（材料加工工程专业论文）砂型、变质处理和时效温度对a356铝合金力学性能与组织的影响.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本实验采用常用铸造铝合金a 3 5 6 ，研究在砂型铸造条件下，不同工艺因素 对材料力学性能和显微组织进行的影响。工艺研究范围包括：不同造型材料、不 同壁厚( 即冷却速度) 、熔体处理、不同变质剂且不同添加量、时效热处理等。 通过普通硅砂与铬铁矿砂在铸造阶梯试样a 3 5 6 铝合金，印证铬铁矿砂在铝 合金铸造中的激冷作用，激冷作用使得晶粒度有效细化，二次枝晶白j 距大幅减少， 起到细晶强化的作用；薄壁处晶粒细、二次枝晶间距小，抗拉强度、硬度和延伸 率都优于厚壁处：对于硅砂造型在厚壁处与铬铁矿砂的对比，由于硅砂散热性不 及铬铁矿砂，因此铬砂铸件二次枝晶间距增长速度不大，即冷却速度敏感性小。 在日常生产中，在对铸件有严格要求或者特殊要求的情况下，可以部分采用铬铁 矿砂代替硅砂，起到冷铁的作用。 通过不同变质剂在不同添加量对合金性能的影响的研究表明：s r 元素可以 有效的对m s i 合金金相变质，提高铸件的力学性能，尤其延伸率的大幅改善。变 质剂的加入，增加了铸件的塑韧性，因此会使硬度有小幅下降，根据力学性能变 化趋势，s r 的添加量一般为总重量的o 1 0 2 ，加入量为0 1 左右时为最佳。 过多的s r 在铝熔体中增加了吸气，容易产生气孔等缺陷；稀土变质剂不但可以 有效变质，使共晶s i 组织细化，使硅由粗片状改变为细条状和颗粒状，并且可 以有效细化a 相组织，起到细化晶粒的作用，从而使性能提高，特别是塑性提高， 硬度变化不大。与舢s r 单独变质比较，组织更细，性能更好，铸件品质更优； 联合变质的铸件晶粒度介于砧s r 和舢1 也晶粒度之间，并且气孔等缺陷较s r 单独变质明显减少，但变质效果不稳定。 通过对合金时效热处理的研究，表明在设定的三个温度对试样进行时效保温 处理4 个小时，采用1 4 0 5 的温度进行时效处理，合金的综合性能优良，抗拉 强度高出1 8 0 时抗拉强度大约2 5 m p a ，延伸率高出2 4 ，硬度则偏低一些，达 到抗拉强度、延伸率和硬度的良好匹配。 材料的最终性能取决于多方面因素，只有各种因素的良好匹配，才能使材料 砂型、变质处理和时效温度对a 3 5 6 铝合金力学性能与组织的影响 获得优异的最终性能。 关键词：a 3 5 6 ，铸造工艺，熔炼，砂型，变质，热处理 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i ss t l l d y ，a 3 5 6 ，t h ec o m m 0 i l l yu s e dc a s t “u m i n u ma l l o y ，i s 陀s e a r c h e di nt h e c o n d i t i o n s0 fs 锄dc a s t i n g ，锄a l y z et l l ei n n u e n c e0 fd i 骶r e n tp r 0 c c s sf a c t o r so nt h e m e c h a n i c a lp r o p e n i e sa n dm e t a l l o 伊a p h i cm i c r o s t 九l c t u r e p r o c e s si i l c l u d e ：m a t e r i a l s o fd i 疵陀n ts h a p e s ，d i 骶r e n tw a ut l l i c l 【i l e s s ( e q u a lt 0t h ec o o l i n g 豫t e ) ，u h em e l t p r o c e s s i n g ， d i f - f 色r e n t m e t 锄。巾h i ca g e n ta n dd i i i e r e n t锄o u n to f a g e i n g h e a t t r e a n n e n t c 弱t i n gt h el a d d e rs p e c i m e nw i t ho r d i 曲r ys n i 鲫d 强dc h r o m i t es 柚di na 3 5 6 a l u m i n u ma l l o y c o n f i 加e dt h ec h i l l i n ge 虢c t0 ft h ec l 啪m i t es a n di nt h ec 醛t i i l go f a l u m i n 岫a l l o y c 1 1 i l l i n gr o l ei nm a l 【i n ge 蠡陀c t i v er e f i n e m e n to f 伊a i ns i j 陀，s e c o n d a 哆 d e n d r i t ea 咖s p a c i n gi s s u b s t a n t i “l yr e d u c e d ，柚dp l a yar o l e i nt l l e f i n e 伊a i n s t l i e n 窟胁e n i n g ；a tt h et l l i n w a l l e d ，掣a i ns 娩e 卸ds e c 0 n d a r ) rd e n d r i t e 锄s p a c i n g t c n s i l es t r e i 哑h ，h a r d n e s s 柚de 1 0 n g a t i o nb e n e rt h a nat t i i c kw a l l ；c b m p a r i s o no fs i l i c a 翰n d 柚dc h r o m i t es 柚d ，s i l i c as 锄d ，h e a td i s s i p a t i o ni sl e 鼹t l l 柚t h ec h r o m 沁s 觚d ， c h r o m es 锄dc a s t i n 铲s e c o n d a r yd e n d r i t e 锄s p a c i n g 伊o 、t hr a t eo fs m a l l ，c o o l i n g r a t e n s i t i v i t yi ss m a l l i nd a i l yp r o d u c t i o n ，i nc a t h e 佗a r cs t r i c tr e q u i r e m e n t so r s p e c i a lr e q u i r e m e n t so nt h ec a s t i n gp a r tc t l r o m i t es 柚di 1 1 s t e a do fs i l i c as a n d ，p l a yt h e r o l eo f t h ec 0 i di r o n d i 骶r e n tm 0 d i f i c a t i o 璐舢l o yw i t hd i 此r e n t 锄o u n t so fr e a r c hs h o w st l l a t ：s r e l e i m n t sc 锄b ee 骶c t i v ef o r u s ia l l o ym e t a l l o 铲a p l l i cl e a v e i l i n g ，i m p r o v et h e m e c h 柚i c a lp r o p e n i e so ft h ec a s t i n g ， e s p e c i a l l yt h ee l o n g a t i o no fs u b s t a n t i a l i i i i p r 0 v e m e n t 1 e a v e n i n ga g e n t ，t 0i n c 陀a t h ep l a s t i c i t ya n dt o u g l u l e s so ft h ec a s t i n g ， t l l e 陀b y t h eh a r d n e 豁d e c 化a s e ds l i g i l t l y ，a c c o r d i n gt 0t h e 眦n do ft h em e c h a i l i c a l p r o p e n i e so fs ra d d e di sg e n e r a l l y0 1 - 0 2 o ft h et o t a lw e i g l l t t h ee x c e s s i v e i i l c r e a 0 fs ri nt l l ea l u m i n u mm e l tb r e a t h i n g ，p r o mt 0h o l e s 柚do t h e rd e f b c t s ；r e l e a v e n i n ga g e n t to i l l y 啪e m c t i v e l yd e g e n e r a t e ，锄dc 锄e 讹c t i v e l y 佗f i n et h e q - p h a s t r i l c t u 托p l a y ar o l ei nt h e 伊a i nr e f i n e m e n t ，t l l a tt h e p e r f 0 咖卸c e i i i l p r o v e m e n t ，e s p e c i a l i yp l a s t i c i t yi n c r e 弱e s ，l i t t l ec h a n g ei l lh a r d n e s s c 0 m p a r e dt 0 - s r l e a v e n i n gs e p a r a t eo r g a n 娩a t i o nf i n e r b e t t e rp e 哟肌锄c e ，b e t t e r s t i n gq u a l i t y ； j o i n tl e a v e n i n ga g c n t s t i n g 伊a i ns i z eb e m e e n 舢- s r 锄d 朋- r e 伊a i n sa n dp o r o s i t y 锄do t h e rd e f e c t st h 锄t h es ra l o n ed e t e r i o r a t i o ni ss i 印i f i c a n t l yr e d u c e d a l l o yh e a tt 陀a t m e n t ，i n d i c a t i n gt h a tt h ei n s u l a t i o na 西n gi nt h et h 陀et e m p e r a t u 坨 l 砂型、变质处理和时效温度对a 3 5 6 铝合金力学性能与组织的影响 阮to nt h es p e c i m e nh a i l d l i n gf o u rh o u 璐，1 4 0 5 。ct e m p e r a t u r e 哂n g 骶a t n l e n t ，恤 a l l o y 丽t he x c e l l e n tp e r f o 衄锄c e ，t e n s i l es t r e n g t hi sh i 曲e r2 5 m p a t l l a nt h a t1 8 0 。c ， e x t e n s i o np e 瞄n t a g ei sh i g h e r2 4 r e a c h i n gt h et e n s i l es 骶n 舀h ，e l o n g a t i o n 柚d h 砌n e s s0 fag o o dm a t c h t h e 丘n a lp h y s i c a jp r o p e n i e sd e p e n d so nm 龃yf a c t o r s ，o i l l yt h e9 0 0 dm a t c h i n g 0 fv a r i o u sf a c t o r st om a k et h em a t e r i a le x c e u e n tf i n a l lp e r f b r m 锄c e k e y w o r d ：a 3 5 6 ，c a s t i n g ，锄e l t i n g ， s 锄dm o l d ，m e t a l i l o 咖i 锄，h e a t 仃e a 诅l e n t 江苏大学硕士学位论文 第一章前言 随着人们生活水平的提高，生产生活用品的不断完善，人们对结构件和零部 件材料的要求越来越高，加上能源因素、环境因素的压力越来越大，人们在不断 追求高性能的同时，更加注重材料是否具有更低的能源消耗和良好的环境适应 性。在汽车行业中，面对能源问题和环境问题，不断促使人们开发更为轻便的结 构材料来取代原来的铸钢、铸铁件。在这个过程中，铝及其铝合金显然成为首选， 据统计，汽车所用到的铸件中，铝合金铸件占到7 5 以上，而在铝合金中，舢 s i 合金则占到8 5 以上，因此铝硅合金是最重要的汽车用铝合金。 1 1 国内外铸造铝硅合金现状 世界铝业在近几十年得到迅猛发展，铝合金以其优良的比强度和较小的密 度，在机械行业、汽车行、航空航天方向受到研究人员的青睐，成为最为重要的 工业合金之一。现代工业中，铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金，虽然铸造铝 合金因为韧性明显差于变形铝合金而使得其应用受到很大限制，但铸造铝合金的 优势还是不能忽视的，如不受铸件形状和壁厚的影响、可形成复杂的结构、可以 大批量生产、价格低廉、通过控制冷却方向，可以获得组织各向同性的特殊组织、 生产周期短、生产成本低廉等等，使得铸造铝合金成为不可替代的材料，尤其是 汽车行业。 汽车的铝化是世界性的发展趋势。表1 1 为世界各大汽车公司开发的铝合金 车身零部件情况汇总。汽车铝化的先行国是美国、日本、德国三大汽车生产国。 日本计划未来单台车用铝2 7 0 k g ，使铝化率达到3 1 3 ，届时体构造用材料中约 1 7 为铝。因此，逐渐提高汽车的用铝量已成为世界各国的共识【卜5 1 。为了提高 我国汽车工业的水平，提高我国汽车在国际市场上的竞争力，需要采用各种新工 艺和新材料来提高我国的汽车制造水平。在汽车制造中尽可能利用轻金属及其合 金，铝合金将是首选材料。随着汽车工业的发展和发动机技术的不断进步，发动 机也不断向节能、高速、高升功率、轻量化发展，铝合金发动机在乘用车上应用 的比例也在不断增加。发动机的部分黑色金属零件逐渐被有色金属零件取代，但 是国内汽车业在铸造铝合金应用方面还有所欠缺，不成熟。目前涉足这一领域的 砂型、变质处理和时效温度对a 3 5 6 铝合金力学性能与组织的影响 厂家很少，以合资企业居多，还有一些厂商以代工形式为其他企业提供铝合金产 品。近年来，中国汽车工业的整体水平有了很大的进步，但与国际汽车工业的整 体水平相比还有较大差距，主要表现在生产装备总体水平、工艺水平、工艺手段、 检测设备、检测手段等。 表1 1 世界各大汽车公司开发的铝合金车身零部件 f i g 1 1t h ed e v e l o p m e n to fa l l l n i i n u mb o d yp a n so ft l l e w o r l d - sm a j o rc 缸c o m p a l l i 姻 国内外研究人员主要致力于研究化学成分即合金元素和熔体处理对s i 合 金性能的影响。研究铝合金中合金化元素的作用原理及强化途径来生产高强铝合 金是铝合金研究领域的热点。国内铸造领域的学术研究并不落后，很多研究成果 居国际先进水平，但转化为现实生产力的较少。在铝合金产品批量生产的实际生 产工艺和质量控制方面国内还没有可参考的成熟经验。 铸造铝合金中使用量最大的是铝硅系合金，其广泛用于汽车活塞、内燃机 配件、机械零件、电气元件、船舶零件等方面。汽车工业大批量使用铝合金汽车 2 江苏大学硕士学位论文 向轻量化方向发展，每年推出新型汽车的用铝量都在不断增加。我国有巨大的汽 车消费市场，尤其是轿车业潜力很大，因此使用铝合金轮毂量也将不断扩大，相 应的制做铝合金轮毂的铝合金用量也随之增大，生产这种合金前景广阔。应用 制做汽车轮毂的a 6 5 6 合金，在采用锶变质或其它方法变质后铸态强度可达1 5 0 m p a 以上，硬度在衄5 0 以上，延伸率在5 以上，a 3 5 6 合金自身的材料特性成 为轮毂的首先材料，美国、日本、韩国等汽车业比较发达的国家都用a 3 5 6 合金 制造铝合金轮毂。我国生产铝合金轮毂的企业大部分是中外合资或外资企业，例 如秦皇岛戴卡铝合金轮毂有限公司、广东南海中南铝合金轮毂有限公司、厦门明 星铝合金轮毂有限公司、昆山六丰铝合金轮毂有限公司都是采用a 3 5 6 合金制造 汽车轮毂或摩托车轮毂，我国从8 0 年代中后期到9 0 年代崛起一批生产铝合金轮 毂的骨干企业，年用铝合金量在1 5 万吨2 0 万吨，市场潜力很大。表1 2 为国内 外铸态铸造铝硅合金机械性能对比 表1 2 国内、国外铸态铸造铝硅合金机械性能对比【6 】 f i g i i 佗1 2c o m p a r i s i o no fm c c h a i l i c a lp r o p c n i 铝o f 舔2 c 弱t s ia n o y s 丑i1 9 。金圣砖态瑚 3 二 a l 砂型锋卷 i 玎1 57 5 a j ii i 汹 金孓挎毫抛 i 柏 芙a z 矗 砂生诗态 1 7 2l7 0 冒a 啦全急掺态哆3l 簿 “k a i & 1 2 金圣箨夺 i 如3 5 0 冒g 姒l 嗵鳃侮盔啪 2 日a l 2 a 金圣锋态 l 铂27 5 本脚金谚杏 1 7 7 2 2 0 法 a 的u 2 金量锋卷 l7 t l27 0 国矗l 8 s 全互缝态 i 趾l柚 1 2 铸造铝合金在汽车行业中的应用 在汽车行业中，随着能源因素、环境因素的压力越来越大，要具有核心竞争 力，就必须开发新技术、新工艺，生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代 汽车。首先是要提高汽车的燃油经济性，一般途径是：提高发动机效率、减少 行驶阻力、改善传动机构效率以及减少汽车自重等。其中，减轻汽车自重是其重 3 砂型、变质处理和时效温度对a 3 5 6 铝合金力学性能与组织的影响 要措施之一。据测算，如汽车自重减少5 0k g ，则每升燃油行驶距离可增加1 h i l ； 也就是说，若自重减轻1 0 ，则燃油经济性可提高约5 5 。缸体是最大的发动 机部件，一般用铸铁铸造。采用铝合金代替铸铁可使缸体重量减轻3 0 以上。然 而，目前的发动机缸体一般使用铸铁缸套，这使重量的进一步减轻受到了限制。 为解决这一问题，h o n d a ( 本田) 等汽车公司开发了二种纤维增强的铝基复合材 料缸套用在铝合金发动机缸体上，取代铸铁缸套。这种铝基复合材料缸套可降低 汽缸的变形，提高汽缸和活塞的耐磨性能。用铝合金代替铸铁制造发动机部件， 使发动机重量减轻，这不仅可以提高汽车的燃油经济性，而且可提高汽车的安全 性，驾驶性能也随之提高。 目前，汽车悬架系统也普遍采用铸造铝合金，如定位臂、液压泵总成、刹车 钳等几乎均采用重力金属型铸造法生产，也有采用挤压铸造法生产的，如马自达 公司。铝制发动机框架是一种大型薄壁件，目前仍处于试验开发或样机阶段，其 铸造工艺从经济性角度考虑采用低压铸造法、压铸或重力金属型铸造法等。转向 节在过去使用锻造铝合金制造，现在马自达公司已采用挤压铸造法进行批量生 产；日产公司也使用立式挤压铸造法生产转向节。 铸铝轮毂是用量扩大最快的铸铝件。1 9 8 1 年铸铝轮毂的市场占有率仅4 左 右，到1 9 9 4 年则扩大至4 0 ，至2 0 0 0 年市场分额扩大至6 0 。铸铝轮毂的生 产一般采用低压铸造法，除使用低压铸造法生产外，一些要求更高的铸铝轮毂也 使用差压、挤压、旋压以及半固态成形等方法生产。 1 3 铸造铝硅合金的概况 1 3 1 铝硅合金的特点 s i 合金是铝基铸造合金中最重要的一个系列，占铸件总产量的8 5 9 0 ，是铸造铝合金中品种最多( 我国有1 8 个品种) 、使用量最大的一类铸造铝 合金【9 】。 舢一s i 二元合金的性能特点：1 、密度小；2 、良好的铸造性能，适合制造各 种形状复杂的铸件：3 、导热性好，约比铸铁高三倍；4 、抗腐蚀性好。因为在铝 的表面会形成致密的氧化膜，不但阻止进一步氧化，而且美观，因此大量用铝合 金材料做汽车轮毂的。铝及其合金阳极氧化处理可在表面生产无色透明的氧化 4 江苏大学硕士学位论文 膜，通过染色、电解，可获得各种各样的色调。5 、耐磨性好。s i 粒子硬度高， 而q 触基体相对较软，是典型的硬质点增强软基体的耐磨合金，且耐磨性随硅 的含量增大而提高。6 、经过变质处理和热处理后，具有优良的机械性能、物理 性能、加工性能及较好的抗蚀性能。 硅含量较低时( 比如0 7 ) ，铝硅合金的延展性较好，常用来做变形合金； 硅含量较高时( 比如7 ) ，铝硅合金熔体的填充性较好，常用来做铸造合金。在 含硅量超过舢s i 共晶点( 硅1 1 7 ) 的铝硅合金中，硅的颗粒可量高达1 4 5 2 5 时，再加入一定量的n i ，c u ，m g 等元素能改善其综合力学性能。它们可用 于汽车发动机中代替铸铁汽缸而明显减轻重量。用作汽缸的铝硅合金，可经过电 化学处理以浸蚀表层铝而在缸内壁保留镶嵌于基体的初生硅质点，其抗擦伤能力 和抗磨损性以明显改善。其中含硅量1 1 1 3 的合金以其质轻、低膨胀系数和 高耐蚀性能等特点而成为最佳的活塞材料之一。 、- i + 0a i 1 l i i 儡 c i 口， ， l ， 么 口fa，+ si ， ? ， 乃 o s1 n1 y l _s 一 1 五c i ， 陬! z 5 i7 c 1 6 j 气口 li + s i 一s 二元相圈 图1 1 二元s i 相图 f i g u 他1 1b i n a 哆t h ea l - s ip h a d i a g r a m 图是二元舢s i 相图，为典型的共晶型相图，共晶反应为：l ( ) + ( s i ) 。硅 在铝中最大固溶度为1 6 5 ，室温时固溶度约为o 0 5 。根据s i 含量的大小，将 s i 合金分为亚共晶型、共晶型、过共晶型合金。共晶点s i 含量为1 1 7 ，温 度为5 7 7 。 5 竺型、变质处理和时效温度对a 3 5 6 铝合金力学性能与组织的影响 ：二= ： 二元s i 合金中，随着s i 量的增加，合金的结晶温度范围不断变小，组织 中共晶体的数量逐渐增加，其对合金铸造性能影响如图1 2 所示。 、 厂 - -lt- 一 l l i 1 2l l 1 ” 、 ；l 卜 l- il-t-ii 图1 2 含s i 量对s i 二元合金铸造性能的影响 f i 昏1 2 砌u c i 髓o fs i n t e i i to f - s ib i n a r ) ra u o yc 舔吨p e 哟珊帅 图1 3 表示含s i 量对s i 二元合金砂型铸件机械性能的影响。随着合金中 含s i 量的增加，组织中的s i 相不断增加，提高了合金的抗拉强度。但s j 相在未 经变质处理以前，在共晶体中一般都呈片状分布，严重地割裂了基体，由于应力 集中的结果，使伸长率显著降低；当s i 量超过1 3 一1 4 时，伸长率只有1 以 下：抗拉强度也只有1 0 0 m p a 左右，失去了使用价值。经过变质以后，抗拉强度 可提高到2 0 0 m p a 以上，延伸率可达6 一1 2 ，解决了s i 类合金优良的铸造 6 江苏大学硕士学位论文 性能与低劣的机械性能这对矛盾，使这一类合金得到了推广使用。含s i 量大于1 4 的过共晶s i 二元合金，随着含s i 量的增加，由于大量大块状的初晶s i 析 出，抗拉强度和伸长率都急剧下降，对共晶s i 变质的方法己不见效，而必须细 化初晶s i ，并配入强化合金元素以改善机械性能，才有实用价值。 翻x ) i 霎 薹 謇 图1 3 含s i 量对s i 二元合金机械性能的影响 f i g 1 3i t l n u 伽c e0 fs ic o n t e n l0 f 灿一s ib i n a d ，a l l o y 珊e c h a l l i c a lp r 叩e n i 髓 1 3 2 合金元素的作用 ( 1 ) 铜元素：铜在铝合金中有一定的固溶强化效果，另外，在时效时，会 析出c 州2 相，时效强化效果明显。铜在铝合金中的量通常为2 5 5 ，铜含 量在4 6 8 时强化效果最好，大部分硬铝合金的铜含量都处在这个范围。 ( 2 ) 镁元素：镁在铝中的溶解度随温度的下降迅速减小，在大部分工业用 变形镁合金中，镁的含量均小于6 ，镁对铝合金有明显的强化效果，每增加1 的镁，抗拉强度大约升高3 4 m p a 。 ( 3 ) 锰元素：铝合金强度随着锰在铝中溶解度的增加而不断增加，在共晶 温度6 5 8 时，锰在a 固溶体中的最大溶解度为1 8 2 。当锰含量为0 8 时，铝 合金伸长率达到最大值。舢m n 合金不可热处理强化。锰能提高再结晶温度，并 且能显著细化再结晶晶粒，m i 蚍化合物弥散分布在铝基体中，阻碍再结晶晶粒 的长大，从而细化晶粒。m 删6 还可以溶解合金中的杂质f e ，形成( f e 、m n ) 触6 ，减小杂质的不良影响，因此大多数铝合金中都含有锰元素。 ( 4 ) 铬元素：铬元素在铝中的溶解度在6 0 0 是位0 8 ，室温时基本不溶 解，在m g s i 合金、- m g z i l 合金、舢- m g 合金中常见的添加元素。铬在铝 合金中的添加量一般不超过0 3 5 ，铬在铝中形成( c r f e ) 7 和( c r m n ) 1 7 i-。xv 砂型、变质处理和时效温度对a 3 5 6 铝合金力学性能与组织的影响 2 等金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大，起到一定的强化效果，提高合金 韧性，降低应力腐蚀开裂抗力，但会增加淬火敏感性。 ( 5 ) 铁元素：除一些特别铝合金外，对于大多数铝合金，铁是常见的杂质 元素，明显影响合金性能。在铝中，铁只要以f e 3 的形式存在，而硅则以游离 硅的形式存在于铝中。当硅大于铁时，形成p f e s 谢5 相或者f e 2 s i 枷9 相，当铁 大于硅时，形成d f e 2 s 谶8 相或者f e 3 s 谶1 2 相。当铁硅比例不当时，或在铸铝中 f e 含量过高，都会引起铸件开裂。 ( 6 ) 杂质元素：铝合金中的杂质元素除了铁，主要的还有钒、钙、铅、锑、 铋、锡、铍和钠等元素，由于这些元素的物理性质和化学性质各不相同，因此对 铝合金性能的影响也各不相同。 钒在铝合金中形成难熔化合物，可以起到细化铸态组织的的作用，但效果不 及钛和锆，也有细化再结晶组织的作用。 钙在铝中的固溶度很低，形成c 喇4 化合物，钙还可以改善的铝的超塑性， 含5 钙和5 锰的铝合金具有超塑性。钙和硅形成不溶于铝的c a s i 4 化合物， 减小了铝中硅的含量。钙还可以改善铝合金的切削加工性能。含有c a s i 4 的铝合 金不能热处理强化。 铅、锡、铋三种元素为低熔点金属，在铝中固溶度不大，略降低合金强度， 但能改善切削加工性能，铋在凝固中的膨胀效果有利于补缩，改善铸造性能。 钠几乎不溶于铝，最大固溶度不及0 0 0 2 5 ，熔点只有9 7 8 。钠在凝固过 程中会吸附在枝晶表面或晶界的位置，在热加工时( 温度高于9 7 8 ) ，境界上 的钠会形成液态吸附层，产生脆性开裂，即所谓的“钠脆”；当有硅存在时，会 形成n 洲s i 化合物，从而无钠脆现象出现，但当镁含量超过2 时，镁夺取硅， 钠就会以游离态存在，因此会产生钠脆。因此高镁铝合金不能用钠盐做熔剂。铝 合金中除钠的方法有氯化法，使游离态的钠形成n a c l 排出：加入铋( 锑) 形成 n a 2 b i ( n a 3 s b ) 进入金属基体，或加入稀土也可以达到同样的效果。 铝合金中的主要气体杂质为氢气。氢气在铝中的溶解度在液态时远大于在固 态时的溶解度，因此在铝合金凝固过程中，氢气会析出在铝基体中产生气孔，强 烈影响铝合金的性能，因此氢是一种非常有害的杂质，必须采取措施除去。氢气 的来源主要为铝还原空气中的水汽而产生，也可以是在分解碳氢化合物时产生。 8 江苏大学硕士学位论文 固态铝和液态铝都会吸收氢气。有些元素如硫的化合物在铝表面或周围空气中存 在时，铝熔体中会形成氢化物而促进吸氢，其他一些元素如铜、硅、锡和铍等会 降低氢的吸收。 1 3 3 铝硅合金的变质处理 采用常规铸造工艺制备舢s i 合金时，由于冷却速度较慢，凝固组织中s i 相的偏析严重，分布也不均匀，当s i 元素较高时，初生s i 相非常粗大，呈板条 状或多角状等不规则形状，共晶s i 呈现长条状或者针状，这些形态的s i 将严重 的割裂基体的连续性，很容易在s i 相的尖端和棱角处引起应力集中，易发生断 裂，恶化合金性能。为了改变铸造s i 合金中s i 相的大小、形状及分布，提高 合金的性能，长期以来一直采用变质处理技术。 变质处理是向金属业中添加少量的活性物质，促进液体金属内部形成晶核或 者改变生长过程的方法，常用的变质剂有形核变质剂和吸附变质剂。变质处理使 共晶s i 由粗大的片状变成细小纤维状或层片状，从而提高合金性能。迄今已发 现，碱金属中的k 、n a ，碱土金属中的c a 、s r ，稀土元素e u 、l a 、c e 和混合 稀土，氮族元素s b 、b i ，氧族元素s 、t c 等均具有变质作用。有文献表明，影 响合金变质效果的因素有浇注温度、变质剂的添加量、保温时间、变质温度、冷 却速度等【1 6 1 7 1 。 1 ) 钠盐变质剂变质方法 n a 可使共晶硅的结晶由短圆针状变为细粒状，并降低共晶温度，增加过冷 度，细化晶粒。其细化效果，对冷的慢的砂型、石膏型铸件而言比较好，还有分 散铸件( 铸锭) 缩窝的作用，这对要求气密性好的铸件有重要的作用。钠盐变质 法的成本低，制备也比较简单，适合批量小、要求不是很高的产品，其缺点是： 钠是化学活泼性元素，在变质处理中氧化、烧损激烈、冒白色烟雾，对人体和环 境都有危害，操作也不太安全，特别是易使坩埚腐蚀损坏，它的充分变质有效时 间短，一般不超过1 h 。钠还使砧m g 系合金的粘性增加，恶化铸造性能，当钠 量多时，还会使合金的晶粒催化，所以舢m g 系合金和含m g 量高于2 的舢 s i 合金，一般都不用钠盐变质剂来进行变质处理，以免出现所谓“钠脆”现象 钠盐与铝液接触反应生成游离钠进入铝液，当铝液温度降低时会形成大量n a s i 或其他化合物的高度弥散的胶状质点，吸附于硅晶核上，阻碍其成长，因此使形 9 砂型、变质处理和时效温度对a 3 5 6 铝合金力学性能与组织的影响 成的硅晶粒细化f 1 8 1 。 2 ) 铝锶中间合金变质法 这是国内外使用的较多的一种长效变质方法。加入量为炉料总重量的0 0 1 0 0 2 的s r 。其优点是变质效果比钠盐好，氧化烧损也比钠盐小，有效变质持续 时间长，对坩埚的腐蚀性也比钠盐小，因而可使坩埚的使用寿命延长。这种变质 法操作也比使用钠盐安全卫生，不产生对人体和环境有害的气体，变质效果也比 钠盐好，一般有8 0 9 0 的良好变质合格率。其缺点是：成本比钠盐高，要预先 配制成中间合金( 否则就要采用锶盐变质剂) ，没有钠盐那样的有分散铸件缩窝 的作用。 s r 【6 1 1 是吸附类变质元素，铝硅合金进行s r 变质处理时，游离态的s r 可吸附在 硅相 1 1 1 s r 和 1 0 0 s r 晶面上由于s r 在s i 相表面的吸附是物理吸附与s i 相的 生长速度无关，变质效果与冷却速度无关有研究表明：在凝固速度很低时，锶 起不到阻碍硅生长的作用，导致硅相粗化【1 9 】，众多的文献研究表明，碱土元素s r 对铝合金晶粒组织具有较好的细化作用【刎。 3 ) 铝锑中间合金变质法 这种方法也是用的较多的一种长效变质方法。加入量为炉料总重量的0 2 o 3 的s b ，可获得长效变质效果，即使到铝合金重熔，此变质效果仍起作用。 其变质效果与合金的冷却速度有关，冷却速度快( 如在金属型中铸造) ，变质效 果好；冷却速度慢( 如在石膏型、砂型中铸造) ，则变质效果差。 4 ) 铝钛中间合金变质法 铝钛中间合金其中含有4 左右的钛，钛是细化晶粒效果很好的元素，形成 的r n 舢3 成为初晶n 枝晶的异质结晶核种，能有效地细化晶粒和防止铸造裂纹， 对易产生铸造裂纹的c u m g 合金( 如z l 2 0 7 ) 很合适。由于钛量太多，又是 通过与炉料一起熔化、扩散、融合来细化晶粒的，故其细化效果虽没有钛硼熔剂 好，但仍可达到一级晶粒的效果。其次是舢的密度比铝合金液大，如合金保 温时间过长，就有可能沉降，凝聚成夹杂物，要严格注意。 5 ) 钛硼熔剂细化法 由于钛硼熔剂中同时含有m 和b 两种细化晶粒作用很强的元素，它们在铝 合金液中形成n 舢3 和n b 2 ，未熔化的n 舢3 和不熔化的n b 2 ( 其相对密度4 4 ， 1 0 江苏大学硕士学位论文 熔点为2 9 0 0 ) 都残留在铝合金液中，成为铝合金的初晶a 枝晶组织的有效异 质结晶种。这种熔剂细化晶粒的优点是：故细化晶粒的效果非常好；成本 比用t i 中间合金低；熔剂成块状，省去了熔化配制中间合金的许多费用， 烧损也少；储存很简便，且块重标准化，用前无需称重；熔剂块自沉降、自 扩散、利用率高、简化了操作，改善了劳动条件和减轻了劳动强度；适用范围 广，既适用铸造铝合金，又适用变形铝合金。其缺点是：密度也比铝合金大，如 保温时间过长，也会自沉降，凝聚成夹杂物。 6 ) 铝钛硼丝细化法 这是一种最先进的细化晶粒的现代科技方法。其优点是：细化效果好，细 化剂实际利用率高；细化后的组织均匀，无粗细晶粒交错的混晶区，减少了裂 纹等废品：避免了n 舢3 和t i b 2 的沉降，凝集所引起的夹杂和熔炉的结瘤，减 少了清炉和洗炉的工作量；适合长时间大批量的连续铸造；实现了细化处理 自动化无人化；使细化处理和合金液凝固时间大为缩短，提高了生产效率； 产品在阳极氧化处理后的表面质量好，特别是箔材、印刷板、激光全息膜、饮料 罐和食品罐等薄或超薄铝材的最理想的细化剂。很适用作变形铝合金的晶粒细化 处理。 7 ) 稀土变质法 利用r e 中间合金的稀土变质法，是在铝合金液温度为7 2 0 7 6 0 时，加 入占炉料总重量的0 2 1 0 的i 也中间合金。其优点是它对a ( 舢) 及共晶组 织均有明显的细化效果，还兼有较好的精炼净化作用，可显著提高合金的机械性 能，变质有效时间也长。缺点是当操作不当时，会使稀土氧化，烧损也较大，还 可能产生高熔点的偏聚物沉降。 8 ) 锆变质 锆元素在铝合金添加合金元素中很常见，一般的添加量为0 1 0 3 ，形成 z r 3 化合物，阻碍再结晶生长，起到细化再结晶晶粒的作用。锆还具有细化铸 造组织的作用，但效果不及t i ，而且在锆元素存在于率熔体时，会抵消部分面 和b 的细化效果。因此，应避免z r 和n 、b 的同时加入。在舢z n m g c u 合金 中，由于锆的淬火敏感性的影响比铬和锰要小，因此在此系合金中，宜采用锆元 素代替铬和锰来完成细化晶粒的作用。 另外常见的变质方法还有铝钡中间合金变质法、纯碲变质法、s r 8 1 3 磷复合 砂型、变质处理和时效温度对a 3 5 6 铝合金力学性能与组织的影响 细化剂和s r 8 1 4 磷盐复合细化剂孕育法和k 2 z r f 6 变质法等。 1 4 铸造铝硅合金的净化处理 铝硅合金进行变质处理是主要是针对改善铸造s i 合金中的s i 相而进行 的。但是由于铝的化学性质非常活泼，在熔炼温度下极易与氧气、氮气、硫、碳、 水蒸气等发生化学反应而生成氧化物夹杂和氢，造成铸件中形成针孔及夹杂。因 此，在铝合金熔铸过程中，如果对铝中的气体和氧化夹杂处理不当时，就会在铸 件中造成疏松、气孔、夹杂等冶金缺陷，严重恶化合金的性能，所以熔体品质控 制是铸造铝合金中很重要的一步，去除铝液中气体和夹杂物是改善铝合金品质的 关键。最早铝液净化是用c 1 2 或氯盐等处理，但c 1 2 和氯盐除氢气效果虽好，但 其去夹杂能力却较差，而且产生大量有毒气体，因此采取n 2 、m 等惰性气体 来取代氯化物，但其去氢效果却并不理想。因此很长时间以来均采用c 1 2 、c c l 4 、 s f 6 等与惰性气体复合处理技术对铝熔体进行净化处理。 铝合金细化变质处理后，合金熔体中存在较多的氧化物和其它杂质。合金中 的氧化夹杂容易吸附大量气体，未经净化处理的合金凝固后，氧化夹杂豁附在枝 晶表面并在枝晶间形成缩松或气孔。夹杂含量高时，铝熔体粘度增大，流动性下 降，导致合金凝固时枝晶间补缩通道容易被堵塞，形成显微缩孔。夹杂含量还直 接影响到熔体中的氢含量，夹杂含量高，则氢含量也高。在熔体结晶过程中，一 部分氢可能以气态的形式释放形成气孔，其余氢则以过饱和固溶体的形式存在于 晶体中【5 8 1 。存在夹杂的熔体中往往伴生大量气孔，气态氢在夹杂质点周围形成 气孔。做拉伸试验时，缩松和气孔成为产生裂纹源，从而降低合金性能。铝合金 基体中的夹杂物对材料断裂过程的影响非常大。同时夹杂还可能直接造成铸件缺 陷，影响产品的最终质量，造成废品。 7 0 年代以来，采用旋转喷头吹气处理方法己成为国内外铝液净化技术的主 要发展趋势。如美国联合碳化物公司研制的s n i f 法，法国p e c h n e y 公司舢p l i r 法，都是典型的旋转喷头净化铝液的新工艺技术，己获得推广应用。旋转喷头吹 气处理方法引进我国后，已成为铸造铝合金生产中重要地除氢工艺。 8 0 年代末，英国f o s e c o 【2 5 】公司根据气泡浮游原理，研制出一种f d v 设 备，采用旋转喷头自铝液底部吹入惰性气体，使气泡被分离或弥散，呈均匀分布 江苏大学硕士学位论文 的小气泡，大大增加了气体与溶液接触面积与作用时间，能有效地去除氢及夹杂 物，此方法称为r d 法。此外英国h e p w 删矿产化学有限公司根据综合气体 净化和溶剂净化的优点，研制出溶剂喷射机。该法是以惰性气体为载体，将溶剂 喷入合金液中，使净化和变质同时进行，这种方法叫做喷射溶剂法。 同时由于一些尺寸较小的夹杂物，惰性气体无法去除，因此过滤技术也被广 泛应用。目前按过滤器形式可分为三类：网形过滤器、颗粒状过滤器、多孔陶瓷 过滤器，其中多孔陶瓷过滤器又分为固定成型陶瓷片和泡沫陶瓷片；若按过滤机 理可分为滤饼过滤机制和深过滤机制，多孔陶瓷属深过滤。过滤法净化方法在实 际生产中得到推广应用，效果比较理想。 铸造铝合金在熔炼中的夹杂物主要为氢和三氧化二铝，经过合适的精炼工艺 是可以将其去除的，因此铸造铝合金在熔炼过程中的精炼工艺便是关键的环节， 如果精炼工艺不当，铝铸件的连续性和致密性受到破坏，则降低铸件的性能。 铝合金精炼的方法较多，总的可分为两大类：一类为吸附法；另一类为非吸 附法。非吸附法在实际铸造生产中应用较少，侧重在实验室中研究。而吸附法又 包括使用介质过滤法及浮游法两大类，尤其是浮游法应用最为广泛，因为浮游法 操作简单，且不会产生熔剂夹渣的危害【2 1 删。 一一 1 5 铸造铝合金热处理 热处理是提高合金性能的重要手段之一。通过对铝合金进行热处理，可以提 高铝合金铸件的综合力学性能消除偏析和针状组织、改善组织和性能、稳定合金 铸件的组织和尺寸以及消除铸造内应力等作用。下面简要介绍t 6 热处理方法对 本文研究的a 3 5 6 合金的影响。 1 ) 获得最大量的强化相m 9 2 s i 相。可以热处理的a 3 5 6 合金在固相温度附 近m 9 2 s i 相有相当的溶解度，在相平衡的条件下，此溶解度随着温度的下降而下 降，这种溶解度的下降是热处理有意义的必要前提。为了达到在固溶处理时m g 和s i 颗粒的最大聚集，固溶温度尽可能接近共晶温度。温度控制要非常严格， 因为如果达到了熔点，则在晶粒边界上将有局部熔化，这将导致力学性能的下降。 而且这种损害是不可逆的、无法弥补的，可以通过金相显微镜观测到。一些合金 成分能够形成复杂的共晶，它能够在大大低于平衡共晶温度以下熔化。在绝大数 1 3 砂型、变质处理和时效温度对a 3 5 6 铝合金力学性能与组织的影响 情况下，a 3 5 6 合金在5 3 5 下固溶，在这个温度大约0 6 的镁可以被溶解。 2 ) 均匀化。固溶处理可以使铸造组织均匀化，并且使得在铸造过程中合金 元素的偏析降至最小。在枝晶形成过程中溶解元素的偏析会对材料的力学性能产 生坏的影响。均匀化需要的时间是由固溶温度和枝晶间距决定的，c l o s s e t 等人 用微探针分析铸造a 3 5 6 合金中的m g 和s i 以及经过不同固溶时间以后的情况， 结果表明：在铸造a 3 5 6 合金样品中，枝晶中心的含硅量最高，这也是在高温下 首先形成的部分。在高温下，硅在枝晶中的溶解度相对要大一些。在枝晶中，从 中心到边缘镁含量是增高的，但是增加很少。由于在舢s i m g 铸造合金中，m g 和s i 没有大的分离，c l o s s e t 等人发现在5 5 0 时保持3 0 分钟后，均匀化过程实 质上已经完成。 3 ) 共晶硅相的变化。在固溶处理过程中，由于高温扩散等原因，合金中的 第二相硅颗粒的组织形貌发生了很大的变化【2 7 1 ，共