铝合金教学讲稿.docx
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铝合金教学讲稿
第二节
AL-Si合金是二元合金，主要成分是AL和Si.,主要组织结构是α相和β相。
α相是一铝为基础的固溶体晶体结构，机械强度低，硬度低，塑性好，导电性能好。
是铝合金各种使用性能的基础。
β相是以硅基为主的晶体结构，他几乎不溶解铝原子，他的强度较高，硬度高，但是很脆，是电的半导体。
二元铝合金的性能就是由这两项决定的。
一
（一）AL-Si2元相图。
（二）含硅量对合金组织和性能的影响
1对铸造性能的影响
2含硅量对机械性能能的影响
硅变化引起机械性能变化。
变质处理使机械性能发生变化。
3含硅量对合金一些物理性能，化学性能的影响
比重
电导率
磨损量
抗腐蚀性
4含硅量对切削性能的影响
硅小于14%，硅量增加，切削功下降。
硅大于14%到17%时，硅增加，切削功增加。
硅大于17%到22%时，硅增加，切削功下降。
改善共晶铝硅合金谐谑性能的途径
细化初晶硅
加入易切削元素，如Pb,Bi,Sn
5二元铝硅合金的选用
主要是从成型性能角度考虑
要求铸造性能好，机械性能，切削性能不要太差。
所以含硅量在10~13%的铝硅合金能够满足以上要求。
6ZL102
金相组织，
α相和（α+β）共晶相。
有时可能有少许初晶硅。
特点：
热处理强化效果少。
仅进行消除内应力的退火热处理。
铸造性能好。
流动性好，集中性缩孔倾向大，气密性好。
耐磨，抗蚀性，耐热性能好
二，提高铝硅合金性能的主要途径
1变质处理
2减少合金中的有害杂质。
3改进铸造方法
4合金化和热处理
（一）铝硅合金的变质处理。
变质任务：
初晶α相。
共晶硅，初晶硅。
1共晶硅变质
1）加金属钠。
1．001%的金属钠就可以使针状共晶硅转变成纤维状共晶硅。
板块状的初晶硅转变成纤维状的共晶硅，并可能产生出晶α相。
实际加入量0。
005%。
2）加NaF
6NaF+Al------Na3AlF6+3Na
3）Sr
加入0。
02~0。
06%的Sr,可以使亚共晶和共晶铝硅合金有效变质。
而且变质有效时间长达6~7小时。
3）加入稀土元素0。
5%~1。
0%
4）加入Sb0。
1~0。
5%
在金属型铸造中很有效。
但是不能在含有钠金属的铝合金中使用。
5）Bi0.2~0.25%
2初晶硅的细化
主要是加入磷使初晶硅细化。
3初晶α相的细化
加入铝钛合金，铝锆合金
二，减少合金中的有害杂质
使用纯度高的铝，硅配成的铝硅合金，即使不经过变质处理也能获得良好的组织，具有很高的机械性能。
铁，锡，铅，钙，磷在铝合金中含量增加时，将使合金性能下降。
1铁的有害作用。
使铝合金机械性能下降
沙铸，0。
8~1。
0%冲击性能下降4~5倍。
延伸率下降3倍
流动性下降，
抗腐蚀性下降。
原因：
T1Fe3Si2Al12,T2Fe2Si2Al9.主要以T2相出现。
T2硬而脆，以粗大针状穿过α相晶粒。
铁的有害作用与铸件的冷却速度有关。
压铸允许铁含量到1。
2~1。
5%。
此时铁还不能太低。
不能小于0。
5%。
防止粘模
消除措施：
假如微量元素MnCr,Co,Be.主要加入Mn.
2Sn&Pb
使热处理后的延伸率显著下降
与镁起化学反应，减弱镁的强化作用。
小于0。
01%
3Ca&P
Ca,导致产生针孔，疏松，产生偏析性硬脆化合物小于0。
03%。
P,导致出现粗大初晶硅。
三，多元铝硅合金的成分，组织，性能和用途
（一）Al-Si-Mg合金
1镁对合金的组织合性能的影响
a组织结构
α相，二元共晶（α+Si）,（α+Si+Mg2Si）,其中Mg2Si起到提高强度的作用。
作用原理是沉淀硬化。
Mg（0.2%~0.4%）.
特点：
铸态时效果不大
镁量增加，吸气增加
镁小于0。
15%时无强化效果
需要进行固溶处理。
固溶处理温度小于559度。
530~535度
2常用铝硅镁合金的成分，组织，性能和用途
ZL101,ZL104
1）ZL101
成分，6~8%Si,0.2~0.4%Mg.
组织，α相，二元共晶（α+Si）（α+Si+Mg2Si）
α相树枝状，Mg2Si相细小。
铁含量高时容易出现T2相。
特点：
铸造性能好，可以铸造出形状复杂的薄壁铸件。
有较好的机械性能。
镁取下限，用淬火处理，可以获得塑性较高，中等强度抗拉和屈服强度的性能。
做壳体齿轮箱抗冲击的零件。
镁取下限，
用淬火和完全人工时效热处理。
有高的抗拉和屈服强度，还有一定塑性。
可用作承受较大冲击载荷和静载荷的零件。
2）ZL104
成分：
8。
0~10。
5%Si,0.17~0.3%Mg,0.2~0.5%Mn
成分特点，硅高，含Mn。
铸造性能特点，充型性好，收缩小，无热烈，疏松倾向小，可铸造复杂零件。
抗腐蚀性能好，焊接性能好。
用作气缸盖，气缸体，曲轴箱，增压器壳体承力框架
3AL-Si-Mg合金中加入微量元素的作用
1）6．5~7。
5%Si,0.45~0.6%Mg,0.1~0.2%Ti,Fe<0.15%,Cu<0.05%,Zn<0.03,Mn<0.03
特点，提高塑性。
T6处理
抗拉强度310Mpa-320Mpa.延伸率3。
0%。
2）7．6~8。
6%Si,0.4~0.55%Mg,0.1~0.2%Ti,0.1~0.3%be,0.02~0.06%Na.
杂质，Fe<0.4%,Cu,Mn,Zn<0.2%.
特点，加Be中和了铁的有害作用。
（二）AL-Si-Cu合金压铸合金
1组织
α相，二元共晶（α+Si）（α+Si+CuAl2）
CuAl2相是强化相
共晶温度524度
铜在α相中最大溶解度4。
9%。
在300度时在α相中溶解度为0。
2常用AL-Si-Cu组织，性能和用途
ZL107
特点：
室温机械性能好，有良好的高温机械性能。
铸造性能：
接近ZL101,良好。
气密性好，热裂倾向大。
抗蚀性能差
ZL111
有良好的铸造性能又有较高的机械性能，较好的切削性能以及补焊性能。
见图111。
化学成分，8。
0~10。
0%硅。
1。
3~1。
8%铜。
0。
4~0。
6%镁。
0。
10~0。
35%锰。
0。
1~0。
35%钛。
基体结构，铝相，硅相，铝铜相，硅镁相。
金属型试样强度，T6处理，室温机械性能：
抗拉强度35~40公斤/平方厘米，屈服强度，30~35公斤/平方厘米。
延伸率2~4%。
布氏硬度110~130公斤/平方厘米。
该合金的铸件热裂倾向小，一般不会产生热裂。
四，铸造有色合金热处理特点
1铸造铝合金组织特征
1）固溶体晶粒周围有大量粗大共晶组织
2）固溶体内部溶度不均匀和存在第二相质点
3）晶粒之间存在气孔和显微缩孔，非金属夹杂物。
这些缺陷都可能使晶粒之间隔开，阻碍扩散过程进行。
因此，铸造铝合金和变形铝合金的热处理有很大不同。
区别在于：
1）变形铝合金组织致密，保温时间一般需几十分钟，很少超过1~2小时，而铸造合金在淬火温度下保温时间要几个小时，有时达到几十小时，才能使强化相在铝基向中达到最大饱和溶度。
2）金属型或压力下结晶，冷速较大的铸件晶粒细小，热处理保温时间可以大大缩短。
3）铸件形状比较复杂,水淬时易变形，有时需要热处理夹具和较高的淬火介质温度。
2铝合金热处理强化原理
铝合金热处理主要是通过淬火或淬火加人工时效来实现的。
1）淬火
利用合金元素在基体相中溶解度随温度下降而下降的现象，采用快速冷却，使合金元素来不及从基体相中沉淀出来，使基体相处于合金元素过饱和状态，达到提高强度和硬度的目的。
工艺参数
固溶温度
保温时间
2）时效
时效是铝合金热处理最后一道工序。
时效过程中，过饱和固溶体开始分解，向平衡固溶体转变。
此时将发生：
溶质原子聚集，提高机械性能，降低导电性能；聚集原子按一定规律排列，在100~150度，这种状态特别容易形成，此时合金抗拉强度最高；150度，溶质原子形成介稳相；溶质原子形成稳定的沉淀相，此时沉淀相细小，对合金强度提高作用也大；沉淀相聚集长大，铸件内应力消失，强度下降，塑性提高。
3热处理工艺
T1人工时效，时效温度150~180度，保温时间1~24小时。
作用：
提高合金强度和硬度，改善合金切削加工性能，提高合金表面加工光洁度。
T2退火。
消除铸件的铸造应力和机械加工过程中产生的内应力。
作用：
使零件尺寸稳定，对铝硅合金，可以使部分硅相秋化，改善合金塑性。
;退火温度280度~300度，保温2~4小时。
T4淬火。
也称固溶化处理。
提高强度。
但合金工作温度不超过100时，还可提高耐蚀性能。
T5淬火和部分人工时效。
使合金保持足够高强度的同时，还具有高塑性。
时效温度150~170度。
时效时间，3~5小时。
T6淬火和完全人工时效。
获得最大抗拉强度而塑性有所降低。
时效温度175~185度。
时效时间大于5小时。
T7淬火和稳定化回火。
用于高温下工作的零件，获得足够抗拉强度又使零件组织和尺寸稳定。
一般在工作温度下稳定化回火。
回火温度190~230度，保温时间4~9小时。
T8淬火和软化回火。
获得高塑性，但强度下降。
回火温度230~330度，保温时间3~6小时。
第二章，铸造铝合金的熔炼
讲授内容：
1合理选择熔炼设备
2正确的配料计算
3严格控制熔炼过程
熔炼工艺过程
1正确的加料顺序
2控制熔炼时间和温度
3力争快速熔炼
4有效的精炼和效果稳定的变质
5可靠的炉前检验
高质量的铝液
1化学成分合格
2气体，氧化夹杂，熔剂夹杂少，变质良好。
第一节，精炼
目的：
除气和夹杂物
一，铝铸件中，气孔和夹杂的形式
（一）气孔形式及对铸件性能的影响
1．针孔
1）针孔形式
针孔分为三种类型-----见图。
点状针孔，网状针孔，综合性针孔。
2）对铸件性能的影响
2气孔
处于表皮下
由于铝液和铸型反应而引起的。
和铝液质量无关。
3单个集中大气孔
（三）氧化夹杂形式及对机械性能的影响
氧化夹杂含量是衡量铝液质量的重要指标
一次氧化渣，
特点：
分布无规律，含量0。
002~0。
02%
大块夹杂，氧化膜。
危害大，是机械性能和抗氧化性能能下降。
细小氧化夹杂，弥散小尺寸分布在基体中，导致产生显微气孔，可以细化晶粒。
二气体和氧化夹杂来源。
（一）铝和水汽反应
AL+3H2O-----AL（OH）3+（3/2）H2
AL（OH）3------AL2O3+H2O
结论防治铝锭生锈。
措施：
烘干工具，变质剂，熔剂和炉衬
去油脂，
AL+CmHn------AL4C3+H2
禁止使用沾有油污的炉料。
（二）氢在铝液中的溶解度
LgS=-5800/T+4.567+0.5Lg（PH2O）
S氢在铝液中的溶解度
PH2O铝液表面水气分压（毫米汞柱
T熔炼温度K
PH2O=0.944（1+0.00366T）*Sz
Sz,绝对湿度
T,环境温度
在电阻炉或感应炉中熔炼时，t接近铝液温度，很难测定。
可按下式求
Sz=SxPo
Sx,大气相对湿度，%
P0饱和蒸汽压，毫米汞柱
在柴油煤气炉中水气分压~等于100毫米汞柱高。
结论：
当熔炼温度相同时，氢在纯铝液中的溶解度只和水气分压，大气湿度有关。
（三）吸氢动力学
主要考虑氢在铝液中的扩散。
动力学过程
1气体分子撞击到金属液表面。
2H2-----2H
3金属液表面吸附氢原子
4气体原子扩散并溶入金属内部。
D=k（PH2）0.5exp（-E/2RT）
E扩散热J/mol
PH2氢分压，大气压
R气体常数J/mol*K
TK
K常数
在实际生产中合金元素和氧化夹杂对氢的扩散系数有相当大的影响。
例如：
AL-SI合金
SI增加，D下降，（D<6%）
SI增加，D上升，（D）6%）
（四）氧化膜的性质及对吸氢的影响
室温下的氧化膜，非晶，厚度2~20纳米。
450度，γ-AL2O3,密度，3，49克/立方厘米。
660度，厚度达200纳米，VAL2O3/VAL=1.42,很致密。
三氧化二铝与铝液接触的一面很致密，和空气接触的一面是疏松的，存在大量的5~10纳米直径的小孔，小空中吸有水气和氢。
即使到890~900度，还能吸附少量水气。
当温度大于900度时，γ-AL2O3------α-AL2O3时氧化膜才完全脱水。
熔炼划破氧化膜，或把氧化膜卷入铝液中都可能把水和氢带入铝液中。
（五）铝液中AL2O3和氢之间的相互作用。
在铝液中，三氧化二铝越多，氢含量也越多。
γ-AL2O3，χ-AL2O3能强烈吸附水气和氢。
600~700度时，吸附能力最强。
氢在铝液中以两种形式存在，以使溶解在铝液中，占90%，另一是吸附在氧化夹杂中，占10%。
氧化夹杂使脱氢困难。
氧化夹杂是气泡形成的基地。
当三氧化二铝含量小于0。
001%时，铝液中不再形成气泡。
（六）合金元素对吸氢的影响
1影响氧化膜
氧化活性排序Be-Mg-AL-Ce-Ti-Si,在铝后面的不是表面活性元素。
他们一部分进入铝液，一部分进入氧化膜形成复合氧化膜保护铝液不氧化。
在铝前面的Mg,Na,Ca,Be，都是表面活性元素，比重也小于铝，富集表面，优先氧化。
Mg>1%时，铝液表面氧化膜完全由MgO组成，无保护作用.
Be,MgO和BeO复合可以形成致密氧化膜保护铝合金液不氧化。
（0.03~0。
07%Be）
S,MgS,也可以起到Be的作用。
La也可以起到Be的作用。
2对氢溶解度的影响。
Mg上升，溶解度上升。
Cu上升，溶解度下降。
Si上升，溶解度下降。
（七）熔炼时间对吸氢的影响
三铝液中析氢条件
（一）呼氢热力学条件
铝液温度下降，氢气析出；铝液上方水气压力下降，氢气也开始析出。
（二）呼氢动力学
1与铝液氢含量和铝液深度有关
2氢在铝液中向气泡核获表面运动。
1）阻碍因素
合金元素Si,TiMg,Cu,使扩散系数下降，氧化夹杂使扩散系数下降。
2）措施
搅拌，，冷凝，真空处理
3气体透过表层氧化膜
四铸铝合金中形成气孔的机理及防治方法
（一）铝液中形成针孔的特点
1气体和金属液的湿润角越大，金属液的表面张力越大，比重越小，气跑越不容易脱附，铸造合金越容易形成气孔。
2金属液黏度
（三）形成气孔机理及防治方法
含气量是形成气孔的先决条件，但是是否能形成气孔还取决于
1铸件凝固速度
2外压。
防治方法
1降低氢在铝液中的溶度
a改善熔炼操作，防止带入氢源，如水，油。
B采用真空熔炼或惰性气体保护熔炼。
C采用精炼措施
2提高外压的措施
a压力铸造
b在高压釜中浇铸，凝固。
C采用发起冒口和大气压力冒口。
五合金成分（凝固特性对形成气孔的影响）
1结晶区间大
2结晶区间小
在铝硅合金中气孔倾向最大的是在含硅量为6~8%。
六铝合金精炼工艺
（一）吸附精炼
目的：
除气和除氧化夹杂
原理：
依靠精炼剂的吸附作用除去夹杂和气体。
特点：
精炼作用仅发生在吸附界面上。
浮游法，熔剂法，过滤法。
1浮游法
1）通氮精炼
a原理，过程描述
参照图
b通氮工艺
温度710~720度。
注意：
Mg+N----MgN该反应降消耗大量镁，含镁铝合金不能用该法。
缺点：
氮气泡的吸附能力差，仅能吸附体积为本身体积十分之一的氢。
改进：
氮气氯气联合精炼。
工艺：
从680~690度开始。
时间：
5~10分钟。
2）通氯精炼
CL2+AL------ALC3
CL2+H------HCL
这两反应产物都不溶于铝液，精炼效果优于氮。
注意用氯气是要注意排除氯气中的水汽是含水量小于0。
08%。
，如果水汽含量大于0。
23%。
，铸件废品率达50%
通氯装置：
氯气瓶-----硫酸干燥瓶------水银压力剂，石英管组成。
压力100mm汞柱高，铝液温度670~690C
ZL101,zl102,zl104,zl109通气7~10分钟。
缺点：
氯气有毒
改进：
通上，比率90：
10
3）三气精炼
N2---CL2-----CO
原理
AL2O3+CL2-----ALCL3+O2
O2+CO---------CO2
O2+CO---------CO2
AL2O3+CL2+CO--------ALCL3+CO2
特点：
AL2O3，CO2都有精炼作用，还能分解三氧化二铝夹杂
N2的作用是稀释CL2,改善劳动条件
气体比例:
CL2:
CO:
N2=1;1;8
精炼温度705~820度
4）氯盐精炼
ZnCL2,MnCL2,C2CL6,CCL4,TiCL4
原理：
AL+3MeCL-----ALCL3+3Me
特点,节约了一套通气装置。
ALCl3毒性小于氯气。
AZNCL2熔点365度，沸点732度
B加入量：
0.1~0。
2%
C用锺罩加入
D反应完后，静置3~5分钟。
精炼温度小于730度。
MnCL2
反应速度较慢，吸水少，保存方便不宜挥发，还可细化晶粒。
但是价格较贵。
C2CL6
沸点121度
C2Cl6----C2CL4+CL2
CL2+Al-----ALCL3
优点，不吸潮，不必脱水，为了反应缓慢，，加入缓冲剂。
镁容易被烧损。
无毒精炼剂
配方：
NaNO3,KNO3,graphitepowder,Na3ALF6,Na2SiF6NaCL,refractorybreak
主要反应：
MeNO3+C----MeNO3+N2+CO2
Na3ALF6,Na2SiF6起缓冲作用。
NaCl起缓冲作用。
2熔剂法
1）要求
不与铝液反应，熔点高于铝液熔点，低于熔炼温度，这保证熔炼时呈液态起覆盖作用，浇铸前结成硬壳。
易去除。
比重小于铝液。
有良好的流动性，容易在铝液表面形成连续的保护膜。
能够吸附AL2O3,有良好的精炼作用，便宜来源广。
KCLNaCL混合盐满足大部分要求。
是最常用的覆盖剂。
3）熔剂的工艺性能
铺开性
分离性
精炼性
讨论
1KCLNaCL混合盐熔点低，共晶成分45%KCL+55%NaCL的熔点为650度
2表面张力小
3加入少量氟盐增加熔渣与液体的界面张力，便于分离。
4Na3ALF6吸附和溶解AL2O3,也使熔渣和铝液分离。
5NaF具有变质作用，能侵蚀Al2O3和铝液界面上的金属本体是氧化膜机械脱落，溶于熔剂中，所以有精炼作用。
Na2SiF6在铝液熔炼温度下分解
Na2SiF6----SiF4+NaF
SiF4挥发成气体，起精炼作用，除气。
另外
Na2SiF6+Al2O3-----Na3AlF6+SiO2+ALF3
3过滤
1）过滤装置
见图
2）过滤剂
a非活性过滤剂
石墨碎屑，镁砖碎屑，玻璃纤维
b活性过滤剂
NaF,CaF,Na3ALF6
以上除渣效果明显，但除氢效果不明显
（三）精炼温度的选择
730~750度
影响因素
合金种类，合金元素
（四）联合精炼
1过滤---通惰性气体
2氯盐----过滤处理
3C2Cl6-----Na3ALF6（三小时更换一次）
七精炼效果检测
1含气量检验
1）常压检验
2）减压凝固试样
2氧化夹杂的测定
化学分析法
成品检验
1低倍组织检验
2X光透射照像
第二节铝硅合金的变质处理
一，共晶亚共晶铝硅合金的变质处理
用钠变质处理的铝硅合金含硅量在6~11%。
如果铸件壁厚或者是砂型铸造，变质处理是不可缺少的工艺。
（一）变质剂成分的选择和制备
1金属钠
变质温度740~780度
特点：
铝液易沸腾，产生飞溅，促使铝液氧化，吸气，操作不安全。
产生气孔。
2钠盐变质剂
1）成分
二元NaF（67%）+NaCl（33%）temperatureininoculation:
750~780C
三元NaF（25%）+NaCl（62%）+KCl（13%）730~750C
泛用NaF（67%）+NaCl（33%）+Na3AlF6（15%）800C
参与变质作用的盐是NaF按如下反应
6NaF+Al------3Na+Al3Al2F6
效果安全可靠
3）变质剂制备工艺
各组元脱水，粉碎，混合
（二）变质工艺
工艺参数：
变质温度，变质时间，变质剂用量，操作方法
1温度：
稍微高于浇注温度
2时间：
压盐法，切盐法----覆盖时间10~12分钟，压盐时间3~5分钟。
搅拌法：
5~7分钟。
3变质剂用量
纳的有效用量0。
01~0。
014%
熔炼100公斤铝硅合金，需要加入0。
025公斤NaF.
采用三元变质剂，40%NaF,40%NaCl,20%KCl,需要0。
063公斤。
重要的是考虑反应不完全，所以变质剂的加入量一般是炉料的2~3%。
生产中加入量一般为2%。
，如果冷却速度快，还可以减少加入量。
4操作方法
精炼完毕------撇渣----撒上一层变质剂------保温10~12分钟-------把结块的变质剂压入铝液3~5分钟-------取样检测
搅拌法
（三）其它变质方法
Sb变质剂：
加入量为0。
4%，以Al-Sb中间合金形式加入。
注意不能和钠盐变质剂处理的铝料混用。
Sr变质：
Sr加入量0.02~0.06%,以Al-Sr中间合金形式加入。
Bi变质：
Bi加入量0。
4%，以Al-Bi中间合金形式加入
（四）变质效果检验及常见缺陷
1变质不足时，晶粒粗大，断口成灰色，可以看见发亮的硅晶粒
2变质正常时，断口犹如银白色丝绒晶粒很细，看不到硅晶粒亮点
3变质剂过多，时间延长，会产生变质过渡，断口呈青灰色，晶粒粗大。
二过共晶铝硅合金的熔炼和变质
（一）细化剂及细化效果
主要变质剂是磷，使用赤磷，加入量0。
5%，既可细化初晶硅，但是污染大。
改进：
1含赤磷粉的混合变质剂
1）10%P+90%C2CL6
加入量0。
25%
铝液温度：
830~850度
特点：
产生较多的Cl,对人体有害；铝液翻腾激烈，合金吸气严重，生成氧化夹杂。
2）20%P+70%KCl+10%K2TiF6
加入量：
0。
5~0。
8%，反应缓和，减少吸气和氧化夹渣，还可细化晶粒。
2含磷中间合金
P-Cu,党合金种含铜时，可以使用该变质剂。
3含磷中间化合物
1）氯氮化磷PNCL2
2）NaPO3+10%Al2O3+10%V2O5
加入量1-2%
粉状，撒入合金液表面，10——15分钟
（二）影响变质效果的工艺因素
1最佳含磷量0。
001—0。
05%
2变质温度高于液相线150度。
大低，ALP聚集长大失去核心作用。
大高，合金吸气严重。
3变质和精炼配合
变质后保留液体3~5小时后，变质效果将会逐渐消失，但是采用C2CL6再一次精炼后，可以使变质
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