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文檔簡介

5.1鑄造鋁合金5.2鑄造銅合金5.3鑄造鎂合金5.4鑄造鋅合金5.5鑄造軸承合金5.6鑄造鈦合金5.7鑄造高溫合金鑄造非鐵合金鑄造非鐵合金鑄造非鐵合金也稱鑄造有色合金,在制造產業(yè)中占有重要地位,廣泛應用于航空、航天、船舶、汽車、軌道交通、化工、能源、電子電器和運動休閑等領域,由其所帶動的產業(yè)在國民經濟中起著重要的支撐作用。目前應用的鑄造非鐵合金包括鋁合金、銅合金、鎂合金、鋅合金、鈦合金、錫基和鉛基軸承合金、鎳基和鈷基高溫合金等材料,約占各類鑄件總量的20%左右,由于減重降耗的要求,其應用具有明顯的增長趨勢,例如在汽車產業(yè)中,需要將鋁合金鑄件從現有的占鑄件總重量的10%增長到30%左右,而在航空工業(yè)中,鋁鑄件更是占到鑄件總量的80%以上。5.1鑄造鋁合金5.1.1鑄造鋁合金的分類

鋁是非鐵金屬中最常用的金屬,鋁的世界年產量比其他非鐵金屬總和還要多。純鋁在20℃時的密度為2.7g/cm3,約為鐵的1/3。純鋁的熔點較低,為660℃。純鋁具有優(yōu)良的導電性和導熱性,表面有一薄層幾乎透明而致密的氧化膜保護,表面有光澤,在大氣、淡水及氧化性酸類介質中有良好的耐蝕性。純鋁塑性好,但強度和硬度較低,不宜用于制造結構件。純鋁是電工器材中的重要原材料。在鑄造車間,工業(yè)純鋁一般作為熔制合金的原料使用。近年來用工業(yè)純鋁鑄造水冷結晶器和其他要求導熱性良好的零件受到重視。

以鋁為基加入各種合金元素組成各種作為結構材料的鋁合金,力學性能大幅度提高。鑄造鋁合金因主要的化學成分不同,它們的力學性能、物理性能和工藝性能也各有特點,簡述如下:1.鋁-硅類合金

其具有優(yōu)良的鑄造性能,經過變質處理后,還具有良好的力學性能,其耐熱性和耐蝕性也較好,是鑄造鋁合金中產量最大的一類合金。2.鋁-銅類合金

其最大特點是具有較高的室溫和高溫力學性能。但比重較大,耐蝕性和鑄造性能較差。3.鋁-鎂類合金

它是密度最小、耐蝕性最好、強度最高的鑄造鋁合金,但高溫強度較低,一般工作溫度不超過200℃,鑄造性能較差,熔煉鑄造工藝也較復雜。4.鋁-鋅類合金

它是鑄造鋁合金中最便宜的一種,力學性能較高且不經熱處理可直接使用,但密度較大,耐蝕性較差。5.1.2鑄造鋁硅合金1二元鑄造鋁硅合金鋁硅二元相圖是簡單的共晶型相圖,見圖5.1。共晶溫度為577℃,共晶點的硅含量為12.6%。α相是硅溶于鋁形成的固溶體,在共晶溫度時硅的溶解度最大,可達1.65%,而在室溫時則只有0.05%。β相是鋁溶于硅形成的固溶體。由于β相中含鋁極少,所以可用Si來表示,β相是硬而脆的相。由狀態(tài)圖可知,鋁硅二元合金的室溫組織為α固溶體和硅。共晶成分鋁硅合金的鑄態(tài)組織是α固溶體和粗大針狀硅構成的共晶組織。亞共晶成分鋁硅合金的鑄態(tài)組織為共晶組織+樹枝狀α固溶體。過共晶成分鋁硅合金的鑄態(tài)組織是共晶組織和多角形塊狀的初晶硅。組織中有粗大的初晶硅或粗大的針條狀共晶硅,都使鋁硅合金的力學性能下降,特別是對塑性的影響更為顯著。在工業(yè)生產中,鑄造鋁硅合金都經過變質處理,處理后的組織和性能都發(fā)生很大變化。變質處理使共晶點向右下方移動,共晶溫度由577℃降到564℃,共晶點含硅量由12.6%增到14%左右,從而使變質前后的組織差別很大,如圖5.2所示。ZLl02合金是典型的二元鑄造鋁硅合金,含硅量為10~13%。當含硅量達13%時,如不經變質處理,鑄造得到的是粗大的呈條狀或針狀的共晶體和塊狀的初晶硅組織,見圖5.2(a)。經變質處理后,由于共晶點右移,呈現亞共晶組織,見圖5.2(b)。組織中的初晶硅消失,出現了樹枝狀α固溶體初晶。由于變質劑的作用,降低共晶轉變溫度使結晶細化,組織中的硅變成水草狀,在普通金相顯微鏡下呈顆粒狀。Al-Si合金變質后,其抗拉強度和延伸率都有很大的提高,見圖5.3。2多元鑄造鋁硅合金

二元鋁硅合金的缺點是力學性能偏低。為了提高力學性能,要在二元鋁硅合金中再加入鎂、銅、錳等合金元素組成多元的特種鋁硅合金。這些元素中有的可以生成新的強化相,如Mg2Si、Al2Cu等,使鋁硅合金可以經過熱處理來強化。雖然經過熱處理后硅的變化不很大,但新的強化相能以彌散的微小質點形式分布于α基體上,可以提高合金的力學性能。有的元素(如Mn)加入后能降低鐵對合金的有害影響。有的元素(如Ti)可以細化組織,提高合金的力學性能。

我國常用的多元鋁硅合金主要是鋁—硅—鎂系、鋁—硅—鎂—錳系和鋁—硅—鎂—銅系合金。5.1.3鑄造鋁銅合金鑄造鋁銅類合金是工業(yè)上最早采用的鑄造鋁合金。這類合金最主要的優(yōu)點是具有足夠的強度、良好的熱穩(wěn)定性和切削加工性能。熔化時生成氧化膜的傾向小,熔煉工藝簡單。它的缺點是比重大、耐蝕性低,有些合金容易形成裂紋。鋁銅類合金中CuAl2越多,則腐蝕進行越快。在淬火狀態(tài),銅固溶于鋁中,使CuAl2數量減少,則合金的耐蝕性能提高。近年來一些高強度鋁合金和耐熱鋁合金都是在鋁銅類基礎上發(fā)展起來的。1二元鑄造鋁銅合金ZL202、ZL203是典型的鋁銅類二元鑄造合金,ZL202含有銅9.0~11.0%,ZL203含有銅4.0~5.0%。

從鋁—銅二元狀態(tài)圖(圖5.4)可知,在含銅為54.1%處形成電子化合物CuAl2。CuAl2可微溶一些Al,成為一個單相區(qū)。在純鋁與CuAl2之間構成了一個一般共晶型狀態(tài)圖。共晶溫度為548℃,此時銅在α固溶體中最大溶解度為5.65%,而室溫時溶解度低于0.1%,因此可利用熱處理方法強化合金。

ZL203合金含有銅4.0~5.0%,從平衡狀態(tài)圖分析,組織中不應存在共晶組織,是由α固溶體和在晶界上分布的CuAl2組成。但由于鑄造條件使結晶偏離平衡,發(fā)生偏析現象,因而在合金中有少量(α+CuAl2)共晶物出現,見圖5.5(a)。

經過淬火處理,可以得到過飽和的α固溶體(圖5.5(b))。強度和塑性都比鑄態(tài)高。ZL203合金在淬火狀態(tài)下使用。如果因時效而析出CuAl2,則塑性降低。ZL203合金含銅較低,結晶范圍較大,流動性低,線收縮大,熱裂傾向大,力學性能的壁厚效應較大,故一般用來鑄造金屬模型及形狀簡單、強度要求較高的小型零件。2多元鑄造鋁銅合金ZL201是在鋁—銅系基礎上加入一些合金元素組成的鋁—銅—錳—鈦系多元合金。加入錳可以強化固溶體和產生新的強化相,能提高力學性能。此外,還能提高合金的耐蝕性。加入鈦可以細化晶粒,提高力學性能。ZL201合金的室溫力學性能很高,抗拉強度可達400~440N/mm2,硬度為HB120,故稱高強度鑄造鋁合金。這種鋁合金可鑄造工作溫度在175~300℃的形狀簡單的零件。ZL201合金鑄造性能差,其流動性差、形成熱裂和縮松的傾向大、線收縮大、氣密性低,鑄造工藝比較復雜。熔煉時工藝也較復雜,要用高純度的爐料。熱處理時對熱處理工藝要求也較嚴格。5.1.4鑄造鋁鎂合金鋁鎂類鑄造合金是鋁合金中密度最小、強度最大、在海洋和大氣氣氛中有最高的耐蝕性的合金。它還具有良好的切削加工性和焊接性。因此廣泛應用于航空、造船等工業(yè)部門。1二元鑄造鋁鎂合金

由鋁一鎂狀態(tài)圖(圖5.6)可知,在鋁的一側是簡單的共晶型合金,當鎂量小于35%時,平衡組織為α和β兩相。α相為鎂在鋁中的固溶體,在共晶溫度(451℃)時的最大固溶量為14.9%,室溫時降至1.4%。β為Mg2Al3化合物,α和β能形成共晶體。ZL301是典型的二元鋁鎂合金,含有9.5~11.5%的鎂。其鑄態(tài)組織為α固溶體和沿晶界分布的Mg2Al3組成(圖5.7),性質較脆,一般在淬火狀態(tài)下使用。2多元鑄造鋁鎂合金ZL302合金是典型的鋁—鎂—硅—錳四元合金,它含有鎂4.5~5.5%,硅0.8~1.3%,錳0.1~0.4%。在鋁鎂合金中加入硅可以使流動性提高,加錳能減少雜質鐵的有害作用。有時為了細化晶粒還加入少量的鈦和鋯。ZL302合金中鎂含量低而且含有硅,能生成Mg2Si相,有時出現少量的Mg2Al3相。它的組織是由α固溶體和在晶界上的Mg2Si、Mg2Al3、Al10Mg2Mn等相組成。含鎂5%左右時熱處理強化作用不大,所以ZL302合金一般在鑄態(tài)下使用。它的室溫強度沒有ZL301好,但有良好的工藝性能,且具有良好的流動性和氣密性,形成裂紋的傾向也很小。5.1.5鑄造鋁鋅合金圖5.8是A1-Zn二元相圖,可見Zn元素在Al中的溶解度變化很大。室溫下顯微組織為α(Al)+β(Zn)。由于β(Zn)的顯微硬度低于α(Al),它對α基體的變形不起阻礙作用,Al-Zn二元合金的熱強性很低。其次,β(Zn)和α(Al)的電子電位差很大,耐蝕性低,故Al-Zn二元合金在工業(yè)上沒有實用價值。5.1.6鋁合金鑄件的熱處理1熱處理的目的為提高鋁合金鑄件的服役性能,需要進行相應的熱處理。熱處理的目的包括:1)鋁合金鑄件在鑄造之后存在著殘留鑄造應力,它不但減小零件承載能力,還能引起零件變形。為消除這部分應力,鑄件必須進行熱處理。2)鋁合金在鑄造條件下結晶,常常偏離平衡狀態(tài),鑄件本身保留有不穩(wěn)定相。3)有些鋁合金在鑄造過程中獲得的鑄態(tài)組織不理想,力學性能不高。通過熱處理方法可改變?yōu)樾碌慕M織,從而使性能得到提高。4)有時為了改善成分偏析也要求進行熱處理。2熱處理工藝分類鋁合金熱處理工藝主要可分為退火、固溶處理、時效處理和循環(huán)處理四類。1)退火將鋁合金鑄件加熱到較高溫度,一般為300℃左右,保溫一定的時間后,隨爐或空氣中冷卻到室溫的工藝稱為退火。2)固溶處理(淬火)將鑄件加熱到接近于固相線溫度(530℃左右),并保持足夠長的時間后快速冷卻,以獲得成分均一的過飽和α(Al)固溶體。該過程稱為固溶處理,又稱淬火。固溶處理可以提高合金的力學性能,特別是具有很好的塑性,并改善耐腐蝕性能。在固溶處理過程中會發(fā)生以下情況:(1)將沉淀強化的合金元素溶解。(2)未溶解成分的球狀化。(3)微觀組織和成分均勻化。影響固溶處理的效果主要有下列三個因素:(1)固溶處理溫度。溫度越高,強化元素溶解速度越快,并使其固溶度提高,強化效果好。(2)保溫時間。保溫時間主要取決于強化元素原子的擴散速度和微觀組織的粗化程度,這與合金的種類、成分、組織、鑄件的形狀和壁厚,以及鑄造方法等因素密切相關。(3)冷卻速度。當鑄件從固溶溫度冷卻過程中,強化元素的溶解度要減少,α(Al)中的溶質將析出并向晶界擴散。3)時效處理4)冷熱循環(huán)處理

3熱處理狀態(tài)及代號我國鑄造鋁合金常用的熱處理狀態(tài)及代號如表5-3所示。表5-3鑄造鋁合金的熱處理狀態(tài)及代號為便于比較,鑄造狀態(tài)以“F”表示。國外與表5-3對應的熱處理狀態(tài)大致相近,但其代號不盡相同。鋁合金鑄件的熱處理,因固溶處理溫度范圍較窄,所以要求爐內溫度均勻,控制準確。為滿足上述要求,常用電阻爐和電熱鹽浴爐。

電阻爐分為箱式和井式兩種,應用較多的是井式爐。電阻爐多用于鋁合金鑄件的淬火和時效處理。

電熱鹽浴爐加熱鑄件具有升溫快而且溫度均勻的特點,多用它處理形狀不太復雜的厚壁小零件,但不宜用于鋁鎂合金。5.1.7鑄造鋁合金的熔煉根據鑄造鋁合金生產條件不同,可采用不同的熔爐熔化,如坩堝爐、反射爐、感應電爐等。坩堝爐一般采用電阻元件加熱,如電阻絲和硅碳棒,坩堝有鑄鐵坩堝、石墨坩堝和碳化硅坩堝等。熔制鋁合金的反射爐所用燃料有液體燃料、氣體燃料和焦炭等。鋁合金使用的感應電爐的原理和結構與鋼鐵使用的相同,只是熔化溫度低,因此對爐襯的耐火度要求也低。1鑄造鋁合金的熔煉特點

鋁合金易氧化和吸氣,從而使其熔煉工藝控制較為復雜,必須十分注意。鋁及鋁合金中的一些合金元素,容易氧化造成氧化夾雜,清除不凈就會使力學性能降低。在生產中常用浮游法,即結合精煉去氣的措施,利用氣泡吸附氧化夾雜物微粒上浮,凈化合金液體。2鑄造鋁合金的去氣與精煉一般所謂“去氣”是指去除合金中的氣體,“精煉”是指去除合金中的夾雜物。因鋁合金熔煉時去氣和精煉二個工序多合并進行,故生產上習慣將這兩個工序統稱為精煉。鋁合金中的氣體主要是氫氣。去氣也主要是去除氫氣。目前去氣的方法主要是在鋁液中制造大量的氣泡。這些氣泡中的氣體可能是在鋁液內部經化學反應產生的,也可能是由外部經導管直接吹入的。由于這些氣泡里沒有氫氣,所以氣泡中氫的分壓等于零。溶解于鋁液中的氫原子就向氣泡里擴散,如圖5.10所示。由于氣泡密度小而上浮,當氣泡上浮到鋁液的液面時,氣泡破裂氫氣逸入大氣。如此制造大量氣泡就可使鋁合金的含氫量降低。3鑄造鋁合金的變質處理

變質處理是鋁合金常用的組織控制手段,是指在鋁液中加入少量添加劑,使金相組織發(fā)生明顯變化,獲得理想的合金組織。

鋁合金變質處理大致可分如下三類:第一類是晶粒細化處理,主要用來細化固溶體合金的α(Al)晶粒,Al-Cu類、Al-Mg類合金應用較普遍,常見的晶粒細化劑有鈦、硼、鋯及稀土金屬等,以中間合金或鹽類形式加入鋁液中,與鋁發(fā)生反應形成的反應產物均起到晶粒細化作用;第二類是共晶體變質,用來改變共晶體的組織,廣泛應用于Al-Si共晶合金,鈉對Al-Si共晶合金的共晶組織有明顯的細化作用,在生產中應用最廣泛的變質劑是由鈉鹽和鉀鹽混合而成,另外還有鍶、銻、稀土元素變質劑等。5.2鑄造銅合金5.2.1鑄造銅合金的分類

純銅在室溫下呈紫紅色,故又稱紫銅,具有很好的導電、導熱及耐蝕性能。銅合金是人類最早使用的鑄造合金,也是現代工業(yè)中廣泛應用的結構材料之一。銅合金具有較高的力學性能和耐磨性能,良好的導熱性和導電性。銅合金的電極電位高,在大氣、海水、鹽酸、磷酸溶液中均有很好的抗蝕性,因此常用作船艦、化工機械、電工儀表中的重要零件及換熱器。

鑄造銅合金中,以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅,按第二種合金元素的不同分為錳黃銅、鋁黃銅、硅黃銅、鉛黃銅等。不以鋅為主要合金元素的銅合金統稱為青銅,按主加元素不同又分為錫青銅、鋁青銅、鉛青銅、鈹青銅等,另外以鎳為主要合金元素的銅合金稱為鎳青銅,又稱白銅。5.2.2鑄造錫青銅1Cu-Sn二元合金相圖圖5.11為Cu-Sn二元相圖,存在α、β、γ、δ幾個相,其中α相是錫溶于純銅中的置換型固溶體,面心立方晶格,故保留純銅的良好塑性。β相是以電子化合物Cu5Sn為基的固溶體,體心立方晶格,高溫時存在,降溫過程中被分解。γ相是以CuSn為基的固溶體,性能和β相相近。δ相是以電子化合物Cu31Sn8為基的固溶體,復雜立方晶格,常溫下存在,硬而脆。

由于錫的原子直徑dSn=3.16×10-10m,比銅的原子直徑dCu=2.56×10-10m大得多,錫原子在銅中的擴散速度極慢,在520℃發(fā)生共析轉變后,α的成分不再變化,可按圖5.11中的虛直線進行轉變。由于銅側的Cu-Sn二元合金的凝固溫度范圍很寬,發(fā)生非平衡結晶的結果,相變將按照Cu-Sn二元實用相圖進行,α相區(qū)將隨冷速增大而縮小,如圖5.12所示。2錫青銅的組織與性能特點Cu-Sn二元合金的力學性能取決于組織中(α+δ)共析體所占的比例,即含錫量及冷卻速度決定合金的力學性能,如圖5.13所示。從圖中可知,含錫7%~10%之間的合金具有最佳的綜合力學性能。5.2.3鑄造鋁青銅1Cu-Al二元合金相圖圖5.15為Cu-Al二元相圖銅側,只存在α、β、γ2三種相組成。α相具有銅的面心立方晶格,塑性高并因溶入鋁而強化,故單相α鋁青銅用于冷、熱壓力加工型材;β相是以電子化合物Cu3Al為基的固溶體,體心立方晶格,在高溫時穩(wěn)定,降溫過程中共析分解為(α+γ2);γ2相是以電子化合物Cu32Al19為基的固溶體,具有復雜的立方晶格,硬而脆,出現γ2相后,合金的塑性下降。2鋁青銅的組織與性能特點二元鋁青銅的力學性能主要決定于含鋁量,如圖5.16所示。含鋁6%處有伸長率的峰值,繼續(xù)增加含鋁量,伸長率開始下降,強度則仍舊升高,而在含鋁10%處強度達到峰值,此后隨鋁量的增加,伸長率和強度均明顯下降。因此,含鋁量一般控制在9%~11%。5.2.4鑄造鉛青銅1Cu-Pb二元合金相圖圖5.18為Cu-Pb二元相圖,鉛幾乎不溶于銅中。含鉛低于36%時,降溫過程中,先析出α相,然后在955℃發(fā)生偏晶反應:L1→α+L2。在955~326℃之間,富鉛的L2不斷析出,在含鉛為99.94%、326℃時發(fā)生共晶反應:L2→α+Pb。2鉛青銅的組織與性能特點ZCuPb30合金牌號名稱為“30鉛青銅”,其顯微組織如圖5.19所示。此合金適用于承受高負荷、高轉速并受沖擊的重要軸套。它的導熱性好,不易因摩擦發(fā)熱而與軸頸粘結,工作溫度允許達300℃。但因其力學性能很低,不能作為單體軸承,而應鑲鑄在鋼套內壁上,制成雙金屬軸承。5.2.5鑄造黃銅鑄造黃銅是以鋅為主加元素的銅合金,結晶溫度范圍小,充型能力強。鋅的沸點低,有自發(fā)的除氣作用,因而鑄造性能好。鋅的價格便宜,成本較低,力學性能卻比錫青銅高得多,因此應用很廣泛。

鑄造黃銅的主要缺點是脫鋅腐蝕,在海水或帶有電解質的腐蝕介質中工作時,電極電位較低的富鋅β相與富銅的α相之間產生相間電流,β相成為微電池的陽極而被腐蝕脫鋅。最后β相只剩下銅的骨架,成為構件斷裂的根源。使用時必須采取措施,防止脫鋅腐蝕。1Cu-Zn合金二元相圖Cu-Zn二元相圖如圖5.20所示,α固溶體的相區(qū)很寬,在平衡相圖中,鋅在α中的最大溶解度為39%,但在鑄造條件下,由于非平衡結晶,在相同的溫度456℃鋅的最大溶解度降為32%左右。2二元黃銅的組織與性能特點Cu-Zn二元合金的力學性能與含鋅量的關系如圖5.21所示,鋅低于32%時是α相單相組織,α相是以銅為基的固溶體,面心立方晶格,塑性好,當鋅量增加時,強度、塑性均提高,在Zn30%附近有一伸長率的峰值。繼續(xù)增大鋅量,伸長率開始下降,當鋅量達32%~39%時。組織開始出現β相。β相是以電子化合物CuZn為基的固溶體,體心立方晶格,在456~468℃間發(fā)生有序化轉變:β→β’。高溫無序的β相塑性好,可以承受壓力加工,室溫下的有序β’相塑性差,不能承受壓力加工,但強度、硬度高,因此室溫下的強度繼續(xù)增加,直至Zn45%附近出現峰值。Zn量超過45%后,進入β單相區(qū),強度、伸長率均劇烈下降,已不適于作為結構材料。5.2.6鑄造銅合金的熔煉銅合金熔煉可以在各種坩堝爐、反射爐及感應電爐中進行。各種坩堝爐設備價格低廉、操作非常方便,是目前常用的銅合金熔煉設備。銅合金熔煉的一般工藝過程主要為熔煉前的爐料準備、坩堝預熱、投料熔化、脫氧、精煉除氣、調整化學成分和溫度、扒渣、澆鑄。銅合金液易氧化、吸氣,一般應遵守“快速熔煉、及時澆注”的原則。各種常用鑄造銅合金的熔煉工藝要點見表5-6。5.3鑄造鎂合金5.3.1鎂及鎂合金的特性1純鎂的性能

鎂為銀白色金屬,具有密排六方晶格,熔點為650℃,20℃時的密度為1.74g/cm3,不到鋼的1/4,鋁的2/3,是最輕的工程金屬,具有較高的比強度,切削加工性能比鐵、鋼好,能夠進行高速切削,承受沖擊載荷的能力強,尺寸穩(wěn)定性較高。

鎂的化學活性很強,在空氣中容易氧化,尤其在高溫時,氧化反應放出的熱量不能及時散失,很容易燃燒。鎂的電極電位很低,所以抗蝕性很差。在潮濕大氣、淡水、海水及大多數酸、鹽溶液中易受腐蝕。鎂在空氣中形成的氧化膜疏松多孔,故保護性很差。2鑄造鎂合金的牌號及性能

鎂合金中主要合金元素是鋁、鋅、錳、鋯和稀土等,我國鑄造鎂合金的牌號和化學成分見表5-7,鑄造鎂合金的力學性能見表5-8。3鎂合金的熱處理特點熱處理是改善或調整鎂合金力學性能和加工性能的重要手段。由于鎂合金中原子擴散速度慢,因此在固溶處理和時效時需要保持較長的時間。同樣的原因,鑄造鎂合金在淬火時,不需要快速冷卻,一般是在空氣或人工氣流中冷卻。鎂合金的人工時效溫度比鋁合金高,達到175~250℃。鎂合金的氧化傾向比鋁合金大,因此加熱爐中應保持中性氣氛或通入保護氣體,通常通入SO2或在爐中放置一定數量的硫鐵礦碎塊,以防止鎂合金的氧化或燃燒。鎂合金鑄件的熱處理狀態(tài)及用途見表5-9所示。5.3.2鎂鋁鋅合金Mg-Al-Zn系合金是工業(yè)上應用最廣的一種鎂合金,ZM5為其代表。該合金的特點是強度高、塑性好、鑄造性能好。

圖5.23是Mg-Al-Zn系25℃等溫截面。由圖可知,ZM5的平衡組織為δ+γ。δ相是以鎂為基同時溶入鋁和鋅的固溶體。γ相為Mg17All2。鋁在鎂中的溶解度,437℃時最大為12.6%,隨溫度下降而迅速變小,室溫時僅為1.5%左右。因此該合金可以熱處理強化,強化相為γ。鋁的含量對合金的性能影響很大,隨著鋁含量的增加,合金的結晶溫度范圍變小,流動性變好,晶粒變細,熱裂、縮松等缺陷明顯地得到改善。隨著含鋁量增加,通過熱處理溶入鎂中的鋁又以γ相彌散析出,起到強化效果,使σb、σ0.2得到提高。但當Al≥9%時,組織中粗大γ相數量較多,固溶處理時γ溶入δ中的速度急劇下降,殘余的脆性γ相分布在δ相晶界上,力學性能急劇下降。兼顧鑄造性能和力學性能,鋁量應取8%~9%。ZM5合金的鑄態(tài)組織為以δ(Mg)固溶體為基體,沿δ相晶界以不連續(xù)網狀分布γ(M17Al12)相,以及散布在δ相中的細小的Mn-Al化合物質點。固溶處理時,γ相逐漸溶入δ固溶體中,有時會有少量的γ相仍留在晶界上。Mn-Al化合物的小質點固溶處理時,基本上沒有變化(圖5.24)。5.3.3鎂鋅鋯合金Mg-Zn-Zr合金與Mg-Al-Zn合金相比,具有較高的屈服強度和組織致密性,壁厚效應較輕,但合金的鑄造工藝性能較差,氧化和熱裂傾向高于Mg-Al-Zn系合金,焊接性能也較差。鋅是ZM1合金的主要組元,Mg-Zn二元合金在344℃產生共晶反應:L→α+Mg7Zn3,330℃時,發(fā)生共析轉變:Mg7Zn3→α+MgZn。MgZn化合物具有六方晶格,熔點為349℃。在共晶溫度下,鋅在鎂中溶解度為8.4%,室溫下則小于1.0%。在Mg-Zn系合金中強化相為MgZn,它對合金性能的影響與Mg17Al12對Mg-Al系影響相似,但MgZn在Mg-Zn系合金中強化效果更大一些。隨著含鋅量的增加,合金的強度(σb、σ0.2)逐步提高,在Zn6%處達到最大值。若再進一步增加鋅量,σb、σ0.2就不再提高,這是因為鋅不能再溶入δ固溶體的緣故。5.3.4鑄造鎂合金的熔鑄鎂可以在電阻坩堝爐、燃氣坩堝爐、無芯工頻感應電爐或反射爐中熔化。鎂合金的熔煉工藝有許多特別之處,必須有正確的認識,以免給工藝操作帶來困難。1鎂的化學特性鎂的化學活性很高,固態(tài)的鎂在空氣中會和氧反應生成的白色疏松的氧化膜(MgO),不能保護鎂不再氧化。鎂液遇氧氣會劇烈氧化而燃燒,發(fā)出耀眼的白光,最高溫度達2875℃。加鈹能改變氧化膜的特性,MgO-BeO復合膜對鎂液有良好的保護作用。2鎂合金的精煉

熔煉時鎂液與爐氣中的H2O反應生成MgO夾雜,鎂液和N2接觸也生成Mg3N2,當在熔劑保護下熔化時,鎂液中也會產生熔劑夾雜。所以鎂合金和鋁合金一樣,必須進行精煉。鎂合金的精煉是使鎂液上下循環(huán)流動,把經充分脫水烘烤的由氯鹽、氟鹽組成的精煉熔劑撤在液面上,使其隨著上下翻動的液流和鎂液充分接觸,多次循環(huán)把懸浮在鎂液中的夾雜物俘獲、沉淀到坩堝底部,靜置10min后鎂液呈“鏡面”狀,這樣合金中的氣體、氧化夾雜和熔劑夾雜將大大減少。3鎂合金的變質

未經變質處理的鎂合金,晶粒比較粗大,在厚壁處更為明顯。晶粒粗大將使合金的縮松和熱裂傾向大大加劇,力學性能下降很多,所以需對鎂合金液進行變質處理,使δ(Mg)基體細化,對于含鋁的ZM5合金,可采用“過熱變質”,即把精煉后的鎂液升溫到850~900℃,保溫10~15min,然后迅速冷卻到澆注溫度進行澆注。經驗表明,“過熱變質”必須是Mg-Al合金中含有一定量的鐵。其機理可能是隨著溫度上升,鐵在鎂中的溶解量增加,迅速降溫時,這些鐵就以大量不溶于鎂液的Mg-Al-Fe或Mg-Al-Fe-Mn化合物細小質點析出,成了鎂合金凝固時的結晶核心,使晶粒細化。4鎂合金的熔劑

鎂合金熔煉時用的熔劑分為覆蓋劑和精煉劑兩大類。熔劑應不與合金、爐襯、爐氣反應。傳統的熔劑都是用無水光鹵石(MgCl244%~52%,KCl32%~46%)添加BaCl2、CaF2構成,覆蓋、精煉的效果尚可,但由于熔劑的不斷下沉,需持續(xù)添加。熔劑熔化時釋放出來的HCl、HF、Cl2嚴重污染環(huán)境。國內新開發(fā)的覆蓋劑和精煉劑,也是以無水光鹵石為基體,添加一些固體化合物,使熔劑的熔點降低、粘度增加,在鎂合金熔煉溫度下,固體化合物分解,釋放出保護氣體,使熔劑發(fā)泡,密度下降,大大減緩了熔劑的沉降,這種熔劑對鎂液來說,兼有熔劑保護與氣體保護、熔劑精煉和氣體精煉雙重功效,能有效地防止鎂合金液的氧化和提高鎂合金的冶金質量,使用中釋放出來的有害氣體的含量遠低于國家標準,消除了公害,改善了環(huán)境。5鎂合金的型砂

鎂合金的澆注溫度不高,熱容量又小,不會產生嚴重的粘砂缺陷,因而型砂的耐火度可以差一些,同時為了得到表面光潔的鑄件,砂的粒度盡可能細一些。鎂合金的收縮率較大,高溫強度又低,容易產生熱裂,為了防止熱裂,必須采用強度較低的型砂,特別是型芯應有足夠的退讓性。鎂合金液進入型腔后,會激烈地和砂型中的H2O、SiO2以及型腔中的空氣(O2、N2)反應,放出大量的熱。由于鎂的表面氧化膜導熱性差,反應界面上溫度急劇升高,最后引起燃燒。為此,除盡可能降低型砂中的水分外,型砂中還應加入專門的保護劑。5.4鑄造鋅合金5.4.1鋅及鋅合金的特性

我國是世界上鋅資源最豐富的國家,儲量占世界總儲量的46%。鋅在20℃時的密度7.14g/cm3,熔點420℃,沸點907℃。常溫下鋅具有密排六方晶格,通常為六面體晶體,在斷裂面出現結晶狀。在六方基面中,原子之間的結合力比層間強,因此鋅具有各向異性。由于鋅的恢復特性及加工硬化程度很小,其蠕變抗力或承受長期變形的能力較小,因此純鋅不能直接用作工程材料,純鋅的強度、塑性都較差。鋅在空氣、各種酸類及海水等介質中易被腐蝕,可用作鋼質船舶或鋼鐵大型設備的犧牲陽極,以保護船舶、大型設備。鋅用作構件時進行鍍鉻或磷化處理,以防腐蝕。5.4.2鑄造鋅合金的牌號和成分鑄造鋅合金分為壓鑄合金和重力鑄造合金。我國鑄造鋅合金、壓鑄鋅合金的化學成分分別見表5-10和表5-11。5.4.3鑄造鋅合金的熔煉1鑄造鋅合金的熔煉特點

鋅合金主要采用坩堝爐熔煉,各種鋅合金的熔煉過程基本相似。鋅合金的熔煉溫度低,熔煉鋁合金的各種熔煉設備均可用來熔煉鋅合金,使用壽命也較長;鉛和錫嚴重降低鋅合金的耐蝕性,故應與熔煉銅合金的坩堝嚴格分開,通常鋅合金易滲鐵,用鑄鐵坩堝時,應和熔煉工具一起刷好涂料。

由于熔煉溫度低,鋅本身的蒸氣壓大,含氣量低,精煉要求比鋁合金低,有時可不進行精煉,熔耗也較少,約為1%~2%;爐料中回爐料比例大或澆注重要鑄件時,可采取靜置、氯鹽處理、惰性氣體及過濾等方法精煉。應用最廣的是氯鹽精煉,在450℃~470℃用鐘罩壓入氯化銨0.1%~0.2%或六氯乙烷0.3%~0.4%,可去除鑄造鋅合金中近80%的氧化夾雜和70%左右的雜質,如FeAl3等。2鑄造鋅合金的變質處理含鋁量較高的鋅合金,通常需要變質處理。變質細化劑主要包括含鈦鹽類、Al-Ti-B或Al-Ti中間合金及稀土元素。ZA27中加入鈰0.1%,強度、塑性均出現峰值,晶粒尺寸、枝晶間距、枝晶體積分數均變小,還能減輕鋁以及銅的偏析。表5-12為ZA27加鈰后力學性能和顯微組織的變化。鈰變質后經4次重熔,晶粒尺寸僅增大6%左右。5.5鑄造軸承合金5.5.1鑄造軸承合金的分類概述軸承合金是指用作滑動軸承軸套或軸瓦的金屬材料,是一種重要的機械零件材料?;瑒虞S承是汽車、拖拉機、機車、飛機等內燃機、發(fā)動機和動力機械上的重要耐磨零件,其質量的優(yōu)劣直接影響到這些機械的工況和使用壽命。目前,滑動軸承所使用的合金主要是錫基、鉛基、銅基和鋁基合金。其中,錫基和鉛基軸承合金為軟基體、硬質點金相組織;銅基和鋁基軸承合金為硬基體、軟質點金相組織。錫基和鉛基軸承合金都是低熔點合金,通常統稱為巴氏合金,是性能優(yōu)良、歷史悠久、使用廣泛的軸承合金。巴氏合金主要用于制造汽車發(fā)動機和低速柴油機的軸瓦。在各種軸瓦中,巴氏合金軸瓦占80%以上。5.5.2鑄造軸承合金的牌號和成分錫基和鉛基軸承合金是承受中等負荷的軸承合金中較理想的材料。我國錫基和鉛基軸承合金的牌號和成分見表5-13所示。表5-14是常用軸承合金的特點及其應用情況。圖5.26為典型錫基和鉛基軸承合金的顯微組織。其中圖5.26(a)為ZSnSb11Cu6合金的組織,其相組成是:基體是α固溶體,白色方塊狀、三角形、多邊形為SnSb化合物,白色針狀、粒狀、星狀為Cu6Sn5。β相的最大線長度為100μm。圖5.26(b)是ZPbSb15Sn10合金顯微組織,基體為Pb與固溶體Sn(Sb)的共晶體,白色方塊為β(SnSb),白色針狀為η(Cu3Sn)或Cu2Sb。5.5.3鑄造軸承合金的熔鑄由于巴氏合金的強度較低,一般均澆鑄在鋼殼(鋼背)上,成為雙金屬軸瓦,以此來增強軸瓦的強度。一定范圍內合金層越薄承載能力越大。鋼背材料厚度小于4cm的稱為薄壁軸瓦,而厚度大于4cm的稱為厚壁軸瓦,巴氏合金的澆鑄工藝包括:鋼殼的清洗與鍍錫、合金的熔煉、合金的雙金屬澆鑄等過程。1軸承鋼殼的清洗與鍍錫為了使軸承合金與鋼殼結合牢固,在澆鑄前必須把鋼殼表面清洗干凈并鍍錫。其工藝過程為:脫脂--水洗--酸洗--水洗--沸水清洗--涂保護層--涂熔劑--鍍錫。2合金的熔煉錫基和鉛基軸承合金的熔煉設備可以用電爐、油爐和焦炭爐。為了減少軸承合金的雜質含量,熔煉時對金屬原材料的純度有一定要求。大批量生產時,為了使合金成分均勻,防止合金液過熱,采用預制合金錠,然后將合金錠重熔并升溫到規(guī)定溫度后澆鑄軸瓦。3合金的熔鑄軸承合金的澆鑄方法應根據廠家的實際生產條件及合金鑄件的質量要求來進行合理的選擇。錫基和鉛基軸承合金的澆鑄方法、過程、特點及應用見表5-15。5.6鑄造鈦合金5.6.1鈦及鈦合金的特性鈦在地殼中的儲藏量非常豐富,質量分數占0.6%,在常用金屬元素中僅次于鋁、鐵和鎂,居第四位。我國鈦資源儲量約占世界儲量的1/4。由于鈦的活性高,分離提取較為困難,直到20世紀50年代才成為具有工業(yè)意義的金屬結構材料。鈦及鈦合金之所以成為一種重要的金屬結構材料,是因為它具有許多突出的優(yōu)點。例如鈦合金的力學性能高,σb可達700~1160MPa,它的密度約為4.58g/cm3,在所有鑄造合金中,鈦合金的比強度(σb/ρ)最高,遠高于鑄鋁和鑄鎂合金,也高于鑄造合金鋼。5.6.2鈦合金的組織成分和牌號鑄造鈦合金按退火狀態(tài)可分為三類:α鈦合金、β鈦合金和α+β鈦合金。1α鈦合金α鈦合金包括工業(yè)純鈦,鈦鋁合金、鈦鋁錫合金等。這類合金的退火組織為全α相,α鈦合金的共同優(yōu)點主要是焊接性能好,組織穩(wěn)定,高溫性能也好,可長期在450℃下工作,是耐熱鈦合金的基礎。這種合金的抗蝕性也高,缺點是強度不夠高(<700MPa),變形抗力大,熱加工性能較差。工業(yè)純鈦在常溫下σ可達300MPa,δ=40%。加入α穩(wěn)定元素鋁及中性元素錫和鋯等可進一步提高常溫及高溫強度。2β鈦合金

在鈦合金中,β相是一種高溫存在的組織,在室溫時極不穩(wěn)定,所以要使退火組織為全β相的鈦合金,往往需要加入大量(>30%)穩(wěn)定β相的Mo、Nb、V、Ta等稀貴元素,故現在工業(yè)應用的β鈦合金實際上都是介穩(wěn)定的β鈦合金,即利用淬火來獲得全β相組織,牌號以TB表示。在成分適當時,這種合金經淬火時效后可獲得很高的常溫力學性能,是目前發(fā)展高強度鈦合金的基礎。但由于這種合金含有多種高熔點元素,冶煉工藝復雜,不易保證成分均勻,熱處理后力學性能波動較大,耐熱性和焊接性也差,故實際應用較少。3α+β鈦合金

α+β型鈦合金是以α相為基礎,再通過添加適量的β穩(wěn)定化元素,使組織中獲得一定數量的β相所得到的一種合金。它既保持了α鈦合金的高耐熱性、組織穩(wěn)定、焊接性好等優(yōu)點,又彌補了α鈦合金不能熱處理強化的不足,使合金通過熱處理強化,具有更高的強度。因此,α+β鈦合金是目前應用最廣的鈦合金。α+β鈦合金可以通過調整成分和熱處理工藝在相當大的范圍調整性能。

在α+β鈦合金中,為了獲得α相,均加入α相穩(wěn)定化元素Al,為了得到一定數量的β相,還加入了一定量的β相穩(wěn)定化元素,如V、Cu、Mo、Mn、Cr、Si等。世界主要國家鑄造鈦合金的牌號見表5-16。國內典型的鑄造鈦合金的力學性能和成分見表5-17。5.6.3鑄造鈦合金的熔鑄鈦及鈦合金的生產與鋼鐵、鋁、銅等傳統金屬材料相比,最大的差異和難點在于熔煉。由于鈦的熔點高,高溫化學特性非常活潑,幾乎和所有的耐火材料以及氧、氮、氫等氣體發(fā)生反應,使得多種常規(guī)的冶金方法不能應用于鈦及鈦合金的熔煉。1真空自耗電極電弧爐熔煉鈦及鈦合金鑄錠的熔煉必須在真空或惰性氣體的保護下,在強制水冷卻的銅坩堝中進行。其熔煉方法按熱源分類有以下幾種:真空自耗電極電弧熔煉、真空非自耗電極電弧熔煉、電子束或

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