铸造合金及其熔炼第十二章-铸造铝合金

第十二章铸造铝合金概述铝是有色金属中最常用的金属，铝的世界年产量比所有除铝以外的有色金属总和还要多。纯铝具有优良的导电和导热性能，表面有一薄层几乎透明而致密的氧化膜保护，表面有光泽，在大气、淡水及氧化性酸类介质中有良好的耐蚀性。纯铝是电工器材中的重要原材料。以铝为基加入各种合金元素组成各种作为结构材料的铝合金，力学性能大幅度提高。由于铝合金密度小，比强度高于铜合金、球铁及碳素钢，因而在交通运输机械、飞行器、化工机械、建筑材料、体育器械及家用电器、器具诸方面获得了广泛的应用。铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金二大类。铸造铝合金的熔炼，浇注温度较低，融化潜热大，流动性好，特别适用于金属型铸造、压铸、挤压铸造等，获得尺寸精度高、表面光洁、内在质量好的薄壁、复杂铸件。特种铸造铝铸件的比例高是工业先进国家的标志。表12-1中列出了我国铸铝国家标准GB1173-86所包括的牌号、化学成分、合金代号和性能。铝合金铸件在图样上的标注举例GB9438-88《铝合金铸件技术条件》第3.2条载明：“铸件类别由用户在图样或有关技术文件中规定。对于未注明的铸件视为Ⅲ类铸件。”如含义为：合金代号为ZL01，砂型铸造，变质处理，固溶处理加完全人工时效，Ⅱ类铸件:“承受中等载荷，用于重要部位，铸件损坏将影响部件的正常工作，造成事故。”第一节铝硅类合金1、成分与组织铝硅二元合金具有简单的共晶型相图，见图12-1，室温下只有α(Al)和β(Si)两种相，α(Al)的性能和纯铝相似，β(Si)的性能和纯硅相似。一、铝硅合金成分、组织、性能共晶成分在Si12.6%处，亚共晶合金的组织由α(Al)+共晶体(α+β)所组成，过共晶合金的组织由β(Si)+共晶体(α+β)所组成。由于结晶硅带入微量磷，即使10ppm的磷生成AlP就足以使Si9%的亚共晶合金中出现初晶硅，并使共晶硅形成粗大的板片状。随硅量的增加，结晶温度区间变小，共晶体增加，流动性随之提高，见图12-2。硅的收缩率很小，合金的线收缩率也随之降低，热裂倾向相应减少;硅的结晶潜热大，直至Si20%处，流动性仍比共晶成分的合金高。从图12-2可见，含Si16%-18%处有流动性的峰值。2、性能共晶型Al-Si二元合金虽有优良的铸造性能，但由于力学性能不高，故只能用于压铸、挤压铸造等高速冷却的铸造方法;对于砂型铸造，石膏型铸造等冷却速度慢的铸造方法，必须进行变质处理，细化共晶硅，以获得足够的力学性能。图12-3为含硅量和变质处理对Al-Si二元合金力学性能的影响。细化共晶硅的变质处理不能同时细化初晶硅，对于有大量初晶硅的过共晶合金，必须采用加磷细化初晶硅，提高力学性能。含硅量对Al-Si二元合金耐磨、耐蚀、线膨胀系数等的影响见图12-4，对密度、电导率的影响见图12-5，随硅量的增加，磨损量、腐蚀量、线膨胀系数、密度、电导率均直线下降。铝的塑性大，切削时需消耗很大的功，随硅量增加，共晶体增多，切削功可减小，但共晶硅硬度高，易磨损刀具，尤其是有粗大初晶硅的过共晶合金，刀具磨损更严重，被加工的表面很毛糙。为改善切削加工性能，除进行相应的变质处理，细化共晶硅、初晶硅外，可加入铋、铅等易切削元素;对过共晶合金可采用镶嵌钻石刀具，选择最佳切削速度和合适的切削液等，也能获得光洁的加工表面。综上所述，为了兼顾合金的各种服役性能和工艺性能，铝硅类合金的含硅量一般为7%~12%。Al-Si元合金的代表是ZL102合金，成分为Si10%-13%，余为铝，金相组织为α(Al)十共晶体(α+β)及少量初晶硅。ZL102合金具有如下特点。(一)热处理强化效果小，力学性能不高(二)铸造性能优良(三)耐磨性，抗蚀性，耐热性好(四)必须进行变质处理，提高力学性能综上所述，ZL102合金适用于压铸件或要求耐蚀、耐磨;承受中小载荷的薄壁、复杂铸件如各种仪表的框架、壳体、基座等。二、铝硅合金的变质处理用定向凝固方法对Al-Si合金共晶组织进行系统研究的结果，可概括为图12-7。A区:当凝固速度υ小于5μm/s，温度梯度G足够大时，α(Al)与β(Si)显示离异共晶的特点，共晶硅呈粗大的块状。B区:G变小，υ仍小于5μm/s，共晶硅呈小晶面型粗棒状，具有100择优长大方向。C区:υ=5-400μm/s，此时G取任何值，共晶硅均呈相互联接的无规则片状，即常见凝固条件下的共晶硅形貌，如加入微量钠、锶等变质元素，共晶硅将从片状转变为纤维状。D区:超过400-1000μm/s，片状共晶硅消失，出现极细小的纤维状共晶硅，此即压铸件中能观察到的共晶硅形貌。这种因激冷引起变质所获得的共晶硅形貌与钠、锶变质获得的共晶硅形貌不完全相同，在增加过冷，促进分枝，阻碍硅的生长引起细化诸方面是相似的，但它不改变共晶硅的板片状形态，属非面生长，无择优方向。包含很少的孪晶，板片很薄。加入微量变质元素钠或锶后，随着共晶硅形貌发生剧变，力学性能尤其是伸长率大幅度提高，才使Al-Si共晶合金获得工程应用的价值，还发现凝固曲线中的共晶平台下降5-10℃，合金的电导率提高20%左右，共晶点右移1-3℃，切削加工性提高。因此，Al-Si合金的变质处理及其机制，长期以来成为各国冶金工作者研究的热点，随着现代测试技术的出现，人们对变质现象及其机制的认识由浅入深，由宏观到微观，从静态到动态、从表观到定量计算，变质机制的庐山真面目正逐渐被人们所认识。下面介绍一些有说服力的研究结果。(一)以差热分析结果判断变质机制(二)以金相组织直接观察结果来判断变质机制(三)稀土变质三、Al-Si-Mg系合金铝硅合金中加入镁后的组织可按Al-Mg2Si-Si伪三元相图分析，见图12-13。Al-Si-Mg系合金固溶处理时，Mg2Si固溶入α(Al)中，人工时效后，Mg2Si呈弥散相析出，使α(Al)的结晶点阵发生畸变，强化合金，力学性能大幅度提高。从图12-13可知，Al-Mg2Si-Si的三元共晶点ET1，的温度为559℃，固溶处理的温度原本可以接近550℃左右，但由于工业合金中杂质的影响及非平衡结晶，ET1会下降，再考虑热处理炉温不均匀及测温仪表的误差。国标中规定固溶处理的温度为535℃±5℃。(一)ZAlSi7Mg合金ZAlSi7Mg合金的代号为ZL101，成分:Si6%-8%，Mg0.2%-0.4，余为Al。铸态组织由树枝状α(Al)固溶体、共晶体(α+Si)所组成，晶界上有微量的Mg2Si变质后针状共晶硅变为点状，见图12-14。固溶处理时Mg2Si溶入α(A1)，人工时效后沉淀析出，合金的力学性能得到进一步提高。ZL101合金具有较好的力学性能，铸造性能和ZL104合金相近，可以铸造薄壁、形状复杂的铸件。通过调整镁量的上、下限或采用不同的热处理规范来调节合金的强度、塑性指标，满足铸件不同的服役性能要求。ZL101合金的结晶温度范围比ZL102,，ZL104合金宽，有形成缩松的倾向，设置浇、冒系统时应加以考虑。温度升高时，Mg2Si开始聚集，脱溶成块，力学性能下降，故其工作温度不宜超过150℃。(二)ZAlSi9Mg合金ZAlSi9Mg合金的代号为ZL104合金，成分为:Si8.0%-10.5%，Mg0.17%-0.3%，Mn0.2%-0.5%，余为Al，铸态组织由α(Al)树枝晶及(α+Si)共晶体组成。图2-15为变质前后的组织，分布在晶界上的微量强化相Mg2Si经固溶处理及人工时效后已不复见。由于硅量较高和加入锰，ZL104的力学性能比ZL101高。锰除了起固溶强化作用外，还能改变针状富铁相的形状，形成骨架状的AlFeMnSi相，改善塑性。但对于含铁量低于0.1%的高纯合金，本来不出现βSi相，此时加锰将形成(Fe、Mn)Al6，反而降低塑性。ZL104合金的铸造性能优良，充型能力强，线收缩率小，无热裂、缩松倾向，抗蚀性能、切削加工性能及焊接性都较好，可以铸造承受重大载荷、形状复杂的铸件，如发动机缸体、缸盖、曲轴箱，增压器壳体及航空发动机压缩机匣，受力框架等，用途广泛。ZL104合金有集中缩孔倾向，设计浇、冒系统、冷铁布置时应加以注意。Al-Si-Mg系合金的发展方向，主要是在保持优良铸造性能的同时，进一步提高力学性能。已知镁在Al-Si合金中的最大溶解度达7.0%,将镁量提高到0.45%-0.6%，同时加入细化剂Ti0.1%-0.2%，杂质铁量控制在0.15%以下，固溶处理温度提高到540-545℃,经过人工时效170℃左右，其力学性能，尤其是抗拉强度大幅度提高，σb=310-330MPa，σ0.2=230-250MPa，伸长率δ=2.5%-3.0%。这种高强度铸铝合金可用来铸造受重大载荷、薄壁、复杂且有质量指标的重要铸件。ZL104合金可在185℃以下工作。四、Al-Si-Cu系合金图12-16是Al-Si-Cu三元相图等温溶解度图，存在的相有:α(Al)，二元共晶(α+Si)和(α+Al2Cu)，三元共晶(α+Si+Al2Cu)，三元共晶的温度为524℃，含有Cu4.9%，Si1.1%。随温度下降，Cu、Si的溶解度下降，300℃时，两者的溶解度趋于零。Al-Si-Cu系合金的铸造性能、切削加工性能都较好，由于不经热处理就有较高的力学性能，因而广泛用作压铸合金。Al-Si-Cu系的代表合金为AlSi7Cu4，代号为ZL107，成分:Si6.5%-7.5%，Cu3.5%-4.5%，余为AL，铸态组织由α(Al)+(α+Si)+(α+Si+Al2Cu)组成，显微组织和ZL101相似。经变质后，塑性改善，强度提高，经固溶处理+人工时效的合金，σb达到280-320MPa，σ0.2达到210-230MPa，δs达3%-4%，并具有较好的热强性。铸造性能和ZL101相近，切削加工性优于ZL101，但抗蚀性因加入铜而下降，可铸造受重载荷、形状复杂，工作温度在250℃以下的铸件。在Al-Si-Cu的基础上加人少量镁、锌、锰等，形成一系列压铸合金。这些合金铸造性能良好，铸态时就有较高的力学性能。五、Al-Si-Cu-Mg系合金在A1-Si合金中同时加入镁和铜，除α(Al)、Si、Mg2Si、CuAl2外，还出现四元相W(AlxMg5Cu4Si4)，见图12-17。W相的热处理强化效果最好，Mg2Si次之，热强性则以CuAl2最好。铜和镁的总量低，则强化效果差，总量过高时塑性下降，最佳总量为1.5%-2.0%,Cu:Mg≈2.5。(一)ZAlSi5Cu1Mg合金ZA1Si5Cu1Mg合金的代号为ZL105，成分:Si4.5%-5.5%，Cu1.0%-1.5%，Mg0.4%-0.6%，余为Al，铸态组织为:α(Al)+(α+Si)+(α+Si+Al2Cu)+微量W，铸态时就有较好的力学性能。硅含量不高，不需进行变质，因而熔铸工艺不复杂，常用作金属型铸造承受中等载荷、形状不复杂的中、小型零件。(二)ZAlSi9Cu2MgZAlSi9Cu2Mg合金的代号为ZL111，成分:Si8.0%-11.0%Cul.3%-1.8%，Mg0.4%-0.6%，Mn0.1%-0.35%，Ti0.1%-0.35%，余为Al，铸态组织的相组成和ZL105相仿，但共晶体量大，需进行变质。由于存在多元共晶的不平衡组织，需进行分级固溶处理，以达到最佳效果。经人工时效后，W相、Mg2Si、CuAl2等沉淀硬化，砂型试棒或金属型试棒的力学性能分别达到σb=251MPa,，310MPa；δs=1.5%-2.0%。铸造性能良好。可用作承受重大载荷，形状复杂的大、中型重要铸件。ZL111的优点是高温性能较好，见表12-4。六、活塞合金活塞是发动机中传递能量的一个非常重要的构件。对活塞的要求是:密度小，质量小，导热性好，热膨胀系数小，有足够的高温强度，耐磨、耐蚀，尺寸稳定性好。活塞的批量大，要求制作工艺简单，成本低廉。铝活塞材料大致可分四类:Al-Cu-Ni-Mg类，Al-Cu-Si类，Al-Si共晶合金类及Al-Si过共晶合金类。第一类由于热膨胀系数大，密度大，铸造性能差，价格贵，已逐渐被淘汰;第二类由于热膨胀系数大，体积不稳定，也已被