哈工大材料加工复试铸造合金.ppt

1、2020/9/4,1,铸造合金,2020/9/4,2,铸造合金,2020/9/4,3,课程内容,参考书：铸造合金及其熔炼；机械工业出版社 西安交通大学-陆文华；大连理工大学-李隆盛； 上海交通大学-黄良余 (工大图书馆超星下载),凝固基本规律 合金化处理 组织形成及控制 热处理工艺 铸造工艺设计,2020/9/4,4,有色合金的产量和用量不如黑色合金多，但由于其具,有许多优良的特性，如特殊的电、磁、热性能，耐蚀性能 及高的比强度(强度与密度之比)等，已成为现代工业中不可缺少的金属材料,2020/9/4,5,1 铸造铝合金,1.1 纯铝,物理性质：纯铝是一种银白色的轻金属，熔点为660，具有面心

2、立方晶 格，没有同素异构转变。它的密度小（只有2.72g/cm3)；导 电性好，仅次于银、铜和金；导热性好，比铁几乎大三倍,化学性质：纯铝化学性质活泼，在大气中极易与氧作用，在表面形成一 层牢固致密的氧化膜，可以阻止进一步氧化，从而使它在大 气和淡水中具有良好的抗蚀性,性能：(1) 具有极好的塑性，但强度较低。冷变形加工可提高其强 度，但塑性降低。 (2) 铸、压力加工、焊和切削加工性能具佳。,2020/9/4,6,1 铸造铝合金,1.1 纯铝,分类： 纯铝按其纯度分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝。纯铝的牌号用 “铝”字汉语拼音字首“L”和其后面的编号表示。 高纯铝：有L05L01五种，数字越

3、大，纯度越高； 工业高纯铝：有LG5LG1五种，数字越大，纯度越高； 工业纯铝：有L1L7七种，数字越小，纯度越高。 * 工业纯铝中含有少量铁、硅等杂质元素，杂质含量增加，其导电性、抗蚀性及塑性都降低,2020/9/4,7,1 铸造铝合金,1.2 铝合金的分类,根据铝合金的成分、组织和工艺特点，可以将其分为铸造铝合金与变形铝合金两大类。,铝合金: 纯铝中加入适量Si、Cu、Mg、Zn、Mn等主加元素和Cr、 Ti 、Zr、B、Ni等辅加元素。提高强度并保持纯铝的特性,2020/9/4,8,1.2 铝合金的分类,对于变形铝合金来说，成分在F和D之间的铝合金，由于合金元素在铝中有溶解度的变化会析出

4、第二相，可通过热处理使合金强度提高，所以称为热处理强化铝合金 位于F点以左成分的合金，在固态始终是单相的，不能进行热处理强化，被称为热处理不可强化的铝合金。,铝合金分类示意图,发生共晶凝固的合金具有较好流动性,在恒温下进行的, 结晶过程从表面开始向中心逐层推进. 由于凝固层的内表面比较平滑, 对尚未凝固的液态合金流动的阻力小, 有利于合金充填型腔. 此外, 在相同的浇注温度下,共晶成分合金凝固温度最低,相对来说液态合金的过热度(即浇注温度与合金熔点温度差)大,推迟液态合金的凝固,因此合金的流动性最好.,2020/9/4,9,1 铸造铝合金,1.2 铝合金的分类,铸造铝合金: 按加入的主要合金元

5、素的不同，分为AlSi系、AlCu系、 AlMg系和AlZn系四种合金。合金牌号用“铸铝”二字汉语 拼音字首“ZL”后跟三位数字表示。第一位数表示合金系列，1 为AlSi系合金；2为AlCu系合金；3为AlMg系合金；4为 AlZn系合金。第二、三位数表示合金的顺序号。如ZL201表 示1号铝铜系铸造铝合金，ZL107表示7号铝硅系铸造铝合金,* 在ZL后加D表示为铸锭, 如ZLD101 ；在牌号最后加A表示为优质，如ZL101A,国家标准“铸造铝合金技术条件”, S-砂型铸造；J-金属型铸造；R-熔模铸造；K-壳型铸造； B-变质处理；F-铸态； T1-自然时效；T4-固溶处理后自然时效；

6、T5-固溶处理后不完全人工时效； T6-固溶处理后完全人工时效,2020/9/4,10,铝合金在汽车、大型装备、航空航天天等方面的应用,铝合金应用实例,2020/9/4,11,铝合金制造的机翼,汽缸头,美F-117隐身战斗机(所用材料大部分是铝合金),活塞,2020/9/4,12,1 铸造铝合金,1.3 Al-Si类铸造合金,Al-Si铸造铝合金-硅铝明: 包括简单硅铝明（Al-Si二元合金）和 复杂硅铝明（Al-Si-Mg-Cu等多元合 金）。其牌号为ZL10系列。,应用：由于密度小，比强度高于铜合金，球铁及碳素钢，因而在交通 运输机械，飞行器，化工机械，建筑材料，体育器械及家用电 器和器具

7、等方面获得了广泛的应用,2020/9/4,13,1 铸造铝合金,1.3.1 Al-Si二元合金的成分、组织和性能,12.6,1.65,共晶成分：12.6%Si 共晶区间：1.6599.83%Si 共晶组织：共晶体: (Al) +(Si) 亚共晶组织： (初晶铝) + 共晶体（ +） 过共晶组织： (初晶硅) + 共晶体（ +） 初晶硅：从熔体析出的单相 共晶硅：与构成共晶体的 工业上：亚共晶组织出现初晶硅 原因：Si是非常活泼的元素，容易带入 微量P，P + (Al) AlP (Si) 从(Al)中被置换出来，形成 初晶硅。初晶硅会促使共晶硅呈 现粗大板条状 工业应用合金：713%Si,7,2

8、020/9/4,14,1.3.1 Al-Si二元合金的成分、组织和性能,2020/9/4,15,1 铸造铝合金,1.3.1 Al-Si二元合金的成分、组织和性能,耐磨、耐蚀和线膨胀系数,密度和电导率,纯硅，硬而脆，易腐蚀,2020/9/4,16,1 铸造铝合金,1.3.1 Al-Si二元合金的成分、组织和性能,Al-Si二元合金：有优良的铸造性能，但是力学性能不高，只能用于压铸、挤压铸造等高速冷却的铸造方法；对于砂型铸造和石膏型铸造等冷速慢的铸造方法，必须进行变质处理，细化共晶硅。 注意: 变质处理只能细化共晶硅，不能细化初晶硅，加P可以细化初晶硅,为了兼顾合金的各种服役性能和工艺性能，Al-

9、Si类合金的含硅量一般为： 7%13%,铝塑性大，切屑时消耗很大的功。硅量，共晶体增多，切屑功减小， 但共晶硅硬度大，易磨损刀具，尤其是有粗大初晶硅的过共晶合金，刀具 磨损严重，被加工表面粗糙。为改善切屑加工性能，除了进行变质处理等， 细化共晶硅和初晶硅外，可加入Bi和Pb等易切屑元素；对于过共晶合金， 可采用镶嵌钻石的刀具,硅含量对加工性能影响,2020/9/4,17,1 铸造铝合金,1.3.1 Al-Si二元合金的成分、组织和性能,代表合金：ZL102,10%13%Si (Al)+共晶体( +)+少量初晶硅,(1)：铸造性能优良：流动性能为铸铝合金之首，集中缩孔倾向大， 设置合理冒口，很容

10、易获得致密铸件 (2)：耐磨性，抗蚀性，耐热性好：具有合适比例的软相铝和硬 相硅；基体相铝表层Al2O3; 共晶温度最高，升温时无相溶解或聚集 (3) 热处理强化效果小，力学性能不高：共晶温度，Si在(Al) 溶解度为1.65%，室温为0.05%。固溶处理，提高固溶度，强化合金。 对该合金效果不明显。 (4): 必须进行变质处理，提高力学性能,应用：压铸件或要求耐蚀、耐磨；承受中小载荷的薄壁、复杂铸件。 如：各种仪表的框架、壳体、基座等,2020/9/4,18,1 铸造铝合金,ZL102变质前： 140MPa 3 后： 180MPa 8,板条 纤维,1.3.1 Al-Si二元合金的成分、组织和

11、性能,2020/9/4,19,1 铸造铝合金,1.3.2 Al-Si合金的变质处理,变质处理：向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或 变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的 非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒。 在Al-Si合金中，加入微量变质元素钠或锶后，共晶硅形貌发 生巨变，力学性能尤其是伸长率大幅度提高，使Al-Si合金获得 工程应用价值。,目的： 细化共晶硅，初晶硅， (Al),2020/9/4,20,Dendritic growth,2020/9/4,21,2020/9/4,22,1 铸造铝合金,1.3.2 Al-Si合金的变质处理,目前关于Al-Si合金变质处理

12、的研究结果 (1) 变质机制研究 a. 以差热分析结果判断变质机制： DSC表明，加入变质元素钠或锶后，共晶平台下降510度，共晶点右移13% b. 以微观组织直接观察结果判断变质机制： 利用扫描电镜和透射电镜等分析手段表明，变质后，粗大板条状共晶硅转变 成细小纤维状共晶硅，原因有多种。,Al-Si合金变质处理及其机制是各国冶金工作者研究的热点,2020/9/4,23,热电偶,The principle of DSC,2020/9/4,24,1 铸造铝合金,1.3.2 Al-Si合金的变质处理,目前关于Al-Si合金变质处理的研究结果 (2) 共晶硅细化研究 a. 加钠或锶 b. 稀土变质：变

13、质效果与钠和锶相仿，但变质机理百家争鸣；以稀土化合 物或Al-RE中间合金方式；加入量与含硅量及冷速有关，在 0.2%1.0%，含硅量高，冷速慢，取下限。适用于Al-Si共晶 合金及过共晶合金，同时加入磷和稀土，能同时细化初晶硅 和共晶硅，称为“双重变质” (3) 初晶硅细化研究 加P细化初晶硅：P+(Al)AlP, AlP与Si具有相同的晶格常数。,2020/9/4,25,目前关于Al-Si合金变质处理的研究结果 (4) 初晶(Al)细化 : 细化机理: 加Ti，或加B，或同时加Ti和B a: 包晶理论：在665 ，L+TiAl3 (Al)， TiAl3与(Al)在(001)Al和(110)

14、Al面上 存在良好的共格关系。 (Al)可以在TiAl3晶体面上同时外延生 长。在(Al)中心确实找到TiAl3，但无法解释Ti低于0.15% (无反应)时的细化现象 b: TiC核心理论：在一般纯度Al熔体中往往含有杂质元素，典型如Fe, C，P, Sn, Pb, Ca. 加入Ti后，会出现TiC，起异质晶核作用，细化晶粒。无法 解释超高纯Al加Ti细化现象。 c: 晶粒增值理论：钛在铝的分配系数小，凝固易出现成分过冷，枝晶根部易颈缩， 脱落而游离于熔体，引起晶粒细化。不能解释加B细化的现象,1 铸造铝合金,2020/9/4,26,包晶系 (L + ),2020/9/4,27,晶粒游离学说，

15、日本学者大野竺美,相场模拟，枝晶根部颈缩现象,2020/9/4,28,目前关于Al-Si合金变质处理的研究结果 (4) 初晶(Al)细化 : 细化机理: 加Ti，或加B，或同时加Ti和B d: B的细化理论：B加入含Ti的铝熔体后，会形成(Al、Ti)B2, 它本身不稳定，逐渐 转变为TiB2, 具有粗糙的网纹表面，是(Al)最好的形核剂。 e: Ti抑制(Al)生长理论： (Al)生长释放大量潜热，速率与mC0(K-1)成反比，钛的 该值极大，故(Al)生长速率很小 f: B-Ti 叠加作用的加强：含Ti熔体加入B，降低TiAl3在铝熔体的溶解度，析出更 多的TiAl3粒子，促进形核，但与热

16、力学计算不符。 g: 细化现象衰退的原因：铝熔体长时间保温时， TiAl3粒子相互聚集长大，细化效 果衰退。加B，缓解衰退，形成TiB2, 比较稳定。,1 铸造铝合金,2020/9/4,29,目前关于Al-Si合金变质处理的研究结果 (4) (Al)初晶细化 : 晶粒细化中毒： 加B，Ti的铝熔体，若含有或加入Zr, Cr, Mn，减弱或失去细化效果 a. ZrB2点阵常数很大，与(Al)无共格，包覆在TiB2表面 b. 最新的中毒理论认为， 起细化作用的TiAl3， TiB2中部分Ti被Zr 或Cr或 Mn取代， 改变点阵常数 (5) 不同形态TiAl3的形成条件及细化作用 a 小平面块状T

17、iAl3：低温速冷时形成；细化效果好，作用快但易溶解，衰退较快； 适用于铝材厂做成线性盘条状，直接加入熔铝的流槽中 b 片状TiAl3：高温缓冷时形成；细化作用较弱，但衰退缓慢。 c 花瓣状TiAl3：高温快冷时形成；细化效果不如块状TiAl3，作用慢，衰退也慢； 直接加入熔炉中,1 铸造铝合金,1.3.2 Al-Si合金的变质处理,2020/9/4,30,1.3.3 Al-Si-Mg系合金,为什么加Mg? 形成Mg2Si，固溶处理时， Mg2Si固溶到(Al)中，人工时效后， Mg2Si呈弥散相析出，使(Al)中的结晶点阵发生畸变，强化合金，提高力学性能,热处理方法：固溶处理 + 时效 固溶

18、处理：将合金加热至高温 单相区，恒温保持， 使过剩相充分溶解入 基体中，并淬火后获 得过饱和的单相固溶 体组织的处理 时效：将过饱和的固溶体加热 到固溶线以下某温度, 恒 温保持，以析出弥散强 化相的处理。 * 引起固溶体相发生大的晶格点阵畸变 * 控制强化相析出的形态，位置，数量,恒温保持,恒温保持,2020/9/4,31,在室温下进行的时效称自然时效；在加热条件下进行的时效称人工时效。时效强化效果与加热温度和保温时间有关。 温度一定时，随时效时间延长，时效曲线上出现强度峰值，超过峰值时间，析出相聚集长大，强度下降，为过时效。随时效温度提高，强度峰值下降，出现峰值的时间提前,2020/9/4

19、,32,1 铸造铝合金,1.3.3 Al-Si-Mg系合金,固溶处理温度为535 5 ,代表合金1： ZAlSi7Mg合金 (ZL101) 成分：Si6%8%; Mg0.2%0.4% 铸态组织： (Al)+共晶体+微量Mg2Si 性能：较好的力学性能 应用：制造薄壁，形状复杂的铸件。 注意：结晶温度范围宽，易形成缩松，慎重设置浇冒系统， 工作温度不宜超过150 ,2020/9/4,33,1 铸造铝合金,代表合金2: ZAlSi9Mg合金 (ZL104) 成分：Si8%10.5%; Mg 0.17%0.3%; Mn: 0.2%0.5% 铸态组织： (Al)+共晶体 (微量Mg2Si固溶和时效处理

20、后消失) 性能：硅量较高和锰的加入，力学性能比ZL101高。铸造性能 优良，充型能力强，线收缩率小，无热裂和缩松倾向， 抗腐蚀及切削加工和焊接性能均好 应用：发动机缸体，缸盖，曲轴，增压器壳体，航空发动机压缩机匣 注意：有集中缩孔倾向，慎重设置浇冒系统，工作温度小于185,1.3.3 Al-Si-Mg系合金,Al-Si-Mg系合金发展方向 保持优良的铸造性能的同时，进一步提高力学性能 【进一步提高Mg含量；加入细化剂改善组织；降低杂质含量；提高固溶处理温度，并选择合适人工时效工艺】,2020/9/4,34,1 铸造铝合金,1.3.4 Al-Si-Cu系合金,1.3.5 Al-Si-Cu-Mg系

21、合金,相组成 (Al)+二元共晶(+Si)+ 三元共晶(+Si+CuAl2),较好的铸造性能和切削加工 性能，不经热处理即可有较高 的力学性能，广泛用作压铸合金,代表合金：ZL107 Si6.5%7.5%, Cu3.5%4.5% 工作温度小于250 ,相组成 除(Al), Si, Mg2Si, CuAl2,出现四元相W (W相的热处理强化效果最好， Mg2Si次之),代表合金1：ZAlSi5Cu1Mg (ZL105) Si:4.55.5%;Cu: 1.01.5%;Mg: 0.40.6% 不需变质处理；金属型铸造；承受中等 载荷，形状不复杂的中小型铸件,代表合金2：ZAlSi9Cu2Mg (ZL

22、111) Si:811%;Cu: 1.31.8%;Mg: 0.40.6% Mn: 0.10.35%; Ti: 0.10.35% 需变质固溶处理；铸造性能好; 承受重 大载荷，形状复杂的大中型铸件,2020/9/4,35,1.3.6 活塞合金 (Al-Si多元合金),要求：密度小，质量小，导热性好，热膨胀系数小；有足够的高温强度； 耐磨耐蚀，尺寸稳定性好；批量大，要求制作工艺简单成本低,代表合金1：ZAlSi12Cu2Mg (ZL108) 成分：Si: 1113%; Cu: 1.02.0%; Mg: 0.41.0%; Mn: 0.30.9%；其余Al 铸态组织：(Al)+二元共晶(+Si)+少量

23、Mg2Si, CuAl2 (沉淀硬化) 变质处理：传统加钠盐变质，提高室温力学性能，但钠会降低高温力学性能。 活塞是在高温下工作，故，目前通过通过加磷或磷和钠综合处理 * 在ZL108基础上加入0.81.5%Ni，形成ZL109, 具有富Ni的Al6Cu3Ni相，高温性能好， 但价格高，只用作重要的活塞,2020/9/4,36,1 铸造铝合金,代表合金2：过共晶铝活塞 * ：Si 17%19%； ： Si 20%23%； ： Si 24%26% 和 ，有一定室温塑性，铸造性尚好，使用较多； 类脆性大，铸造 性能差，只用作高速摩托车或赛车的活塞 * 添加Cu和Mg，形成CuCl2, Mg2Si强

24、化相, 提高合金性能；含量控制在2%以内， 过多将使合金变脆 * 添加Ni，提高热稳定性。但Ni价格贵，我国稀土量大，因此，我国添加稀土取 代Ni，既能形成强化相，又能细化组织。 * 我国开发的“K76-1”合金，性能指标优越，高于德国的同类合金KS280,1.3.6 活塞合金 (Al-Si多元合金),2020/9/4,37,1 铸造铝合金,1.4 铝铜类铸造合金,优点： 室温、高温性能好，切屑性能好，加工表面光洁，富铜相耐热，熔铸工艺较简单； 缺点： 铸造性能差；富铜相与(Al)基体间的电子电位差值大，抗腐蚀性能差；密度较大；强度低于Al-Si类铸造合金 应用： 主要用于制造在较高温度下工作

25、的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。,汽缸头,2020/9/4,38,1 铸造铝合金,1.4.1 铝铜二元合金,平衡凝固条件下，共晶温度，Cu在Al的固溶度是5.65%。实际上，5.0%，即出现 (Al)+(CuCl2)离异共晶。室温下，固溶度降至0.01%。通过固溶处理增加固溶度，4.5%5.5%的合金，固溶处理后，能达到最大固溶度。,离异共晶：有共晶反应的合金中，如果成 分离共晶点较远，由于初晶数量 较多，共晶数量很少，共晶中与 初晶相同的相依附初晶长大，共 晶中另外一个相呈现单独分布， 使得共晶组织失去其特有组织特 征的现象,铝铜合金铸造组织 210,2020/9/4,39,计算机模

26、拟共晶组织,2020/9/4,40,代表合金1：ZAlCu10 (ZL202) 成分： Cu：9.011.0%, 其余Al 铸态组织： (Al)+ (Al)+离异共晶 特点：熔炼工艺简单，有一定量共晶体，铸造性尚可，但不能固溶强化， 铸态使用，力学性能不高，用于制作装饰性小零件,代表合金2：ZAlCu4 (ZL203) 成分: Cu：4.05.0%, 其余Al； 铸态组织： (Al)+ 少量( (Al)严重晶内偏析) 特点：熔炼工艺简单，经固溶和人工时效处理后，力学性能大幅度提高， (Al)晶内偏析消除，但铸造性能差，用于形状简单的承受中等载 荷在较高温度下工作的中小型零件,1 铸造铝合金,1

27、.4.1 铝铜二元合金,2020/9/4,41,1 铸造铝合金,1.4.2 铝铜多元合金,代表合金1：ZAlCu5Mn (ZL201) 成分： Cu：4.55.3%, Mn: 0.61.0%; Ti: 0.150.35% 铸态组织： (Al)+ (Al)+Cu2Mn3Al20二元共晶+ (Al)+CuAl2+Cu2Mn3Al20三元共晶 * Cu2Mn3Al20常用Tmn代表 * Mn的加入能大幅度提高室温和高温力学性能，但Mn量控制在1.0%以下，否则，变脆 * 加入Ti能细化 (Al)，使非平衡态的CuCl2和Tmn相在固溶处理时溶入 (Al)，提高强化 效果。但加入量控制在0.150.3

28、5%，过少，细化效果差；过多，引起TiAl3聚集，保温 时间长时， TiAl3变粗大，混入铸件成为杂质。 ZL201中杂质元素影响: Fe形成Al3Fe，合金变脆；Si 降低Cu和Mn在 (Al)溶入 量，降低强化效果， 对室温和高温性能不利；Mg或Zn 降 低热强度。Fe 0.3%；Si0.3%；Zn 0.2%; Mg 0.05% 应用：300度以下工作，用于承受重大静载荷和动载荷的零件，如发动机增压器叶片等,ZL201A: 在ZL201基础上严格控制 杂质含量，力学性能比后者高，成 本高，用于极重要零件，如涡轮叶片,ZL205: 在ZL201A基础上加入镉-银-钒-锆-硼等， 进一步提高合

29、金热强性，达到与美国KO-1合金性能,2020/9/4,42,1 铸造铝合金,1.4.2 铝铜多元合金,代表合金2：耐热铝合金 能在较高温度下使用而不 软化 的 铝合金。耐热铝合金的耐热性由 (Al)的化学成分，第二相性质，形状和分布等因素决定。 (Al)成分越复杂，组织结构越稳定，第二相热稳定性越高，晶粒越细，沿晶分布相组成弥散强度越高，合金的耐热性越好。,提高铝合金热强性的主要途径是固溶强化、过剩相强化和晶界强化等。为此，常加入钼、镍、铜、锂、铁或稀土元素，以形成热稳定性较好的过剩相Al2CuMg，Al6Cu3Ni，Al2FeSi，Al9FeNi，Al2CuLi，Al6Mn，Al3Ti，A

30、l3Fe，Al4Ce4，Al2Cu4Mg5Si4等。主要用作在150300工作的零件，如涡轮压缩机叶片盘、焊接容器、活塞等。,耐热铝合金类型很多， 铝铜类耐热铝合金是其中一类,2020/9/4,43,1 铸造铝合金,1.5 铝镁类铸造合金,性能特点：有较高的强度、韧性及 耐蚀性, 密度小；但铸 造性能差, 耐热性低。 应用：主要用于制造外形简单、承 受冲击载荷、在腐蚀性介质 下工作的零件，如舰船配 件、氨用泵体等,铝镁合金铸造组织 (化染) 150,鼓风机用密封件等(ZL102，ZL301),2020/9/4,44,1 铸造铝合金,1.5.1 铝镁二元合金,平衡凝固条件下，共晶温度，Mg在Al

31、的固溶度是14.9%。实际上，9.0%，即出现 (Al)+(Al3Mg2)离异共晶。Mg的原子半径比Al大13%，溶入Al后， (Al)的点阵发生很大的扭曲，力学性能大大提高,Mg量对Al-Mg二元合金力学性能分析, 表明，含Mg12%，合 金强度最大；含Mg11%，伸长率最大。故，常用Al-Mg二元 合金中，Mg量不超过11%。铸造条件下，含Mg46%，结晶 温度范围最宽，易形成缩松和热裂。Mg910%，有相当数量 的离异共晶，有足够的充型能力,代表合金：ZL301 (Mg9.5%11%) 优点：切屑性能好，工件表面光洁度高，表面抛光后，光如亮镜，且能长期保持原有光泽，称为“光亮铝合金”。可

32、用于装饰零件 缺点: (1) 含Mg量高，熔炼时，必须在溶剂保护下熔炼；(2) 即使在室温下长期工作也会发生时效过程，力学性能下降，合金老化，抗蚀性降低，工作温度100度时，老化加速；(3) 壁厚效应大，密度小，需采用大冒口，成品率低。 * Fe, Si 有害，使合金变脆，0.3%以内；Mn, Cr有益，但0.1%以内,(Al)+(Al3Mg2),2020/9/4,45,1 铸造铝合金,1.5.2 Al-Mg-Si系合金,代表合金：ZAlMg5Si1 (ZL303) 成分： Mg：4.55.5%, Si: 0.81.3%; 其余Al 铸态组织： (Al)+ (Al)+Mg2Si 共晶 * Si

33、在ZL301中是有害杂质，但在降低Mg量同时将Si量增加到0.81.3%，形成一定数 量的(Al)+Mg2Si 共晶，改善铸造性能 * 室温力学性能不如ZL301，但在高温下有较好的力学性能, 进一步加入0.001%Be， 0.2%Ti，0.005% B，在350度以下工作时，几乎完全保持了室温下的力学性能 应用：在潮湿空气或海水中有很好的耐蚀性，耐热性较好，可用于承受中等载荷的船 舶用，航空用构件及内燃机机车的零件,2020/9/4,46,1 铸造铝合金,1.5.3 Al-Mg-Zn系合金,代表合金：ZAlMg8Zn1 (ZL305) 成分： Mg：7.59.0%, Zn: 1.01.5%;

34、 Ti:0.10.2%; Be: 0.030.1%; 其余Al 铸态组织： (Al)+ (Al)+Mg32(Al、Zn)49 离异共晶 * 固溶处理后， Mg32(Al、Zn)49 溶入 (Al)中，强化合金 * Mg32(Al、Zn)49 的点阵结构复杂，在零件使用过程中不易脱溶，聚集长大，推迟 老化现象。 * Zn量在1.01.5%以内，合金综合力学性能最佳，但工作温度不超过100度 应用：用于在海水中承受重大载荷的零件，如鱼雷壳体，潜水服等,2020/9/4,47,1 铸造铝合金,1.6 Al-Zn类铸造合金,大型空压机活塞(ZL401),性能特点：具有良好的铸造性 能，经变质处理和时

35、效处理后, 强度较高 (可自然时效强化)； 但密度大，耐蚀性差 应用：制造形状复杂受力较小的 汽车、飞机、仪器零件,2020/9/4,48,1 铸造铝合金,在381度，存在共晶反应；在277361.5度，在Zn含量为32.477.7%，存在调幅分解： 1+2 ， 1富Al，2 富Zn，均属面心立方结构，并具有完全共格关系。当温度降低至277度时，继续调幅分解： 1+2 (Al)+(Zn) 分解是在细晶粒且相互共格的1和2基体上进行的。室温组织：(Al)+(Zn)，经过多次调幅分解后，晶粒细小。,(Zn)的显微硬度低于(Al)，第二相 对合金变形不起阻碍作用，因此，Al-Zn 二元合金热强性很低

36、； (Al)和(Zn)电子 电位差很大，耐蚀性低。故， Al-Zn二元合 金在工业上没有使用价值,1.6.1 Al-Zn二元合金,2020/9/4,49,调幅分解：固溶体分解成结构相同但成分不同的两相,形成成分不同的微小区域相间分布的组织。这些小区域的溶质含量沿一个方向形成一定的波形分布，波峰处成分高于平均成分，波谷处成分低于平均成分。这些富区与贫区保持原固溶体的晶体结构，相同成分区域之间的距离（即分域或调幅波长）一般在 5100nm之间。此种由成分调幅的微小区域组成的不均匀组织，称为亚稳分域组织。这种分解不需形核势垒，只是通过固溶体中出现的成分涨落(起伏)波的生长进行的。生长由上坡扩散控制。

37、,白色区域为富铜区,Spinodal分解,2020/9/4,50,1.6.2 Al-Zn-Si-Mg系合金,代表合金：ZAlZn11Si7 (ZL401) 成分：Zn: 913%; Si: 68%; Mg: 0.10.3%; 其余Al 铸态组织： (Al)+共晶体+微量Mg2Si (与ZL101同) * 合金有“自动淬火”效应，即凝固时， (Zn)过饱和溶入(Al)中，室温时开始自然时效， (Zn)呈弥散状析出，强化合金(该(Zn)与二元合金中的不同，固溶了部分Si)。 * 不必固溶处理，铸造工艺性能与ZL101相似，抗蚀性能较低，密度较大，用于 185度以下工作的承受中等载荷的零件，如模具，

38、模板及某些设备的支架等。,1.6.3 Al-Zn-Mg系合金,代表合金：ZAlZn6Mg (ZL402) 成分：Zn: 56%; Mg: 0.56.5%; Cr: 0.40.6%;Ti: 0.150.25%其余Al 铸态组织： (Al)+树枝状Mg2Si +骨架状Al12(Cr、Fe)3Si * 合金有“自动淬火”效应，通过自然时效能强化合金。 * 结晶温度范围为40度，有缩松倾向，需设置较大冒口 * 切屑性能好，能获得光洁的工件表面，经人工时效后，尺寸稳定，可用于精密仪表零件， 经阳极氧化处理后，可用于制作船用零件。 * (Al)在较高温度下易分解，形成较高内应力，促进晶间偏析，工作温度不超

39、过100度,2020/9/4,51,2 铸造铜合金,2.1 纯铜,物理性质：纯铜是玫瑰红色金属，表面形成氧化铜膜后，外观呈紫红 色，故常称为紫铜。密度为8.96g/cm3，熔点为1083.4；具 有面心立方结构，无同素异构转变；具有优良的导电性和导 热性，其导电性仅次于银；无磁性。,化学性质：纯铜在大气、淡水中具有良好的耐蚀性，但在海水中较差 性能：纯铜的强度低，不宜直接用作结构材料；具有良好的焊接性能,分类： 根据杂质的含量，工业纯铜可分为四种：T1、T2、T3、 T4。 “T”为铜的汉语拼音字头，编号越大，纯度越低。,2020/9/4,52,牌号：ZCu主加元素的化学符号及平均质量分数（w

40、100） 其它元素的化学符号及平均质量分数 （w100），如 ZCuSn3Zn8Pb6Ni1表示Sn3%, Zn 8%, Pb6%, Ni1%的锡青铜 * 部分铸造青铜用“Q+主加元素的化学符号及平均质量分数” 表示，如QBe2.5,2 铸造铜合金,2.2 铸造铜合金分类,青铜：不以Zn为主加元素的铜合金。按主加元素不同分为： 锡青铜，铅青铜，铍青铜等； 黄铜： 以Zn为主加元素的铜合金。按第二种主加合金元素的 不同分为：锰黄铜，铝黄铜，硅黄铜，铅黄铜 * 主加元素：其含量或作用超过除铜以外的其它元素的总和,应用：现代工业中应用广泛的结构材料。较高的力学性能和耐磨性能，很高 的导热性和导电性，

41、在大气、海水、盐酸、磷酸溶液中均有良好的抗 蚀性，因此，用于船、舰、化工机械、电工仪表中的重要零件及换热器,2020/9/4,53,铜合金应用实例,船舶及化工零件: 齿轮、轴承、衬套及阀体,2020/9/4,54,冷凝器管,铜合金应用实例,2020/9/4,55,Bronze statue of Buddha in temple of heaven in Hongkong,紫荆花,铜合金应用实例,2020/9/4,56,船用青铜软管快速接头阀(锡青铜阀体、阀盖),2.3 铸造锡青铜,2 铸造铜合金,锡青铜：以锡为主加元素的青铜合 金，锡含量一般为314% 性能特点：锡青铜铸造流动性差，铸 件密

42、度低，易渗漏，但体 积收缩率在有色金属中最 小。锡青铜耐蚀性良好， 在大气、海水及无机盐溶 液中的耐蚀性比纯铜和黄 铜好，但在硫酸、盐酸和 氨水中的耐蚀性较差。 应用：耐蚀承载件, 如弹簧、轴承、齿 轮轴、蜗轮、垫圈等。,锡青铜管,2020/9/4,57,青铜铸鼎,2020/9/4,58,2 铸造铜合金,2.3.1 Cu-Sn二元合金,Cu-20%Sn 798: L+ 586: + 520: + 350: + ,由于Sn的原子半径比Cu的大很多，Sn在铜中的扩散速度极慢，350度共析转变一般不发生,铸态组织：枝晶+共析体 + ,2020/9/4,59,铸造工艺特点 (1) 结晶温度范围宽，凝固

43、速度较慢时，易形成缩松， 导致铸件渗漏。对塑性不好，可通过均匀化退火， 消除 枝晶，防止铸件渗漏，提高塑性；但分布 均匀的显微缩松能储存润滑油，对于要求耐磨性能 的零件是有利的 (2) 易发生热裂。呈糊状凝固，枝晶发达，在铸件内很 快形成晶体骨架，开始了线收缩，此时，凝固层较 薄，高温强度又低， (3) 易出现反偏析缺陷。铸件表面渗出灰白色颗粒状的 富Sn分泌物，俗称“冒锡汗”(富集相)。铸件内外 成分不均匀，降低力学性能，组织变得疏松，引起 渗漏；表面富集坚硬的相，恶化切屑加工性能， 加工后表面出现灰白色斑点，影响表面质量。反偏 析层5mm左右，严重时，2530mm (4) 铸造工艺简单。S

44、n不易氧化，锡青铜铸件氧化倾向 小，熔炼工艺简单，不需要设置复杂的挡渣系统， 不用底注系统，一般采用雨淋式浇口。 (5) 线收缩率在铜合金中最小，铸造内应力小，冷裂倾 向小。适用于铸造形状复杂的铸件或艺术铸造,含Sn量对Cu-Sn二元合金力学性能的影响,2.3.1 Cu-Sn二元合金,Cu-Sn二元合金力学性能取决 于共析体 +所占比例 含Sn710%之间的合金具有最 佳的综合力学性能,2020/9/4,60,2 铸造铜合金,2.3.1 Cu-Sn二元合金,出现反偏析的原因及防止反偏析的工艺措施 原因：结晶温度范围宽，枝晶发达，由于熔体中存在呈气泡形式 的氢，产生背压，把低熔点富锡相熔体推向枝

45、晶间隙中心； 凝固后期，铸件由内到外仍存在大量的显微通道，由于固态 收缩及氢气泡的背压，富锡熔体沿枝晶的显微通道通向铸件 表面渗出，堆积在铸件表面。 (铸型反应：2P+5H2O=P2O5+5H2) 防止: (1) 放置冷铁，提高冷却速率，出现层状凝固。 (2) 调整化学成分，如加入Zn，缩小结晶温度范围。 (3) 采取有效的精炼除气措施，减少合金中的含气量,2020/9/4,61,2 铸造铜合金,2.3.2 ZCuSn10P1锡青铜,简称：“10-1锡青铜” 成分：Sn: 911%; P: 0.61.2%; 其余Cu * P的作用: (1) 生成Cu3P，硬度高，作为耐磨组织中的硬相，提高合金

46、的 合金的耐磨性；(2) 脱氧；(3) 提高合金流动性，改善充型能力 * 由于加入P，为防止铸型反应：2P+5H2O=P2O5+5H2，应采用干型浇注 采用金属型时，表面必须处理干净；必须低温浇注，快速冷却 铸态组织：+三元共析体 +Cu3P * (Cu)时软基体， +Cu3P为硬质点，耐磨组织 性能：耐磨性能优于二元Cu-Sn合金 应用：用于制造在重载荷，高转速，较高温度下受强烈摩擦 的零件，如齿轮和轴承等,工业上应用广泛的 轴承合金,2020/9/4,62,2 铸造铜合金,2.3.3 ZCuSn10Zn2锡青铜,简称：“10-2锡青铜” 成分：Sn: 911%; Zn: 1.53.5%;

47、其余Cu * Zn的作用: (1) 缩小合金的结晶温度范围，提高充型能力，补缩能力，减轻缩 松倾向，提高气密性；(2) Zn溶入固溶体时，强化合金 铸态组织：+二元共析体+ 性能：耐磨性能好 应用：用于制造在蒸汽或流速不大的海水中工作的承受中等载 荷的船用衬套，阀门及转速不高的涡轮,2020/9/4,63,2 铸造铜合金,2.3.4 ZCuSn5Pb5Zn5锡青铜,简称：“5-5-5锡青铜” 成分：Sn: 46%; Pb: 46%; Zn: 46%;其余Cu * Pb的作用: (1) Pb以细小分散的颗粒均匀分布在合金基体上，具有良好的 自润滑作用，能降低摩擦系数，提高耐磨性；(2) 在最后凝

48、固 阶段Pb填补了(Cu) 枝晶间隙，有助于消除缩松，提高耐水压 性能；(3) 孤立分散的Pb粒破坏了合金基体的连续性，改善切 屑加工性能 * Pb含量上限为6%，否则，合金力学性能反而明显下降 铸态组织：+二元共析体+Pb颗粒 性能：塑性较好，强度尚可，耐磨性，铸造性能，切屑加工性好 应用：用于制造承受中等载荷和转速的轴承、轴套及螺母和垫圈 等耐磨铸件,2020/9/4,64,2 铸造铜合金,2.3.5 锡青铜中的杂质,Al，Si，Mg均是锡青铜的有害杂质 熔炼和浇注时形成难熔氧化物Al2O3，SiO2，MgO等，呈弥散状，很难从铜液中清除，降低合金液的流动性，阻塞补缩通道，降低铸件致密性，

49、容易渗漏；氧化物凝固时被推向晶界，削弱了晶界，降低合金力学性能。铸造铜合金的国标中，Al、Si、Mg含量均限制在0.01%以下,除磷青铜或个别合金外，铜合金中P必须限制 在0.05%以下，防止铸型反应，生成皮下气孔,锡青铜对杂质很敏感，因此，应使用专用坩埚熔炼,2020/9/4,65,2.4 铸造铝青铜,2 铸造铜合金,铝青铜：以铝为主加元素的青铜合金，铝含量为511% 性能特点：强度、硬度、耐磨性、耐热性及耐蚀性高于黄铜 和锡青铜，铸造性能好，但焊接性能差。 应用：主要用于制造船舶、飞机及仪器中的高强、耐磨、耐 蚀件，如齿轮、轴承、蜗轮、轴套、螺旋桨等。,大型水力发电设备中的抗磨环,2020

50、/9/4,66,2 铸造铜合金,2.4.1 Cu-Al二元合金,Cu-(014)%Al 1036: L+ 565: +2,铸态组织：+共析体 + 2,(Cu)：fcc, 塑性高且因溶入铝而强化，故单 相铝青铜可用于冷热压力加工成型材 (Cu3Al基固溶体): bcc，高温时稳定 2(Cu32Al19基固溶体): 复杂立方晶格，硬 而脆，塑性差,缓冷脆性：缓慢冷却时，2相呈网状在相晶体上析出，形成隔 离晶体联结的脆性硬壳，使合金变脆。(铝青铜特有的缺陷) 防止: (1) 加Fe, Mn等增加相稳定性; (2) 加Ni, 扩大相区，消除 (3) 提高冷速，1, 相硬度强度高，塑性较低，当具 有合适

51、量(30%)相，且分布均匀，有较高力学性能,2020/9/4,67,2.4.1 Cu-Al二元合金,性能及工艺特点 (1) 耐磨性能好。(Cu)塑性好，基体上均匀分布 硬度 较高的，是 一种耐磨组织，但铝 青铜干摩擦系数比湿摩擦系数大3040 倍，故，不宜在干摩擦工况下工作。 (2) 在海水氯盐及酸性介质中有良好抗蚀性。表层有致 密Al2O3膜，但不允许有2相出现， 因其可成为阳极，被腐蚀。 (3) 结晶温度范围小，流动性好。铸件组织致密，壁厚 效应小。凝固时体收缩大，必须设置 大冒口，防止集中性大缩孔 (4) 浇注时易夹渣夹气。熔炼铝青铜时，熔体表面有 Al2O3组成，如不排除，进入铸 件将

52、恶化力学性能，需除渣除 气。设计浇注系统时，必须设 置严密的挡渣系统，如过滤网 (5) 线收缩率大，易出现裂纹，设计浇注系统时，应尽 量使内浇口分散，避免热量集中,含Al量对Cu-Al二元合金力学性能的影响,Al含量控制在 911%,2 铸造铜合金,2020/9/4,68,2 铸造铜合金,2.4.2 ZCuAl10Fe3铝青铜,简称：“10-3铝青铜” 成分：Al: 8.511%; Fe: 24%; 其余Cu 铸态组织：(Cu) + (+2)共析体+k (黑色点状FeAl3) * Fe的作用: (1) 生成异质核心，细化(Cu) ；(2) 阻滞三相共析转变+2+k ； (3) 扩大(Cu) 相

53、区，减少相及其转变产物+2，消除“缓冷脆性” * Fe的加入明显提高合金力学性能和耐磨性，但含量超过4%后，抗蚀性下降 应用：用于承受中等载荷，低转速的耐磨件，如涡轮，轴套等，承 受高载荷或发生干摩擦时，出现“咬卡” 现象。由于铸件致 密，耐水压，可用作高压阀门，工作温度可达350度 * 10-3铝青铜不含稀贵合金元素，成本较锡青铜低，应用广泛 热处理: (1) 淬火加回火：加热至950度以上34h，淬火后获得针状马氏体 相，再在250300度回火23h, 强度和硬度显著提高 (2) 合金的常化处理：先在600700度保温34h，然后空冷，能减少甚 至消除+2共析体，提高合金塑性,2020/9

54、/4,69,2 铸造铜合金,2.4.3 ZCuAl9Mn2铝青铜,简称：“9-2铝青铜” 成分：Al: 8.010.0%; Mn: 1.52.5%; 其余Cu 铸态组织： (Cu) + (+2)共析体 * Mn的作用: (1) 提高相稳定性，降低相共析转变温度，使共析体细化，消除“缓 冷脆性” ；(2) 溶入(Cu)强化合金，塑性降低不多 性能: 与10-3铝青铜比，强度较低，塑性较高，抗蚀和耐磨性能较好 应用：船用零件，化工机械的高压阀门，承受中等载荷的耐磨件,2020/9/4,70,2 铸造铜合金,2.4.4 ZCuAl8Mn13Fe3Ni2铝青铜,简称：“8-13-3-2铝青铜” 成分：

55、Al: 78.5%; Mn: 12.014.5%; Fe: 2.54%; Ni: 1.82.5% * 对组织性能的影响，1%Mn 0.16%Al 铸态组织：(Cu) +(+Cu3Mn2Al)共析体 + k (黑色点状FeAl3) * 加Mn，稳定相，最佳含量1014%；Ni溶入(Cu)，扩大相区，提高耐蚀性，但过多，产生网状含镍化合物，恶化力学性能；加Fe，形成FeAl3, 细化晶粒，细化所需Fe 随Mn量增加而减小，Fe量超过4%，降低合金抗蚀性 性能：力学性能很高，铸造性能较好，在海水中抗蚀性，抗空泡溃 蚀性好，但抗海生物附作能力较差 应用：制造大型船、舰和高速快艇推进器的理想材料之一,2

56、020/9/4,71,2 铸造铜合金,2.4.5 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铝青铜,简称：“9-4-4-2铝青铜” 成分：Al: 8.510%; Fe: 4.05.0%; Ni: 4.05.0%; Mn: 0.82.5%; * 与8-13-3-2相比，Ni高Mn低 铸态组织：(Cu) + k (黑色点状FeAl3) 性能：力学性能很高，但与8-13-3-2铝青铜比，力学性能稍有降 低，在海水中的抗空泡溃蚀性更好，且抗海生物附作能力强 应用：也是制造大型船、舰和高速快艇推进器的理想材料 缺点：比8-13-3-2铝青铜熔点高100度左右，密度更大且成本高,2020/9/4,72,2 铸造铜合金,2.5 铸造铅青铜,2.5.1 Cu-Pb二元合金,Monotectic alloy 955: L1+ L2 326: L2 +Pb,铸态组织：枝晶+填满枝晶间隙的Pb,：几乎为纯Cu L2： 富Pb液相,由于Cu和Pb几乎不混溶，且两者密度差大， 凝固时出现严重的比重偏析，引起Pb的聚集 和球化，恶化合金的力学性能，因此，必须 采用水冷金属型，加快凝固，使铅相呈细小 点状均匀弥散分布在铜基体上。或者采用定 向凝固技术，获得两相沿生长