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铸造材料与工艺铸造材料与工艺⎯⎯铸造非铁合金铸造非铁合金材料科学与工程学院材料成形与控制工程系毛卫民44铸造非铁合金铸造非铁合金¦铸造非铁合金：以一种非铁金属元素为主，再添加一种或数种其它元素组成的铸造合金称为铸造非铁合金。¦铸造非铁合金分类：f铸造铝合金（CastAluminumAlloy）f铸造铜合金（CastCopperAlloy）f铸造镁合金（CastMagnesiumAlloy）f铸造锌合金（CastZincAlloy）f铸造钛合金（CastTitaniumAlloy）f铸造轴承合金（CastBearingAlloy）f铸造高温合金（CastSuperalloy）¦铸造镁合金f在现有的工程金属中，镁合金的密度昀小，ρ≈1.75∼1.85g/cm3，约为铝的64%、钢的23%；f镁合金的比强度比铸造铝合金的高；f镁合金具有高的减振性；f镁合金具有优良的机加工性能；f镁合金广泛应用于航空、航天，也大量应用于汽车、摩托车、电子、纺织、电影、林业等机械中。¦铸造钛合金f钛在地壳中的储藏量很丰富；在所有元素中，钛的储量具第9位；在常用金属中，钛的储量仅次于铝、铁和镁；f钛的密度小，比强度高，韧性高，无磁性，熔点高，热膨胀系数低，耐腐蚀；f在液态，钛合金几乎能与各种耐火材料起反应，导致钛合金的熔炼和铸造工艺很复杂；f钛合金广泛应用于航空、航天、航海、军械、医疗器械、石油化工等行业。¦铸造轴承合金f轴承合金用来制造滑动轴瓦或轴套，要求摩擦系数低、耐磨、一定的承载能力；f轴承合金可分为铁基和非铁基两类，非铁基轴承合金主要指锡基、铅基、铝基和铜铅轴承合金；f锡基和铅基轴承合金的熔点低，统称为巴氏合金，主要制造汽车和大马力低速船用柴油主机轴瓦，占轴瓦总数的85%以上；f铝基和铜铅轴承合金用来制造大功率汽车发动机、高速柴油机的轴瓦。¦铸造锌合金f铸造锌合金主要用作压铸合金，合金熔点低，压铸模寿命长，压铸件的尺寸精度高，易于电镀，广泛应用于汽车、拖拉机和仪表行业、玩具；f重力铸造锌合金主要用作轴承耐磨合金；f锌合金价格低。¦铸造高温合金f高温合金又称为耐热合金、或热强合金、或超合金，能在600∼1000℃的高温氧化气氛和燃气腐蚀条件下长时间承受较大的工作载荷，如燃气轮机的热端部件；f按合金基体可将高温合金分为三类：镍基、铁基和钴基；铸造高温合金是高温合金中的重要分支，如发动机定向凝固或单晶叶片；f铸造高温合金的合金元素多，分别起固溶强化、弥散强化、晶界强化和表面稳定化，使高温合金具有优异的性能；f铸造高温合金中的活性元素较多，需要采用真空冶炼和铸造技术。4.1铸造铝合金¦铝在地壳中的存储量极高，占7.5%，比所有的其它金属元素的储量都高；¦纯铝的密度小，塑性高，导电性和导热性良好；¦铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。4.1.1铸造铝合金的特点与应用¦密度低、比强度高f铝合金与钢的密度、比强度的比较见下表：材料ρ(g/cm3)σb（Mpa）比强度(N⋅mm/g)ZL104(T6处理)2.65＞2801.06×10545#铸造碳钢(退火)7.86000.77×105fZL104的比强度比铸造碳钢的比强度高约38%。f承受同样的载荷，铝合金零件将比钢件轻。f铝合金特别适合制造航天、航空设备零件，如仪表的外壳、框架等。f为了减少燃油消耗、保护环境，近年来，全球汽车发展的趋势是轻量化，即汽车将采用越来越多的轻质金属材料，而铝合金将是首选材料。铝合金主要制造发动机的缸体、缸盖、进气歧管、轴承座、离合器壳、变速箱壳、活塞、汽车轮等。铝合金缸体、进气歧管、活塞铸件汽车发动机缸盖铸件汽车发动机进气歧管汽车发动机缸盖汽车发动机连杆汽车铝合金轮毂摩托车发动机铝合金铸件其它铝合金铸件美国日本汽车用铝变化表材料构成比例（%）国别年份钢材铸铁铝合金塑料其它681220201418.418.318.03.65.06.145834.24.516121013.810.810.8车辆自重（Kg）美国198319851990545556150013201130日本19731978198061.261.760.6102011201090¦在大气、淡水中，铝合金具有良好的耐蚀性能，广泛应用于民用器皿和家用电器的制造，也广泛应用于化学工业。¦铝合金具有良好的导热性，广泛应用于有导热能力要求的场合，如换热器、活塞、缸盖等。¦铝合金具有良好的铸造性能：铝合金的熔点低，凝固潜热大，流动性良好，适合于制造较为复杂的铸件。¦铸造铝合金的分类依据主要合金元素的种类，铸造铝合金可以分类如下：f铸造铝硅合金，ZL1××，如ZL102;f铸造铝铜合金，ZL2××，如ZL201;f铸造铝镁合金，ZL3××，如ZL301;f铸造铝锌合金，ZL4××，如ZL402。4.1.2铸造铝硅合金¦铸造铝硅合金主要以Si作合金元素，提高铸造性能，即提高合金的流动性和气密性、降低合金的热裂倾向、减少疏松，从而获得健全致密的铸件；¦铸造铝硅合金具有好的抗蚀稳定性和中等的切削加工性能，具有一般的强度和硬度，塑性较低；¦合金分为：亚共晶、共晶和过共晶合金，如ZL101、ZL102、ZL117等，常用牌号约18个。4.1.2.1铸造铝硅合金的相图¦铝硅合金二元相图如下Al-Si二元合金平衡相图¦铝硅二元相图的主要相区和共晶反应f单相区：L液相区和α固相区；f双相区：L+α、L+β、α+β；f共晶反应：L(11.6wt%Si)=α(1.65wt%Si)+β(99.83wt%Si)；反应温度：577℃。4.1.2.2铸造铝硅合金的组织¦亚共晶Al+Si合金组织（Si＜11.6wt%）f初生α：共晶反应前形成的树枝状的硅在铝中的固溶体，在577℃时，昀多可溶解1.65wt%Si；f（α+β）共晶体：在577℃时，共晶反应的产物，β相为铝溶在硅中形成的固溶体，几乎为纯硅，形状呈针状或片状；共晶α沿着原初生α生长，无法分辨。成分(wt%)：Si7.0，Mg0.50，Fe0.70；状态：砂型铸造，未热处理；组织特征：由于Mg、Fe含量高，组织中出现较多的显相界的灰色针状相和片状相β（Al9Fe2Si2）相，不显相界的浅灰色骨骼状是Al8FeMg3Si6相；黑色骨骼状是Mg2Si，深灰色片状相是共晶Si；浸蚀剂：0.5%HF水溶液成分(wt%)：Si6.67，Mg0.31，Fe＜0.10，Cu＜0.20；状态：金属型铸造，未热处理；组织特征：由于冷却速度快，白色α（Al）固溶体枝晶和共晶Si较细小；浸蚀剂：0.5%HF水溶液成分(wt%)：Si11.8，Fe0.35；状态：砂型铸造，钠盐变质处理，未热处理；组织特征：变质正常组织，共晶Si为较细小的点状和针状，α（Al）初晶呈枝晶；浸蚀剂：0.5%HF水溶液¦共晶Al+Si合金组织（Si=11.6wt%）f平衡凝固的组织中一般不出现初生α和初生β相，但实际凝固组织中常常会出现一些初生α或初生β相；f凝固组织主要是（α+β）共晶体，共晶Si即β相呈针状或片状。成分(wt%)：Si12.0，Mg0.50，Cu1.50，Mn0.45，Fe0.30；状态：金属型铸造，未热处理；组织特征：大量的α（Al）+Si共晶体，黑色骨骼状为Mg2Si，浅灰色为AlFeMnSi相，白色为θ（Al2Cu）相；浸蚀剂：0.5%HF水溶液成分(wt%)：Si11.8，Fe0.25；状态：砂型铸造，未热处理；组织特征：灰色粗大块状相为初生Si，灰色片状和针状相为共晶Si，浅灰色骨骼状为α（Al12Fe3Si）；浸蚀剂：0.5%HF水溶液¦过共晶Al+Si合金组织（Si＞11.6wt%）f初生β相（即初生Si）：共晶反应前形成的粗大多角形的β相；f（α+β）共晶体：共晶反应产物，β相呈针状或片状。成分(wt%)：Si11.8，Fe0.25；状态：金属型铸造，未热处理；组织特征：由于冷却速度快，组织较为细小；浸蚀剂：0.5%HF水溶液金属型铸造的Al-24Si合金组织金属型铸造的Al-30Si合金组织金属型铸造的Al-40Si合金组织¦共晶硅的变质处理f变质目的：亚共晶铝硅合金在一般凝固条件下，共晶Si生长成针状或片状，属于脆性相；在受力时，这种针状或片状共晶硅容易引起应力集中，易于导致微裂纹产生，所以针状或片状共晶Si会降低铝合金的强度和塑性；变质的目的就是改变亚共铝硅合金中晶共晶Si的形貌。成分(wt%)：Si7.0，Mg0.50，Fe0.70；状态：砂型铸造，未热处理；组织特征：由于Mg、Fe含量高，组织中出现较多的显相界的灰色针状相和片状相β（Al9Fe2Si2）相，不显相界的浅灰色骨骼状是Al8FeMg3Si6相；黑色骨骼状是Mg2Si，深灰色片状相是共晶Si；浸蚀剂：0.5%HF水溶液f变质方法：在合金中加入适量的Na（残留Na为0.001∼0.003wt%）或其它元素Sr、Sb、Te等，就可以使针状或片状的共晶硅转变为纤维状共晶硅；在较低放大倍数（100∼200X）下，纤维状共晶硅呈现为点状。成分(wt%)：Si9.0，Mg0.30，Mn0.30，Fe0.25；状态：砂型铸造，变质处理，未热处理；组织特征：α（Al）初晶呈枝晶，共晶Si呈细小质点；浸蚀剂：0.5%HF水溶液成分(wt%)：Si9.4∼9.7，Mg0.30∼0.35，Mn0.50，Fe＜0.40；状态：金属型铸造，Al-Sr合金变质，T6热处理；组织特征：α（Al）初晶呈枝晶，共晶Si呈细小质点；浸蚀剂：0.5%HF水溶液f钠盐变质剂：二元钠盐，如(NaF67wt%+NaCl33wt%)；三元钠盐(NaF25wt%+NaCl62.5wt%+KCl12.5wt%)；钠盐变质剂的有效期为30min。f长效变质剂：Al-Sr合金，变质有效期为6∼10hr；Sb、Te变质剂，变质时间也很长。f在实际生产中，还可能出现变质不足或过变质。成分(wt%)：Si11.8，Fe0.35；状态：金属型铸造，钠盐变质处理，未热处理；组织特征：变质不足组织，共晶Si未完全细化，浅灰色骨骼状为α（Al12Fe3Si）；浸蚀剂：0.5%HF水溶液成分(wt%)：Si11.8，Fe0.35；状态：砂型铸造，钠盐变质处理，未热处理；组织特征：变质过度组织，共晶Si呈细小点状和针状，α（Al）初晶呈枝晶，还出现较粗大的粒状共晶Si和黑色片状的富钠化合物过变质区；浸蚀剂：0.5%HF水溶液¦初生Si的变质f变质目的：对于过共晶铝硅合金，在一般的凝固条件下，初生Si长成粗大的多角状；粗大的多角初生Si使铝硅合金的强度和塑性下降，而且机加工性能很差，所以需要细化初生Si；过共晶铝硅合金的显微组织成分(wt%)：Si24；状态：砂型铸造，未变质；浸蚀剂：0.5%HF水溶液。f细化剂：当合金中加入适量的P或S，就可以使初生Si得到明显细化；常用细化剂为赤磷、Cu-P合金，硫磺。过共晶铝硅合金的显微组织成分(wt%)：Si24；状态：砂型铸造，0.3%P变质；浸蚀剂：0.5%HF水溶液。4.1.2.3铸造铝硅合金的性能¦二元铝硅合金的性能如下图。含Si量与铝硅合金机械性能的关系砂型铸件，实线为变质数据，虚线为未变质数据¦二元铝硅合金的性能规律f对于砂型铸件，随着Si量的提高，σb先上升；当Si量约为11wt%时，σb达到昀大值；随后，σb下降；随着Si量的提高，δ持续下降，但Si量在11wt%附近时，δ有一定升高。f对于金属型铸件，也有类似的规律。含Si量与铝硅合金机械性能的关系金属型铸件高含Si量与铝硅合金机械性能的关系¦二元铝硅合金的强度不高，不能通过热处理进行强化，因为固态下Si的长大速度太快，所以，目前只有一个牌号，即ZL102（含Si10∼13wt%），σb约为140∼160Mpa，δ约为2∼4%（主要用于压铸）。¦Mg对铝硅合金力学性能的影响f铝硅合金中加入少量的Mg，会形成Mg2Si，该相为脆性相，分布在α晶界，降低合金的强度和塑性，所以，铝硅合金中只能加入很少量的Mg。f少量的Mg2Si经过约530℃固溶处理，可以完全溶解，再经过淬火和时效处理，可以产