合金材料及熔炼1

《合金材料及熔炼》

——有色合金部分1华中科技大学材料学院材料成形及控制工程专业课程铸造合金原理及熔炼教案

吕书林21、有色合金概论有色合金或非铁合金

铝合金

铜合金

镁合金铸造钛合金

锌合金

钛合金按加工方法分类：铸造铝合金、变形铝合金，等。按密度大小分类：轻有色合金：铝、镁、钛重有色合金：铜、锌、镍、钴、锡、金等

镁合金

钛合金31、有色合金概论轿车上的铸件—很多是铝铸件或正在改为铝、镁铸件41、有色合金概论铸造铝合金——进气歧管51、有色合金概论压铸铝合金——液压阀体61、有色合金概论铝合金锻件71、有色合金概论铸造铝合金——发动机缸体8车门仪表板缸体盖板进气管1、有色合金概论镁合金的应用举例91、有色合金概论铸造镁合金的应用举例10压铸镁合金的应用举例1、有色合金概论111、有色合金概论分类合金名称合金系牌号举例性能特点主要用途不能热处理强化铝合金防锈铝Al-Mg5A05，5052抗蚀性、压力加工性好，但强度较低。用于焊接在液体中工作的容器和构件，如油箱、液体导管，或装饰件等。Al-Mn3A21；3003可热处理强化铝合金硬铝Al-Cu-Mg2A11,2A12，2014力学性能高。中等强度或高负荷零件，如叶片、螺栓等。超硬铝Al-Zn-Mg-Cu7A04,7A097075室温强度最高。高载荷零件，如飞机大梁、加强框等。锻铝Al-Mg-Si-Cu2A14,2A50，6A02锻造性能和耐热性好。适于形状复杂、中等强度锻件和冲压件，如风扇叶轮、活塞等。Al-Cu-Mg-Fe-Ni2A70,2A80

表

变形铝合金分类、性能特点及用途变形合金！121、有色合金概论变形铝合金的典型应用各种建材工业铝型材高速列车铝合金车体全铝合金轿车架131、有色合金概论国内铝、镁、钛合金材料应用简况：

部分零部件的制造水平达到国际水平

铝、镁、钛合金的使用量有待提高

铝、镁、钛合金零件的制造技术需要进一步开发141、有色合金概论本课程学习的目的：（1）掌握几种主要材料的化学组成、组织及性能；（2）掌握几种合金的合金化原理及方法；（3）掌握几种合金的熔炼、精炼、变质处理的原理及方法；（4）了解合金材料的标准及用途。151、有色合金概论本课程学习的主要内容：（1）铝合金——重点内容；（2）铜合金；（3）镁合金；（4）锌合金（了解）；（5）合金熔炼原理及方法。161、有色合金概论本课程学习的要求：（1）听课（作笔记）（2）习题（或思考题）（3）考试（考查）（4）对教材、内容提出意见和建议参考教材：蔡启舟，吴树森编，《铸造合金原理及熔炼》，化学工业出版社，2010年173.1铸造铝合金铸造铝合金

铝硅合金（Al-Si)

铝铜合金（Al-Cu)

铝锌合金（Al-Zn)

铝镁合金（Al-Mg)183.1.1铸造铝硅合金Al-Si合金的二元相图<0.1~0.05室温溶解度（20

C）580

C1.65极限溶解度(一定温度下)Si元素名称Si在Al中的溶解度亚共晶Al-Si合金：Si≤11%共晶Al-Si合金：Si=11-13%过共晶Al-Si合金：Si≥13%共晶反应：L→

(A1)十(Si)

(1)二元Al-Si合金193.1.1铸造铝硅合金未变质的共晶Al-Si合金组织未变质的过共晶Al-Si合金的块状初晶Si203.1.1铸造铝硅合金(2)Si含量对Al-Si合金性能的影响

a.物理、化学性能

纯Si的显微硬度为HVl000～1300；

＝7.6×10－6/K

213.1.1铸造铝硅合金b.力学性能

Si含量对Al-Si合金力学性能的影响(2)Si含量对性能的影响

注意：Al-Si合金强度的绝

对值（二元合金）；纯Al的强度值。223.1.1铸造铝硅合金C.铸造性能

重点掌握：流动性；收缩性d.加工性能

一般很好！过共晶初晶Si硬度大！233.1.2提高铸造Al-Si合金性能的途径生产中仅采用二元的Al-Si合金很少，只有一个牌号！表3.1铸造铝硅合金的牌号和化学成分(摘自GB/T1173-1995)

0.10~0.30Be0.15~0.40.35~0.556.5~8.5ZL116ZAlSi8MgBeSb0.1~0.251.2~1.80.4~0.654.8~6.2ZL115ZAlSi5Zn1Mg0.10~0.20Be0.04~0.070.45~0.606.5~7.5ZL114AZAlSi7Mg1A0.10~0.350.10~0.350.4~0.61.3~1.88.0~10.0ZL111ZAlSi9Cu2Mg0.2~0.55.0~8.04.0~6.0ZL110ZAlSi5Cu6MgNi0.8~1.50.8~1.30.5~1.511.0~13.0ZL109ZAlSi12Cu1Mg1Ni10.3~0.90.4~1.01.0~2.011.0~13.0ZL108ZAlSil2Cu2Mg13.5~4.56.5~7.5ZL107ZAlSi7Cu40.10~0.250.3~0.50.3~0.51.0~1.57.5~8.5ZL106ZAlSi8CulMg0.4~0.551.0~1.54.5~5.5ZL105AZAlSi5CulMgA0.4~0.61.0~1.54.5~5.5ZL105ZAlSi5Cu1Mg0.2~0.50.17~0.358.0~10.5ZL104ZAlSi9Mg10.0~13.0ZL102ZAlSil20.08~0.200.25~0.456.5~7.5ZL101AZAlSi7MgA0.25~0.456.5~7.5ZL101ZAlSi7MgTiMnZnMgCuSi主要元素重量百分数(%)合金代号合金牌号243.1.2提高铸造Al-Si合金性能的途径3个措施：合金化；变质或细化处理；热处理

一、固溶强化——（合金化效果之一）原理（定义）：通过合金元素固溶于铝基体中，使晶格发生畸变，从而使塑性变形的抗力增加，合金强度和硬度提高的过程叫做固溶强化。金属学原理：溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大，溶质原子的溶入量越多，晶格畸变也越大，固溶强化的效果也越好。例如：Al基体中加固溶度大的Mg、Cu等。

多元少量原则。

253.1.2提高铸造Al-Si合金性能的途径例：Al基体中加Cu图固溶Cu原子与位错的相互作用溶质原子吸附于位错周围，形成“气团”，起到“钉扎”作用。（位错带着“气团”运动需施加更大外力）263.1.2提高铸造Al-Si合金性能的途径二、时效强化——（合金化+热处理）时效处理，又称低温回火。原理（定义）：指在固溶度随温度降低而减少的合金系中，当合金元素含量超过一定限量后，淬火可获得过饱和固溶体。在较低的温度加热(即时效)，过饱和固溶体将发生分解并析出弥散相，引起合金强度、硬度升高而塑性下降的过程。它也被称为沉淀强化。

人工时效：按加热温度的高低分：不完全人工时效：150-170C；较高强度、良好塑性；

完全人工时效：175-185C；高强度、低塑性；

过时效：190-230C；较高强度，良好塑性、抗蚀性。273.1.2提高铸造Al-Si合金性能的途径举例：Al-Si-Mg合金，添加少量Mg（0.2~0.4%），时效析出Mg2Si强化相。Mg含量对高硅铝合金热处理前后抗拉强度的影响（Al-20%Si-2Cu-1Ni-0.6RE）注意两个问题：铸态T6态283.1.2提高铸造Al-Si合金性能的途径三、过剩相强化——（合金化效果之一）原理（定义）：加入过量的合金元素时，一部分溶入固溶体，而超过极限溶解度的部分则不能溶入，形成过剩的第二相，较硬的第二相可阻碍基体的变形，从而使合金强化。例如铝硅合金中的硅相。

过剩相强化效果与其特性、形态、数量、大小、分布有关。293.1.2提高铸造Al-Si合金性能的途径四、组织细化——提高性能原理？？？1、基体的细化：

-Al2、过剩相的细化：如Si相得细化3、有害相得细化：如杂质铁的粗大针状β相(A15FeSi)

（后面会详细的讨论！）Hall-Patch公式：σs：屈服强度；σ0：单晶体屈服强度d：晶粒直径。303.1.3铸造Al-Si合金的变质包括初晶α-Al固溶体、共晶Si以及初晶Si三个部分的变质或细化。对于共晶Si，通常采用的是变质处理工艺，而对初晶α-Al固溶体及初晶Si，通常采用的是细化处理工艺。

-Al与共晶Si初晶Si31变质（Modification)——指通过添加少量元素改变凝固过程中晶体的生长形态获得较理想的微观组织的工艺方法，达到提高铸件或铸锭性能的目的。

细化（Refinement)——指通过增加晶核数量来实现晶粒细小化的工艺方法，以获得组织细小的、性能高的铸件或铸锭。

“细化”与“变质”，有些场合的传统习惯称呼未严格区分。

3.1.3铸造Al-Si合金的变质323.1.3铸造Al-Si合金的变质一、初生α-Al相的细化针对亚共晶Al-Si合金！！初生-Al初晶Si333.1.3铸造Al-Si合金的变质一、初生α-Al相的细化措施：在纯铝和铝合金熔液中加入少量Ti、Zr、B等元素，使α基体的晶粒细化。

常用的是Al-5Ti，或Al-5Ti-1B中间合金。TiAl3(四方晶格)与铝(面心立方晶格)的晶格型式相似，晶格常数相近：CTiAl3＝85.7nm，2CAl＝80.8nm，相差仅5.7％，不超过10％，故为非自发晶核；另，包晶反应：L十TiAl3→α，也使α依附在TiAl3质点上形核。Al-Ti状态图与铝中添加Ti对晶粒数量的影响343.1.3铸造Al-Si合金的变质

一、初生α-Al相的细化

未加Al-Ti-B的ZL101合金

添加1%的Al-5Ti-1B细化剂

典型大树枝晶晶粒显著细化353.1.3铸造Al-Si合金的变质二、共晶Si相的变质——针对亚共晶及共晶合金未变质的共晶Al-Si合金的板片状共晶硅立体的水淬组织0.05%锶变质，球粒状共晶硅立体的水淬组织：珊瑚状共晶硅363.1.3铸造Al-Si合金的变质（1）措施：加入微量元素。对共晶体(α十Si)可起变质作用的元素：

Sr、Sb、RE，Bi、Ba、S、Ca、Te、Na等最常用：（1）(0.04％~0.08％)Sr——以Al-10%Sr

中间合金形式加入。（2）加入Na盐。二、共晶Si相的变质373.1.3铸造Al-Si合金的变质（2）加Sr变质工艺二、共晶Si相的变质Δ变质温度：740--780CΔ变质剂加入量：(0.04％~0.08％)Sr，（Al-10%Sr)?Δ

操作要点：加入后保温15min才有效果；加Sr后再除气。Δ优点：加Sr变质较简单（Al-10%Sr)；环境好。变质效果好；保持时间长——长效变质剂。Δ

缺点：缩松倾向大；易吸气。38

举例：Sr对ZL104合金共晶组织的影响

00.005%Sr0.010%Sr0.012%Sr0.015%Sr0.018%Sr0.020%Sr0.022%SrSr增多，共晶硅越来越细小加入量的影响3925min40min90min 120minSr加入量为0.02%，随着保温时间延长，共晶硅变粗大保温时间的影响

举例：Sr对ZL104合金共晶组织的影响

403.1.3铸造Al-Si合金的变质（3）Na盐变质工艺二、共晶Si相的变质Al-Si合金常用的钠盐变质剂成分NaF起变质作用，为主要成分；其他组分为助熔剂（覆盖剂）——降低熔点、清渣。

3NaF十A1→A1F3十3Na413.1.3铸造Al-Si合金的变质（3）Na盐变质工艺二、共晶Si相的变质Δ变质温度：740--760CΔ变质剂加入量：变质剂用量应占铝液重量的1％~3％。Δ

操作要点：静置(12~15)min、结壳；压盐、搅拌(1~2)min使其混合；然后在(30~40)min内浇完。Δ优点：变质效果好；稳定。Δ

缺点：易变质衰退（一般40min）；腐蚀坩埚及工具；环境差。42举例：Na盐变质工艺对ZL101合金组织的影响0.5%Na盐 0.8%Na盐

1.0%Na盐

1.5%Na盐

2.0%Na盐

2.5%Na盐过变质随着Na盐加入量的增加，共晶硅越来越细小，加入过多Na盐易过变质4315min 25min

35min

随保温时间延长，变质逐渐衰退

45min55min举例：Na盐变质工艺对ZL101合金组织的影响443.1.3铸造Al-Si合金的变质（4）共晶Si变质机理二、共晶Si相的变质①硅晶吸附变质元素阻碍生长理论：钠原子不溶于α固溶体，而呈薄膜状，主要吸附在Si晶核的表面，构成浓度起伏，形成分支结构。②抑制硅晶核心AlP生成理论：

AlP十3Na→Na3P十A1

由于AlP被破坏，硅晶体不易析出，使合金液过冷，细化共晶组织。当添加少量Sr时，也发现生成了Sr3P2化合物，中和了P生成AlP作为硅的非自发晶核的作用。

453.1.3铸造Al-Si合金的变质二、共晶Si相的变质③孪晶生长缺陷理论

沿<111>面铺开长成板片状

Na或Sr吸附在台阶处，阻碍<111>面生长；2.引起原子错排，促进孪晶形成，形成细小分枝。(a)硅的金刚石型晶体(b)硅晶体的孪晶缺陷及晶体沿孪晶台阶生长463.1.3铸造Al-Si合金的变质三、初晶Si相的细化未细化处理的过共晶A390铝合金块状初晶Si

-Al与共晶Si初晶Si473.1.3铸造Al-Si合金的变质三、初晶Si相的细化未细化处理的过共晶A390铝合金的块状初晶Si

采用P变质的Al-20%Si合金的显微组织

磷细化处理：P加入量：0.04%~0.08%483.1.3铸造Al-Si合金的变质三、初晶Si相的细化过共晶Al-Si合金的应用领域：汽车、摩托车、家电、高速列车、工程机械等。空调压缩机斜盘活塞缸体493.1.3铸造Al-Si合金的变质三、初晶Si相的细化合金代号国别合金元素（wt%）SiCuMgMnFeNiTi其它A390美16~184.50.45~0.65≤0.10.5—＜0.1—A393美22.00.91.02.3—1.3——KS281德19~211.3~1.71.3~1.70.4～0.60.70.8~1.30.2Zn:0.2KS282德24~260.8~1.30.8~1.30.20.70.8~1.3—Co:0.3~0.5AK21俄20~221.4~1.80.4~0.80.6～0.80.71.4~1.6——LM29英22~250.9~1.30.8~1.30.60.70.8~1.30.2Cr:0.6AC9A日22~240.5~1.50.5~1.5≤0.1＜0.80.5~1.5＜0.2Zn:＜0.5AS-20U法18~221.0~3.00.10.10.751.50.2Zn:＜0.2Al-18Si中181.3~1.50.3~0.50.4～0.6＜0.7———76-1中18~221.5~2.00.1~1.00.35~0.45＜0.35——RE:1~1.5国内外过共晶Al-Si合金代号及成分表503.1.3铸造Al-Si合金的变质三、初晶Si相的细化P细化（变质）的作用机理：

与铝形成AlP化合物。AlP的晶格常数a=0.5451nm，而Si的晶格常数为a=0.5428nm。AlP可以起到Si相的异质核心的作用，由于晶核数目增加而使初晶硅细化。

可将初晶Si从大于100

m细化到25

m~50

m。

但P对共晶硅没有变质作用。

本课题组的成果之一（下图为面扫描成分分析）Al-Si合金中初晶Si以AlP为核心513.1.3铸造Al-Si合金的变质三、初晶Si相的细化P细化处理工艺加入量：

P加入量0.04%~0.1%；（残留量很少，0.005%左右）加入方式：

Cu-P（8%~14%）中间合金；

Al-P（或Al-AlP)中间合金。加入温度：一般高于合金液相线120-150℃

特点：变质效果好；作用时间长（长效变质剂）523.1.3铸造Al-Si合金的变质三、初晶Si相的细化本课题组完成的国家863计划项目成果：（1）设计、研制出新型耐热低膨胀高硅铝合金及其制备方法

铝硅铜镍镁稀土铝合金：Al-20Si-2Cu-1Ni-0.4Mg-0.6Re

主要特色：（1）加入稀土Re提高高温性能，同时细化共晶Si。（2）P＋Re复合变质。（3）综合考虑了Cu、Ni、Mg的平衡作用。50μm(a)50μm(b)

(a)P变质;(b)P-RE变质不同变质剂处理的含0.4%Mg高硅铝合金铸态金相组织533.1.3铸造Al-Si合金的变质三、初晶Si相的细化50μm(a)50μm(c)50μm(b)高硅铝合金T6热处理组织(a)0%Mg;(b)0.4%Mg;(c)0.8%Mg53Mg含量对合金抗拉强度的影响（P+Re复合变质）（未超声处理，非半固态成形）543.1.3铸造Al-Si合金的变质