培训讲座：铝合金材料

1、培训讲座： 铝合金材料 车体品技室 张亚鸿 2008年4月培训内容一、铝合金材料的分类二、主要的铝合金体系三、铝合金材料的性能特点及其热处理四、铸造铝合金及其用途五、变形铝合金及其用途六、几种典型摩托车铝合金零部件性能要求介绍一、铝合金材料的分类 从材料的生产工艺上区分，铝合金分为以下二大类： 变形铝合金 铸造铝合金二、几种主要铝合金体系 从构成铝合金的化学成分上区分，铝合金有以下几种体系：1、Al-Mg:Mg在Al中形成单相铝合金固溶体，固溶强化效果好，同时具有良好的抗蚀性，是目前生产中广泛使用的的主要防锈铝合金系列。2、Al-Cu:Cu在Al中强烈地提高合金的强度且耐热性好，是高强度铝合金

2、及耐热铝合金的主要合金元素。3、Al-Mn:Mn的固溶强化作用有限，但Mn在Al中形成第二相MnAl6 与铝的电化学性质相近，故抗蚀性好，也是防锈铝合金的基本系列。4、Al-Si:Si的固溶强化作用也有限，但Al-Si系合金共晶点温度较低，是发展铸造铝合金的基础。5、Al-Zn:Zn在铝合金中，与其他元素配合，可显著提高铝合金的机械性能，是发展中强可焊铝合金及超硬铝的主要组元。三、铝合金的性能特点及其热处理 铝材由于比重小，耐腐蚀性能良好，在日常生活及工业生产中受到广泛应用。但纯铝由于强化很低，仅限于少数场合使用。为充分发挥铝材的优点，进一步提高铝材的一个重要性能-比强度（强度/重量），提高铝

3、材的强度就十分重要了。 提高铝合金强度的途径：1、冷变形强化；2、固溶强化（合金化强化）；3、时效强化（沉淀强化）；4、细化组织强化；（一）铝合金的冷变形强化冷变形强化又称冷作硬化。材料经冷变形后，其强度、硬度就提高了。强化的程度随变形量、变形温度、材料本身的性质有关。变形量越大，则强度（b）越高，但塑性(、) 却随之下降。 纯铝冷轧变形30%后的性能冷作硬化的解释：冷作硬化的解释： 以以 钢的应力（钢的应力（）-应变（应变（）曲线为例）曲线为例p esKbSK b c d a O e KBuKB（二）铝合金的固溶强化（合金化强化） 合金元素固溶到基体金属中，形成一种固溶体时，此合金的强度、硬

4、度得到提高，称为固溶强化。 与冷作硬化不同，固溶强化时，强度提高，但塑性一般不下降或下降不多。少数的甚至有所提高，如Ni加入钢中，Zn固溶Cu中（黄铜）。 铝合金中的主要合金元素有：Cu、Mg、Zn、Mn、Si 几种元素同时加入比单一元素加入的强化效果更好（元素总量相同时）。 合金的固溶强化程度与其溶解度有一定的关系，但总体来说，合金元素在铝中的溶解度都有限，因此，其强化作用也是有限的。 在强化中起作用的更重要的合金元素的交互作用. 铝合金中常用元素在基体中的溶解度（三）铝合金的时效强化（沉淀强化） 在固溶度随温度下降而减少的合金系中，当合金元素含量超过一定限度后，淬火可获得过饱和固溶体，在较

5、低的温度加热（即时效），过饱和固溶体将发生分解，析出弥散相，此时引起合金强度的提高，称为沉淀强化。又称为弥散强化，时效强化。 沉淀强化是铝合金、镁合金、钛合金、铜合金、某些高级不锈钢的重要强化手段。沉淀强化的原理图温度与元素含量的关系硬度与时效时间的关系名词解释A、淬火，又称固溶处理： 将合金加热到固溶度曲线的上限，之后快速冷却，形成过饱和固溶体，这一工艺过程称为淬火，也叫固溶处理。B、时效，又称析出： 淬火获得的过饱和固溶体处于不平衡状态，因而有发生分解和析出过剩溶质原子（往往呈第二相形式析出）的自发趋势，并随时间的增长硬度与强度提高，这种现象称为时效。C、自然时效： 上述变化在常温下发生的

6、称之为自然时效；D、人工时效： 上述现象在加热到一定温度下才发生的，称之为人工时效；E、过时效： 在人工时效时，如果温度过高或者时间过长，其硬度与强度将为会出现下降现象，称之为过时效。 人工时效与过时效的硬度变化见下图：人工时效时的硬度变化（四）细化晶粒强化金属材料由多晶粒结构组成。实际表明：材料的晶粒越细，硬度、强度就越高。细化晶粒的方法：A、对于变形铝合金来说，主要通过冷变形加工，再经过再结晶退火来细化材料的组织。B、铸造合金的组织细化可采用变质处理的工艺方法来实现。 在熔炼浇注时采用搅动，降低浇注温度，避免金属溶液过热，增大冷却速度等措施，也可以（或者有利于）获得细晶粒铸件。如金属模浇注

7、就比砂模浇注的组织细，强度高。变质处理介绍所谓变质处理处理就是浇注前在金属溶液中加入微量的被称为变质剂的元素或化合物，使金属溶液的结晶过程受到影响，结晶为细密组织。主要有二种作法：A、在金属溶液中加入适当的难熔质点（或者与基体金属能形成难熔化合物质点的元素）作为（或产生）非自发晶核，由于晶核数目大量增加，熔液即结晶为细晶粒。 例如，在含1.5%Mn的铝合金中加入0.09%的Ti,晶粒即被细化B、在金属熔液中加入微量的，对初生晶体有化学作用从而改变其结晶性能的物质，可以使初生晶体的形状改变。例? 用变质处理的办法不仅能细化初生晶粒，也能细化共晶体和粗大的过剩相，或改变它的形状，如：著名的Al-S

8、i合金的变质处理。 不同的合金采用不同的变质剂， Al-Si合金常用的变质剂为钠盐，如2/3NaF+1/3NaCl、 25%Na+62%NaCl+13%KCl,等。（五）铝合金的主要热处理工艺介绍 热处理是改善金属材料工艺性能和使用性能（机械性能、物理性能、化学性能），充分发挥材料潜力的重要手段。 热处理工艺尤其是固溶处理、时效，也是充分发挥铝合金材料的固溶强化，沉淀强化效果的必要手段。 铝合金的常用热处理工艺有：退火、 固溶处理、 时效三种。1、退火A、 所谓退火： 就是把工件加热到适当的温度（称为加热），保持一定的时间（称为保温），之后以缓慢的速度冷却的一种工艺过程。B、 退火的目的： 在

9、金属成品或半成品中，常常存在着内部残余应力，成分不均匀，组织不稳定等问题，有时严重影响材料的工艺性能和使用性能，如材料塑性低、耐蚀性差，机械性能差等，通过退火，则可以消除这些缺陷。 退火的实质是恢复材料本身所具有的性能. C、 退火的种类：去应力退火；再结晶退火；均匀化退火；a） 去应力退火： 铸件、焊接件、切削加工件，塑性变形工件，特别是冷变形加工零件，往往有很大的残余内应力，使合金的应力腐蚀倾向增加，组织及机械性能的稳定性显著降低。 去应力退火可以消除上述的不良状态，因此必须进行去应力退火。 对冷变形工件（冷作硬化件），去应力退火只是消除其内应力，但强度、硬度基本上不降低，仍保持原有的加工

10、硬化效果，故工业上应用较多。加热温度对冷变形金属机械性能影响冷作硬化状态下的性能b） 再结晶退火 再结晶退火一般情况下只针对冷变形金属。旨在消除材料的加工硬化。铸件没有再结晶退火。 工艺方法： 把材料或工件加热到再结晶温度以上，保持一定的时间，而后以缓慢速度冷却的工艺过程。工艺目的： 细化晶粒，充分消除内应力，使材料的强度、硬度下降，塑性变形能力提高。 为了获得细晶粒组织，必须正确控制加热温度、保温时间及加热整度这三个要素。 对于某些合金材料，再结晶退火是细化材料组织的重要方法。 c） 均匀化退火： 浇注铸件或铸锭时，由于冷却速度快，结晶在不平衡状态下进行，常出现合金元素偏析、不平衡共晶体，第

11、二相晶粒粗大、硬脆性沿晶界分布等缺陷，使合金的强度、硬度、抗蚀性严重下降，因此需要用均匀化退火工艺来消除。均匀化退火工艺 将材料加热到接近熔点的温度(0.9-0.95 T熔) ，保持一定的时间，之后以缓慢的速度冷却。 均匀化退火工艺的主要控制参数是退火温度与加热时间。2、固溶处理（淬火） a) 对第二相在基体中的固溶度随温度降低而显著减小的合金，可将它们加热至第二相能全部或最大限度地溶入固溶体的温度，保持一定的时间后，以快于第二相自固溶体中析出的速度冷却（淬火），即可获得过饱和固溶体。 这一过程称为固溶处理，或淬火。 b) 固溶处理的目的： 是把合金在高温时充分溶解的固溶体组织固定到室温。以便

12、在随后的时效中使合金强化。 c) 固溶处理后材料的性能特点： 1) 合金元素或第二相化合物在基体中充分溶解，组织均匀化程度较高。2) 一般情况下，材料的硬度、强度增加不大（少数有下降），但塑性增加较大。 3) 材料的强化还要靠随后的时效过程来实现。 这一点与钢的淬火是不同的。 钢淬火后，材料的硬度非常高，而且很脆，但在回火后硬度下降，脆性消除，塑性提高。并且可以根据所需的性能要求，在很大范围内进行调整。4) 固溶处理的工艺特点： a) 加热温度的选择： 保证最大限度地保证第二相溶入到基体中，但又不引起过烧（局部或大部熔化）及晶粒长大，见示意图：T熔 b) 保温时间的选择： 要保证能溶入基体 -

13、固溶体的强化相（第二相）充分溶入，以得到合金元素最大的过饱和度。 铸造合金，因其强化相组织粗大，所以保温时间较长，一般达46小时。但过分的长时间加热，由于会引起组织的晶粒长大，故也是不宜的。 c)冷却淬火过程： 要保证零件能快速冷，使高温状态的过饱和固溶体保到室温，而不在中途发生分解。 一般采用清水就可以了，为了防止零件变形与开裂，常常用热水进行冷却。 固溶处理后，由于材料相对处于比较软的状态，因此适合于对零件进行形状的校正工作。同时由于固溶处理一结束，即处于自然时效状态，因此校正工作要立即进行。 同时，由于自然时效对随后的人工时效有一定的影响，会造成时效强化效果的下降，因此在工艺上均要求固溶

14、处理后在一定时间间隔内进行时效处理。3、时效 淬火获得的过饱和固溶体处于不平衡状态，因而有发生分解和析出过剩溶质原子（往往呈第二相形式析出）的自发趋势，并随时间的增长硬度与强度提高，这种现象称为时效。 时效的重要工艺参数为加热温度与时效时间。 a) 加热温度对时效强化效果的影响： 由于时效过程是组织内部第二相（强化相）的析出过程，因此温度对这一过程起到决定性的作用，见示意图。时效处理的加热温度有一个最佳的选择b) 时效的组织变化过程： 在时效开始时，过饱和的第二相开始析出，此时的析出相高度弥散。材料的硬度、强度开始提高，但塑性、抗蚀性逐渐下降。 随着时效的进行，析出的第二相越来越多，硬度、强度

15、越来越高，并进一步达到一个极大值。 此阶段称为强化时效。 当时效继续进行下去的时候，析出的弥散相开始聚集、并粗化，强化效果逐渐失去，这时，硬度、强度开始下降了，直至强化效果完全消失。 此阶段称为过时效或软化时效。时间对时效过程的影响与温度类似。 c) 时效处理的种类根据上述时效处理工艺的特点，因此可以需要，通过调整时效加热温度、保温时间，采取不同的时效工艺，以达到不同的性能要求：完全时效；不完全时效；过时效；稳定化时效d) 不同时效工艺的性能特点完全时效：T5时效后获得的强度最高，达到时效强化的峰值。不完全时效；T6时效时温度稍低或时间稍短，以保留较高的塑性。过时效；时效程度超过强化峰值，相应

16、综合性能较好，特别是抗蚀性较好。稳定化时效：T7稳定化时效的温度比过时效的更高，其目的是稳定材料的性能及零件尺寸。(e) ZL101合金的时效制度与性能四 铸造铝合金及其用途1、铸铝合金的特点：比重小、比强度较高、并有良好的抗蚀性、铸造工艺性好:成型各种复杂铸件，熔点低，设备简单。2、铸造铝合金的分类：1）Al-Si及Al-Si-Mg系：具有优良的铸造工艺，可生产复杂铸件，强度中等，适合在常温下使用，应用很普遍。2）Al-Cu系合金：具有较高的热强性，但铸造性，耐蚀性较低。3）Al-Mg系合金：属于高强及高抗蚀性合金，具有良好的切削加工性及光制性能。缺点是耐热性和铸造工艺性较差4）Al-Re合

17、金：有良好的耐热性和铸造性能，但成分复杂5）Al-Zn系合金：适用于制造尺寸稳定性高的零件3、铸造铝合金的牌号： ZL+三位数字 第一位数字代表合金系，见下表； 第二、三位为合金的顺序号。 例：ZL102 铸造铝合金的分类号：第一位数字 1 2 3 4 5代表的合金系 Al-Si Al-Cu Al-Mg稀土及复杂元素的合金 Al-Zn4、铸造铝合金的热处理状态T1未经淬火的人工时效T5 淬火及不完全人工时效T2退火T6 淬火及完全人工时效T3淬火（实际上相当于T4）T7 淬火及稳定化回火T4淬火及自然时效T8 淬火及软化回火铸造方法代号S砂型铸造J金属型铸造Y压铸B不变质 另有组合状态：如SB

18、；JB等。5、主要铸造铝合金品种介绍1） Al-Si及Al-Si-Mg系合金： a)Al-Si合金的性能特点：含Si量高达10%左右，接近共晶成分，熔点低，流动性好，因而具有很好的铸造性能。具有良好的抗蚀性和工艺性能。 典型材料：ZL102， Si%=10-13%浇注前必需经过变质处理，使共晶硅由粗片状细化成粒状，才能有效地投入使用，否则合金的塑性很低。不能进行固溶、时效处理，只进行退火。缺点：强度较低。 退火后 b仅160MPa. 为了解决强度低的问题，在Al-Si二元合金中加入合金元素Mg，形成Al-Si-Mg三元合金。 b) Al-Si-Mg三元铸造合金的性能特点： 在Al-Si合金中加

19、入-Mg后，在材料中形成新的强化相Mg2Si（一种金属化合物，常温硬度HM536），在固溶时效后呈弥散析出，能显著提高合金的时效强化能力，改善合金的机械性能。 典型合金：ZL101 含Mg量：因Mg在a固溶体中的溶解度不超过0.5-0.6%,故其含量不超过0.2-0.4%。 过量的Mg与Si将形成粗大的Mg2Si相，降低合金的塑性。ZL101的强度可达：230MPa.细化剂细化晶粒用变质剂工艺特点：铸造性能优良，但需进行变质处理，如加入铝锶变质剂。同时需精炼、除气。进行固溶处理：加热温度：5355 保温时间：4-6小时。 该合金在558开始出现局部过烧，强度及塑性随着下降。 时效处理工艺： 该

20、合金一般在人工时效状态下使用，进行T5、T6时效处理，规范如下：T5：加热温度：150 5 保温时间：2-4小时T6：加热温度：200 5 保温时间：3-5小时淬火时的冷却介质： 采用60-100的热水，以防止零件的变形与开裂。ZL101的性能：ZL101的改进型号ZL101A 在ZL101化学成分的基础上，加入微量的合金元素Ti（0.080.20），同时降低了杂质的含量，就得到了在摩托车中常用的铸造铝合金ZL101A，日本牌号A356。 Ti在合金中的主要作用是细化了材料的晶粒,以化合物（TiAl3）的形式存在，因而提高了机械性能。 ZL101与ZL101A的性能对比如下：2、Al-Cu系合

21、金 主要强化相：CuAl2，有很强的时效强化能力。但是单纯Al-Cu（4.5-5.3%）合金的铸造性能很差，热收缩和热开裂倾向较大，用金属型铸造时，需加入3%的硅（ZL203），以改善合金的铸造性能，特别是增加流动性，减少热裂倾向，增加铸件的致密性。 Al-Cu系合金的抗蚀性也较差，需要进行适当的表面处理进行保护，如阳极氧化。合金中主要杂质元素的影响：Ti：添加少量的目的是细化晶粒；(0.15-0.35%)Si: 对合金的耐热性有不良的影响，在有些合金中，其 含硅量控制在0.3%以下（ZL201、ZL202）。Mg：在Al-Cu系合金中， Mg是很有害物质，增加 + 铸件的热裂倾向，增加淬火时

22、的过烧危险， + 一般Mg含量不大于0.05%。Fe：同样是有 害元素，在合金中形成脆性化合物 + AlCuMnFe,降低了合金的机械性能，在ZL201 + 中小于0.3%。 ZL201、202的典型性能典型铝合金：压铸铝合金YL113（ADC12） 在Al-Si合金与Al-Cu合金的基础上，为了综合二者的优点，在Al-Si合金中加入一定量的Cu元素，就形成了应用非常广泛的压铸用专用铝合金，用作对机械性能没有特别严格要求的、一般结构件用的铝合金材料，这就是YL113，日本牌号ADC12。 YL113（ADC12） 的技术要求 a) 化学成份（%）： Si:10.011.0 Cu:2.53.2

23、Mn:0.5 Mg: 0.3 Fe:0.650.85 Ni: 0.5 Zn: 1.0 Sn: 0.3 A1:其余b) 机械性能： 抗拉强度：b210 N/mm2 伸长率： 1.5% 布氏硬度： HB80 c) YL113的性能特点： 作为专用的压铸用铝合金，在化学成分的配比上，其主要合金元素有如下的作用：1）有高达共晶成分的含Si量，因此其铸造性能十分优良。2）含有一定数量的Cu，由于铜在基体中能形成第二相强化相CuAl2 ，压铸中，由于铝合金冷却速度非常快，因此也有一定的淬火效应，在以后的时效中（人工或自然），强化效果能够发挥出来，故其强度也较高。3）压铸铝合金件，由于工艺的特点，基体中含有

24、较多的气体，所以一般不能进行固溶处理。其常用的热处理工艺为人工时效或低温去应力退火。4）由于含Si量较高，故塑性较低。 由于含有一定的Cu元素并形成第二相，其耐蚀性是较差的，一般表面均需进行涂装处理或其他表面处理。3、AlMg合金 此合金的特出优点是具有优良的抗蚀性，同时比重比较低，强度和韧性较高，切削加工和抛光、电镀性能也很好。 缺点：铸造性能较差，容易氧化和形成裂纹。典型铝合金：ZL303（YL302）日本牌号：HD4化学成分： Si:0.51.1 Cu: 0.1 Mn:0.50.8 Mg: 4.05.5 Fe:0.50.8 Ni: 0.1 Zn: 0.1 A1:其余主要机械性能(铸态：一

25、般进行去应力退火) b=220Mpa； 5=2%；HB70；铝镁二元相图一般合金含Mg量有10%，高的为13%五 变形铝合金及其用途（一）变形铝合金的特点：1）经不同变形加工方式生产成的各种半成品：如板材、棒材、管格、线材、其他型材及锻件等。2）变形铝合金一般均具有较高的塑性，一些合金甚至还具有与钢材同等的强度。超硬铝材料可达b600Mpa；（二）变形铝合金的分类：1、防锈铝合金： 特点：是抗蚀，易于加工成形和焊接。因热处理不能强化、故强度低。一般以冷作硬化的方式提高强度。适合制作容器类零件。 牌号：LF3、LF212、硬铝： 特点：具有很强的时效硬化能力、热处理后强度可达500MPa。但抗蚀

26、性、焊接性差 牌号：LY123、锻铝： 特点：具有良好的冷、热加工性、焊接、抗蚀、光制等性能，以Al-Mg-Si系为主。 牌号：LD5、LD64、超硬铝： 特点：具有比硬铝更高的强度，可达600MPa，缺点是应力集中比较敏感，有应力腐蚀倾向。以Al-Zn-Mg-Cu系为主。 牌号：LC4 （三）铝合金材料的状态 铝合金材料、及所有有色金属，在材料牌号后一般都要注明材料的加工状态，此加工状态决定了所用材料的性能，对材料的使用来说，有非常重要的意义。（四）主要变形铝合金材料介绍1、防锈铝合金： a) AlMn合金：LF21： Mn 含量1.0-1.6%。 机械性能：M：b98Mpa； 522%；

27、Y2：b147Mpa； 56%； Y：b186Mpa； 52%；AlMn合金：LF21没有时效硬化效果，一般只进行退火处理。 b)AlMg合金： LF5 Mg含量：4.0-5.5%，与HD4的化学成分十分接近。机械性能：M：b274Mpa； 515%； AlMg合金的含Mg量一般都较铸造的低一些，以保证合金有良好的加工塑性与可焊接性。含Mg量超过9%，压力加工将极难进行。AlMg合金也没有时效硬化效果，所以一般只进行退火处理。 二种防锈铝要提高强度，主要靠冷变形强化，但是强化效果十分有限。2、硬铝 主要为Al-Cu-Mg-Mn系合金。成分范围：2.5-6.0%Cu,0.4-2.8%Mg,0.4

28、-1.0%Mn;典型牌号：YL12 高强硬铝 成分： 3.8-4.9%Cu,1.2-1.8%Mg,0.3-0.9%Mn; 主要合金元素：Cu与Mg； 合金中的主要强化相：S相（Al2CuMg）和（CuAl2）；LY12主要机械性能（型材）：M：b220Mpa；513%；=30%；CZ：b520Mpa；513%； =15%； LY12合金一般在淬火+自然时效状态下使用。当使用温度超过150度时，则采用人工时效。以保证在使用期间组织和性能的稳定。 人工时效后，屈服强度高于人工时效，但抗蚀性较差。 在生产中，为了获得良好的塑性变形能力，通常在淬火后即固溶处理后立即进行变形加工，完了后再进行时效处理。变形合金、铸造合金及热处理可强化合金在相图上的成分范围几种典型摩托车铝合金零部件性能要求介绍1、铝轮、上联板： 要求铝轮材料有较高的强度，适当的塑性（韧性），具有一定的耐冲击性能。图面规定材料：ZL101A（A356） 此材料的性能能满足上述性能要求检验项目：1、性能：强度、塑性，成品耐