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1一、铸造铝合金一、铸造铝合金1.纯铝的特性 比重小2.70g/cm3延伸率高 可达25%导电导热耐蚀(在大气和某些酸中)耐热性差收缩大，热胀系数也大加工性差 强度低（b50MPa）因此需要添加合金元素强化因此需要添加合金元素强化Al-SiAl-CuAl-MgAl-Zn常用铝合金：第1页/共58页22.Al-Si合金的组织及性能(1)组织：Al-Si合金为简单共晶型合金室温时：(Al)、(Si)硅为硬质相决定了合金性能 Si12.6%过共晶 (Si)+(共+Si共)第2页/共58页3典型共晶铝硅合金组织第3页/共58页4工业用共晶铝硅合金组织组织中出现了初生硅，原因是微量磷的影响：10ppm的磷生成AlP,成为硅晶结晶的核心,可使含Si9%的亚共晶合金出现初晶硅。第4页/共58页5共晶铝硅合金 未变质共晶硅 SEM 800X共晶硅第5页/共58页6共晶铝硅合金 未变质共晶硅 SEM 800X共晶硅第6页/共58页7未变质初晶硅 SEM 800X初晶硅第7页/共58页8未变质初晶硅 SEM 800X初晶硅第8页/共58页9过共晶铝硅合金 100X第9页/共58页10(2)Al-Si合金的性能铝硅合金的铸造性能 流动性好第10页/共58页11Si%在常用范围(Si713%)合金收缩率小第11页/共58页12热裂倾向小Si%第12页/共58页13Si%气密性第13页/共58页14力学性能第14页/共58页15 3.Al-Si合金的变质处理Al-Si合金的变质处理：初生相、共晶硅以及过共晶铝硅合金中的初晶硅三个部分的细化。初生相的细化 向铝液中添加Ti，Ti和Al反应生成TiAl3,v 晶格相似：TiAl3 四方晶格;Al 面心立方v 晶格常数：2cAl80.8nm，差：5.7%v 包晶反应：L+TiAl3,使依附在TiAl3质点上形核 Zr、B等元素和Ti有类似的作用。商品化变质剂：Al-Ti-B,Al-Ti-C第15页/共58页16 共晶体的变质 共晶体的变质主要是共晶硅的变质，常用的变质剂：Na、Sr、RE等变质前的共晶硅，板片状变质后的共晶硅，球粒状第16页/共58页17共晶硅变质 100XAl（+）共共第17页/共58页18共晶硅变质 SEM 800X第18页/共58页19 初生硅的细化v变质剂：P或P-Cuv变质机理：Al+P=AlPvAlP的熔点：1600vAlP的晶格结构和Si晶体均为金刚石型点阵v晶格常数：AlP，54.5nm，Si，54.2nmvAlP可作为初生Si的非自发晶核，细化初生Si第19页/共58页20 0.2%P-Cu变质未变质第20页/共58页214.Al-Si合金的合金化v合金化理由：Si在Al-Si合金中扩散快，无固溶强化作用,500，扩散系数大D=4.510-10，需其他合金强化。v合金化目的：固溶强化、第二相强化，提高力学性能。还可提高铝硅合金的耐热性和耐蚀性 v合金化元素：Mg、Cu、Mn，v形成的第二相：Mg2Si、CuAl2、Al2CuMg、Al4Mg5Cu4Si4v形成的多元Al-Si合金：Al-Si-Mg,Al-Si-Mg,Al-Si-Cu-Mg 第21页/共58页226.其它铝合金其它铝合金(1)Al-Cu合金优点：室温、高温力学性能都高，切削性能好，加工表面光洁，富铜相(CuAl2)耐热性能良好，缺点：铸造性能差，抗蚀性能低，密度较大。第22页/共58页23组织固溶度的变化：548，Cu的固溶度5.64室温时，Cu的固溶度0.10以下铜的强化作用：淬火和时效后合金组织中出现大量弥散分布的细微质点(CuAl2)，使固溶体的结晶点阵扭曲(畸变)，并封闭了晶粒间的滑移面。但含铜量超过6.0%就使合金淬火效果降低。所以含铜量超过7%，仅在铸态下使用。第23页/共58页24常用的Al-Cu合金vZL202(ZAlCu10)9.011.0Cu，铸态组织：+(+CuAl2)熔炼工艺简单，有一定的共晶体，铸造性尚可，但不能固溶强化，铸态使用，力学性能不高，作装饰性零件vZL203(ZAlCu4)4.05.0Cu，铸态组织：+少量CuAl2熔炼工艺简单，经固溶化处理、人工时效后，力学性能大幅度提高，但铸造性能差，形状简单、承受中等载荷、在较高温度下工作的中、小零件。第24页/共58页25(2)Al-Mg合金第25页/共58页26v固溶强化 451时，Mg最大固溶度可达14.9%。由于镁的原子半径比铝大13%，镁大量溶入后，晶格产生畸变，力学性能得到较大提高。v在铸造条件下，共晶点偏向右侧,Mgl2%,脆性相不能完全溶入固溶体，少量相分布在晶界上，使力学性能下降，因此，实用的铝镁合金含镁量不超过11.5%。Al-Mg合金的性能第26页/共58页27v(46)%Mg时，结晶温度范围最大，铸造性能差、形成热裂和缩松的倾向很大。(910)%Mg时，不仅流动性好，热裂倾向减少，而且疏松也可大为减轻。v抗蚀性好，铝镁合金铸件表面有一层高抗蚀性的尖晶石型薄膜(A12O3MgO)，故在海水等介质中有很高的抗蚀性。当组织中出相相时，由于相的电极电位(-1.24V)与相(-0.8V)相差较大，使合金的抗蚀性降低。故希望铝镁合金为单相织。v高温性能差 沿晶界析出Al3Mg2,并不断长大，力学性能明显下降，不适宜在高温条件下工作(100)。第27页/共58页287.铝合金铸件的热处理铝合金铸件的热处理1)退火处理 将铝合金铸件加热到较高的温度一般约为300左右，保温一定的时间后，随炉冷却到室温的工艺标为退火。在退火过程中固溶体发生分解，第二相质点发生聚集，可以消除铸件的内应力，稳定铸件尺寸，减少变形，提高铸件的塑性。2)固溶处理 把铸件加热到尽可能高的温度，接近于共晶体的熔点，在该温度下保持足够长的时间，随后快速冷却，使强化组元在铝中最大限度的溶解，这种高温状态被固定保存到室温，该过程称为固溶处理。固溶处理可以提高铸件的强度和塑性，改善合金的耐腐蚀性能。第28页/共58页293)时效处理 将固溶处理后的铸件加热到某一温度，保温一定时间后出炉，在空气中缓慢冷却到室温的工艺称为时效。时效处理进行着过饱和固溶体分解的自发过程，从而使合金基体的点阵恢复到比较稳定的状态。如果时效强化是在室温下进行的称为自然时效，如果时效强化是在高于室温并保温一段时间后得到则称为人工时效。人工时效分为：不完全人工时效，完全人工时效和过时效。第29页/共58页30铝合金热处理代号的意义：T1：未经固溶处理的人工时效T2：退火T4：固溶处理T5：固溶处理和不完全人工时效T6：固溶处理和完全人工时效第30页/共58页31二、铸造铜合金第31页/共58页32(一)二元锡青铜1.二元锡青铜的组织799含锡20%的锡青铜的平衡组织为+（+）共析体；铸态组织+（+）第32页/共58页332.二元锡青铜的性能v力学性能取决于组织中+共析体所占的比例，含(710)%Sn之间的合金具有最佳的综合力学性能。v良好的耐磨性(软基体+硬质点)v良好的耐蚀能力(和相具有相近的电极电位，Sn形成致密的SnO2薄膜）v铸造工艺性好（锡青铜的结晶温度范围很宽，呈糊状凝固，分散疏松倾向大。铸件致密性较差，但锡青铜的线收缩小(11.4%)，冷裂倾向及应力均较小，熔炼时也不易氧化和形成夹杂物。)第33页/共58页343.锡汗锡汗现象：锡青铜常在铸件表面渗出灰白色颗粒状的富锡分泌物，俗称冒“锡汗”。锡汗的危害：“锡汗”中富集相，造成铸件内外成分不均匀，降低合金的力学性能，而且使组织更加疏松，同时恶化加工性能。锡汗产生的原因：为锡偏析所致，当Cu-Sn合金凝固时，铸件内的富锡溶液通过发达树枝晶的间隙在铸件收缩和析出气体的压力下沿晶间缩孔向表层挤出，从而形成白色颗粒“锡汗”缺陷。防止措施：调整化学成分(加Zn，缩小结晶温度范围)，提高冷却速度(如：加冷铁，提高冷却速度，出现层状凝固)采取有效的除气措施，减少合金中的含气量。第34页/共58页35(三三)铸造黄铜铸造黄铜 铸造黄铜是以锌为主加元素的铜合金，结晶温度范围小，充型能力强，锌的沸点低，有自发的除气作用，因而铸造性能好，锌的价格便宜，成本较低，力学性能却比锡青铜高得多，因此，应用很广泛。第35页/共58页361.二元黄铜的组织室温有、六个组成相。在平衡条件下：vZn38%时，为单相组织，vZn38%47%时，为+两相组织。vZn4750%时，为单相，有时也可能出现少量相。v锌 在 中 的 最 大 固 溶 度 约 为 39%(456)。第36页/共58页37铸造条件下v室温时锌在中的最大溶解度不是39%，而是30%左右，即含锌量30%就可能有+两相出现；v随温度降低，由于（或）的相变来不及充分进行，相区将因快冷而扩大，和的相比例将发生改变（即相随快冷而增多），因此含（3740%）Zn的二元黄铜，铸态组织由+两相构成。v相是以CuZn电子化合物为基的固溶体，室温下硬而脆，对黄铜的性能产生较大影响。第37页/共58页382.二元黄铜的性能v力学性能 第38页/共58页39v耐蚀性能 二元黄铜在大汽和淡水中的耐蚀性很好，但在流动的海水、热水、蒸汽、无机酸、特别是盐酸和硫酸中的耐蚀性很差，常发生“脱锌”腐蚀（在溶液中锌的标准电极电位低，呈阳极反应而首先被溶解），同时也出现应力腐蚀裂纹，造成零件表层剥落，穿孔等破坏。黄铜的结晶温度范围很小，且随含锌量增加，液相线温度下降很快，因此，黄铜的流动性好，偏析和疏松倾向也小。锌有高的蒸气压（沸点907），溶化时易蒸气并带去铜液中的气体。所以黄铜铸件不易产生气孔，熔铸操作相对较简单，宜用于压铸和离心铸造。v铸造性能 第39页/共58页403.提高铸造黄铜性能的途径v合金化 加入铝、锰、硅、铅、镍等合金元素，通过固溶强化相和相，在保留良好铸造性能的同时，提高力学性能、抗蚀性能和切削性能等。v细化晶粒 加入铁或微量硼、钒、钛、锆等元素，细化晶粒，提高力学性能，改善铸造性能。v提高合金纯度 严格控制杂质铋、硫等含量；当杂质含量超差时，可加铈、钙、锂等，使分布在晶界上的低熔点相转变为高熔点相，稀土作用最明显。第40页/共58页414.锌当量式中：A含锌量（%）；B含铜量（%）；Ci其它元素的含量（%）；i锌当量系数。合金元素 SiAlSnPbFeMnNi锌当量系数+10+6+2+1+0.9+0.5-1.3第41页/共58页42第42页/共58页43三、铸造镁合金纯镁：v银白色的金属。v熔点651，沸点1105。v密度为1.749g/cm3，相当于铝的 2/3。v镁的电极电位较低，MgO不致密，抗蚀性很差。v温度升高时，镁能被剧烈氧化以至燃烧。v镁的力学性能很低，尤其是塑性。因此纯镁不能用来作结构材料。第43页/共58页441.镁合金的特性 密度低，比强度高，比刚度高比强度高于铝合金和钢、略低于纤维增强塑料；比刚度与铝合金和钢相当、远高于纤维增强塑料。第44页/共58页45切削加工性减震性镁合金具有优良的切削加工性能，其切削速度可大大高于其他金属，切削功：镁合金 1.0；铝合金1.8；铸铁3.5；低碳钢6.3镁合金具有高的震动阻尼容量，即高的减震性。镁合金在受外力时易产生大的变形，因此，镁合金适宜与铸造受猛烈碰撞的零件，如轮毂、传送皮带。第45页/共58页46电磁屏蔽性镁合金具有良好的电磁屏蔽性，适用于笔记本电脑外壳、手机外壳等。尺寸稳定100以下，几年内镁合金尺寸基本不变；150时100h，尺寸的变化量为610-6，非常小。易于回用缺点：耐蚀性差；熔炼困难、铸造工艺性差。镁作为最轻的工程金属材料，被誉为“21世纪的绿色工程材料”第46页/共58页472.常用铸造镁合金ASTM(American Society for Testing and Materials 美国材料与试验协会)中镁合金的表示方法AZ91DA:AlZ:Zn9:Al:9%1:Zn:1%D:开发顺序号A:AlB:BiC:CuD:CdE:REF:FeH:ThK:ZrL:Li W:YM:Mn X:SbN:Ni Z:ZnP:PdQ:AgR:CrS:SiT:Sn第47页/共58页48目前，国外在工业中应用较广的是压铸Mg合金，主要有以下4个系列:AZ系列，Mg-Al-Zn;AM系列，Mg-Al-Mn;AS系列，Mg-Al-Si；AE系列，Mg-Al-RE。第48页/共58页49国外常用的典型压铸Mg合金的应用范围如下：vAZ91为最常用Mg合金，具有良好的铸造性能与最高的屈服强度，可用于任何形式的部件，如汽车座椅、变速箱外壳等；vAM60和AM50用于要求高延伸率和韧性、高抗弯曲性能的工件，如车轮、车门等；vAS21和AS41用于较高温度下的强度较高的部件；AE42用于高温下高蠕变强度下的部件.第49页/共58页503.我国铸造镁合金的标准铸造镁合金：高强铸造镁合金(如 ZM5、ZMl和ZM2等)耐热铸造镁合金(如ZM3等)两大类。合金系合金牌号主 要 化 学 成 分，%AlMnZnZrREMg杂质总量Mg-Zn-Zr系ZM1-3.55.50.51.0-余量0.3Mg-Zn-Zr-RE系ZM2-3.55.00.51.00.71.7余量0.3ZM3-0.20.70.31.02.54.0余量0.3Mg-Al-Zn系ZM57.59.00.150.50.20.8-余量0.3铸造镁合金的牌号及化学成分GB1177-91:ZM1ZM10共10种镁合金第50页/共58页514.镁合金的应用第51页/共58页52Cam Cover AZ91D,Cam Cover AZ91D,1.15KgTransmission housing AZ91D,Transmission housing AZ91D,9.10Kg第52页/共58页53Door inner AM50Door inner AM50，4.5kgTailgate AM50,Tailgate AM50,2.7kgBulkhead AM50,Bulkhead AM50,2.4kg第53页/共58页54Instrument Panel AM50,Instrument Panel AM50,0.297kg 0.91.1mm第54页/共58页5512缸缸 Audi A8进气歧管举例说明进气歧管举例说明AZ91HP砂型铸造方法粉末喷涂表面第一次批量采用铝螺钉紧固连接 镁的重量 8.43kg其中：上部 4.88kg右进气管 0.92kg左进气管 0.95kg下部 1.68kg共减少铝用量 3kg表面处理说明：涂层：加聚酯粉状漆的无铬钝化(MAGPASS-COAT)涂层厚度：200 微米基体材料：高纯度砂型铸造镁合金表面性能：表面保护,腐蚀防护，装饰资料提供：AHC 表面处理技术公司第55页/共58页56第56页/共58页57铸造(形状较为复杂的零件).批量足够大时，压铸最为经济。镁的良好流动性使许多铸钢件能够用一个大的铸镁件来代替(比如仪表盘)；热室、冷室、半固态（流变、触变）压铸等。塑性成形.目前最富有竞争力的锻压工艺是用于镁合金的笔记本电脑壳体、激光唱机壳体等薄壁零件上（日本索尼、日立金属、东京精锻工所共同研制的工艺已在生产上应用）。经此工艺制备的AZ31抗拉强度达到300MPa，屈服强度达到250MPa，伸长率为10。5.镁合金的成形方法第57页/共58页58感谢您的观看！第58页/共58页