铝合金教学讲稿.docx

1、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., 主要组织结构是相和相。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。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-Si 2 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

2、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,Sn5二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1013%的铝硅合金能够满足以上要求。6 ZL102 金相组织，相和（+）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

3、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，并可能产生出晶相。实际加入量0。005%。2） 加NaF6NaF+Al-Na3AlF6+3Na3) Sr 加入0。020。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67小时。3） 加入稀土元素0。5%1。0%4） 加入Sb 0。10。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） Bi 0.20.25%2 初晶硅的细化主要是加入磷使初晶硅细

4、化。3初晶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。81。0% 冲击性能下降45倍。 延伸率下降3倍 流动性下降， 抗腐蚀性下降。原因：T1 Fe3Si2Al12 , T2 Fe2Si2Al9. 主要以T2相出现。T2 硬而脆，以粗大针状穿过相晶粒。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。21。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Mn

5、 Cr, Co, Be. 主要加入Mn.2 Sn & 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%3 Ca & 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 相，二元共晶（+Si）, (+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55

6、9度。530535度2 常用铝硅镁合金的成分，组织，性能和用途ZL101, ZL1041) ZL101成分， 68%Si, 0.20.4% Mg.组织，相，二元共晶（+Si）(+Si+Mg2Si)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。010。5%Si, 0.170.3% Mg, 0.

7、20.5% 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3 AL-Si-Mg 合金中加入微量元素的作用1）657。5% Si, 0.450.6%Mg, 0.10.2% Ti, Fe 0.15%, Cu 0.05%, Zn0.03, Mn0.03 特点，提高塑性。T6处理 抗拉强度310Mpa-320Mpa. 延伸率3。0%。 2）768。6% Si, 0.40.55%Mg, 0.10.2%Ti, 0.10.3%be, 0.020.06%Na. 杂质，Fe0.4%, Cu

8、, 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组织相，二元共晶（+Si）(+Si+CuAl2)CuAl2相是强化相共晶温度 524度铜在相中最大溶解度4。9%。在300度时在相中溶解度为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。010。0%硅。1。31。8%铜。0。40。6%镁。0。100。35%锰。0。10。35%钛。基

9、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3540公斤/平方厘米，屈服强度，3035公斤/平方厘米。延伸率24%。布氏硬度 110130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12小时，而铸造合金在淬火温度

10、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

11、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100150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150180度，保温时间124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24小

12、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150170度。时效时间，35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175185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190230度，保温时间49小时。T8 淬火和软化回火。获得高塑性，但强度下降。回火温度230330度，保温时间36小时。 第二章，铸造铝合金的熔炼讲授内容：1 合理选择熔炼

13、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，

14、含量 0。0020。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 KPH2O=0.944(

15、1+0.00366T)*SzSz, 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=SxPoSx,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。2 H2-2H3 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/molPH2 氢分压 ，大气压R 气体常数 J/mol*KT KK 常数 在实际生产中合金

16、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，(D1%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。（0.030。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

17、表面运动。1） 阻碍因素合金元素 Si,Ti Mg,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

18、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 68%。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

19、：从680690度开始。时间：510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670690CZL101, zl102,zl104, zl109 通气710分钟。缺点：氯气有毒改进：通上，比率90：103） 三气精炼N2-CL2-CO原理AL2O3 + CL2-ALCL3 +O2 O2+CO-CO2 O2+CO-CO2 AL2O3+ CL2+

20、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 705820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。A ZNCL2 熔点365度，沸点 732度 B 加入量：0.10。2% C 用锺罩加入 D 反应完后，静置35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。C2CL

21、6沸点 121度C2Cl6-C2CL4+CL2CL2+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, graphite powder, Na3ALF6, Na2SiF6 NaCL, refractory break主要反应：MeNO3+C-MeNO3+N2+CO2Na3ALF6, 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AL2

22、O3,有良好的精炼作用， 便宜来源广。KCL NaCL 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1 KCL NaCL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。4 Na3ALF6吸附和溶解AL2O3,也使熔渣和铝液分离。5 NaF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+NaFSiF4挥发成气体，起精炼作用，除气。另外 Na2SiF6+Al

23、2O3-Na3AlF6+SiO2+ALF33 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730750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 3 C2Cl6-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2 X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

24、611%。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 740780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%) temperature in inoculation : 750780C三元 NaF(25%)+NaCl(62%)+KCl(13%) 730750C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

25、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1012分钟，压盐时间35分钟。搅拌法：57分钟。3 变质剂用量纳的有效用量 0。010。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23%。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1012分钟-把结块的变质剂压入铝液35分钟

26、-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 0.020.06%,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

27、，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：830850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。50。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， 1015分钟（二） 影响变质效果的工艺因素1 最佳含磷量 0。0010。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35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