合金材料及熔炼2.

《合金材料及熔炼》——有色合金部分2吕书林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23.1.4铸造Al-Si合金的合金化一、镁的作用及Al-Si-Mg合金AlMgSiLα十Al3Mg2十Mg2SiE2点:Lα十Mg2Si+SiE1点:0.75%Si，34%Mg，余Al448℃12.7%Si，4.97%Mg，余Al558℃33.1.4铸造Al-Si合金的合金化Al-Mg2Si伪二元状态图Al-Si-Mg三元状态图的铝角Lα十Al3Mg2十Mg2Si（448℃）：0.75%Si，34%Mg，余AlE2点:Lα十Mg2Si+Si（558℃）：12.7%Si，4.97%Mg，余AlE1点:43.1.4铸造Al-Si合金的合金化Mg的作用：力学性能方面Al-Si-Mg合金淬火时，因冷却速度快，高温下已溶入固溶体的Mg2Si保持固溶，在时效时以弥散状Mg2Si沉淀析出，使α固溶体的结晶点阵发生畸变，合金得到强化，抗拉强度和屈服极限提高，伸长率降低。大多数含镁的铝硅合金铸件都是在热处理状态下使用。其它性能Al-Si合金中加Mg，可提高切削性能，提高加工面的光洁度；容易引起压铸粘模倾向；降低充型能力；易于水汽反应，增加吸气倾向并促进气孔形成。53.1.4铸造Al-Si合金的合金化E2共晶点温度为558℃，为防止过烧，Al-Si-Mg合金淬火应低于此温度。Mg量控制：一般控制在0.2％~0.4％之间。过高：生成Mg2Si脆性相；过低：（室温下α中镁的固溶度为0.1％~0.15％）低于0.15％，没有强化效果。热处理也无效！63.1.4铸造Al-Si合金的合金化常用的Al-Si-Mg系合金：ZL101成分：6.5~7.5%Si，0.2~0.45%Mg，余为Al；性能：σb≥230MPa，δ≥4%。（砂型铸造T6）特点：结晶温度范围较宽，易吸气、缩松，热稳定性差，工作温度低于150℃。作泵壳体，齿轮箱，气缸体等。ZL104成分：8~10.5%Si,0.17~0.35%Mg,0.2~0.5%Mn,余为Al；性能：Mn固溶，且消除了铁相害处，力学性能优于ZL101；特点：接近共晶点，充型能力好，无热裂缩松倾向，可制作承载较大、复杂的零件（曲轴箱、增压器壳体等）。73.1.4铸造Al-Si合金的合金化二、铜的作用及Al-Si-Cu合金Al-Si-Cu三元相图Al角Lα十Al2Cu十Si524℃发生的三元共晶转变83.1.4铸造Al-Si合金的合金化二、铜的作用及Al-Si-Cu合金Cu的作用：在α相内有相当大的溶解度，起到固溶强化效果。（相同加入量下，其时效强化效果低于Mg。）有耐热第二相析出(如Al2Cu等)，更适于在较高温度环境下工作（＜300℃）。缺点：降低抗腐蚀性能，密度较大。93.1.4铸造Al-Si合金的合金化常用的Al-Si-Cu系合金：ZL107成分：6.5~7.5%Si，3.5~4.5%Cu，余为Al；性能：σb=280~320MPa，δ=3~4%。（砂型铸造T6）特点：铸造性能、气密性好，不易粘模，氧化吸气倾向小，可全用回炉料或多次重熔。是国内外高强压铸合金发展的方向之一，用于制造飞机、汽车、民用工业品压铸件。103.1.4铸造Al-Si合金的合金化三、Al-Si-Cu-Mg合金表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113.1.4铸造Al-Si合金的合金化四元合金或更多元，使合金中的相变得复杂：α、Si、Mg2Si外，还将出现W(AlxMg5Si4Cu4)相和θ(Al2Cu)相等。20um初晶Si共晶SiMg2SiAlCuNi0.8%MgAl-20Si-2Cu-1Ni-0.8MgW相强化效果最好；适于在较高温度(250~300℃)条件下使用。AlMgSiCu123.1.4铸造Al-Si合金的合金化三、Al-Si-Cu-Mg合金Cu／Mg比：Cu／Mg之比约为2.1时，组织中的Mg2Si相即完全消失，成为(α+Si+W)三相组织；Cu／Mg大于2.1时，组织中除α+Si+W外，还将出现Al2Cu相。因Al2Cu相热稳定性高于Mg2Si，故一般常保持Cu／Mg≈2.5。133.1.4铸造Al-Si合金的合金化三、Al-Si-Cu-Mg合金铜镁总量不足，则强化效果差；过量则塑性下降，一般，合适的铜、镁总量应为1.5％~2.5％左右。Al-5%Si-2%(Cu+Mg)四元合金中Cu量和Mg量变化对合金室温、高温抗拉强度的影响Cu／Mg比在2.2时，室温和高温强度最高。143.1.4铸造Al-Si合金的合金化常用的Al-Si-Cu-Mg系合金：ZL103、ZL105~ZL111。ZL111成分：8~10%Si，1.3~1.8%Cu，0.4~0.6%Mg，余为Al；性能：σb=350~400MPa，δ=2~4%。（T6）特点：铸造性能、力学性能、加工性好。用于制造发动机缸体、压铸水泵叶轮。耐磨、耐蚀、尺寸稳定性要求高的活塞。153.1.4铸造Al-Si合金的合金化四、Fe和Mn在Al-Si合金中的作用Fe的来源：原材料、工具等。（并非为了合金化而加入）Fe的危害：针状脆性β相，降低强度（塑性—割裂基体）、流动性、抗蚀性（电位高于α-Al、破坏表层Al2O3膜）。Al-17%Si合金中的针状或针片状富铁相β-Al5FeSi：长针状δ-Al4FeSi2：片状163.1.4铸造Al-Si合金的合金化四、Fe和Mn在Al-Si合金中的作用Mn的作用：（1）平衡Fe的影响，改变Fe相形态；（2）固溶强化作用。一般加0.5%Mn。长针状β-Al5FeSi相减少，片状δ-Al4FeSi2相细化为小块状173.1.5其他铸造铝合金Al-Cu系合金：成分：Cu：4.0%以上；牌号ZL201~ZL204；特点：强度高；流动性差、易产生热裂，抗蚀性差；应用范围不及Al-Si合金。Al-Mg系合金：成分：Mg：5~10%；牌号ZL301~ZL304；特点：密度低、比强度高、强度中等、大气和海水中抗蚀性好；熔炼及浇注过程中易氧化吸气。Al-Zn系合金：成分：Zn：5~13%；牌号ZL401~ZL404；特点：Zn在Al中溶解度大，无需热处理可获得高强度，具有铸态淬火作用，常作压铸件。183.1.5其他铸造铝合金——Al-Cu合金合金牌号合金代号主要元素重量百分数(%)SiCuMgZnMnTiZAlCu5MnZL2014.5~5.30.6~1.00.15~0.35ZAlCu5MnAZL201A4.8~5.30.6~1.00.15~0.35ZAlCu4ZL2034.0~5.0ZAlCu5MnCdAZL204A4.6~5.3Cd0.15~0.250.6~0.90.15~0.35*ZAlCu5MnCdVAZL205A4.6~5.30.3~0.50.15~0.35*ZAlR5Cu3Si2ZL2071.6~2.03.0~3.40.15~0.250.9~1.21、常用Al-Cu合金：ZL201铸造铝铜合金的牌号和化学成分一、Al-Cu合金19合金牌号合金代号杂质含量w/(%)（不大于）FeSiCuMgZnMnTiZrTi+ZrBeNiSnPb杂质总和S①J②SJZAlCu5MnZL2010.250.30.3—0.050.2——0.2——0.1——1.01.0ZAlCu5MnAZL201A0.150.150.1—0.050.1——0.15——0.05——0.4—ZAlCu4ZL2030.80.81.2—0.050.250.10.20.1———0.010.052.12.1ZAlCu5MnCdAZL204A0.150.150.06—0.050.1——0.15——0.05——0.4—ZAlCu5MnCdVAZL205A0.150.150.06—0.05———————0.01—0.30.3ZAlR5Cu3Si2ZL2070.60.6———0.2————————0.80.8表铸造铝合金杂质允许含量(摘自GB/T1173-1995)3.1.5其他铸造铝合金——Al-Cu合金203.1.5其他铸造铝合金——Al-Cu合金2、Al-Cu合金的组织和性能Al-Cu二元相图ZL201微观组织213.1.5其他铸造铝合金——Al-Cu合金含Cu量对Al-Cu合金力学性能的影响Cu的强化作用，主要由于经淬火和时效后合金组织中出现大量弥散分布的θ相细微质点(Al2Cu)，使α固溶体的结晶点阵扭曲(畸变)，并封闭了晶粒间的滑移面。含铜量超过6.0％就使合金淬火效果降低。因此、含Cu量多在4％~5％。223.1.5其他铸造铝合金——Al-Cu合金Al-Cu合金的性能特点：（1）强度高。300~400MPa左右（2）耐热性好。（3）铸造性差，易热裂（共晶组织塑性差）。（4）耐蚀性差。Al-Cu合金耐热性高的原因：①有较高的共晶温度(548℃)；②α固溶体在350℃以下溶解度变化较小；③Cu原子在α中的扩散速度小；④第二相θ(Al2Cu)、TMn相（AlCuMn3）等热硬性高。Al-Si合金呢？233.1.5其他铸造铝合金——Al-Cu合金3、Al-Cu合金的合金化（1）Mn在Al-Cu合金中的作用0.6%--1%Mn：固溶强化；形成耐热相Al-Cu-Mn三元相图（a）固相面（b）等温溶解度243.1.5其他铸造铝合金——Al-Cu合金3、Al-Cu合金的合金化（1）Mn在Al-Cu合金中的作用除出现θ相(Al2Cu)、S相(MnAl6)化合物外，还出现TMn相(AlCuMn3)化合物。TMn相结构复杂，在400℃以下它在α中溶解度变化很小，热硬性高，在α晶界呈不连续网状分布。可大大提高耐热性。加锰后合金在300℃，100小时的持久强度可提高2.3倍。0.6%--1%Mn：固溶强化；形成耐热相253.1.5其他铸造铝合金——Al-Cu合金3、Al-Cu合金的合金化（2）Ti在Al-Cu合金中的作用0.15%--0.35%Ti：细化晶粒举例：ZL201合金的微观组织：Cu4.8，Mn0.55，Ti0.3(a)(b)铸态下合金的扫描电镜照片：(a)低倍，(b)高倍先析出α-Al相；L→α(Al)+θ(Al2Cu)L→α(Al)+θ(Al2Cu)+T(Al12CuMn2)，直至完全凝固。263.1.5其他铸造铝合金——Al-Cu合金举例：ZL201合金的微观组织：Cu4.8，Mn0.55，Ti0.3(a)(b)Al2CuAl12CuMn2T5热处理后