铸造铝合金

第2篇有色金属合金概述随着近代机械制造工业如航空、航海、汽车、石油化工、电力和原子能以及空间技术等新型工业的发展，生产技术正朝着高温、低温、高压、高速和在强烈的腐蚀介质中工作的方向发展。由于各类设备的零部件工作条件不同，对所用的材料性能要求也各不一样，所以在工业上有色金属及其合金的使用量正在日益增加，因而在国民经济中占据重要地位。概述铁、铬、锰及其合金称为黑色金属其它金属统称为有色金属有色金属分类如下：①轻金属:密度＜4.5的金属称为轻金属；如铝、镁、铍、锂等②重金属:密度＞4.5的金属称为重金属；如铜、锌、铅、镍等③贵金属:贵重或制造货币用的金属：如金、银、铂、铑、钯等④稀有金属:相对稀缺、产量较少、提取困难、成本较高的金属：如钨、钒、钼、铌、钛和锆等。⑤放射性金属:如镭、铀和钍等金属。⑥半金属：硅、硼、硒、蹄、砷第8章铝合金本章主要内容工业纯铝铝合金的分类铝的合金化铝合金的时效过程变形铝合金铸造铝合金8.1铝合金的热处理及时效强化铝具有面心立方点阵，无同素异构转变。比重为2.72（g/cm3），约为铁的1/3。熔点与纯度有关,纯度为99.996%时,熔点为660.24℃优良的导电、导热性,导电性仅次于银和铜,居第三位铝在大气中具有优良的抗蚀性。铝的塑性很好，便于进行各种冷、热压力加工,如压制成厚度为0.0006毫米的铝箔和冷拔成极细的细丝。工业纯铝的特性：8.1.1铝合金的分类根据合金元素的含量和加工工艺性能特点，铝合金分为：变形铝合金铸造铝合金8.1铝合金的热处理及时效强化8.1铝合金的热处理及时效强化1--变形铝合金2--铸造铝合金3--不能HT强化——防锈铝4--能HT强化——硬铝/超硬铝/锻铝8.1.1铝合金的分类图8.1铝合金分类示意图8.1.1铝合金的分类1、铸造铝合金铸造铝合金要求：具有良好的铸造性能，一般为共晶成分的合金。要求铸件具备足够的机械性能。因此，铸造铝合金的合金元素含量比变形铝合金高一些，其合金元素总量约为8～25％。8.1.1铝合金的分类2、变形铝合金变形铝合金是铸锭经冷、热压力加工后形成的各种型材要求合金具备优良的冷热加工工艺性能，组织中不允许有过多的脆性等二相。合金元素含量比较低，一般不超过极限溶解度D点的成分8.1.1铝合金的分类图8.1铝合金分类示意图2、变形铝合金一般Me总量＜5％，在高强度变形铝合金中,可达8～14％。变形铝合金按其成分和性能特点可分为:不能热处理强化铝合金—耐蚀性好，故称为防锈铝可热处理强化铝合金—相图中F与D之间的合金，通过热处理能显著提高机械性能,这类铝合金包括硬铝、超硬铝和锻铝。8.1.1铝合金的分类在纯铝中加入合金元素，制成铝合金。铝合金：保持纯铝的比重小和抗腐蚀性好的特点，且机械性能比纯铝高得多。经热处理后铝合金的比强度很高，机械性能和钢铁材料相比美。铝合金广泛应用于交通运输工业，航空工业。铝的合金化元素：铜、镁、锌、硅、锰和稀土元素等。合金元素对铝的强化作用，主要是包括以下几方面。8.1.2铝的合金化1、固溶强化纯铝加入Me形成铝基固溶体，起固溶强化作用，强度↑。固溶强化还能获得优良的塑性与良好的压力加工性能。铝的合金化一般都形成有限固溶体,如Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn、Al-Si、Al-Mn等，并且有较大的极限溶解度,能起较大的固溶强化效果。8.1.2铝的合金化2、时效强化铝合金的热处理强化，主要是由于Me有较大固溶度，且随着温度的降低而急剧减小。铝合金经加热到某一温度淬火后，得到过饱和的固溶体。随后放置在室温或加热到某一温度时，其强度和硬度升高，塑性、韧性降低，这个过程称作时效。时效强化（时效硬化）：时效过程使合金的强度、硬度升高的现象。铝合金强化的重要手段：固溶处理（淬火）+时效处理。8.1.2铝的合金化3、过剩相强化当铝中Me含量超过其极限溶解度时，淬火加热时便有一部分不能溶入固溶体而形成第二相，称之为过剩相。过剩相金属间化合物硬而脆，阻碍位错运动，使强度、硬度↑，而塑性、韧性↓。过剩相↑，强化效果↑；但过多，合金变脆，强度急剧↓在二元铝硅合金中，主要强化手段是过剩相强化。硅含量↑，过剩相（硅晶体）的数量↑，合金的强度、硬度↑α8.1.2铝的合金化硅晶体的性能特点灰黑色，硬而脆，有金属光泽，熔点高、沸点高，硬度高4、细化组织强化添加微量合金元素，细化组织，提高机械性能。铸造铝合金中常加入微量元素（变质剂）进行变质处理来细化合金组织，↑强度和韧性。变形铝合金中添加微量钛、锆、铍及稀土等，形成难熔化合物,作为非自发晶核,细化晶粒,↑强度、塑性变质处理对不能热处理或热处理强化效果不大的铸造铝合金和变形铝合金具有特别重要的意义。8.1.2铝的合金化1、铝合金热处理强化的特点铝合金淬火加热时：α和第二相（金属间化合物）→单相α固溶体；淬火时→单相的过饱和α固溶体。铝合金的淬火处理又称为固溶处理。淬火后的过饱和固溶体，在随后重新加热到一定温度并保温一定时间后，强度、硬度显著↑，而塑性明显↓，铝合金的这种处理称为时效处理。8.1.3铝合金的时效1、铝合金热处理强化特点铝合金的强化处理包括：固溶处理与时效处理。其工艺操作与钢基本相似，但强化机理与钢有本质上的不同，铝合金是依靠时效过程来强化的。室温放置过程中使合金产生强化的效应称为自然时效低温加热过程中使合金产生强化的效应称为人工时效8.1.3铝合金的时效2、铝合金时效的基本过程以4％Cu-Al合金为例讨论铝合金时效的基本过程。α在室温时的溶解度为0.5%Cu，548℃为5.6%Cu。合金加热到BD以上CuAl2完全溶入α中，淬火后得到过饱和α固溶体。时效过程基本上就是过饱和固溶体分解（沉淀）的过程，包括以下四个阶段。8.1.3铝合金的时效2、铝合金时效的基本过程（形核与长大过程，扩散型固态相变）①形成铜原子富集区（G.P.区）G.P.区，指溶质原子富集区，是Cu原子在{100}晶面上偏聚形成，完全保持母相α（FCC）晶格，并与母相共格。G.P.区呈圆片状，尺寸很小。G.P.区中Cu原子浓度较高，引起严重点阵畸变,阻碍位错运动，使合金的强度、硬度↑。8.1.3铝合金的时效2、铝合金时效的基本过程②铜原子富集区有序化（θ）θ称为过渡相，它是随时效温度升高或时效时间延长，G.P.区急剧长大，并有序化，原子逐渐形成有规律的排列，即形成正方有序化结构。与基体仍保持共格关系。由于形成θ区的密度很大，时效强化作用更大。θ相析出阶段为合金达到最大强化的阶段。8.1.3铝合金的时效2、铝合金时效的基本过程③形成过渡相θ′随着时效过程的进一步发展，铜原子在θ区继续偏聚，当Cu与Al原子之比为1：2时，形成过渡相θ′。θ′属正方点阵，点阵常数发生较大变化，形成时与基体共格关系开始破坏，即由完全共格变为局部共格。对位错运动的阻碍作用↓，故合金的硬度↓，表明进入过时效阶段。8.1.3铝合金的时效2、铝合金时效的基本过程④形成稳定θ相时效后期，过渡相θ′从铝基固溶体中完全脱溶，形成与基体有明显相界面的独立的稳定相CuAl2，称为θ相，此时θ相与基体共格关系完全破坏，共格畸变也随之消失。并随时效温度的提高或时间的延长，θ相的质点聚集长大，合金的强度、硬度进一步降低。8.1.3铝合金的时效2、铝合金时效的基本过程4％Cu-Al合金时效的基本过程可以概括为：过饱和α固溶体形成铜原子富集区G.P.区铜原子富集区有序化θ″形成过渡相θ′析出稳定相θ(CuAl2)+平衡的α固溶体。铝-铜二元合金的时效机理及其一般规律，适用于其它工业合金。8.1.3铝合金的时效3、影响时效强化的主要因素◆化学成分合金的化学成分与时效强化有直接关系，能否通过时效强化，取决于能否溶解于固溶体以及固溶度稳定变化的程度。如：Fe、Ni基本上不溶解于固态Al中，故Al-Fe，Al-Ni系合金不能进行时效处理。如果在Al中加入某些Me形成结构与成分复杂的化合物（第二相），如CuAl2(θ)、Mg2Si(β)、Al2CuMg(S)、Mg2Zn(M)等等,则在时效析出过程中形成的G.P.区的结构就比较复杂,与基体共格关系引起的畸变亦较严重，合金的时效强化效果较为显著。8.1.3铝合金的时效3、影响时效强化的主要因素◆固溶处理（淬火）工艺正确控制合金的固溶处理（淬火）工艺，是保证获得良好的时效强化效果的前提。①一般说来，在不发生过热、过烧的条件下，淬火加热温度高些，保温时间长些比较好，有利于获得最大过饱和度的均匀固溶体。——温度高②淬火冷却时要保证不析出第二相。——冷速快8.1.3铝合金的时效3、影响时效强化的主要因素◆时效温度与时效时间时效温度是决定合金时效过程与时效强化效果的重要工艺参数。时效过程也是一种固态相变过程，析出相的形核与长大伴随着溶质原子的扩散过程。不同温度时效时，析出相的临界晶核大小、数量、分布以及聚集长大的速度不同，——表现出不同的时效强化曲线。8.1.3铝合金的时效3、影响时效强化的主要因素◆时效温度与时效时间若温度过低，扩散困难，GP区不易形成，时效后强度、硬度低；若温度过高，扩散易于进行，则过饱和固溶体中析出相临界晶核尺寸大、数量少，在时效强化曲线上达到最大强度值所需的时间短，强度峰值低。每种合金都有最佳的时效温度，约为0.5~0.6Tm（合金熔点）时效温度与硬度关系曲线3、影响时效强化的主要因素◆时效温度与时效时间4％Cu-Al合金自然时效曲线3、影响时效强化的主要因素◆时效温度与时效时间由图可知：时效各阶段顺序并不是截然分开，而是在前一阶段尚未结束时，后一阶段则已经开始。时效硬化的主要结构是GP和θ″区，最高峰在θ″区末期和过滤相θ′的初期。当大量出现平衡相θ时，软化明显，说明过时效发生。一定时效温度下，有一最佳时效时间。短—欠时效；长—过时效130℃时效时铝铜合金的硬度与时间关系3、影响时效强化的主要因素固溶处理规律：淬火T越高，淬火冷却V越快，转移t越短，过饱和程度越高，时效强化效果也越大要点：在不过热过烧条件下，T淬高些，保温t长些。淬火冷却要保证不析出第二相。为了防止淬火变形开裂，一般采用20～80℃水冷却时效工艺温度：对一定合金，有最佳时效温度.时间：在一定时效温度下，有最佳时效时间。方式：单级和分级时效。高强合金常用分级时效8.2变形铝合金变形铝合金按性能特点可分为：不可热处理强化铝合金--防锈铝可热处理强化铝合金--硬铝、超硬铝和锻铝8.2变形铝合金表8.2、表8.3四位字符体系：牌号的第一位数字表示组别，2×××～8×××表示。后两位数字是区别同一组不同的铝合金。第二位字母表示原始合金的改型情况，A表示原始合金；B～Y表示原始合金的改型合金。如2A06表示主要合金元素为铜的6号原始铝合金。8.2.1变形铝及铝合金牌号和表示方法8.2变形铝合金Al-Mn和Al-Mg两个合金系。用“3A”或“5A”加一组顺序号表示。具有优良的抗蚀性、焊接性和塑性。不能进行热处理强化。适合于制作焊接管道、容器、铆钉、各种生活用具以及其它冷变形零件。8.2.2防锈铝合金成分Al-Cu-Mg系合金。2A+顺序号表示特点强烈的时效强化作用，时效处理后具有高硬度、强度，优良的加工性和耐热性，但塑性、韧性低，耐蚀性差。含Cu、Mg低，强度较低而塑性高；含Cu、Mg高，强度高而塑性低。8.2.3硬铝合金分类强化相θ（CuAl2）、S（CuMgAl2）S相稳定性高、强化效果好，其室温和高温强化作用均高于θ相①低强度硬铝，如2A01、2A10等合金；②中强度硬铝，如2A11等合金；③高强度硬铝，如2A12等合金,2A12是使用最广的高强度硬铝合金①要严格控制淬火温度。如：牌号正常淬火温度过烧温度2A02495～505510～5152A10510～5205402A12495～500507②转移时间尽量短30″，航空件15″；③冷速要快，热水淬；④常用自然时效。热处理特性应用飞机大梁、空气螺旋桨、铆钉及蒙皮等成分性能Al-Zn-Cu-Mg系。7A+顺序号表示室温强度最高，500~700MPa，缺点是耐蚀性差，疲劳强度低，