北京科技大学铸造合金及制备工艺4.1-铸造铝合金-2

铸造合金及制备工艺材料科学与工程学院材料成形与控制工程系毛卫民4.1.4铸造铝合金的热处理¦热处理目的f铸造铝合金热处理是指按某一热处理规范，控制加热温度、保温时间和冷却速度，借此改变铸造铝合金的组织。f通过组织的改变来提高铸造铝合金的力学性能、增强耐蚀性能、改善加工性能、获得尺寸稳定性。¦热处理方法f退火处理将铸造铝合金加热到较高的温度(一般为300℃左右)，保温一定时间，随炉冷却到室温，这种热处理工艺称为退火；退火目的：固溶体发生分解，第二相质点发生聚集，可以消除铝合金铸件的内应力、稳定铸件尺寸、减少变形，增大铸件的塑性。f固溶处理将铸造铝合金加热到尽可能高的温度(接近共晶温度)，保温足够长的时间，使强化元素最大限度的溶解，再快速冷却到室温，将铸造铝合金的高温状态保存到室温，这种热处理工艺称为固溶处理；固溶处理的目的：提高铝合金铸件的强度，改善铝合金的耐蚀性能。f时效处理将固溶处理后的铸件加热到某一温度，保温一定时间，出炉空冷到室温，这种热处理工艺称为时效处理；时效处理的目的：使过饱和固溶体分解，析出弥散的第二强化相，使铝合金点阵恢复到比较稳定的状态。时效处理分类.自然时效：时效处理在室温下进行；.人工时效：时效处理在高于室温下进行；人工时效又可分为不完全人工时效、完全人工时效和过时效；Ç不完全人工时效：时效温度较低或时效时间较短，为了获得比较高的综合力学性能，即获得较高的强度和较高的塑性与韧性，但耐蚀性能较低。Ç完全人工时效：时效温度较高或时效时间较长，为了获得最高的抗拉强度和硬度，但伸长率较低。Ç过时效：时效温度更高，为了获得较高的抗应力腐蚀性能，铝合金的伸长率有所提高，但仍可保持较高的抗拉强度和硬度；根据使用要求，过时效又可分为稳定化处理和软化处理。f冷热循环处理将铸造铝合金铸件加热到一定温度(130℃左右)，出炉空冷，然后冷却到较低的温度(-50℃左右)，再出炉回升至室温，再加热到一定温度，随炉冷却到室温或某一温度，这种热处理工艺称为冷热循环处理；冷热循环处理的目的：多次加热和冷却可引起固溶体点阵的膨胀和收缩，使各相的晶格发生了少许位移，使第二相质点处于更加稳定的状态，从而提高铸件的稳定性，适应于精密铸件的制造。¦热处理工艺代码及含义fT1：仅进行人工时效处理；适应于冷却速度较快的铸件(如挤压铸造的铸件、金属型铸造的铸件)，这时铸件尚具有部分固溶效果，直接进行人工时效处理，可以提高铸件的强度、硬度和改善切削加工性能。fT2：退火处理。fT4：固溶处理+自然时效处理。fT5：固溶处理+不完全人工时效处理。fT6：固溶处理+完全人工时效处理。fT7：固溶处理+稳定化处理；人工时效处理温度比T6的人工时效处理温度高，提高铝合金抗应力腐蚀性能，同时还可保留较高的强度。fT8：固溶处理+软化处理；人工时效处理温度高于稳定化的人工时效处理温度，提高铝合金铸件的尺寸稳定性，提高铸造铝合金件的塑性，但铸造铝合金铸件的强度有所下降。fT9：冷热循环处理。fF：铸造状态。¦热处理设备和控制原则f热处理设备：箱式电阻炉、井式电阻炉、台车式电阻炉均可。f热处理控制原则铝合金铸件的固溶处理温度接近合金的共晶温度，要求固溶处理和时效处理温度的波动范围很窄，一般为±5℃(II类)，甚至±3℃(I类)。控制原则：加热炉需要多点控温，加热元件与铸件之间设置隔离装置，炉内安装空气强制循环风扇；定期检验和检修。热处理过烧缺陷：铸造铝合金的固溶处理控制不当，温度超过铸造铝合金的共晶温度，造成铸造铝合金组织的局部熔化，严重降低铸造铝合金的力学性能，如下图所示。ZL101铝合金的正常和过烧组织(a)正常组织(b)过烧组织(a)(b)共晶熔化4.1.5铸造铝合金的制备工艺¦制备工艺对铸造铝合金的力学性能和缺陷具有重要影响，主要涉及铝合金的精炼过程。¦铝合金的精炼目的f去除铝合金中的气体、非金属夹杂物，达到铝合金液的净化。¦铝合金的精炼原理f铝合金中的一些物理化学反应Al-O2反应2Al+1.5O2=Al2O3-1095329J/mol2Al+1.5N2=Al2N3-141436J/mol4Al+3C=Al4C3-36794J/mol.由上式看，铝与氧的亲和力很强，超过了与氮、碳的亲和力，所以固态铝和铝合金液表面总存在一层Al2O3氧化膜；.在450∼1000℃范围内，铝合金表面的氧化膜为γ-Al2O3，密度为3.47g/cm3，很稳定，而且VAl2O3/V2Al=1.42＞1，所以，铝合金液表面被完全覆盖，不会发生进一步的氧化；.当温度＞1000℃时，铝合金液表面的Al2O3由γ型变为α型，密度由3.47g/cm3上升到3.97g/cm3，体积收缩13%，氧化膜变得不连续，将失去对铝合金液的保护作用。Al与水蒸汽和碳氢化合物的反应.当铝合金液与水蒸汽接触时，会发生下面的反应：2Al+3H2O=Al2O3+3H2ÇAl2O3进入铝合金液成为夹杂物，H2进入铝合金液成为溶解气体；Ç水蒸汽来源于炉料、熔剂、变质剂、炉气、工具等方面。.当铝合金液与油污接触时，会发生下面的反应：4/3⋅mAl+CmHn=m/3⋅Al4C3+n/2⋅H2ÇH2进入铝合金液成为溶解气体；Ç油污来源于炉料、工具等方面。Æ总之，溶入铝合金液的气体主要是氢，约占气体总量的70∼90%。f去除气体的热力学条件铝合金液去除气体就是去除氢；铝合金液中溶解的氢与铝合金液表面处的氢分压成正比，即西华特定律(Sieverts)：22][HHPkH=BTAkH+−=2.上式表达了铝合金液中氢的含量与氢分压和温度的关系Ç在一定的温度下，氢分压越高，铝合金液溶解的氢就越多；Ç在一定的氢分压下，温度越高铝合金液溶解的氢就越多，下图描述了0.1MPa的气压下氢在铝中的溶解度与温度的关系。氢在Al、Mg、Cu、Ni中的溶解度气压为0.1MPa.上式也表达了去除铝合金液中氢的途径：Ç低温熔炼和浇注是有利的；Ç降低炉气中氢的分压有利于减少铝合金液中的溶解氢量⎯采取真空除气、吹入惰性气体或活性气体、熔剂处理等措施，在铝合金液表面或内部形成氢分压为零或很低的气泡，让铝合金液中的氢向气泡内扩散，将铝合金液中的氢除掉，但吹入的气体对铝合金液不能有害。f去除铝合金液中的夹杂物气泡捕捉去除夹杂物：夹杂物与气泡碰撞而被捕捉，并被气泡带到液面；小夹杂物被俘获的系数如下式所示：1)21(2−+=raE式中r-气泡半径；a-夹杂物半径。因此，小气泡有利于夹杂物的捕捉或俘获；气泡去除夹杂物如下图所示。气泡去除夹杂物示意图过滤去除夹杂物：利用泡沫陶瓷过滤块或耐高温的纤维网可有效地去除铝合金液中的夹杂物，这是得益于过滤网对夹杂物的机械或吸附作用；泡沫陶瓷过滤块如左图所示。泡沫陶瓷过滤块¦铝合金液的精炼方法f物理方法吹入惰性气体，如Ar、N2等；机械过滤：泡沫陶瓷块或由Al2O3等组成的过滤装置；真空处理；电迁移处理。f物理—化学方法加入气化熔剂：加入能生成AlCl3或AlF3的物质，如ZnCl2、C2Cl6、CCl4、MnCl2等；吹入活性气体：Cl2、F12(CCl2F2)；加入活性熔剂：加入碱金属的氯、氟盐和Na3AlF6、K3AlF6、Na2SiF6、K2SiF6；联合精炼。f熔剂精炼加入ZnCl2.当加入ZnCl2时，会发生下列反应：3ZnCl2+2Al=3Zn+2AlCl3K(主要反应)2AlCl3+3H2=2Al+6HClK(次要反应).AlCl3的沸点为183℃，因而会产生大量的无氢汽泡，铝合金液溶解的氢不断向气泡内扩散，气泡不断上浮溢出，从而达到精炼目的，如下图所示。AlCl3气泡去除氢的示意图.ZnCl2的加入量为铝合金液重量的0.1~0.3wt%，但需要先脱水(加热到370~400℃)，才能使用，或保存在150~200℃的烘箱中；精炼处理温度为690~720℃；为防止铝合金液的过分翻腾，应分批加入精炼剂。.该方法操作简单、成本较低、除气效果较好。但废气有毒，而且熔剂易吸潮，使用不太方便，Zn还可能成为杂质而污染铝合金。加入C2Cl6.当加入C2Cl6时，会发生下列反应：C2Cl6=C2Cl4↑+Cl2↑Cl2+2[H]=2HCl↑3Cl2+2Al=2AlCl3↑.C2Cl4(四氯乙烯)的沸点为121℃，成为精炼气泡，再加AlCl3气泡，除气效果良好；.C2Cl6精炼剂不吸潮，使用方便，但价格较贵，反应气体有毒，污染环境，腐蚀设备。.当铝合金不含Mg时，C2Cl6加入量为0.2~0.6wt%；当铝合金含Mg时，C2Cl6的加入量为0.5~0.7wt%，因为Mg会与C2Cl6反应，生成MgCl2，失去精炼效果；精炼温度：730~750℃。加入MnCl2.当加入MnCl2时，会发生下列反应：3MnCl2+2Al=2AlCl3↑+3Mn.利用AlCl3气泡去除铝合金液溶解的氢；.MnCl2的加入量为0.1~0.2wt%；MnCl2吸湿性比ZnCl2小得多，因而精炼效果比ZnCl2好，而且反应速度较ZnCl2慢，气泡小；精炼温度700~720℃。覆盖精炼熔剂精炼.覆盖精炼熔剂：Na3SiF6或Na2SiF6溶可发生下列反应，溶解Al2O3：Na3SiF6=SiF4K+2NaFNa2SiF6+Al2O3=2Na3SiF6K+3SiO2+3AlF3K.覆盖精炼熔剂还可防止铝合金液吸气和氧化。f吹气精炼吹入活性气体，如Cl2、F12(氟氯昂12)等。.活性气体会发生下列反应：Cl2+2[H]=2HCl↑3Cl2+2Al=2AlCl3↑.精炼效果很好，但废气有毒，污染环境，腐蚀设备；可采用混合气体精炼，如N2-Cl2、N2-F12等，将Cl2比例降至5~10%。吹入活性气体Cl2去除氢的示意图Ä.吹入活性气体Cl2除氢：吹入Ar、N2等惰性气体.当产生小汽泡时，会带出铝合金液溶解的氢，达到除氢的目的；除气前首先要对惰性气体除湿，尤其是氮气更应注意这一点；.为了提高除氢效果，可采用多孔塞，以减小惰性气体的气泡直径；也可采用旋转喷吹，以减小惰性气体的气泡直径。f真空除气精炼静态真空除气：根据西华特定律，当处理温度T一定时，PH2越低，[H%]越小；但铝合金液面上的氧化膜阻碍去氢，所以静态真空去氢效率较低。动态真空除气：在真空条件下，向铝合金液中吹气搅拌，除氢效果更好，见下图。抽气孔测温热电偶吹气管加热炉丝气泡铝合金液坩埚真空室真空动态除气示意图f气体的电迁移在铝合金液中通入直流电，正极将产生正离子：[H]-e→H+；负极将产生氢气：2H++2e→H2↑，铝合金液中溶解的氢就被去除了；举例：在150kg的ZL101或ZL105铝合金液中通入电流密度为0.5~0.7A/cm2的电流，当通电时间为20~40min时，铝合金液的氢含量减少28~30wt%。f精炼效果检查观察法.观察φ50~70mm、厚20mm的试样(砂型或预热的金属型)表面，小气泡多，说明氢含量高，否则，氢含量低；与标准针孔度对比，1~2级为除气良好(下图是铝合金试样的针孔)。铸造铝合金试样中的针孔.观察减压凝固试样表面(凝固压力为30~60mmHg)，若试样表面有凹陷，则表明除气良好；若试样表面有凸起，则表明除气不合格；减压凝固试样的制备如左图所示。减压凝固试样法检测铝合金液含氢的试验装置1-窥视孔2-真空表3-小坩埚4-真空室5-真空泵6-电动机Telegas测氢法：Telegas测氢法是Ransley在1957年发明的一种定量测氢方法，其原理是：假定氢在铝合金液中是均匀分布的，若在铝合金液中提供一个自由表面，那么氢就会在这个自由表面上以2HJH2的形式析出，只要测出这个自由表面上的氢分压和铝合金液的温度，就可根据西华特定律计算出铝合金液中氢的含量。.Telegas的具体测氢办法：利用循环泵将一定量的惰性气体(如Ar、N2等)通入铝合金液，当铝合金液中溶解的氢与惰性气体中析出的氢达到平衡时，就可测定惰性气体中氢的分压和铝合金液的温度，最后根据西华特定律计算出铝合金液中的氢含量；Telegas测氢的具体装置如下图所示。Telegas测氢装置原理图1-气体导入阀2-循环泵3