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铝合金教学讲稿
第二节
AL-Si合金是二元合金,主要成分是AL和Si.,主要组织结构是α相和β相。
α相是一铝为基础的固溶体晶体结构,机械强度低,硬度低,塑性好,导电性能好。
是铝合金各种使用性能的基础。
β相是以硅基为主的晶体结构,他几乎不溶解铝原子,他的强度较高,硬度高,但是很脆,是电的半导体。
二元铝合金的性能就是由这两项决定的。
一
(一)AL-Si2元相图。
(二)含硅量对合金组织和性能的影响
1对铸造性能的影响
2含硅量对机械性能能的影响
硅变化引起机械性能变化。
变质处理使机械性能发生变化。
3含硅量对合金一些物理性能,化学性能的影响
比重
电导率
磨损量
抗腐蚀性
4含硅量对切削性能的影响
硅小于14%,硅量增加,切削功下降。
硅大于14%到17%时,硅增加,切削功增加。
硅大于17%到22%时,硅增加,切削功下降。
改善共晶铝硅合金谐谑性能的途径
细化初晶硅
加入易切削元素,如Pb,Bi,Sn
5二元铝硅合金的选用
主要是从成型性能角度考虑
要求铸造性能好,机械性能,切削性能不要太差。
所以含硅量在10~13%的铝硅合金能够满足以上要求。
6ZL102
金相组织,
α相和(α+β)共晶相。
有时可能有少许初晶硅。
特点:
热处理强化效果少。
仅进行消除内应力的退火热处理。
铸造性能好。
流动性好,集中性缩孔倾向大,气密性好。
耐磨,抗蚀性,耐热性能好
二,提高铝硅合金性能的主要途径
1变质处理
2减少合金中的有害杂质。
3改进铸造方法
4合金化和热处理
(一)铝硅合金的变质处理。
变质任务:
初晶α相。
共晶硅,初晶硅。
1共晶硅变质
1)加金属钠。
1.001%的金属钠就可以使针状共晶硅转变成纤维状共晶硅。
板块状的初晶硅转变成纤维状的共晶硅,并可能产生出晶α相。
实际加入量0。
005%。
2)加NaF
6NaF+Al------Na3AlF6+3Na
3)Sr
加入0。
02~0。
06%的Sr,可以使亚共晶和共晶铝硅合金有效变质。
而且变质有效时间长达6~7小时。
3)加入稀土元素0。
5%~1。
0%
4)加入Sb0。
1~0。
5%
在金属型铸造中很有效。
但是不能在含有钠金属的铝合金中使用。
5)Bi0.2~0.25%
2初晶硅的细化
主要是加入磷使初晶硅细化。
3初晶α相的细化
加入铝钛合金,铝锆合金
二,减少合金中的有害杂质
使用纯度高的铝,硅配成的铝硅合金,即使不经过变质处理也能获得良好的组织,具有很高的机械性能。
铁,锡,铅,钙,磷在铝合金中含量增加时,将使合金性能下降。
1铁的有害作用。
使铝合金机械性能下降
沙铸,0。
8~1。
0%冲击性能下降4~5倍。
延伸率下降3倍
流动性下降,
抗腐蚀性下降。
原因:
T1Fe3Si2Al12,T2Fe2Si2Al9.主要以T2相出现。
T2硬而脆,以粗大针状穿过α相晶粒。
铁的有害作用与铸件的冷却速度有关。
压铸允许铁含量到1。
2~1。
5%。
此时铁还不能太低。
不能小于0。
5%。
防止粘模
消除措施:
假如微量元素MnCr,Co,Be.主要加入Mn.
2Sn&Pb
使热处理后的延伸率显著下降
与镁起化学反应,减弱镁的强化作用。
小于0。
01%
3Ca&P
Ca,导致产生针孔,疏松,产生偏析性硬脆化合物小于0。
03%。
P,导致出现粗大初晶硅。
三,多元铝硅合金的成分,组织,性能和用途
(一)Al-Si-Mg合金
1镁对合金的组织合性能的影响
a组织结构
α相,二元共晶(α+Si),(α+Si+Mg2Si),其中Mg2Si起到提高强度的作用。
作用原理是沉淀硬化。
Mg(0.2%~0.4%).
特点:
铸态时效果不大
镁量增加,吸气增加
镁小于0。
15%时无强化效果
需要进行固溶处理。
固溶处理温度小于559度。
530~535度
2常用铝硅镁合金的成分,组织,性能和用途
ZL101,ZL104
1)ZL101
成分,6~8%Si,0.2~0.4%Mg.
组织,α相,二元共晶(α+Si)(α+Si+Mg2Si)
α相树枝状,Mg2Si相细小。
铁含量高时容易出现T2相。
特点:
铸造性能好,可以铸造出形状复杂的薄壁铸件。
有较好的机械性能。
镁取下限,用淬火处理,可以获得塑性较高,中等强度抗拉和屈服强度的性能。
做壳体齿轮箱抗冲击的零件。
镁取下限,
用淬火和完全人工时效热处理。
有高的抗拉和屈服强度,还有一定塑性。
可用作承受较大冲击载荷和静载荷的零件。
2)ZL104
成分:
8。
0~10。
5%Si,0.17~0.3%Mg,0.2~0.5%Mn
成分特点,硅高,含Mn。
铸造性能特点,充型性好,收缩小,无热烈,疏松倾向小,可铸造复杂零件。
抗腐蚀性能好,焊接性能好。
用作气缸盖,气缸体,曲轴箱,增压器壳体承力框架
3AL-Si-Mg合金中加入微量元素的作用
1)6.5~7。
5%Si,0.45~0.6%Mg,0.1~0.2%Ti,Fe<0.15%,Cu<0.05%,Zn<0.03,Mn<0.03
特点,提高塑性。
T6处理
抗拉强度310Mpa-320Mpa.延伸率3。
0%。
2)7.6~8。
6%Si,0.4~0.55%Mg,0.1~0.2%Ti,0.1~0.3%be,0.02~0.06%Na.
杂质,Fe<0.4%,Cu,Mn,Zn<0.2%.
特点,加Be中和了铁的有害作用。
(二)AL-Si-Cu合金压铸合金
1组织
α相,二元共晶(α+Si)(α+Si+CuAl2)
CuAl2相是强化相
共晶温度524度
铜在α相中最大溶解度4。
9%。
在300度时在α相中溶解度为0。
2常用AL-Si-Cu组织,性能和用途
ZL107
特点:
室温机械性能好,有良好的高温机械性能。
铸造性能:
接近ZL101,良好。
气密性好,热裂倾向大。
抗蚀性能差
ZL111
有良好的铸造性能又有较高的机械性能,较好的切削性能以及补焊性能。
见图111。
化学成分,8。
0~10。
0%硅。
1。
3~1。
8%铜。
0。
4~0。
6%镁。
0。
10~0。
35%锰。
0。
1~0。
35%钛。
基体结构,铝相,硅相,铝铜相,硅镁相。
金属型试样强度,T6处理,室温机械性能:
抗拉强度35~40公斤/平方厘米,屈服强度,30~35公斤/平方厘米。
延伸率2~4%。
布氏硬度110~130公斤/平方厘米。
该合金的铸件热裂倾向小,一般不会产生热裂。
四,铸造有色合金热处理特点
1铸造铝合金组织特征
1)固溶体晶粒周围有大量粗大共晶组织
2)固溶体内部溶度不均匀和存在第二相质点
3)晶粒之间存在气孔和显微缩孔,非金属夹杂物。
这些缺陷都可能使晶粒之间隔开,阻碍扩散过程进行。
因此,铸造铝合金和变形铝合金的热处理有很大不同。
区别在于:
1)变形铝合金组织致密,保温时间一般需几十分钟,很少超过1~2小时,而铸造合金在淬火温度下保温时间要几个小时,有时达到几十小时,才能使强化相在铝基向中达到最大饱和溶度。
2)金属型或压力下结晶,冷速较大的铸件晶粒细小,热处理保温时间可以大大缩短。
3)铸件形状比较复杂,水淬时易变形,有时需要热处理夹具和较高的淬火介质温度。
2铝合金热处理强化原理
铝合金热处理主要是通过淬火或淬火加人工时效来实现的。
1)淬火
利用合金元素在基体相中溶解度随温度下降而下降的现象,采用快速冷却,使合金元素来不及从基体相中沉淀出来,使基体相处于合金元素过饱和状态,达到提高强度和硬度的目的。
工艺参数
固溶温度
保温时间
2)时效
时效是铝合金热处理最后一道工序。
时效过程中,过饱和固溶体开始分解,向平衡固溶体转变。
此时将发生:
溶质原子聚集,提高机械性能,降低导电性能;聚集原子按一定规律排列,在100~150度,这种状态特别容易形成,此时合金抗拉强度最高;150度,溶质原子形成介稳相;溶质原子形成稳定的沉淀相,此时沉淀相细小,对合金强度提高作用也大;沉淀相聚集长大,铸件内应力消失,强度下降,塑性提高。
3热处理工艺
T1人工时效,时效温度150~180度,保温时间1~24小时。
作用:
提高合金强度和硬度,改善合金切削加工性能,提高合金表面加工光洁度。
T2退火。
消除铸件的铸造应力和机械加工过程中产生的内应力。
作用:
使零件尺寸稳定,对铝硅合金,可以使部分硅相秋化,改善合金塑性。
;退火温度280度~300度,保温2~4小时。
T4淬火。
也称固溶化处理。
提高强度。
但合金工作温度不超过100时,还可提高耐蚀性能。
T5淬火和部分人工时效。
使合金保持足够高强度的同时,还具有高塑性。
时效温度150~170度。
时效时间,3~5小时。
T6淬火和完全人工时效。
获得最大抗拉强度而塑性有所降低。
时效温度175~185度。
时效时间大于5小时。
T7淬火和稳定化回火。
用于高温下工作的零件,获得足够抗拉强度又使零件组织和尺寸稳定。
一般在工作温度下稳定化回火。
回火温度190~230度,保温时间4~9小时。
T8淬火和软化回火。
获得高塑性,但强度下降。
回火温度230~330度,保温时间3~6小时。
第二章,铸造铝合金的熔炼
讲授内容:
1合理选择熔炼设备
2正确的配料计算
3严格控制熔炼过程
熔炼工艺过程
1正确的加料顺序
2控制熔炼时间和温度
3力争快速熔炼
4有效的精炼和效果稳定的变质
5可靠的炉前检验
高质量的铝液
1化学成分合格
2气体,氧化夹杂,熔剂夹杂少,变质良好。
第一节,精炼
目的:
除气和夹杂物
一,铝铸件中,气孔和夹杂的形式
(一)气孔形式及对铸件性能的影响
1.针孔
1)针孔形式
针孔分为三种类型-----见图。
点状针孔,网状针孔,综合性针孔。
2)对铸件性能的影响
2气孔
处于表皮下
由于铝液和铸型反应而引起的。
和铝液质量无关。
3单个集中大气孔
(三)氧化夹杂形式及对机械性能的影响
氧化夹杂含量是衡量铝液质量的重要指标
一次氧化渣,
特点:
分布无规律,含量0。
002~0。
02%
大块夹杂,氧化膜。
危害大,是机械性能和抗氧化性能能下降。
细小氧化夹杂,弥散小尺寸分布在基体中,导致产生显微气孔,可以细化晶粒。
二气体和氧化夹杂来源。
(一)铝和水汽反应
AL+3H2O-----AL(OH)3+(3/2)H2
AL(OH)3------AL2O3+H2O
结论防治铝锭生锈。
措施:
烘干工具,变质剂,熔剂和炉衬
去油脂,
AL+CmHn------AL4C3+H2
禁止使用沾有油污的炉料。
(二)氢在铝液中的溶解度
LgS=-5800/T+4.567+0.5Lg(PH2O)
S氢在铝液中的溶解度
PH2O铝液表面水气分压(毫米汞柱
T熔炼温度K
PH2O=0.944(1+0.00366T)*Sz
Sz,绝对湿度
T,环境温度
在电阻炉或感应炉中熔炼时,t接近铝液温度,很难测定。
可按下式求
Sz=SxPo
Sx,大气相对湿度,%
P0饱和蒸汽压,毫米汞柱
在柴油煤气炉中水气分压~等于100毫米汞柱高。
结论:
当熔炼温度相同时,氢在纯铝液中的溶解度只和水气分压,大气湿度有关。
(三)吸氢动力学
主要考虑氢在铝液中的扩散。
动力学过程
1气体分子撞击到金属液表面。
2H2-----2H
3金属液表面吸附氢原子
4气体原子扩散并溶入金属内部。
D=k(PH2)0.5exp(-E/2RT)
E扩散热J/mol
PH2氢分压,大气压
R气体常数J/mol*K
TK
K常数
在实际生产中合金元素和氧化夹杂对氢的扩散系数有相当大的影响。
例如:
AL-SI合金
SI增加,D下降,(D<6%)
SI增加,D上升,(D)6%)
(四)氧化膜的性质及对吸氢的影响
室温下的氧化膜,非晶,厚度2~20纳米。
450度,γ-AL2O3,密度,3,49克/立方厘米。
660度,厚度达200纳米,VAL2O3/VAL=1.42,很致密。
三氧化二铝与铝液接触的一面很致密,和空气接触的一面是疏松的,存在大量的5~10纳米直径的小孔,小空中吸有水气和氢。
即使到890~900度,还能吸附少量水气。
当温度大于900度时,γ-AL2O3------α-AL2O3时氧化膜才完全脱水。
熔炼划破氧化膜,或把氧化膜卷入铝液中都可能把水和氢带入铝液中。
(五)铝液中AL2O3和氢之间的相互作用。
在铝液中,三氧化二铝越多,氢含量也越多。
γ-AL2O3,χ-AL2O3能强烈吸附水气和氢。
600~700度时,吸附能力最强。
氢在铝液中以两种形式存在,以使溶解在铝液中,占90%,另一是吸附在氧化夹杂中,占10%。
氧化夹杂使脱氢困难。
氧化夹杂是气泡形成的基地。
当三氧化二铝含量小于0。
001%时,铝液中不再形成气泡。
(六)合金元素对吸氢的影响
1影响氧化膜
氧化活性排序Be-Mg-AL-Ce-Ti-Si,在铝后面的不是表面活性元素。
他们一部分进入铝液,一部分进入氧化膜形成复合氧化膜保护铝液不氧化。
在铝前面的Mg,Na,Ca,Be,都是表面活性元素,比重也小于铝,富集表面,优先氧化。
Mg>1%时,铝液表面氧化膜完全由MgO组成,无保护作用.
Be,MgO和BeO复合可以形成致密氧化膜保护铝合金液不氧化。
(0.03~0。
07%Be)
S,MgS,也可以起到Be的作用。
La也可以起到Be的作用。
2对氢溶解度的影响。
Mg上升,溶解度上升。
Cu上升,溶解度下降。
Si上升,溶解度下降。
(七)熔炼时间对吸氢的影响
三铝液中析氢条件
(一)呼氢热力学条件
铝液温度下降,氢气析出;铝液上方水气压力下降,氢气也开始析出。
(二)呼氢动力学
1与铝液氢含量和铝液深度有关
2氢在铝液中向气泡核获表面运动。
1)阻碍因素
合金元素Si,TiMg,Cu,使扩散系数下降,氧化夹杂使扩散系数下降。
2)措施
搅拌,,冷凝,真空处理
3气体透过表层氧化膜
四铸铝合金中形成气孔的机理及防治方法
(一)铝液中形成针孔的特点
1气体和金属液的湿润角越大,金属液的表面张力越大,比重越小,气跑越不容易脱附,铸造合金越容易形成气孔。
2金属液黏度
(三)形成气孔机理及防治方法
含气量是形成气孔的先决条件,但是是否能形成气孔还取决于
1铸件凝固速度
2外压。
防治方法
1降低氢在铝液中的溶度
a改善熔炼操作,防止带入氢源,如水,油。
B采用真空熔炼或惰性气体保护熔炼。
C采用精炼措施
2提高外压的措施
a压力铸造
b在高压釜中浇铸,凝固。
C采用发起冒口和大气压力冒口。
五合金成分(凝固特性对形成气孔的影响)
1结晶区间大
2结晶区间小
在铝硅合金中气孔倾向最大的是在含硅量为6~8%。
六铝合金精炼工艺
(一)吸附精炼
目的:
除气和除氧化夹杂
原理:
依靠精炼剂的吸附作用除去夹杂和气体。
特点:
精炼作用仅发生在吸附界面上。
浮游法,熔剂法,过滤法。
1浮游法
1)通氮精炼
a原理,过程描述
参照图
b通氮工艺
温度710~720度。
注意:
Mg+N----MgN该反应降消耗大量镁,含镁铝合金不能用该法。
缺点:
氮气泡的吸附能力差,仅能吸附体积为本身体积十分之一的氢。
改进:
氮气氯气联合精炼。
工艺:
从680~690度开始。
时间:
5~10分钟。
2)通氯精炼
CL2+AL------ALC3
CL2+H------HCL
这两反应产物都不溶于铝液,精炼效果优于氮。
注意用氯气是要注意排除氯气中的水汽是含水量小于0。
08%。
,如果水汽含量大于0。
23%。
,铸件废品率达50%
通氯装置:
氯气瓶-----硫酸干燥瓶------水银压力剂,石英管组成。
压力100mm汞柱高,铝液温度670~690C
ZL101,zl102,zl104,zl109通气7~10分钟。
缺点:
氯气有毒
改进:
通上,比率90:
10
3)三气精炼
N2---CL2-----CO
原理
AL2O3+CL2-----ALCL3+O2
O2+CO---------CO2
O2+CO---------CO2
AL2O3+CL2+CO--------ALCL3+CO2
特点:
AL2O3,CO2都有精炼作用,还能分解三氧化二铝夹杂
N2的作用是稀释CL2,改善劳动条件
气体比例:
CL2:
CO:
N2=1;1;8
精炼温度705~820度
4)氯盐精炼
ZnCL2,MnCL2,C2CL6,CCL4,TiCL4
原理:
AL+3MeCL-----ALCL3+3Me
特点,节约了一套通气装置。
ALCl3毒性小于氯气。
AZNCL2熔点365度,沸点732度
B加入量:
0.1~0。
2%
C用锺罩加入
D反应完后,静置3~5分钟。
精炼温度小于730度。
MnCL2
反应速度较慢,吸水少,保存方便不宜挥发,还可细化晶粒。
但是价格较贵。
C2CL6
沸点121度
C2Cl6----C2CL4+CL2
CL2+Al-----ALCL3
优点,不吸潮,不必脱水,为了反应缓慢,,加入缓冲剂。
镁容易被烧损。
无毒精炼剂
配方:
NaNO3,KNO3,graphitepowder,Na3ALF6,Na2SiF6NaCL,refractorybreak
主要反应:
MeNO3+C----MeNO3+N2+CO2
Na3ALF6,Na2SiF6起缓冲作用。
NaCl起缓冲作用。
2熔剂法
1)要求
不与铝液反应,熔点高于铝液熔点,低于熔炼温度,这保证熔炼时呈液态起覆盖作用,浇铸前结成硬壳。
易去除。
比重小于铝液。
有良好的流动性,容易在铝液表面形成连续的保护膜。
能够吸附AL2O3,有良好的精炼作用,便宜来源广。
KCLNaCL混合盐满足大部分要求。
是最常用的覆盖剂。
3)熔剂的工艺性能
铺开性
分离性
精炼性
讨论
1KCLNaCL混合盐熔点低,共晶成分45%KCL+55%NaCL的熔点为650度
2表面张力小
3加入少量氟盐增加熔渣与液体的界面张力,便于分离。
4Na3ALF6吸附和溶解AL2O3,也使熔渣和铝液分离。
5NaF具有变质作用,能侵蚀Al2O3和铝液界面上的金属本体是氧化膜机械脱落,溶于熔剂中,所以有精炼作用。
Na2SiF6在铝液熔炼温度下分解
Na2SiF6----SiF4+NaF
SiF4挥发成气体,起精炼作用,除气。
另外
Na2SiF6+Al2O3-----Na3AlF6+SiO2+ALF3
3过滤
1)过滤装置
见图
2)过滤剂
a非活性过滤剂
石墨碎屑,镁砖碎屑,玻璃纤维
b活性过滤剂
NaF,CaF,Na3ALF6
以上除渣效果明显,但除氢效果不明显
(三)精炼温度的选择
730~750度
影响因素
合金种类,合金元素
(四)联合精炼
1过滤---通惰性气体
2氯盐----过滤处理
3C2Cl6-----Na3ALF6(三小时更换一次)
七精炼效果检测
1含气量检验
1)常压检验
2)减压凝固试样
2氧化夹杂的测定
化学分析法
成品检验
1低倍组织检验
2X光透射照像
第二节铝硅合金的变质处理
一,共晶亚共晶铝硅合金的变质处理
用钠变质处理的铝硅合金含硅量在6~11%。
如果铸件壁厚或者是砂型铸造,变质处理是不可缺少的工艺。
(一)变质剂成分的选择和制备
1金属钠
变质温度740~780度
特点:
铝液易沸腾,产生飞溅,促使铝液氧化,吸气,操作不安全。
产生气孔。
2钠盐变质剂
1)成分
二元NaF(67%)+NaCl(33%)temperatureininoculation:
750~780C
三元NaF(25%)+NaCl(62%)+KCl(13%)730~750C
泛用NaF(67%)+NaCl(33%)+Na3AlF6(15%)800C
参与变质作用的盐是NaF按如下反应
6NaF+Al------3Na+Al3Al2F6
效果安全可靠
3)变质剂制备工艺
各组元脱水,粉碎,混合
(二)变质工艺
工艺参数:
变质温度,变质时间,变质剂用量,操作方法
1温度:
稍微高于浇注温度
2时间:
压盐法,切盐法----覆盖时间10~12分钟,压盐时间3~5分钟。
搅拌法:
5~7分钟。
3变质剂用量
纳的有效用量0。
01~0。
014%
熔炼100公斤铝硅合金,需要加入0。
025公斤NaF.
采用三元变质剂,40%NaF,40%NaCl,20%KCl,需要0。
063公斤。
重要的是考虑反应不完全,所以变质剂的加入量一般是炉料的2~3%。
生产中加入量一般为2%。
,如果冷却速度快,还可以减少加入量。
4操作方法
精炼完毕------撇渣----撒上一层变质剂------保温10~12分钟-------把结块的变质剂压入铝液3~5分钟-------取样检测
搅拌法
(三)其它变质方法
Sb变质剂:
加入量为0。
4%,以Al-Sb中间合金形式加入。
注意不能和钠盐变质剂处理的铝料混用。
Sr变质:
Sr加入量0.02~0.06%,以Al-Sr中间合金形式加入。
Bi变质:
Bi加入量0。
4%,以Al-Bi中间合金形式加入
(四)变质效果检验及常见缺陷
1变质不足时,晶粒粗大,断口成灰色,可以看见发亮的硅晶粒
2变质正常时,断口犹如银白色丝绒晶粒很细,看不到硅晶粒亮点
3变质剂过多,时间延长,会产生变质过渡,断口呈青灰色,晶粒粗大。
二过共晶铝硅合金的熔炼和变质
(一)细化剂及细化效果
主要变质剂是磷,使用赤磷,加入量0。
5%,既可细化初晶硅,但是污染大。
改进:
1含赤磷粉的混合变质剂
1)10%P+90%C2CL6
加入量0。
25%
铝液温度:
830~850度
特点:
产生较多的Cl,对人体有害;铝液翻腾激烈,合金吸气严重,生成氧化夹杂。
2)20%P+70%KCl+10%K2TiF6
加入量:
0。
5~0。
8%,反应缓和,减少吸气和氧化夹渣,还可细化晶粒。
2含磷中间合金
P-Cu,党合金种含铜时,可以使用该变质剂。
3含磷中间化合物
1)氯氮化磷PNCL2
2)NaPO3+10%Al2O3+10%V2O5
加入量1-2%
粉状,撒入合金液表面,10——15分钟
(二)影响变质效果的工艺因素
1最佳含磷量0。
001—0。
05%
2变质温度高于液相线150度。
大低,ALP聚集长大失去核心作用。
大高,合金吸气严重。
3变质和精炼配合
变质后保留液体3~5小时后,变质效果将会逐渐消失,但是采用C2CL6再一次精炼后,可以使变质
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