第一章铸造铝合金

南昌航空大学铸造工程系第一篇铸造有色合金及其熔炼铸造铝合金及其熔炼铸造镁合金及其熔炼铸造铜合金及其熔炼铸造钛合金及其熔炼南昌航空大学铸造工程系第一章铸造铝合金铸造铝硅类合金铸造铝铜类合金铸造铝镁类合金铸造铝锌类合金其它铸造铝合金南昌航空大学铸造工程系§1-1铸造铝合金概论南昌航空大学铸造工程系纯铝为面心立方晶型，强度较低，需强化有些铸铝的热强性良好，可在200～300℃下服役铸铝无低温脆性，是良好的低温结构材料铸铝有很高的比强度，仅次于铸钛合金机械性能南昌航空大学铸造工程系抗蚀性能在铝的表面有一层很牢固的致密氧化膜起保护作用，故铝合金在大气、淡水及许多介质中有良好的耐蚀性。氧化膜的化学稳定性和熔点都很高，故铸铝在高温工作时仍具有良好的耐蚀性和抗氧化性能。南昌航空大学铸造工程系熔铸工艺性能铝合金的熔炼温度不高，液态表面也有一层致密氧化膜，能阻止铝液继续氧化，无需专门保护，故熔炼设备及工艺简单。铸铝一般有良好的流动性，较小的缩松和热裂倾向。铸造方法不限，特别适用金属型和压铸。南昌航空大学铸造工程系应用领域饮料容器；建筑材料；航空航天工业；地面运输工业；造船及发动机；电气和电子学材料；热交换器轻高比强和模量高电和热导率好的腐蚀特性无磁性无毒低熔点，易熔化和易铸造机械加工性好成本低南昌航空大学铸造工程系在汽车上的应用汽车发动机汽车前桥还有离合器外壳、变速箱外壳、变速箱上盖、仪表盘骨架、轮毂、转向支架、刹车支架、气门支架等。南昌航空大学铸造工程系F-111战斗轰炸机F—111A基本结构材料为铝合金，蒙皮为蜂窝夹层壁板。南昌航空大学铸造工程系苏-27“侧卫”重型战斗机该机为全金属半硬壳式机身，机头略向下垂，大量采用铝合金。南昌航空大学铸造工程系M190型自行榴弹炮铝合金装甲车体和旋转炮塔、炮塔位置靠后、动力装置前置、主动轮在前南昌航空大学铸造工程系88式狙击步枪两脚架为铝合金制，可以向前或向后折叠，并可以方便拆下，但强度不足，比较容易损坏。南昌航空大学铸造工程系铸铝合金的标准及分类名义质量分数的整数值如果数值小于1，一般不标数字有的牌号后标A，表示杂质含量更低，性能高的优质合金铸铝合金的国标、航标中有26个牌号牌号：ZAl+合金元素+合金元素含量ZAlSi7MgZAlSi7MgA南昌航空大学铸造工程系代号：ZL×××代号铝合金类别顺序号1代表Al-Si类2代表Al-Cu类3代表Al-Mg类4代表Al-Zn类ZL101ZL201南昌航空大学铸造工程系分类Al-Si类气密合金，应用范围最广，产量最多Al-Cu类耐热或高强度铝合金Al-Mg类耐蚀合金Al-Zn类自动固溶效应与自然时效硬化南昌航空大学铸造工程系§1-2铸造铝硅合金南昌航空大学铸造工程系铸造铝硅类合金特性共晶型相图合金的组织由韧性的α固溶体与硬脆的共晶硅相所构成比纯铝强度高得多，并保留一定的塑性。南昌航空大学铸造工程系结晶温度范围最小；线膨胀系数小；共晶体在凝固温度附近具有良好塑性；铸造铝硅类合金特性可兼顾机械性能与铸造性能两方面的要求，得到两者兼优的合金流动性好，缩松﹑热裂倾向很小。南昌航空大学铸造工程系铝硅合金中硅的形态特征因为铝在硅中的溶解度极小，故合金中的硅相可视为与纯硅无异。硅晶体是金刚石立方晶型，晶胞是面心立方晶格内多出4个原子。南昌航空大学铸造工程系硅片生长过程中会产生分枝和改变生长方向铝硅合金中硅的形态特征南昌航空大学铸造工程系铝硅合金共晶体的变质硅相在自发非控制生长条件下会长成片状南昌航空大学铸造工程系概念所谓变质处理是在熔融合金中加入少量的一种或几种元素（或加化合物起作用而得），改变合金的结晶组织，共晶体中的硅相由原来的粗大片状变为细小纤维状，从而改善机械性能。方法生产上常在合金液中加入氟化纳与氯盐的混合物来进行变质处理，加入微量的纯钠也有同样效果。共晶硅的变质南昌航空大学铸造工程系变质处理机理a)Si晶体生长时，界面前沿存在有少量的孪晶与大量的界面台阶，Si原子或Si的八面体容易进入台阶，使Si晶体沿着[211]晶向生长成板片状。南昌航空大学铸造工程系b)变质元素Na进入界面台阶，使台阶消失，同时使Si晶体表面产生大量的孪晶，这样Si晶体的生长方式由孪晶凹谷代替界面台阶，Si晶体仍然长成板片状。变质处理机理（续）南昌航空大学铸造工程系c)Na原子在孪晶凹谷处的大量富集，阻碍了晶体沿[211]晶向的生长，迫使其产生分枝，主杆沿[100]晶向生长，分枝沿[211]晶向生长，最后长成细的纤维状晶体。变质处理机理（续）南昌航空大学铸造工程系过共晶铝硅合金中初生硅的变质Al-Si过共晶合金（含22x10-2Si）铸态组织（金属型）变质前初生硅晶体长成粗大厚板片状用钠或磷变质处理能细化初生硅南昌航空大学铸造工程系初生硅的变质一类是赤磷或含赤磷的混合变质剂；另一类是含磷的中间合金（Cu-P）。形成AlP作为硅结晶的非均质晶核，使初生硅细化；同时磷在铝液中有一定的溶解度，磷在铝中呈表面活性，故也能被硅晶孪晶凹谷所吸附，抑制孪晶的生长。变质剂分类磷变质机制南昌航空大学铸造工程系1、变质方法在纯铝和铝合金中加入少量Ti、Zr、B等元素2、变质机理①由于元素与Al形成固相质点，可作为非自发晶核；②由于包晶反应，也使α依附在TiAl3质点上形核；③由于过冷度较小，其结晶生长速度却比较小。亚共晶铝合金中初生α相的细化南昌航空大学铸造工程系课前复习题1.固溶强化与时效强化2.变质处理3.列举3种金属材料的强化机制，对强度和塑性有什么影响？4.列举3种铸造合金的使用性能？5.列举3种铸造合金的工艺性能？6.为什么铝硅类合金的铸造性能好？7.二元铝硅合金为什么不能进行热处理强化？南昌航空大学铸造工程系铝硅二元合金ZL102（ZAlSi12）强度也较高，但塑性较低铸造性能最好致密度最好南昌航空大学铸造工程系适用于薄壁复杂铸件或对气密性要求高的铸件，以及压铸件。铝硅二元合金不能热处理强化的，只能加入合金元素进行强化。具有较好的抗蚀性，耐磨性和耐热性。切削性能比其它系铝合金差。必须进行变质处理，提高力学性能。铝硅二元合金ZL102（续）南昌航空大学铸造工程系1.镁的强化效果最好。2.加入镁后，组织中出现β（Mg2Si）相，Mg2Si可通过固溶和时效处理使合金时效强化。Al-Si-Mg系合金南昌航空大学铸造工程系少量的镁即能大大提高抗拉和屈服强度;镁量增加，强化效果不断增大，强度急剧上升，而塑性下降。Mg量一般采用（0.2～0.45）×10-2。镁对机械性能的影响南昌航空大学铸造工程系铁对Al-Si-Mg系合金组织和性能的影响粗大针状脆性β（Al9Fe2Si2）相并穿过α晶粒恶化了合金的机械性能，特别是塑性南昌航空大学铸造工程系砂型铸造Fe≤0.6%金属型铸造Fe≤1.0%压力铸造Fe≤1.5%铁Al-Si-Mg系合金对组织和性能的影响（续）大多数的铝合金中都力求减少含Fe量降低了合金的抗蚀性Fe量过高，会降低流动性、增大热烈倾向、也降低切削性。南昌航空大学铸造工程系①组织变化在Al-Si合金中加入锰，可大大降低Fe的危害。锰对Al-Si-Mg系合金机械性能的影响②锰的加入量锰的加入量与含铁量有关，一般认为Mn/Fe比在0.7～0.8左右时效果最好。Mn≤0.5%。南昌航空大学铸造工程系二者特别有害；极微量时就会在晶界上形成低熔点共晶；降低合金的塑性和抗蚀性；锡、铅分别限制在0.01×10-2和0.05×10-2以下。锡、铅对Al-Si-Mg系合金组织和性能的影响南昌航空大学铸造工程系①化学成分W/10-2：8.0-10.5Si、0.17-0.3Mg、0.2-0.5Mn。②热处理T6③性能具有良好的综合机械性能，铸造性能也很好。④应用范围航空工业中用于制作发动机压缩机匣、承力框架、轴承机匣、气缸排等。Al-Si-Mg系常用合金-ZL104南昌航空大学铸造工程系ZL104合金变质前后的显微组织砂型×100a)未变质b)变质后南昌航空大学铸造工程系①化学成分W/10-2：6.5-7.5Si、0.25-0.45Mg②热处理T4、T5、T6状态。③特性T4状态下有比ZL104更好的塑性和韧性，调节Mg量和时效规范，可获得不同的机械性能。铸造性能也良好，仅次于ZL104。铸件的气密性良好。Al-Si-Mg系类常用合金-ZL101南昌航空大学铸造工程系三.Al-Si-Cu-Mg系合金当要求工作温度达200-225℃时，就应采用Al-Si-Cu-Mg系合金。Al-Si-Mg系虽然有良好的机械和铸造性能，但热强性低，工作温度不超过185℃。南昌航空大学铸造工程系Al-Si-Mg系中加Cu时，组织中将出现W(Al2Mg5Si4Cu4)相和Ө(CuAl2)相；Cu/Mg≈2.1，组织中的β相将完全消失，而成为α+Si+W三相组织，Cu/Mg＞2.1，组织中除α+Si+W外，还将出现θ相。铜对Al-Si-Cu-Mg系合金组织的影响南昌航空大学铸造工程系铜对Al-Si-Cu-Mg系合金性能的影响强度显著增加，但伸长率下降热强性不断提高南昌航空大学铸造工程系镁对Al-Si-Cu-Mg系合金性能的影响合金强度急剧上升而塑性急降镁量常控制在0.5×10-2左右南昌航空大学铸造工程系成分：W/10-2：4.5-5.5Si、1-1.5Cu、0.4-0.6Mg。无需变质，常用T5、T7状态。其强度和ZL104相近，但塑性很低，高温强度较高。铸造性能良好，稍次于ZL101合金。较易产生缩松、热裂趋向稍大，但铸件气密性仍良好。抗蚀性降低，需进行阳极化和涂漆保护。焊接性和切削性均良好。2.常用合金ZL105(ZAlSi5Cu1Mg)南昌航空大学铸造工程系2.常用合金ZL105（续）不适于承受冲击载荷，仅用作承受较大静载荷及高温下工作的零件，可在225℃下工作。航空上应用较广，如用作增压器外壳、气缸头、导气弯管。当慢冷时，其组织为：初生α、α＋Si共晶、少量条状W相和少量Ө相。在铸造冷却条件下，β与Ө及Si相往往同时出现，而可能不会出现W相。南昌航空大学铸造工程系此类合金主要是作为内燃机活塞材料。活塞材料要求具有高的热强性和耐磨性，低的线膨胀系数和密度。活塞合金分为两大类：共晶型铝硅合金过共晶型铝硅合金。四.Al-Si类活塞合金南昌航空大学铸造工程系硅保证合金有良好的铸造性能和低的线胀系数，并提高强度、耐磨性、抗蚀性。镁使合金可热处理强化，提高室温性能。铜使合金显著强化，改善高温性能；但降低抗蚀性。锰可抵消铁的有害作用，也能改善高温强度。共晶型铝硅合金共晶型铝硅有ZL108和ZL109合金。ZL108加铜，ZL109加铜和镍来产生耐热相，提高高温强度。南昌航空大学铸造工程系过共晶型铝硅合金主要牌号为ZL117硅含量很高，组织中除共晶体外含有大量的初生硅晶体。降低密度和线胀系数、提高耐磨性。稀土能显著提高热强度。镁使合金可热处理强化，提高室温性能。铜使合金显著强化，改善高温性能；但降低抗蚀性。锰可抵消铁的有害作用，也能改善高温强度。过共晶型铝硅合金南昌航空大学铸造工程系过共晶铝硅活塞合金的显微组织×100a)未变质b)变质后南昌航空大学铸造工程系成分W/%为：19~22Si、1.0~2.0Cu、0.5~1.5RE、0.4~0.8Mg、0.3~0.5Mn、余为Al。高温强度高，但性脆。铸造性能良好，流动性好、缩松及热烈倾向小。耐磨性非常好。抗蚀性和尺寸稳定性好。切削性差，焊接性能尚可。熔炼工艺复杂。ZL117（ZAlSi20Cu2RE）合金南昌航空大学铸造工程系1.Al-Si类活塞合金多为共晶及过共晶合金的原因？2.Al-Si类活塞合金是否需要变质处理，为什么？3.镁、铜、铁和锰对铝硅合金组织和性能的影响？4.稀土元素对铝合金组织与性能有什么影响？5.为什么含微量Mg的铝硅合金都要进行时效处理，而二元铝硅合金则不需要热处理？6.Al-20%Si合金可以应用在哪些地方，通过添加什么元素可以进一步提高其室