过共晶铸造铝硅合金及加工技术

1过共晶铸造铝硅合金及加工技术孙玉福刘胜新郑州大学材料科学与工程学院2016.0722铸造铝硅合金的成分、组织及性能过共晶铝硅合金的特点和应用过共晶铝合金的熔炼工艺过共晶铝合金的组织控制过共晶铝硅合金铸造方式过共晶铝硅合金的强化方法过共晶铝硅合金的加工主要内容3概述纯铝：优良的导电和电热性能，表面有致密氧化膜，在大气、淡水及氧化性酸类中有一定的耐蚀性。以纯铝为基，添加不同的合金元素，将形成不同系列的铝合金。4一、铸造铝硅合金的成分、组织及性能Al-Si二元相图在铝硅合金中加Si，能显著改善合金的流动性，降低合金的热膨胀系数，减少热裂倾向，减轻合金比重，提高耐磨性、高温强度、刚度和疲劳强度，并且减少疏松提高气密性。5亚共晶铝硅合金组织a（a+b）过共晶铝硅合金组织bb(Si)+共晶体（a+b）a(Al)+共晶体（a+b）6一、铸造铝硅合金的成分、组织及性能按合金中Si含量的多少，该系合金可分为三类：亚共晶(Si10%)，共晶(Si11%~13%)和过共晶(Si16%~26%)铝硅合金。共晶和亚共晶型铝硅合金通常加入铜、镁、镍、锌等合金元素，需通过热处理提高机械性能，具有较好的力学性能、摩擦性能和使用性能，是中小型内燃机活塞的首选材料，国内常用的该类合金以ZL108和ZL109为典型代表。7表1国内外常用活塞铝合金的物理性能8铝的塑性大，不易切削。随着含硅量的增加，共晶体的数量增多，切削性能改善，但硅相硬度高，易磨损刀具，尤其是有粗大共晶硅的过共晶铝硅合金，通常刀具磨损严重，被加工表面毛糙。含硅量的变化对铝硅合金的组织和性能都会产生影响，通常随着硅量的增加，磨损量、腐蚀量、线膨胀系数、密度和电导率均直线下降。初生Si的显微硬度很高为HV1000～1300，而α(Al)的显微硬度仅为HV60～100。含硅量的变化和是否进行变质处理是影响铝硅合金组织和性能的重要因素。10共晶型铝硅合金具有优良的铸造性能，但因力学性能不高，故常用于压铸、挤压铸造等高速冷却的铸造方法。通常铸造铝硅合金需要进行变质处理。含硅量的变化对铝硅合金力学性能的影响11共晶铝硅合金的缺点热膨胀系数随着温度升高变化较大，耐磨性较差；致密性较差，对于要求尺寸精确的零件不太适合。如，当活塞运转温度过高时会出现“咬缸”，发生危险。近年来，对汽车发动机的要求越来越高，共晶合金的热膨胀系数、耐磨性等性能都不能适合发动机的发展，因此，过共晶合金得到了快速发展。12二、过共晶铝硅合金的特点和应用常规凝固组织特点：由初生Si和(a+Si)共晶体组成,其中初生Si的显微硬度很高,为HV1000-1300，a(Al)的显微硬度仅为HV60-100，一种软基体上分布着硬质点的理想轻质耐磨结构材料。生产中均需要变质处理。变质处理未变质13初晶硅形貌可划分为五种基本类型：八面体等轴晶体、六边形片状晶体、包含有不同数目孪晶的等轴晶体、包含有放射形孪晶面的星形晶体和球状晶体。未经变质处理的初生硅一般呈粗大的板片状、多角形块状或五瓣星状。随着硅含量的提高，板片状所占有的比例也越来越高，初生硅变得十分粗大。这显著地降低了过共晶合金的力学性能和切削加工性能。使用性能特点：热膨胀系数低、密度小、尺寸稳定性好、导热能力强、耐磨、耐蚀等特性，特别适用于制造轻质、耐磨零件。14过共晶铝硅合金的性能特点1）铸造性能初晶硅析出时放出大量结晶潜热，常用的过共晶Al-Si合金比共晶合金具有更好的流动性。但Si含量大于18%以后流动性也会开始下降。随着合金中硅含量的增加，合金的线收缩率减小。但随着结晶温度范围的扩大，一些铸造缺陷也会逐渐显现，如合金的缩松倾向增大、气密性降低，即铸造性能下降。152）力学性能若没有经过变质处理，其力学性能很难满足使用性能要求；若经过合适的变质处理，合金可以获得满意的机械性能。随着温度的升高，合金的强度降低而塑性提高。在成分选择合适并经过变质处理的条件下，过共晶Al-Si合金的高温强度可以超过共晶合金。随着含硅量增加，合金组织中的初晶硅体积百分数增加，从而使合金的耐磨性提高。与共晶型和亚共晶型铝硅合金相比,过共晶Al-Si合金的磨损率仅是共晶Al-Si合金的磨损率的0.3-0.5倍,仅为亚共晶Al-Si合金的磨损率的0.1-0.2倍。3）耐磨性能165）过共晶铝硅合金切削加工困难刀具极易磨损，加工表面粗糙。解决的途径是使用金刚石刀具，或在合金成分中加入少量铅和铋。4）具有高温强度高和尺寸稳定性好等优良特性目前研究主要集中于硅含量在30%以下的过共晶合金。由于超高硅铝合金具有良好的导热性能、可控的线膨胀系数而被应用于电子封装材料。纯铝的热膨胀系数高达23.6×10-6/℃,而纯硅的热膨胀系数仅为(2.8-7.2)×10-6/℃,因此高硅铝合金材料的低热膨胀性主要是硅的贡献。17应用领域航天、航空、交通运输、机械加工等，尤其是在汽车行业得到广泛的应用。近几年来在电子封装壳体中的应用受到越来越多的关注。目前过共晶Al-Si合金主要用于发动机活塞、缸套、转子、刹车盘、缸体及其他轻质耐磨零件。国外已生产出高性能的过共晶Al-Si合金活塞、缸套。随着发动机向高速、大功率、大压缩比方向发展，这类合金应用将会越来越广泛。18电子封装用高硅铝合金盒子19目前过共晶Al-Si合金在国内的应用主要是摩托车、汽车发动机活塞材料，部分企业已将过共晶Al-Si合金投入应用。如：重庆建设机床厂熔炼ZAS23型过共晶Al-Si合金，生产JS50和CY80摩托车活塞。福建冶金工艺研究所用FYZL-03型过共晶Al-Si合金生产的S195型柴油机活塞，与ZL108活塞比较，排气温度降低了10~20℃，当负载增大5%时，燃油消耗率降低了1.9~6.5g/Kw·h。国外除制作铸造活塞外，还替代灰铸铁，应用于发动机的气缸盖、油泵外壳和排气管。如：美国的A390、德国的KS280、KS282等，已经进入批量生产阶段。另外，相关的合金牌号还有德国的MAHLF138。在日本，摩托车活塞已经全部选用这种材质的合金，并扩大应用于载重汽车，在小轿车上也有应用。在澳大利亚，过共晶Al-Si合金A390已用作全铝汽车气缸铸件。2023三、过共晶铝硅合金的熔炼工艺铝合金熔炼内容包括：配料计算、炉料处理、熔炼设备选用、熔炼工具处理及熔炼工艺过程控制。熔炼工艺过程控制包括：正确的加料顺序、严格控制熔炼温度和时间、实现快速熔炼、效果显著的铝液净化处理及可靠的炉前质量检测手段。目的及主要任务：合金成分均匀并符合国家标准、纯净、气体及杂质含量低、需要变质处理的合金液变质良好。主要任务是提高合金的纯净度和变质效果。24加料熔化扒渣与搅拌出炉机边保温精炼除气调整成分浇注变质处理铝合金的熔炼工艺大体过程25251）对熔炼炉的要求及比较非铁合金熔炼过程中的突出问题：元素容易氧化、合金易吸气。因此，对熔炼炉的基本要求是：熔化速度快、时间短、烧损、吸气少；熔体表面积与熔体深度比尽可能小；熔池内温度均匀并易于控制；热效率高、燃料电能消耗低、炉衬寿命长；工艺操作方便、装料及熔炼的所有工序尽可能采用机械化、自动化；炉体的化学稳定性及各方面能保证所要求的熔体质量。2626火焰反射炉或称倒焰炉：火焰与铝液直接接触，依靠强烈热辐射及对流传导作用。燃料:天然气、重油、煤气;柴油深度一般450mm。优点是成本低、产量高、在严格遵守熔炼、精炼及浇炷工艺条件下可得到满意的铸锭质量。缺点是熔池液表面大、烧损大、吸气多、热效率低、噪声大、污染大、温度不易均匀。感应炉：温度和成分均匀、熔化快、氧化烧损少、吸气少（炉气中的可浴性气体含量低）、易于控温、设备周围温度低等；缺点：容易过热而晶粒粗大、设备造价高、能源成本高。电阻反射炉：适合做保温炉。熔炼的金属质量高、缺点是容量小、生产率低。27精炼的目的：清除铝液中的气体和各类有害杂质，净化铝液，防止在铸件中形成气孔和夹渣。2）铝合金的精炼原理铝合金通常在大气中熔炼，当铝液和炉气中的N2、O2、H2O、CO2、CO、H2、CmHn等接触时，会产生化合、化分、溶解、扩散等过程。铝液中气体和夹杂物的来源Al2O3的化学稳定性极高，熔点高达2015℃±15℃，在铝液中不再分解，是铝铸件中主要的氧化夹杂物。28在所有的炉气成分中，只有氢能大量地溶解于铝液中。根据测定，存在于铝合金中的气体，氢占85%以上，因而“含气量”可视为“含氢量”的同义词。铝液中的氢和氧化夹杂主要来源于铝液与炉气中水汽的反应。29A、铝和水汽、油污的反应低于250℃时，铝锭与大气中的水汽接触会产生下列反应Al+H2O→Al(OH)3+H2Al(OH)3长在铝锭表面，组织疏松，呈粉末状，对铝锭没有保护作用，俗称铝锈。升温至400℃左右，铝锈按下式分解:Al(OH)3→Al2O3+H2O分解产物Al2O3组织疏松，能吸附水汽和氢，混入铝液中，增大气体和氧化夹杂的含量，使铝液质量变坏。30因此铝锭不宜储存在潮湿的库房内或在雨季露天堆放。炉料库应保持清洁，干燥，以防生成铝锈。对已生成铝锈的铝锭，投入熔炉前应彻底清除铝锈，否则即使熔炼工艺操作很严格，也不易获得高质量的铝液。31各种油污都是由复杂结构的碳氢化合物所组成，与铝液接触后都会发生下列反应，生成氢气4/3mAl+CmHn=1/3mAl4C3+1/2nH2这一反应，也是铝液吸氢的原因之一，故生产中严格禁用沾有油污的炉料直接投入熔池中。事先必须进行“碱洗”处理，清除油污。32B、氢在铝中的溶解度铝液与水汽溶入铝液中，当温度不变且达到平衡时有[H]=Ks√pH2pH2一氢分压，MPa；[H]—溶于铝中氢的浓度。Ks—温度不变时的参数。上式即为有名的Sieverts公式，说明温度不变时，所有双原子的气体溶入铝液时都服从这个公式。如果不服从这个公式，说明气体和铝相互作用，形成化合物。33从图中可见，在铝的熔点温度，从液态转变为固态时，氢的溶解度剧烈下降，在液态铝中的溶解度达0.68mL/(100g)，固态铝中只有~0.036mL/(100g)，二者相差达~0.64mL/(100g)，相当于1.73%的铝液体积。以ppm作溶解度单位时，由于此单位很小，会造成错觉，如铝中溶入1ppm的氢，等于0.0001%铝液质量，氢的密度为9×10-5g/cm3，己占有3.0%的铝液体积，相当于1.14mL/(100g)。34氢在金属液中的溶解度和金属液的蒸气压有关，蒸气压的驱动方向与氢溶入金属液中的驱动方向相反，会阻滞金属液吸氢。当温度到达沸点，金属液的蒸气压为0.1MPa时，氢的溶解度趋于零。但铝的沸点高达2057℃，在一般熔炼条件700℃-760℃下，铝液的蒸气压低于0.0001MPa，因此蒸气压的影响可忽略不计。35C、氧化铝的形态、性能对吸氢的影响根据结构分析，铝及其合金中存在着三种不同形态的无水氧化铝：γ、η和α，它们各自的特性列于下表中。36室温下生成的表面氧化膜由少量结晶形态的γ-Al2O3和非晶态的Al2O3混合物所组成。随着温度的上升，非晶态Al2O3逐渐转化为η-Al2O3和γ-Al2O3，到铝熔点附近温度，氧化膜厚度达2×10-1mm，有较高的强度。在铝液表面形成一层致密的氧化膜，隔绝了炉气和铝液的直接接触，阻滞了铝液的氧化和吸气，对铝液能起保护作用。所以，除Al-Mg类合金外，铝合金可直接在大气中熔炼。不必加覆盖剂，这是γ-Al2O3膜有利的一面。随静置时间的延长，η-Al2O3将逐渐全部转化为γ-Al2O3。37根据观察结果，氧化膜只有和铝液接触的一面是致密的，和炉气接触的一面却是粗糙、疏松的，存在着大量的直径为5×10-3mm的小孔，小孔中吸附着水汽和氢，甚至将γ-Al2O3烧到890-900℃，仍能吸附少量水汽，只有当温度高于900℃,γ-Al2O3完全转化为α-Al2O3，才能较完全地脱水。熔炼时搅动铝液，划破连续、均匀地覆盖在铝液表面的氧化膜并卷入铝液中，铝液便和氧化膜小孔中的水汽反应，使铝液进一步氧化，生成氧化夹杂，吸入氢气。这样，γ-Al2O3膜就起了传递水汽的作用，成为氢和氧化夹杂的载体。这就是γ-Al2