《有色金屬材料制備與應(yīng)用》課件 4-鑄造鋁銅、鋁鎂和鋁鋅合金

《合金熔煉與制備》鑄造鋁銅、鋁鎂和鋁鋅合金2鑄造鋁銅合金？鑄造鋁鎂合金？鑄造鋁鋅合金？一題錄二三一、鑄造鋁銅合金？1、Cu含量對(duì)相圖的影響（1）溶解度： 548度時(shí)(共晶溫度)為5.65%Cu;300度時(shí)為0.5%Cu;室溫時(shí)為0.1%Cu以下，優(yōu)良的固溶強(qiáng)化作用。（2）室溫組織：α固溶體、θ(CuAl2)和二元共晶（α+CuAl2）。（3）熱處理：Cu=4.5％~5.5％的合金能保證獲得最大的淬火效果；Cu>5.5％時(shí)，組織會(huì)有殘余脆性相CuAl2出現(xiàn)，而且含Cu愈多，合金組織中CuAl2就愈多，強(qiáng)化效果下降。因此，當(dāng)含Cu量超過(guò)7％時(shí)，合金通常都在鑄態(tài)下使用。一、鑄造鋁銅合金？1）Cu=5-6%附近時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值，伸長(zhǎng)率持續(xù)下降。Cu>6%后，隨Cu的增加，強(qiáng)度和延伸率大大下降。

2）CuAl2相與α固溶體之間有顯著的電位差，合金的耐蝕性能也不好。所以，Al-Cu二元合金在工業(yè)上應(yīng)用并不多。圖Cu對(duì)Al-Cu二元合金力學(xué)性能的影響|（4）力學(xué)性能一、鑄造鋁銅合金？

1）Cu在4-6%時(shí)：鑄造性能較差，熱裂傾向大。原因：與Al-Si合金相比，結(jié)晶溫度范圍大、收縮率大，疏松傾向嚴(yán)重，且CuAl2在熔點(diǎn)附近塑性甚低，收縮時(shí)易被拉裂，因而容易形成熱裂。

2）隨著Cu含量的增加，鑄造性能有所改善。|（5）鑄造性能一、鑄造鋁銅合金？|Al-Cu-Mn-Ti（ZL201）ZL201化學(xué)成分：

Cu4.5％~5.3％，Mn0.6％~1.0％，Ti0.15％~0.35％，余為Al。特性：

力學(xué)性能相當(dāng)高，砂型鑄造經(jīng)T5處理，室溫力學(xué)性能可以達(dá)到：抗拉強(qiáng)度300MPa~400MPa，伸長(zhǎng)率4%~10％，沖擊韌性8~10J/cm2。應(yīng)用：

可用作承受大的動(dòng)載荷和靜載荷的零件，也可用于在300℃以下溫度工作的零件，而且此合金在低溫(-70℃)時(shí)仍保持良好的力學(xué)性能，是用途很廣的一種合金。一、鑄造鋁銅合金？|Al-Cu-Mn-Ti（ZL201）1、Mn對(duì)合金的影響(1)組織方面：部分Mn溶入α相形成過(guò)飽和固溶體，余下以α+T(Cu2Mn3Al20)二元共晶體及α+CuAl2+T(Cu2Mn3Al20)三元共晶富集在晶界，強(qiáng)烈抑制晶界擴(kuò)散，利于提高合金的室溫和高溫性能。(2)T相特性：400度以下在α固溶體中的溶解度變化很小，不易長(zhǎng)大，熱硬性較高，可以改善合金高溫性能。(3)熱處理強(qiáng)化：固溶處理時(shí)，過(guò)飽和的Mn會(huì)生成二次T(Cu2Mn3Al20)相，且彌散狀析出。時(shí)效過(guò)程中，CuAl2也呈彌散狀析出。(4)加入量：Mn量不得大于1%，否則T相增多，尺寸也增大。同時(shí)增加了合金的脆性，降低合金性能，最佳0.8-0.9%。一、鑄造鋁銅合金？|Al-Cu-Mn-Ti（ZL201）

（a）

（b）圖1-28ZL201含金的顯微組織（砂型，200×，0.5％HF腐蝕）（a）鑄態(tài);（b）T4處理一、鑄造鋁銅合金？|Al-Cu-Mn-Ti（ZL201）2、Ti對(duì)合金的影響（1）合金中含有少量的Ti時(shí)可使組織得到顯著的細(xì)化，從而使CuAl2和T相在熱處理時(shí)能更充分的溶解，分布更均勻，充分發(fā)揮它阻礙晶間滑移的作用，提高強(qiáng)化效果。Ti的加入量以0.2%~0.25％為佳。（2）Ti量過(guò)少不能使組織細(xì)化，過(guò)多則熔煉過(guò)程將產(chǎn)生Ti的偏析，在坩堝底部出現(xiàn)粗大的TiAl3片狀化合物。（3）合金液停留時(shí)間越長(zhǎng)，片狀TiAl3化合物的晶粒也越大。澆注時(shí)，即成為夾雜物混入鑄件，使力學(xué)性能變壞。一、鑄造鋁銅合金？|Al-Cu-Mn-Ti（ZL201）3、Mn和Ti對(duì)熱烈傾向的影響（1）Mn：Cu量大于4.5％的Al-Cu合金內(nèi)加入超過(guò)0.5％Mn時(shí)，即能改善熱裂傾向。這是因?yàn)镸n增加了組織中的共晶體量的緣故。（2）Ti：晶粒細(xì)化使合金晶粒凝固時(shí)間相對(duì)縮短，并且晶界相也被細(xì)化，細(xì)小晶粒間有較好的聯(lián)接表面，因而在固相溫度附近合金有較好的力學(xué)性能，提高了合金的抗熱裂性能。一、鑄造鋁銅合金？|Al-Cu-Mn-Ti（ZL201）4、雜質(zhì)元素（1）ZL201合金的雜質(zhì)限制為：Si≤0.3％，F(xiàn)e≤0.3％，Zn≤0.3％，Mg≤0.05％。（2）Si降低了Cu在α中的溶解度，而且組織中出現(xiàn)低熔點(diǎn)的α+CuAl2+Si三元共晶而不得不降低淬火溫度，進(jìn)而減少了溶入α中的Cu量；（3）Si能形成不溶的Al10Mn2Si相，而減少溶于α中的Mn量，粗大的Al10Mn2Si相分布在晶界上，削弱了基體。一、鑄造鋁銅合金？|耐熱鋁合金Al-Cu類合金可以作為耐熱鑄造鋁合金的基礎(chǔ)的原因：（1）α固溶體的化學(xué)組成愈復(fù)雜，組織結(jié)構(gòu)愈穩(wěn)定，合金的耐熱性也愈好；（2）第二相的熱穩(wěn)定性愈高，晶粒愈細(xì)，沿晶界分布的彌散度愈高，則愈能阻滯固溶體在高溫下的變形，合金的耐熱性就愈好。第二相的熱穩(wěn)定性，通?？捎盟诟邷叵碌娘@微硬度——熱硬性來(lái)衡量。200℃~250℃ W（Al4Mg5Cu4Si4）；250℃~300℃ S（Al2CuMg）；300℃~350℃ TMn（Al20Cu2Mn3），（AlSiFe）；350℃~400℃ TNi（Al6Cu3Ni），Al8Cu4Ce，Al8Mn4Ce，Al24Cu8Ce3Mn。

在Al合金中，加入Cu不但可以提高α固溶體的熱穩(wěn)定性，更重要的是可以形成高溫穩(wěn)定相。二、鑄造鋁鎂合金？1、Mg對(duì)相圖的影響富鋁側(cè)也是簡(jiǎn)單的共晶相圖。Mg最大溶解度450度時(shí)為17.4%。室溫下僅有1%左右。當(dāng)Mg含量小于35%時(shí)，只有α和β兩相且能形成共晶體。

這類合金的耐蝕性好，強(qiáng)度高，密度?。坏T造性能差，

耐熱性低。

常用代號(hào)為ZL301(ZAlMg10)、ZL303(ZAlMg5Si1)等。主要用于制造外形簡(jiǎn)單、承受沖擊載荷、在腐蝕性介質(zhì)下工作的零件，如艦船配件、氨用泵體等。二、鑄造鋁鎂合金？圖ZL301合金鑄態(tài)顯傲組織（砂型，200×，0.5％HF腐蝕）

晶粒相當(dāng)粗大，尺寸約為90μm，同時(shí)存在著白色枝晶網(wǎng)絡(luò)狀的β相，黑色塊狀的Mg2Si相和灰色片狀A(yù)l3Fe相。二、鑄造鋁鎂合金？|2、力學(xué)性能（1）隨Mg量的增加，強(qiáng)度，延伸率均出現(xiàn)峰值。（2）Mg=10%左右時(shí)，延伸率最大；Mg=12%左右時(shí)，強(qiáng)度最大。（3）Mg量大于12％時(shí)，β相不能完全溶入α固溶體，而在晶界上的脆性β相，不僅不能強(qiáng)化合金，反而將大大削弱基體，使力學(xué)性能急劇下降。（4）由于生產(chǎn)上熱處理（淬火）時(shí)間和溫度受到一定限制，不能使合金達(dá)到理想的最大固溶度，所以實(shí)用的Al-Mg二元合金的含Mg量不超過(guò)11.5％。二、鑄造鋁鎂合金？|3、耐蝕性能（1）Al-Mg合金表面有一層抗蝕性極高的尖晶石（Al2O3·MgO·XRnOm）膜，故單相組織的Al-Mg合金在海水等介質(zhì)中具有很高的抗蝕性（但在硝酸中它的抗蝕性卻比Al-Si合金低得多）；（2）當(dāng)Mg>11.5%后，組織中開始出現(xiàn)游離的β相時(shí)，由于α相與β固溶體間的電位差很大，將使抗蝕性能大大降低。另，β相沿α晶界呈網(wǎng)狀分布時(shí)，尤易引起合金的應(yīng)力腐蝕。二、鑄造鋁鎂合金？|4、鑄造性能（1）由于該合金的結(jié)晶溫度范圍大(190度)，流動(dòng)性不好，所以鑄造性能差；當(dāng)Mg=4%-6%時(shí)，結(jié)晶溫度范圍最大，鑄造性能最差；繼續(xù)增加Mg，結(jié)晶溫度范圍變小，共晶體數(shù)量增加，當(dāng)Mg=9%-10%時(shí)，鑄造性能較好。（2）Mg極易氧化，Mg>1.5%時(shí)就會(huì)使液面的氧化膜由致密變?yōu)樗缮ⅲ辉倨鸱乐寡趸淖饔?；故Al-Mg合金鑄造壁厚效應(yīng)較大。（3）從力學(xué)性能、耐腐蝕性能和鑄造性能等綜合效果出發(fā)，Al-Mg二元合金的含Mg量選為9.5%~11.5％。二、鑄造鋁鎂合金？|5、多元Al-Mg合金——Si的影響

（1）改善鑄造性能。加入1％左右的Si以后，組織中就出現(xiàn)了相當(dāng)數(shù)量的（α+Mg2Si）共晶體，提高了充型能力，減小了線收縮率，尤其是明顯減輕了疏松和熱裂傾向。（2）生成的Mg2Si相不溶于α固溶體中，沿α固溶體的晶界分布，通常鑄態(tài)下使用。（3）在高溫下，Mg2Si相能起到一定的阻礙基體變形的作用，配合晶粒細(xì)化作用的Ti、B、Be元素使用，具有良好的高溫性能。

（4）由于Si的存在，合金中加入Mn可形成AlSiMnFe四元化合物，降低雜質(zhì)Fe所形成的Al3Fe和（Al9Si2Fe2）脆性化合物對(duì)合金力學(xué)性能的有害影響。（5）Si的對(duì)合金的耐蝕性能影響不大，在潮濕空氣和海水中具有良好的耐蝕性和一定的耐熱性。多用做在中等載荷下使用的船舶、航空及內(nèi)燃機(jī)車零件。二、鑄造鋁鎂合金？|5、多元Al-Mg合金——Zn的影響(1)加入>1％Zn后，會(huì)形成新相T[Mg32(AlZn)49]。一方面降低了Mg原子的擴(kuò)散能力，因而阻止了β相的析出，從而抑制了合金的自然時(shí)效。另一方面使析出的β相呈不連續(xù)分布，從而顯著提高了合金的抗應(yīng)力腐蝕能力。(2)含Zn量低于1%時(shí)，抗拉強(qiáng)度較低；隨著Zn量的增加，抗拉強(qiáng)度提高，但引起塑性降低；當(dāng)Zn量大于1.7％時(shí)，塑性下降十分明顯。Zn量一般選擇為1%~1.5％左右。二、鑄造鋁鎂合金？|5、多元Al-Mg合金——Be的影響

（1）減弱了Al-Mg合金的壁厚效應(yīng)。Be是表面活性元素，且能優(yōu)先氧化，氧化后的BeO體積為Be的1.71倍，填補(bǔ)了氧化膜的空隙，從而有效的防止了合金的氧化。（2）含Be量過(guò)多，將使合金晶粒變粗，降低合金的塑性，增大熱裂傾向。因此，往往同時(shí)加入Ti0.05％~0.07％以細(xì)化晶粒。（3）Be價(jià)格昂貴以及有礙工人健康，近年來(lái)有人用微量（0.001％左右）的稀土Ce（鈰）來(lái)代替，值得試驗(yàn)應(yīng)用。二、鑄造鋁鎂合金？|5、多元Al-Mg合金，Ti、Zr和B的影響（1）Zr、B和Ti能細(xì)化晶粒，可以單獨(dú)加入，也可以聯(lián)合加入。β相彌散度增高，阻礙淬火后β相的析出。（2）加入量極少，一般為Zr0.1％~0.3％，B0.005％~0.01％，Ti0.05％~0.07％。（3）Zr在不高的溫度下（300~400℃）能和氫起反應(yīng)，生成的ZrH，在高溫中能全部或部分地溶解在金屬中，所以具有一定的除氣作用。圖Ti和Zr對(duì)99.99%Al晶粒大小的影響三、鑄造鋁鋅合金？（1）Zn在Al中的最大溶解度在共晶溫度382℃時(shí)可達(dá)84％，室溫時(shí)，2％左右。因此，具有很大的強(qiáng)化潛力；（2）當(dāng)溫度為275℃~353℃時(shí)，含Zn量為31.6％~77.7％的合金中，單相的α固溶體要分解成含Zn量不同的兩種α固溶體α1和α2，這兩種固溶體的點(diǎn)陣相同，而點(diǎn)陣常數(shù)和元素的濃度不同；（3）熱強(qiáng)性很差。在高溫下形成的過(guò)飽和固溶體會(huì)迅速析出，且第二相形式存在的Zn相的高溫顯微硬度非常低。三、鑄造鋁鋅合金？

根據(jù)三元相圖，當(dāng)Zn、Mg的加入量配合適當(dāng)時(shí)，將形成T[Mg32(Zn，Al)49]、η(MgZn2)和β(Mg2Al3)等化合物，它們都是合金的強(qiáng)化相。經(jīng)固溶處理后，將全部溶入固溶體中，而起強(qiáng)化作用。隨溫度的下降，溶解度顯著減小，具有很大的熱處理強(qiáng)化潛力。

鑄造Al-Zn-Mg合金中，Zn和Mg的總量愈高，抗拉強(qiáng)度愈高，而伸長(zhǎng)率和抗蝕性能則急劇下降。當(dāng)加入其它輔助性元素時(shí)，Zn和Mg的總量可以提高到10％~12％，而同時(shí)能獲得滿意的塑性和耐蝕性能。|Al-Zn-Mg（ZL402）ZL402：Mg0.5-0.65、Zn5.0-6.5、Ti0.15-0.2