（b）T4处理一、铸造铝铜合金？|Al-Cu-Mn-Ti（ZL201）2、Ti对合金的影响（1）合金中含有少量的Ti时可使组织得到显著的细化，从而使CuAl2和T相在热处理时能更充分的溶解，分布更均匀，充分发挥它阻碍晶间滑移的作用，提高强化效果。Ti的加入量以0.2%~0.25％为佳。（2）Ti量过少不能使组织细化，过多则熔炼过程将产生Ti的偏析，在坩埚底部出现粗大的TiAl3片状化合物。（3）合金液停留时间越长，片状TiAl3化合物的晶粒也越大。浇注时，即成为夹杂物混入铸件，使力学性能变坏。一、铸造铝铜合金？|Al-Cu-Mn-Ti（ZL201）3、Mn和Ti对热烈倾向的影响（1）Mn：Cu量大于4.5％的Al-Cu合金内加入超过0.5％Mn时，即能改善热裂倾向。这是因为Mn增加了组织中的共晶体量的缘故。（2）Ti：晶粒细化使合金晶粒凝固时间相对缩短，并且晶界相也被细化，细小晶粒间有较好的联接表面，因而在固相温度附近合金有较好的力学性能，提高了合金的抗热裂性能。一、铸造铝铜合金？|Al-Cu-Mn-Ti（ZL201）4、杂质元素（1）ZL201合金的杂质限制为：Si≤0.3％，Fe≤0.3％，Zn≤0.3％，Mg≤0.05％。（2）Si降低了Cu在α中的溶解度，而且组织中出现低熔点的α+CuAl2+Si三元共晶而不得不降低淬火温度，进而减少了溶入α中的Cu量；（3）Si能形成不溶的Al10Mn2Si相，而减少溶于α中的Mn量，粗大的Al10Mn2Si相分布在晶界上，削弱了基体。一、铸造铝铜合金？|耐热铝合金Al-Cu类合金可以作为耐热铸造铝合金的基础的原因：（1）α固溶体的化学组成愈复杂，组织结构愈稳定，合金的耐热性也愈好；（2）第二相的热稳定性愈高，晶粒愈细，沿晶界分布的弥散度愈高，则愈能阻滞固溶体在高温下的变形，合金的耐热性就愈好。第二相的热稳定性，通常可用它在高温下的显微硬度——热硬性来衡量。200℃~250℃ W（Al4Mg5Cu4Si4）；250℃~300℃ S（Al2CuMg）；300℃~350℃ TMn（Al20Cu2Mn3），（AlSiFe）；350℃~400℃ TNi（Al6Cu3Ni），Al8Cu4Ce，Al8Mn4Ce，Al24Cu8Ce3Mn。

在Al合金中，加入Cu不但可以提高α固溶体的热稳定性，更重要的是可以形成高温稳定相。二、铸造铝镁合金？1、Mg对相图的影响富铝侧也是简单的共晶相图。Mg最大溶解度450度时为17.4%。室温下仅有1%左右。当Mg含量小于35%时，只有α和β两相且能形成共晶体。

这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差，

耐热性低。

常用代号为ZL301(ZAlMg10)、ZL303(ZAlMg5Si1)等。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。二、铸造铝镁合金？图ZL301合金铸态显傲组织（砂型，200×，0.5％HF腐蚀）

晶粒相当粗大，尺寸约为90μm，同时存在着白色枝晶网络状的β相，黑色块状的Mg2Si相和灰色片状Al3Fe相。二、铸造铝镁合金？|2、力学性能（1）随Mg量的增加，强度，延伸率均出现峰值。（2）Mg=10%左右时，延伸率最大；Mg=12%左右时，强度最大。（3）Mg量大于12％时，β相不能完全溶入α固溶体，而在晶界上的脆性β相，不仅不能强化合金，反而将大大削弱基体，使力学性能急剧下降。（4）由于生产上热处理（淬火）时间和温度受到一定限制，不能使合金达到理想的最大固溶度，所以实用的Al-Mg二元合金的含Mg量不超过11.5％。二、铸造铝镁合金？|3、耐蚀性能（1）Al-Mg合金表面有一层抗蚀性极高的尖晶石（Al2O3·MgO·XRnOm）膜，故单相组织的Al-Mg合金在海水等介质中具有很高的抗蚀性（但在硝酸中它的抗蚀性却比Al-Si合金低得多）；（2）当Mg>11.5%后，组织中开始出现游离的β相时，由于α相与β固溶体间的电位差很大，将使抗蚀性能大大降低。另，β相沿α晶界呈网状分布时，尤易引起合金的应力腐蚀。二、铸造铝镁合金？|4、铸造性能（1）由于该合金的结晶温度范围大(190度)，流动性不好，所以铸造性能差；当Mg=4%-6%时，结晶温度范围最大，铸造性能最差；继续增加Mg，结晶温度范围变小，共晶体数量增加，当Mg=9%-10%时，铸造性能较好。（2）Mg极易氧化，Mg>1.5%时就会使液面的氧化膜由致密变为松散，不再起防止氧化的作用；故Al-Mg合金铸造壁厚效应较大。（3）从力学性能、耐腐蚀性能和铸造性能等综合效果出发，Al-Mg二元合金的含Mg量选为9.5%~11.5％。二、铸造铝镁合金？|5、多元Al-Mg合金——Si的影响

（1）改善铸造性能。加入1％左右的Si以后，组织中就出现了相当数量的（α+Mg2Si）共晶体，提高了充型能力，减小了线收缩率，尤其是明显减轻了疏松和热裂倾向。（2）生成的Mg2Si相不溶于α固溶体中，沿α固溶体的晶界分布，通常铸态下使用。（3）在高温下，Mg2Si相能起到一定的阻碍基体变形的作用，配合晶粒细化作用的Ti、B、Be元素使用，具有良好的高温性能。

（4）由于Si的存在，合金中加入Mn可形成AlSiMnFe四元化合物，降低杂质Fe所形成的Al3Fe和（Al9Si2Fe2）脆性化合物对合金力学性能的有害影响。（5）Si的对合金的耐蚀性能影响不大，在潮湿空气和海水中具有良好的耐蚀性和一定的耐热性。多用做在中等载荷下使用的船舶、航空及内燃机车零件。二、铸造铝镁合金？|5、多元Al-Mg合金——Zn的影响(1)加入>1％Zn后，会形成新相T[Mg32(AlZn)49]。一方面降低了Mg原子的扩散能力，因而阻止了β相的析出，从而抑制了合金的自然时效。另一方面使析出的β相呈不连续分布，从而显著提高了合金的抗应力腐蚀能力。(2)含Zn量低于1%时，抗拉强度较低；随着Zn量的增加，抗拉强度提高，但引起塑性降低；当Zn量大于1.7％时，塑性下降十分明显。Zn量一般选择为1%~1.5％左右。二、铸造铝镁合金？|5、多元Al-Mg合金——Be的影响

（1）减弱了Al-Mg合金的壁厚效应。Be是表面活性元素，且能优先氧化，氧化后的BeO体积为Be的1.71倍，填补了氧化膜的空隙，从而有效的防止了合金的氧化。（2）含Be量过多，将使合金晶粒变粗，降低合金的塑性，增大热裂倾向。因此，往往同时加入Ti0.05％~0.07％以细化晶粒。（3）Be价格昂贵以及有碍工人健康，近年来有人用微量（0.001％左右）的稀土Ce（铈）来代替，值得试验应用。二、铸造铝镁合金？|5、多元Al-Mg合金，Ti、Zr和B的影响（1）Zr、B和Ti能细化晶粒，可以单独加入，也可以联合加入。β相弥散度增高，阻碍淬火后β相的析出。（2）加入量极少，一般为Zr0.1％~0.3％，B0.005％~0.01％，Ti0.05％~0.07％。（3）Zr在不高的温度下（300~400℃）能和氢起反应，生成的ZrH，在高温中能全部或部分地溶解在金属中，所以具有一定的除气作用。图Ti和Zr对99.99%Al晶粒大小的影响三、铸造铝锌合金？（1）Zn在Al中的最大溶解度在共晶温度382℃时可达84％，室温时，2％左右。因此，具有很大的强化潜力；（2）当温度为275℃~353℃时，含Zn量为31.6％~77.7％的合金中，单相的α固溶体要分解成含Zn量不同的两种α固溶体α1和α2，这两种固溶体的点阵相同，而点阵常数和元素的浓度不同；（3）热强性很差。在高温下形成的过饱和固溶体会迅速析出，且第二相形式存在的Zn相的高温显微硬度非常低。三、铸造铝锌合金？

根据三元相图，当Zn、Mg的加入量配合适当时，将形成T[Mg32(Zn，Al)49]、η(MgZn2)和β(Mg2Al3)等化合物，它们都是合金的强化相。经固溶处理后，将全部溶入固溶体中，而起强化作用。随温度的下降，溶解度显著减小，具有很大的热处理强化潜力。

铸造Al-Zn-Mg合金中，Zn和Mg的总量愈高，抗拉强度愈高，而伸长率和抗蚀性能则急剧下降。当加入其它辅助性元素时，Zn和Mg的总量可以提高到10％~12％，而同时能获得满意的塑性和耐蚀性能。|Al-Zn-Mg（ZL402）ZL402：Mg0.5-0.65、Zn5.0-6.5、Ti0.15-0.2