教学材料《铝合金》-第一章

1.1压铸铝合金一、任务描述铝合金在压铸行业中的应用非常广泛，尤其是在汽车工业。随着人们对环保、轻量化的要求日益提高，汽车中的许多关键部件，如发动机缸体等，逐渐采用压铸生产。图1-1（a）所示为铝合金压铸的发动机缸体，图1-1（b）所示为奥迪A8全铝车身，车身许多部位采用铝合金压铸成型，车身重量比传统钢制车身轻40%以上，仅为895kg。二、任务分析设计人员在选择压铸合金时，不仅要考虑所要求的使用性能，而且对压铸合金的工艺性能也要给予足够的重视，在满足使用性能的前提下，尽可能多考虑工艺性能优良的压铸合金。通过本任务的学习，了解铝合金在压铸行业中的应用，掌握铝合金的性能，从而能够正确的选用铝合金进行压铸。下一页返回1.1压铸铝合金三、如识准备1.压铸铝合金的种类及化学成分铝在压铸行业中的应用非常广泛，但由于纯铝铸造性能差，容易氧化，压铸过程中容易发生粘模现象。除了制造电动机转子是用纯铝环绕叠片进行压铸外，其他压铸件都是用铝合金成型的。与纯金属（单金属）相比，合金的强度要高一些。常用的压铸铝合金包括以下几类。①铝一硅系合金（Al-Si）：YL102。②铝一硅一镁系合金（Al-Si-Mg）：YL101、YL104。③铝一硅一铜系合金（Al-Si-Cu）：YL112、YL113、YL117。④铝一镁系合金（Al-Mg）：YL302。上述合金的化学成分见表1-1，摘自GB/T15115一2009。下一页返回上一页1.1压铸铝合金2.压铸铝合金的性能1）铝合金的使用性能（1）铝合金的物理和力学性能铝合金密度小、ρ=2.7kg/m3、导电性、导热性好，强度较高，耐磨性较好，无论是在高温下还是在低温下工作时，均能保持良好的力学性能。（2）铝合金的化学性能铝的表面易形成一层与铝结合牢固而致密的氧化膜，故大部分铝合金在淡水、海水、浓硝酸、硝酸盐、汽油及各种有机物中均有良好的耐蚀性。氧化铝膜的化学稳定性及熔点都很高，故在高温工作时，仍有良好的抗腐蚀和抗氧化性能。下一页返回上一页1.1压铸铝合金2）铝合金的工艺性能铝有较大的比热和凝固潜热，大部分的铸铝合金结晶温度范围小，组织中常含有相当数量的共晶体，其线收缩较小，故具有良好的充填性能、较小的热裂倾向。但铸铝合金仍有相当大的体收缩，易在最后凝固处生成大的集中缩孔。铝合金熔铸工艺简单，成型及切削性能良好。另外，高温下铝合金和铁的亲和力能力较强，易粘模，故习惯上一般不使用热压室压铸机，而在冷压室压铸机上压铸。各种牌号铝合金的工艺性能具体见表1-2（摘自GB/T15115一2009）。下一页返回上一页1.1压铸铝合金3.压铸铝合金的特点及应用铝合金的压铸发展极迅速，在各个工业部门中得到广泛的应用，用量远远高于其他有色合金，在压铸生产中占有极其重要的地位。各个系列铝合金的特,点及应用举例见表1-3。4.国内外主要压铸铝合金代号的对应国内外主要压铸铝合金代号对照表见表1-4。四、任务实施选择压铸合金应考虑的因素见表1-5。五、归纳总結①了解压铸铝合金的种类及化学成分。②熟悉压铸铝合金的性能。③掌握压铸铝合金的特,点及应用。下一页返回上一页1.1压铸铝合金六、拓展提高铝合金的熔炼的相关内容如下。压铸合金的熔炼是压铸过程的一个重要环节。金属从固态变为熔融状态，是一个复杂的物理、化学反应以及热交换过程。随着熔炼过程中合金产生金属和非金属的夹杂物、吸收气体以及合金中的组分使得杂质含量有所变化，因而，在不同程度上会影响到合金的工艺、物理、化学和力学性能。所以熔炼过程不仅是为了获得熔融的金属液，更重要的是得到各个方面者卩符合规定的金属液。下一页返回上一页1.1压铸铝合金1）压铸铝合金的熔炼特点①氧化。铝及其合金液与空气接触很容易生成一层氧化膜Al2O3。Al2O3不易还原，再则它的比重和熔体差不多，悬浮在熔体中，容易随熔体进人铸件中。②吸氢。铝液很容易从大气、合金锭或工具表面的湿气、燃烧的油气中吸氢。当吸氢过多在凝固时处于饱和状态，氢气会析出，使铸件产生气孔、缩松。③杂质。铝合金熔体中常见夹杂物有Al2O3、SiO2、MgO等，会造成金属液的不纯净。夹杂物影响熔体流动性，在压铸件中聚合产生气泡，影响缩松程度。④结渣。铝合金液和铁坩埚炉衬之间发生反应而产生结渣。⑤增铁。铝液与坩埚、浇勺、模具有一定的熔蚀作用，导致增铁。下一页返回上一页1.1压铸铝合金2）压铸铝合金的熔炼设备压铸生产过程用的熔炉有熔炼炉和保温炉。在小量生产和压铸机少的情况下，常常是在保温炉内直接熔化，然后精炼使用。精炼的目的在于除去合金液中的气体和氧化夹杂物。具体选择熔炼设备时要根据压铸机的能力，考虑熔化率。目前铝合金熔化设备主要采用坩埚炉和无坩埚的连续熔化保持炉，后者具有熔化速度快、熔化能力大，从100~4500kg/h、氧化烧损少，热能利用率高等优点。值得推荐的是连续高效燃气炉，可实现炉料预热、连续熔化、成分均匀、温控精确等，适合大规模的生产要求。3）压铸合金的熔炼过程压铸合金熔炼的一般过程见图1-3。下一页返回上一页1.1压铸铝合金（1）熔化前的准备工作①溶炉与熔炼工具准备。选定熔炉后，应对坩埚、温度控制系统及其他相关装置进行检查，确认坩埚状态良好，所有设备仪器运转正常。要对炉内的杂物和炉壁上堆积的氧化物和残渣等进行清扫，保持炉内清洁。铁质坩埚及熔炼工具等都要涂刷耐火涂料，目的是为了防止铁元素进人金属液。常用涂料一般由氧化锌（10%~30%）或滑石粉（20%~30%）与水玻璃（3%~6%）加水调制而成。涂刷之前应将坩埚及工具清理干净，去除锈蚀，预热至200℃左右涂覆涂料。涂层应完整，不脱落，并经充分烘干后方可使用。下一页返回上一页1.1压铸铝合金②炉料。炉料有新料、回炉料。回炉料是指浇口溢流槽、报废铸件。新料铝合金锭，其成分要符合标准，表面干净、干燥。若新料与回炉料搭配使用，配合比例应根据产品质量要求及回炉料状态确定。对于大块废料，如废压铸件及粗大浇道等，若杂质含量不超标，用量一般可加人60%或更高。飞边及碎屑等废料不能当做回炉料直接使用，需要经过重熔并充分脱氧和除气，并经成分检验合格后，才可用于配料，但用量不能超过30%。若混配时，要根据回炉料质量确定适当配比。对质量要求严格的压铸件，回炉料比例应控制的更低。所有炉料都应经过清理，去除油污、杂物等。下一页返回上一页1.1压铸铝合金③熔剂。利用熔剂进行精炼、除气、除渣。使用的熔剂有覆盖剂、造渣剂、净化剂、变质剂等。覆盖剂可在熔炼过程中构成一层液态保护层使金属不氧化、不吸氢。造渣剂吸收氧化物和非金属物质聚集在金属液面从而便于清除。净化剂利用上浮过程把金属液中的非金属杂质除掉。变质剂加人钠盐，改善微观组织。（2）压铸铝合金的熔炼工艺压铸铝合金的熔炼工艺特点见表1-6。返回上一页1.2压铸锌合金一、任务描述用锌合金压铸的产品，具有最佳的表面质量，目前已广泛用于制造五金装饰件、玩具、餐具、锁具、浴室配件、电气与电子铸件、拉链、金属扣、表壳、风扇、生活用品、家用电器、照相器材、音响、机电产品等。图1-4列举了几种锌合金压铸产品。二、任务分析通过本任务的学习，了解锌合金常用牌号及化学成分，熟悉锌合金的性能，从而能够正确地选用锌合金进行相关压铸。下一页返回1.2压铸锌合金三、知识准备1.压铸锌合金的特性及化学成分（1）压铸锌合金的特性①优良的压铸特性。锌合金的压铸性能很好，具有结晶温度范围小、不易产生疏松；充填成型容易；浇注温度较低；模具的使用寿命较长；不易黏附模具型壁；铸件精度较高；电磁屏蔽性能优越等特点。同时，力学性能也较高，特别是抗压和耐磨性能很好。下一页返回上一页1.2压铸锌合金②良好的机械性能和加工性能。与铝合金、镁合金相比，锌合金具有较高的抗拉强度、屈服强度、冲击韧性和硬度，较好的伸长率。锌合金铸件表面非常光滑，可不作处理直接使用，也较容易接受各种表面处理，电镀、抛光、喷涂、喷漆等，以获得更佳的表面质量。③高效的生产。锌合金一般采用热压室压铸机生产，生产效率高。④锌合金最严重的缺点是老化现象，它是锌合金的应用范围受到限制的主要原因。同时，锌合金的工作温度范围较窄，温度低于-10℃时，其冲击韧性急剧下降；温度升高时，力学性能下降，且易发生蠕变。因此，零件的工作温度一般不能超过100℃。严格控制锌合金原材料的纯度和熔炼工艺过程，并在合金中添加少量的Mg和适量的Cu，可以减轻或消除老化现象及改善切削加工性能。下一页返回上一页1.2压铸锌合金（2）压铸锌合金的化学成分锌合金原材料如图1-5所示。国家标准（GB/T13818-2009）规定了压铸锌合金的种类及化学成分，见表1-7。但生产中多采用北美压铸锌合金。传统的有2，3，5，7号合金，目前应用最广泛的是3号锌合金。20世纪70年代发展了高铝锌基合金ZA-8、ZA-12、ZA-27。2.压铸锌合金的性能（1）锌合金的物理和力学性能锌合金熔点低，密度大，ρ=6.8kg/m3。这里主要介绍生产中常用的2，3，5，7号合金，以及高铝锌基合金ZA-8、ZA-12、ZA-27，具体见表1-8。下一页返回上一页1.2压铸锌合金（2）锌合金的工艺性能及其他性能压铸锌合金的工艺性能及其他性能见表1-9。（3）国内外主要压铸锌合金代号的对应国内外主要压铸锌合金代号对照表见表1-10。四、任务实施选择哪一种锌合金，主要从以下3个方面来考虑。（1）压铸件使用性能要求①力学性能：抗拉强度是材料断裂时的最大抗力；伸长率是材料脆性和塑性的衡量指标;硬度是材料表面对硬物压人或摩擦所引起的塑性变形的抗力。②工作环境状态：工作温度、湿度、工件接触的介质和气密性要求。下一页返回上一页1.2压铸锌合金③精度要求：能够达到的精度及尺寸稳定性。（2）工艺性能要求铸造工艺性，机械加工工艺性，表面处理工艺性。（3）经济性原材料的成本与对生产装备的要求（包括熔炼设备、压铸机、模具等），以及生产成本。五、归纳总結①了解压铸锌合金的种类及化学成分。②熟悉压铸锌合金的性能。③了解主要工业国家压铸锌合金牌号的对应。下一页返回上一页1.2压铸锌合金六、拓展提高锌合金的熔炼的相关内容如下。（1）压铸锌合金熔炼过程中的物理、化学现象①金属与气体的相互作用。在熔炼过程中，遇到的气体有氢气（H2）、氧气（O2）、水汽（H2O）、氮气（N2）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）等，这些气体或是溶于金属液中，或是与其发生化学作用。②气体的来源。气体可以从炉气、炉衬、原材料、熔剂、工具等途径进人合金液中。③金属与坩埚的相互作用。当熔炼温度过高时，铁质坩埚与锌液反应加快，坩埚表面发生铁的氧化反应生成Fe2O3等氧化物；此外铁元素还会与锌液反应生成化合物（锌渣），溶解在锌液中。铁坩埚壁厚不断减薄直到报废。下一页返回上一页1.2压铸锌合金（2）压铸锌合金的熔炼设备热压室压俦机带有熔炉。但对于有一定生产规模的工厂，可采用集中熔炼，然后把锌合金液送到每台压铸机熔炉，从而保证合金液的质量。①中央熔炉。采用中央熔炉熔炼锌合金料，压铸机熔炉做保温炉，能保证合金成分及合金温度的稳定，而且还能节约能源，每台压铸机不要熔解合金料，只需保温。熔炼和保温常采用燃油作为能源，保温耗油量为熔解耗油量的1/4。此外能加快水口料、废料的回收处理，令车间环境干净。一台中央熔炉，配备自动供料系统，可供应20台压铸机。②自动供料系统。自动锌合金溶液供料系统，拥有特制的保温设备，保证合金液的温度，能将合金液自动、快速、准确、安全地输送到每一台压铸机。下一页返回上一页1.2压铸锌合金（3）压铸锌合金的熔炼工艺压铸锌合金的熔炼工艺特点见表1-11。（4)压铸锌合金的熔炼过程注意事项①坩埚。使用前必须进行清理，去除表面的油污、铁锈、熔渣和氧化物等。为防止铁坩埚中铁元素溶解于合金中，坩埚应加热到150℃~200℃，在工作表面上喷一层涂料，再加热到200℃~300℃，彻底去除涂料中水分。涂料要涂两层，涂料可选用：滑石粉+6%水玻璃；石英粉十水玻璃；商品化的坩埚涂料。下一页返回上一页1.2压铸锌合金②工具。熔炼工具在使用前应清除表面脏物，与金属接触的部分，必须预热并刷上涂料。工具不能沾有水分，否则会引起熔液飞溅及爆炸。③合金料。熔炼前要清理干净并预热，去除表面吸附的水分。为了控制合金成分，建议采用2/3的新料与1/3的回炉料搭配使用。④熔炼温度绝对不能超过440℃。超过440℃时，对铁坩埚、工具腐蚀大。⑤及时清除锌锅中液面上的浮渣，及时补充锌料，保持熔液面正常的高度（不低于坩埚面30mm)，因为过多的浮渣和过低的液面都容易造成料渣进人鹅颈司筒，拉伤钢环、锤头和司筒本身，导致卡死锤头、鹅颈司筒和锤头报废。⑥用扒渣耙缓慢地搅动熔液上面的浮渣，使之集聚以便取出。返回上一页1.3压铸镁合金一、任务描述当前，世界上掀起一股“绿色浪潮”，镁合金被认定是一种21世纪的绿色工程材料，尤其我国的镁蕴藏量居世界第一位，这种资源的优势为我国镁合金压铸工业提供了极有利的条件。虽然我国镁合金压铸起步较晚，但是这种丰富的资源优势及巨大的市场潜力，使其发展迅速，目前已形成了镁合金压铸汽车零部件及电子类产品零部件一定的生产规模。图1-6列举了几种镁合金压铸产品。二、任务分析通过本任务的学习，试分析笔记本电脑外壳采用镁合金压铸的优势。下一页返回1.3压铸镁合金三、知识准备1.压铸镁合金的特性及化学成分（1）压铸镁合金的特性①质轻。镁的密度只有1.8g/cm3，铝合金的密度为2.7g/cm3，镁合金比铝合金小30%，比钢小80%。所以，在汽车及手提电子产品中镁合金已成为零件制造的理想材料。②镁有良好的抗应力阻力。镁合金在金属及塑料等工程材料中，具有极佳的比强度、比刚度。③压铸性好。在保持良好的结构条件下，镁合金允许铸件壁厚最小达到0.6mm。④减震。镁有极好的滞弹吸震性能，可吸收震动和噪声，用作设备机壳可减少噪声传递。用于运动零部件，可吸收震动，延长零件使用寿命。下一页返回上一页1.3压铸镁合金⑤高电磁干扰屏障、散热性好。镁合金无磁性，有良好的阻隔电磁波功能，且散热性好，适合生产电子产品。⑥良好的切削性能。镁比铝和锌有更好的切削性，使镁成为更易切削加工的金属材料。⑦尺寸稳定性好。镁合金熔点低，使得低温变形小；尺寸精度高，有利于一次开模成型；因环境温度和日寸间的变化造成的尺寸变化小。⑧镁合金和模具钢材的亲和力小，不易黏附模具，有利于提高生产率和模具寿命。⑨镁合金液易氧化燃烧，铸造时热裂倾向比铝合金大，在熔化、浇注及压铸模温控制等方面都比铝合金压铸复杂。下一页返回上一页1.3压铸镁合金⑩镁合金可用冷压室或热压室压铸机压铸。一般情况下，小铸件采用热室压铸，以保证薄壁件的充满，而且还具有压铸压力低、压铸机体积小、循环日寸间短禾口压铸系统空气少等优点；大件则采用冷压室压铸工。（2）压铸镁合金的化学成分镁合金原材料如图1-7所示。国家标准（GB/T1177—1991)规定了压铸镁合金的牌号、代号、化学成分和力学性能，见表1-12。但目前在国内压铸生产中普遍使用国际牌号镁合金。表1-13列出了国际牌号镁合金的化学成分（摘自国际镁合金协会）。下一页返回上一页1.3压铸镁合金2.压铸镁合金的性能①镁合金的物理和力学性能，具体参见表1-14（摘自国际镁合金协会）。②镁合金的工艺性能及其他性能，见表1-15（摘自国际镁合金协会)。3.压铸镁合金的适用性AZ91：具有优良的铸造性能和良好的强度，用于形状复杂的薄壁件，如汽车、计算机零件、壳、盖、链、锯、手动工具、运动器具、家用器具等。AM50、AM60：具有突出的韧性和吸能性，并有良好的强度和机械性能，用于汽车座椅、方向盘、仪表板、轮毂等。下一页返回上一页1.3压铸镁合金AM20：具有高的韧性和冲击强度，用于需要高韧性的汽车安全件。AS41：在150℃时有好的抗蠕变性能，用于承受高载荷零件，如汽缸体、曲轴、动件。下一页返回上一页1.3压铸镁合金四、任务实施通过前面知识准备的学习，对镁合金及其各方面的性能已有了一定的了解，下面对笔记本电脑外壳采用镁合金压铸的优势进行分析。笔记本电脑的外壳是保护机体的最重要部件，同日寸它的材质影响其散热效果、质量；并且会直接带给人们视觉上的感受。目前笔记本的功率越来越大，体积越来越薄，发热成了笔记本电脑的一大问题。结合知识准备中镁合金的特性，镁合金质轻，无磁性，具有良好的电磁波屏蔽性能，且散热性好，符合了笔记本电脑外壳的要求。下一页返回上一页1.3压铸镁合金五、归纳总結①了解压铸镁合金的特性。②了解压铸镁合金的物理和力学性能。③熟悉压铸镁合金的工艺性能。六、拓展提高镁合金的熔炼的相关内容如下。（1）压铸镁合金的熔炼设备压俦镁合金熔炼的主要设备包括：预热炉及装料、送料设备；熔炼炉；保护气体混合装置。下一页返回上一页1.3压铸镁合金目前镁合金熔炼炉、保温炉有电阻加热、燃气、燃油3种，其中电阻加热炉比较安全、可靠。炉型有单室炉、双室炉、三室炉。其中单室炉是指熔炼、保温在同一炉内进行；双室炉是指熔炼炉、保温炉各自独立工作，通过能加热、温度可控的口形管输送金属液，由于加料时引起温度波动和熔渣只存在熔化炉中，保证了保温炉中金属液的纯净度；三室炉有供液室、中间室和熔化室，熔化室温度较低，有利于实现CO2气体保护，中间室起到第二次集渣作用，供液室提供适合压铸较高温的镁液。坩埚材料最好是不锈钢，坩埚外部的镍铬保护层可有效防止由于加热而发生化。下一页返回上一页1.3压铸镁合金（2）压铸镁合金的熔炼工艺压铸镁合金的熔炼工艺特点见表1-16。（3）压俦镁合金的熔炼过程注意事项①镁合金熔炼一定要在保护气氛中进行，否则会引起燃烧。②在熔炼过程中，合金液表面形成的一层浮渣需要定时清除。坩埚壁上的残渣也要定时清除，因为过量的残渣积聚会产生强烈的化学反应。同时坩埚底部也会沉积残渣，在每次清理液面的浮渣时，也需要检查沉积在坩埚底的残渣是否过多，以免降低熔炉的效能以及导致铸件不良。③检查和清理合金液表面时，打开保护揭盖会导致坩埚内的保护气体环境受到影响，因此需额外增加气体供应量。下一页返回上一页1.3压铸镁合金④监控熔料温度的热电偶必须