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华中科技大学硕士学位论文AbstractAluminumalloycastingsarewidelyusedintheindustrialfield,especiallyAl-SialloysandAl-Cualloys.Variousdefectsofaluminumcastingsareunavoidableduringproduction.HotcrackingdefectoftenoccursinAl-Cualloycastingsbecauseofitswidesolidificationrange,whilepinholedefectalwaysappearsinsomeAl-Sialloycastingsbecauseoftheirhighsiliconcontentleadingtoserioushydrogenabsorption.Inthispaper,acoupleofcastingdefectswereresearchedsuchascrackingandmisrunofZL201stentwiththin-walledcomplexshapeproducedbysandcasting;blowholeandcoldshutofZL102castingwiththin-walledcomplexshapeproducedbypermanentmouldcasting;pinholedefectsofZL114beamwiththick-walledshapeproducedbysandcasting.Thecharacteristicsofparts,alloytype,castingmethodsanddefectshaveastrongrepresentation.Analysisshowedthat,solidificationcharacteristicsofthealloy,non-uniformwallthicknessofthecomponentsandstructurevolumeofthesandcoresresultinhotcrackingoftheZL201stent,whichcanbesolvedbysettingchills,usinghollowstructureinsandcoresandporingunderthelowcastingtemperature710℃.Highgasevolution,badpermeabilityofpermanentmoldandstronggasabsorptionofthealloyaccountforblowholesoftheZL102casting,whichcanbesolvedbyprolongingtheheatingtimeofthesandcores;twoflowofthealloyconvergingatthinsectioncausecoldshut,whichcanbesolvedbymodifyinggatingsystem;thepoorqualityofaluminummeltleadtopinholedefectsofZL114beam,whichcanbesolvedbycontrollingthesourceofgasinliquidalloy,enhancingdegassingtechnologyofliquidaluminum,speedingupthecastingsolidificationrate.Keywords:castingaluminumalloycastingdefectssolvingmaesuresII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。√（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1课题的研究背景、目的和意义铝的密度小，比强度高，可以在表面能够形成致密的氧化膜具有较好的抗腐蚀性，易于回收并且铝资源丰富，储量仅次于铁。铝合金发展迅速，在越来越多的领域代替传统的钢铁材料。铸造铝合金在汽车、机车、航天航空领域有着广泛的应用，具有无比广阔的前景。对铸造铝合金的研究包括很多方面，比如合金元素在合金中的作用、合金成分的优化和新的合金的研究、合金的熔炼、合金液的精炼处理、合金的晶粒细化、铝硅合金的变质处理、传统铸造方法的优化和开发新的铸造方法以满足铝合金铸件的大型化、薄壁化、复杂化要求。总之进一步提高合金的性能，确保生产出合格的铸件。在铝合金铸件的实际生产中，会有多种缺陷，常见的有气孔、针孔、裂纹、缩孔、疏松、变形、冷隔、未浇足、夹砂等。前人对各种缺陷的形成机理已经有详尽的研究，但实际生产中解决各种铸件的缺陷仅仅靠理论知识是远不够的，而且零件结构各异，材料各异，影响缺陷形成的原因会因铸件的不同而有所不同。本课题就是结合实际生产，解决多个铸件存在的缺陷，具有非常强的实用性。1.2铸造铝合金的研究及应用1.2.1铸造铝合金的分类按照添加的合金元素，铸造铝合金通常被分为如下几类：1）铝硅为基的铸造铝合金Al-Si二元合金ZL102。Al-Si-Mg系的ZL101，ZL114A。以及在Al-Si-Mg中添加Zn的ZL115，添加Mn的ZL104，以及添1华中科技大学硕士学位论文加Be的ZL116。Al-Si-Cu系的ZL107，以及Al-Si-Cu-Mg的ZL105和ZL105A，以Al-Si-Cu-Mg-Mn元素构成的ZL106、ZL108、ZL111，以Al-Si-Cu-Mg-Ni为构成的ZL109[1]。主要作为活塞材料的高硅铝合金ZL117、A390、AC9A、AC8A等[2]。2）铝铜为基的铸造铝合金Al-Cu二元合金ZL203、ZL202。Al-Cu-Mn的ZL201，以及在Al-Cu-Mn基础上添加Cd形成的ZL204A和以Al-Cu-Mn-Cd-V构成的ZL205A和在俄罗斯ΒΑЛ10合金基础上研制的ZL210A[1]。3）铝镁为基的铸造铝合金Al-Mg二元合金ZL301，Al-Mg-Si的ZL303和以Al-Mg-Zn为组成的ZL305。4）铝锌为基的铸造铝合金含少量Mg的Al-Zn-Si的ZL401和在Al-Zn-Mg基础上添加少量Cr和Ti形成的ZL4025）铝锂基铸造铝合金国外研究了几种比如RPPX1、RPPX2、RPPX3等[2]。6）铝稀土基铸造铝合金以Al-RE为基的有ZL207合金[3]。1.2.2铸造铝合金中主要合金元素及其作用铸造铝合金中的主要合金元素有Si、Mg、Cu、Zn、Mn、Ni、Be、Ti、V、Cd、Cr、B、Zr等，Fe是主要的常存杂质。这些元素中固溶度昀大的为Zn、Mg、Cu，其次依次是Mn、Si、Ti、Cr、Zr、V，而Be、RE、Ni、Cd的溶解度很小。所以铸造铝合金的主要热处理强化元素Zn、Mg、Cu。Al与Si、Mg、Zn、Mn、Ni、Be能够发生共晶反应，Ti、Zr、Cr可以和Al形成包晶反应[1,3]。Si在铝合金中形成二元共晶或多元共晶组织，能够改善合金的铸造工艺性能,减少缺陷。Si和Mg形成Mg2Si相，是Al-Si系、Al-Mg-Si系和Al-Zn-Si系合金的主要强化相。但是在Al-Mg系合金中Si质量分数一般控制在0.3%以下，因为Si含量过多的形成的粗大骨骼状的Mg2Si相难以在热处理过程中全部溶解，会导致力学性能的降低[4]。Si含量的提高会降低合金的线膨胀系数，提高合金的耐磨性，高硅铝合金作为发动机活塞材料，是目前的研究热点之一。2华中科技大学硕士学位论文Mg在Al中的溶解度较大，所以Mg对Al的固溶强化明显。在Al-Si系合金中，会形成Mg2Si相，但Mg得含量不能过高，在Al-Si系合金中控制在0.25%—1.30%。在Al-Mg系合金中Mg含量一般限制在4.5%—11.0%，防止形成的β相（Mg5Al8）不能完全溶解于α（Al）相中，使力学性能和耐蚀性下降。Mg在Al-Cu系合金中是有害的杂质，会形成三元低熔共晶体，增加热裂倾向和热处理是的过烧危险[4,5]。Cu和Al形成θ（Al2Cu）相，是Al-Cu系合金的主要强化相，铜含量的增加会增加强度，降低塑性。在Al-Cu系合金中铜含量一般不超过5.5%，因为铜的增加会使合金的凝固区间变宽，容易产生铸造缺陷，而且过多的脆性相θ（Al2Cu）热处理过程中无法全部溶解会导致力学性能的下降[4]。Mn在铸造铝合金中除了起固溶强化作用外，还可以使针状的β（Al9Si2Fe2）转变为AlMnFeSi相，降低Fe对力学性能的有害作用。在Al-Cu系合金中Mn是主要的添加元素，形成T（Al12Mn2Cu）相，提高合金的热稳定性，同时固溶在α（Al）中的Mn会降低原子的扩散速度，延缓时效过程，使合金的沉淀硬化效果能保持更高的温度[4][5]。稀土元素能够与Al和其他元素形成高熔点化合物，在合金中形成高熔点共晶体，能够提高合金的耐热性能。并可以起到细化组织、净化熔体、减少气体和夹杂物含量、降低线膨胀系数[6]。Ti、B、Zr在铝合金中形成细小的化合物TiAl3、ZrAl3、TiB2，作为结晶核心，能够强烈的细化铝固溶体的晶粒，同时使合金凝固时形成结晶骨架的时间延迟，缩小有效的结晶温度，减轻裂纹和缩松倾向，提高合金的热处理效果和力学性能。这几种元素是高强度铸造铝合金中常用的添加元素[7]。Cd主要添加在铝铜基铸造合金中，能够显著提高合金强度，ZL204A、ZL105A、ZL210A中都有应用。Be主要应用在铝镁基铸造铝合金中比如ZL114A。Be添加入合金熔体时，能够在表面上形成一层氧化铍保护薄膜，这种薄膜能减少熔渣，提高铝液纯洁度，以及改善流动性。由于Be对氧和氮具有很大的亲合力，所以它对熔体除气也是高效的。铸造过程中，Be还有助于减少金属与砂型起反应．并防止镁优先氧化。这样就能得到较纯净的、质量较高的优质铸件，这种铸件具有较好的表面光洁度、较高的强度3华中科技大学硕士学位论文和良好的塑性。但Be得加入会引起晶粒变粗，所以在添加Be的同时加入Ti或Zr以细化晶粒[8,9]。Fe在铸造合金中通常是一种有害杂质，在铝合金中形成粗大的针状或片状的化合物，割裂基体，降低力学性能。同时β是凝固过程中的领先形成相，会阻碍金属液的流动，造成热节部位缩松的增加。通常加入Mn改变Fe的化合物形貌，使之呈枝杈状、骨骼状或颗粒状从而改善其性能。Be和RE也有类似的作用[4,10]。1.2.3各种铸造铝合金的特点及应用试验中应用了ZL102、ZL114A、ZL201三种合金，所以主要介绍下Al-Si系合金和Al-Cu系合金。1、Al-Si系铸造合金Al-Si系铸造合金的Si含量一般为5%—13%，属于亚共晶和共晶型合金。也有Si含量超过15%的过共晶铝合金。Al-Si系具有良好的铸造性能，气密性好，流动性好，热裂倾向小。在Al-Si系合金中主要的强化相有Al2Cu、Mg2Si和Al2CuMg，经过变质处理和热处理后，合金的力学性能会显著提高，加上较好的铸造性能，Al-Si系合金是铸造铝合金中品种昀多，应用昀广的。ZL102合金为Al-Si二元合金，Si含量为10.0-13.0%，为共晶型合